平原河網(wǎng)地區(qū)典型小流域水環(huán)境治理工程環(huán)境效應(yīng)評(píng)估

王曉琴，閔志華，李 傲

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程系，重慶 永川 402160)

平原河網(wǎng)地區(qū)典型小流域水環(huán)境治理工程環(huán)境效應(yīng)評(píng)估

王曉琴，閔志華，李 傲

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程系，重慶 永川 402160)

選取太湖西北部的竺山灣小流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，針對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)水流特征，建立基于MIKE模型的竺山灣流域河網(wǎng)模型。以該區(qū)域內(nèi)2012年實(shí)施的水環(huán)境治理工程為評(píng)估對(duì)象，通過(guò)整理各項(xiàng)工程設(shè)計(jì)資料、實(shí)地調(diào)研各項(xiàng)工程運(yùn)行工藝、運(yùn)行結(jié)果，匯總出各個(gè)工藝的減排效果。通過(guò)計(jì)算2011年、2012年污染物入河量，設(shè)置不同的運(yùn)算工況，核算了水環(huán)境治理工程運(yùn)行后該區(qū)域內(nèi)各鎮(zhèn)區(qū)水污染物總量達(dá)標(biāo)情況及污染物入湖量變化情況。結(jié)果表明：在容量總量目標(biāo)約束下，2012年實(shí)施的水環(huán)境治理工程使各鎮(zhèn)區(qū)污染物需削減量較2011年有所降低，同時(shí)可降低各主要入湖河流污染物入湖量，說(shuō)明水環(huán)境治理工程對(duì)竺山灣小流域內(nèi)水環(huán)境起到一定的改善作用。

MIKE模型；水環(huán)境容量；水環(huán)境治理工程；平原河網(wǎng)；竺山灣小流域

1 研究背景

自2007年太湖藍(lán)藻爆發(fā)造成嚴(yán)重水危機(jī)事件后，國(guó)家及江蘇省相繼出臺(tái)《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》及《江蘇省太湖流域水環(huán)境綜合治理實(shí)施方案》，根據(jù)上述兩方案的部署，太湖流域積極開(kāi)展了污染治理工作，中央及江蘇省多方主管部門(mén)提供資金補(bǔ)助，指導(dǎo)推動(dòng)各類(lèi)型污染源控制工程落地實(shí)施。

竺山灣小流域位于太湖湖體西北部，該流域內(nèi)河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，湖蕩眾多，屬于典型的平原河網(wǎng)區(qū)域。竺山灣流域作為太湖上游主要來(lái)水區(qū)域，陸域污染物經(jīng)主要入湖河道匯入太湖[1-2]，太湖湖體(尤其是富營(yíng)養(yǎng)化程度高的梅梁灣、竺山灣)水環(huán)境受其影響顯著[3]。鑒于太湖重污染區(qū)的上述特點(diǎn)，大量由江蘇省級(jí)資金補(bǔ)貼的水環(huán)境治理工程已在該地區(qū)開(kāi)展[4-5]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，自2007年至2012年，竺山灣流域內(nèi)五鎮(zhèn)共實(shí)施各類(lèi)型環(huán)境治理工程219項(xiàng)。工程類(lèi)型主要包括點(diǎn)源污染治理項(xiàng)目、城鎮(zhèn)生活源與垃圾處置項(xiàng)目、面源治理工程、生態(tài)修復(fù)工程。定量化已實(shí)施的水環(huán)境治理工程對(duì)區(qū)域水環(huán)境的改善效果，成為考核太湖流域水環(huán)境治理工作績(jī)效的重要支撐方面。

目前針對(duì)水環(huán)境治理工程環(huán)境效益的研究，多集中于單項(xiàng)工程的減排效果，運(yùn)用水環(huán)境數(shù)學(xué)模型從整個(gè)小流域尺度開(kāi)展相應(yīng)的研究則較少。因此，為評(píng)估竺山灣流域?qū)嵤┑乃h(huán)境治理工程的環(huán)境效益，以區(qū)域2011年、2012年污染物入河量核算為基礎(chǔ)，運(yùn)用野外監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬等研究方法，以2012年實(shí)施的水環(huán)境治理工程為評(píng)估對(duì)象，通過(guò)搜集整理各項(xiàng)工程前期設(shè)計(jì)資料，匯總出各項(xiàng)工程的減排效果；利用構(gòu)建的竺山灣流域河網(wǎng)模型，在計(jì)算竺山灣流域內(nèi)水環(huán)境容量的基礎(chǔ)上，核算了水環(huán)境治理工程運(yùn)行后該區(qū)域內(nèi)各鎮(zhèn)區(qū)水污染物總量達(dá)標(biāo)情況，同時(shí)計(jì)算主要入湖河道入湖斷面處工程實(shí)施前后水質(zhì)變化過(guò)程,進(jìn)而得到污染物入湖量變化情況，從而實(shí)現(xiàn)污染治理工程環(huán)境效應(yīng)的定量評(píng)估。

2 研究區(qū)域

研究區(qū)域?yàn)樘蒙綖沉饔?圖1)，位于太湖湖體西北部，流域內(nèi)河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，湖蕩眾多。研究區(qū)域的西部為滆湖，東部為太湖竺山灣，包括武進(jìn)區(qū)的前黃鎮(zhèn)、雪堰鎮(zhèn)和宜興市的和橋鎮(zhèn)、萬(wàn)石鎮(zhèn)和周鐵鎮(zhèn)。流域面積450 km2，主要湖泊有滆湖和太湖竺山灣。滆湖是該區(qū)域重要的行蓄洪湖泊，面積160 km2，湖水滯留時(shí)間較短，年換水系數(shù)為7.03次。竺山灣為太湖西北部的半封閉性富營(yíng)養(yǎng)湖灣，水面面積56.7 km2，平均水深1.90 m，水量1.18億m3。流域內(nèi)主要河流有東西流向的太滆運(yùn)河、漕橋河、太滆南運(yùn)河、燒香河，南北流向的武宜運(yùn)河、永安河、錫溧漕河、武進(jìn)港、雅浦港和橫塘河，其中入太湖的河流有太滆運(yùn)河、漕橋河、太滆南運(yùn)河、武進(jìn)港、雅浦港。

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1 Map of the study area

3 污染源解析

工業(yè)污染負(fù)荷根據(jù)流域內(nèi)各工業(yè)污染源普查動(dòng)態(tài)更新數(shù)據(jù)綜合得到；城鎮(zhèn)生活源與農(nóng)村生活源根據(jù)更新的人口資料，運(yùn)用排污系數(shù)法計(jì)算得到。其中城市生活源COD、氨氮、總氮、總磷排污系數(shù)分別為80.0，6.0，13.0，1.1 g/(人·日)，農(nóng)村生活源COD、氨氮、總氮、總磷排污系數(shù)分別為40.0，4.0，5.0，0.5 g/(人·日)；畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料，依據(jù)濃度實(shí)測(cè)法獲得的排污系數(shù)計(jì)算得到，其COD、氨氮、總氮、總磷的排污系數(shù)分別為17.9，3.6， 12.0， 4.0 g/(頭·日)；農(nóng)田面源測(cè)算利用分布式污染負(fù)荷模型計(jì)算得到，并運(yùn)用排污系數(shù)法進(jìn)行檢驗(yàn)，其中污染物COD、氨氮、總氮、總磷的排污系數(shù)分別為150.0， 30.0， 105.0， 7.5 kg/(hm2·a)。具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

通過(guò)計(jì)算太湖竺山灣流域內(nèi)2011年、2012年污染負(fù)荷，兩年COD平均入河污染負(fù)荷為6 169.1 t，氨氮為653.9 t，總氮為1 313.0 t，總磷為172.3 t。竺山灣流域內(nèi)不同污染物各鎮(zhèn)區(qū)及不同行業(yè)貢獻(xiàn)比例分別如圖2、圖3所示。

由圖2可見(jiàn)，從流域內(nèi)各鎮(zhèn)區(qū)不同污染物貢獻(xiàn)比例來(lái)看，COD、總磷入河量貢獻(xiàn)比例最大的為和橋鎮(zhèn)，分別占28.5%和29.7%，氨氮、總氮入河量貢獻(xiàn)比例最大的為雪堰鎮(zhèn)，分別占28.1%和27.1%。由圖3可見(jiàn)，從入河量不同行業(yè)來(lái)源分析，COD入河量主要來(lái)自城鎮(zhèn)生活(37.2%)，其次為農(nóng)村生活;氨氮入河量主要來(lái)自種植業(yè)(38.8%)，其次來(lái)自城鎮(zhèn)生活;總氮入河量主要來(lái)自種植業(yè)(49.0%)，其次來(lái)自城鎮(zhèn)生活;總磷入河量主要來(lái)自種植業(yè)(34.3%)，其次來(lái)自畜禽水產(chǎn)。

圖2 竺山灣小流域不同鎮(zhèn)區(qū)各污染物入河量貢獻(xiàn)比例Fig.2 Contribution ratios of pollutants discharged into river from different areas

圖3 竺山灣小流域不同行業(yè)污染物入河量貢獻(xiàn)比例Fig.3 Contribution ratios of pollutants discharged into river from different industries

4 水環(huán)境治理工程統(tǒng)計(jì)

本文以2012年實(shí)施的水環(huán)境治理工程為統(tǒng)計(jì)對(duì)象。2012年竺山灣流域內(nèi)共實(shí)施水環(huán)境治理工程4大類(lèi)39項(xiàng)，如圖4所示。根據(jù)各項(xiàng)目設(shè)計(jì)資料，匯總出各項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)及預(yù)期減排效果。

圖4 2012年竺山灣流域水環(huán)境治理工程分布Fig.4 Distribution of water environment treatment projects in Zhushan Bay watershed, 2012

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，如表1所示，2012年竺山灣流域通過(guò)實(shí)施水環(huán)境治理工程，可實(shí)現(xiàn)COD年減排436.2 t，氨氮71.7 t，總氮225.8 t，總磷16.1 t；從不同鎮(zhèn)區(qū)來(lái)看，水環(huán)境治理工程對(duì)污染物削減數(shù)量最大的為和橋鎮(zhèn)。

表1 2012年竺山灣流域內(nèi)水環(huán)境治理工程統(tǒng)計(jì)

5 研究方法

5.1 一維河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

5.1.1 模型建立

一維河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型控制方程如下[7]:

(1)

水動(dòng)力微分方程組以Preissmann四點(diǎn)線性隱式差分格式將其離散[8]。水質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散方程采用龍格庫(kù)塔法進(jìn)行積分求解[9]。

圖5 部分?jǐn)嗝嫠畡?dòng)力計(jì)算與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.5 Comparison between hydrodynamic model value and measured value for some sections

5.1.2 模型率定及驗(yàn)證

根據(jù)竺山灣區(qū)域內(nèi)2011年主要水文站點(diǎn)逐日水文過(guò)程數(shù)據(jù)， 采用試錯(cuò)法(即根據(jù)部分?jǐn)嗝鎸?shí)測(cè)的流量資料)調(diào)試各河道的糙率， 使得計(jì)算水位過(guò)程與實(shí)測(cè)水位相吻合， 率定得出河道糙率在0.020～0.028之間。 部分驗(yàn)證點(diǎn)水動(dòng)力過(guò)程模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖見(jiàn)圖5。

將水文率定點(diǎn)位的模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可得出， 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合較好， 說(shuō)明水動(dòng)力模型與實(shí)際相符程度較高。

根據(jù)2011年竺山灣區(qū)域內(nèi)江蘇省考核斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以COD、氨氮和總磷作為水質(zhì)模擬的對(duì)象，開(kāi)展竺山灣河網(wǎng)區(qū)水質(zhì)模型參數(shù)的率定。率定得出COD降解系數(shù)0.09～0.11 d-1；氨氮降解系數(shù)0.05～0.07 d-1，總磷降解系數(shù)0.04～0.06 d-1。部分驗(yàn)證點(diǎn)位水質(zhì)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比見(jiàn)圖6，水質(zhì)驗(yàn)證點(diǎn)位COD、氨氮和總磷濃度的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差分別為17%，16%，20%。

圖6 竺山灣流域部分河道斷面水質(zhì)計(jì)算值 與實(shí)測(cè)值對(duì)比

5.2 水環(huán)境容量計(jì)算方法

根據(jù)確定的邊界水文條件，利用一維河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出研究區(qū)域最小空間單元和最小時(shí)間單元的水環(huán)境容量值，再根據(jù)公式匯總出研究區(qū)域的水環(huán)境容量值[10]為

(2)

式中:i為計(jì)算中最小空間單元的編號(hào)：j為最小時(shí)間計(jì)算單元的編號(hào);αij為不均勻系數(shù)，0<αij≤1；Q0ij為進(jìn)口斷面的入流流量；C0ij為進(jìn)口斷面的水質(zhì)濃度；Csij為水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；Vij為水體體積。

5.3 污染物入湖量計(jì)算方法

根據(jù)率定驗(yàn)證的竺山灣河網(wǎng)模型，運(yùn)用模型計(jì)算得到竺山灣流域內(nèi)太滆運(yùn)河、漕橋河、殷村港等河道在單位時(shí)間內(nèi)的平均入湖流量值和相應(yīng)的水質(zhì)濃度，將水質(zhì)濃度與入湖流量值相乘得出各河道的入湖量值。污染物入湖量計(jì)算公式[11]為

(3)

式中:W為污染物入湖量；Ci為河道水質(zhì)濃度計(jì)算值；Qi為河道流量。

6 結(jié)果與分析

6.1 陸域總量控制效應(yīng)評(píng)估

依據(jù)污染源解析及水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果，選取COD、氨氮、總磷為評(píng)估對(duì)象，進(jìn)行竺山灣流域水環(huán)境治理工程總量控制效應(yīng)評(píng)估。本次評(píng)估設(shè)定2個(gè)工況，工況1為不考慮實(shí)施的水環(huán)境治理工程，將水環(huán)境容量與2011年污染物入河量進(jìn)行比較，核算竺山灣流域內(nèi)各鎮(zhèn)區(qū)總量達(dá)標(biāo)情況；工況2為考慮2012年實(shí)施水環(huán)境治理工程后，將水環(huán)境容量與2012年污染物入河量進(jìn)行比較，核算竺山灣流域內(nèi)各鎮(zhèn)區(qū)總量達(dá)標(biāo)情況(見(jiàn)表2)。

由表2可以知道，2012年各污染物入河量均較2011年有所增加，這與2011年至2012年竺山灣流域內(nèi)各鎮(zhèn)區(qū)人口與經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)相吻合，在不考慮水環(huán)境治理工程減排效果下，污染物入河量出現(xiàn)了“增項(xiàng)”。工況1與工況2污染物入河量均超過(guò)水環(huán)境容量，均需進(jìn)行污染物削減。但由于工況2實(shí)施了水環(huán)境治理工程，污染物入河量實(shí)現(xiàn)了“減項(xiàng)”，雖然2012年水污染物入河量較2011年有所增加，但水環(huán)境治理工程的“減項(xiàng)”與上述“增項(xiàng)”相抵消后，2012年各鎮(zhèn)區(qū)污染物需削減的量要低于2011年各鎮(zhèn)區(qū)需削減的量。即水環(huán)境治理工程實(shí)施后，在目前人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平下，可實(shí)現(xiàn)污染物削減量逐年降低，使污染物逐步達(dá)到總量控制要求。

6.2 水污染物入湖量影響評(píng)估

竺山灣流域河網(wǎng)密布， 河流間水流運(yùn)動(dòng)與污染物質(zhì)輸移規(guī)律復(fù)雜， 為定量評(píng)估竺山灣流域水環(huán)境治理工程前后污染物入湖量的變化， 基于建立的一維河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型， 設(shè)定2種工況， 開(kāi)展竺山灣地區(qū)水動(dòng)力及水質(zhì)過(guò)程的模擬計(jì)算。 工況1： 竺山灣流域內(nèi)2011年污染源(治理前)； 工況2： 竺山灣流域內(nèi)2012年污染源， 同時(shí)考慮水環(huán)境治理工程對(duì)污染源的削減作用(治理后)。 2種工況設(shè)置相同的水文條件(50%保證率平水年)和水質(zhì)邊界條件。

表2 竺山灣流域2012年水環(huán)境治理工程實(shí)施前后總量達(dá)標(biāo)情況

模型計(jì)算結(jié)果表明，從竺山灣小流域內(nèi)總?cè)牒縼?lái)看，竺山灣流域內(nèi)主要入湖河流(太滆運(yùn)河、漕橋河和太滆南運(yùn)河)2011年COD、氨氮和總磷入湖通量分別為19 870.0,1 872.0,249.4 t，2012年上述污染物入湖通量分別為19 783.0,1 859.0,239.5 t，各污染物入湖量均有所減少，COD、氨氮和總磷分別減少0.4%,0.7%,4.0%。

水環(huán)境治理工程實(shí)施前后主要入湖斷面處COD、氨氮、總磷濃度變化過(guò)程模擬結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 主要入湖斷面水環(huán)境治理工程實(shí)施前后水質(zhì)過(guò)程對(duì)比Fig.7 Water quality processes of main lake-inlet sections before and after the treatment projects were built

由圖7可知，水環(huán)境治理工程對(duì)區(qū)域水質(zhì)的影響隨季節(jié)不同而有所差異。雨季(5—10月份)降雨增加，以氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽為主的農(nóng)田面源大量產(chǎn)生，面源治理工程在此期間作用較明顯，總氮、總磷濃度在雨季分別降低0.92%和6.2%，枯季總氮、總磷濃度則相應(yīng)的降低0.53%和2.4%。城鎮(zhèn)點(diǎn)源治理工程能夠全年正常運(yùn)行，受季節(jié)影響較小，因此各評(píng)估斷面洪枯季的COD降低程度差別不大，工程前后COD洪季和枯季降低程度分別為0.46%和0.33%。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文基于平原河網(wǎng)地區(qū)復(fù)雜的水污染物質(zhì)傳遞的天然屬性，構(gòu)建一維河網(wǎng)模型，匯總區(qū)域水環(huán)境治理工程實(shí)際控污減排設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算水環(huán)境治理工程實(shí)施前后污染物總量達(dá)標(biāo)情況及各入湖斷面處污染物入湖通量情況，用以表征水環(huán)境治理工程的環(huán)境效益。通過(guò)對(duì)竺山灣小流域水環(huán)境治理工程環(huán)境效益研究，有利于深入開(kāi)展太湖流域水環(huán)境保護(hù)工作，可對(duì)流域水環(huán)境治理工程考核提供重要方法借鑒。

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(編輯：王 慰)

Evaluation on Water Environment Benefits of Pollutant TreatmentProjects for a Typical Small Watershed in Plain River Network Area

WANG Xiao-qin, MIN Zhi-hua, LI Ao

(Department of Hydraulic Engineering, Chongqing Water Resources and Electric Engineering College, Yongchuan 402160, China)

Zhuashan Bay watershed is a typical plain river network area to the northwest of the Taihu Lake. In this article, a 1-D hydrodynamic-water quality network model based on MIKE model was established to assess the benefits of water environment treatment projects built in 2012 in the Zhushan Bay watershed. The pollutant reduction effects of the projects were summarized through analyzing the design documents and field investigating the operation techniques and results. Furthermore, indexes of total pollutant amount in the watershed as well as the variations of pollutants into the Taihu Lake before and after the treatment projects were built were calculated. Results revealed that under the constraint of pollutant capacity target, the amount of pollutants to be eliminated reduced from 2011 to 2012, and meanwhile, the amount of pollutants into the Lake also fell down, indicating that the treatment projects had played a positive role in improving regional water environment.

MIKE model; water environmental capacity; water environment treatment project; plain river network area; Zhushan Bay small watershed

2016-05-13；

2016-06-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51309082)

王曉琴(1985-)，女，四川樂(lè)山人，講師，主要研究方向?yàn)樗姽こ獭⑺h(huán)境數(shù)值模擬，(電話)13594622659(電子信箱)wxqcqyc@163.com。

10.11988/ckyyb.20160463

2017,34(8):24-29

X5

A

1001-5485(2017)08-0024-06