新溝河排江對長江水質(zhì)影響風險分析

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(上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200434)

1 研究背景

新溝河延伸拓浚工程是《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》規(guī)劃實施的提高太湖水環(huán)境容量(納污能力)6項引排工程之一。工程的主要任務(wù)是配合望虞河引水、新孟河引水，優(yōu)化太湖引排格局，控制直武地區(qū)入太湖河道5 a一遇以下入太湖水改為北排長江，減少太湖特別是梅梁湖的污染負荷，改善太湖及梅梁湖水質(zhì)，同時提高流域、區(qū)域的防洪排澇能力[1-3]。

新溝河在正常工況下的排江水流對長江水環(huán)境的影響并不大[3]，但考慮到長江以及下游鄰近水廠取水口水質(zhì)的重要性，為防范水質(zhì)污染風險，控制污染范圍，保證水廠取水安全，有必要進一步研究在特殊水文、水質(zhì)的不利條件下，新溝河排江水流對長江以及取水區(qū)域水質(zhì)的影響。同時，長江水質(zhì)不同月份的NH3-N本底濃度差別較大，為保證水廠供水安全，確定不同本底濃度下最大允許排江負荷具有極大的應(yīng)用價值。本文采用國內(nèi)外常用的由DHI開發(fā)的MIKE 21數(shù)值模擬軟件[4]，通過建立長江二維水動力水質(zhì)數(shù)學模型，研究新溝河排江對長江水質(zhì)的影響。

2 二維水動力水質(zhì)數(shù)學模型

2.1 基本方程

考慮Bousinesque近似和淺水假定，以及風應(yīng)力的影響，垂向積分的二維水動力學方程組如下。

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中：h為水深(m)；ζ為水位(m)；p，q分別為x，y向的單寬流量(m3/(s·m-1))；g為重力加速度(m/s2)；C為謝才系數(shù)；n為曼寧系數(shù)；f為風阻力系數(shù)；V，Vx，Vy分別為風速及其在x，y向的分量(m/s)；Ω為科氏參數(shù)；Pa為大氣壓(Pa)；ρw為水的密度(kg/m3)；τxx，τxy，τyy為剪切應(yīng)力分量。

污染物對流擴散方程為

(4)

式中：c為污染物濃度；u，v分別為x，y向的流速；Dx，Dy分別為x，y向的擴散系數(shù)；k為綜合降解系數(shù)；S為源匯項[5]。

2.2 模型計算范圍及局部網(wǎng)格

綜合考慮工程區(qū)域、模型資料獲取以及研究目的等因素確定模型范圍。模型上起鎮(zhèn)江，下至天生港，全長約164 km，采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格劃分，對工程區(qū)域進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格尺寸為100～400 m，共有28 489個網(wǎng)格。模型范圍及新溝河入江口門處的網(wǎng)格見圖1。

圖1 模型范圍及局部網(wǎng)格劃分Fig.1 Domain of model and mesh division of local area

圖2 潮位驗證Fig.2 Verification of tidal level

2.3 模型驗證

模型計算按照枯季保證率不低于90%，選取2003年11月—2004年4月長江枯季流量保證率為91.23%下的鎮(zhèn)江、天生港實測潮位作為開邊界條件。驗證資料采用2009年2月26日—3月5日實測潮位、流速、流量資料。部分站點驗證結(jié)果見圖2和圖3。

圖3 流速及流向驗證Fig.3 Verification of velocity and direction of flow

潮位、流速、流向的計算值與實測值大小相近，相位基本一致，過程相似性較好，表明建立的長江二維水動力模型能反映長江實際水流的運動過程，能為水質(zhì)模擬提供水動力基礎(chǔ)。

3 排江風險分析

3.1 可能的排江負荷

新溝河最大排江流量為河道設(shè)計最大過流能力310 m3/s，是按100 a一遇標準確定的。根據(jù)現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據(jù)及模型預測結(jié)果，平水年新溝河連續(xù)排江時，NH3-N排江濃度一般不會超3.0 mg/L；遇流域5 a一遇降水時，NH3-N排江濃度為1.1～1.4 mg/L；遇流域100 a一遇降水時，NH3-N排江濃度應(yīng)不會超過1.0 mg/L。

3.2 長江水質(zhì)本底濃度

新溝河入江口上游約30 km處魏村水廠取水口長江NH3-N濃度多年監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖4。該江段NH3-N濃度年際變化相對穩(wěn)定，季節(jié)性差異較為明顯。1-3月份NH3-N濃度明顯較高，在0.4～1.0 mg/L之間，基本為Ⅱ—Ⅲ類水質(zhì)；4—12月份NH3-N濃度較低，全部可達Ⅱ類水質(zhì)標準，基本在0.3 mg/L以下。

3.3 敏感目標

根據(jù)正常水文年影響預測計算結(jié)果，新溝河排江對上、下游4個水源保護區(qū)影響最大的是位于工程入江口下游最近的小灣水源地保護區(qū)，因此，風險影響分析中，以小灣水源保護區(qū)作為敏感目標。江陰小灣水廠取水口位于新溝河入江口下游11.6 km，一級保護區(qū)水域范圍為取水口上游1 000 m至下游600 m向?qū)Π?00 m至本岸背水坡范圍，二級保護區(qū)水域為一級保護區(qū)以外上溯1 500 m、下延900 m，準保護區(qū)為二級保護區(qū)以外上溯2 000 m、下延1 000 m，見圖5。

圖5 新溝河入江口與上、下游各水廠及保護區(qū)位置關(guān)系Fig.5 Location of Xingou river mouth, upstream and downstream water plants and protection zones

表2 不同NH3-N排江濃度時下游不同距離處NH3-N濃度最大和平均增量Table 2 Maximum and average increments of downstream NH3-N concentration at different distances after discharge with varying NH3-N concentration

3.4 最不利影響計算

為了解工程在極端條件下對長江可能造成的最不利影響，對工程排江最不利組合進行設(shè)計計算。選取長江最不利的枯季水文條件作為計算年型(2003年11月—2004年4月)，流量保證率為91.23%，以其中的最枯時期2004年1—2月流量計算。為保守考慮，假定長江NH3-N本底濃度為0，計算最大排江流量下長江水體污染物濃度(NH3-N)的增量，計算方案見表1。

表1 新溝河排江風險分析計算方案Table 1 Calculation plans of risk analysis on Xingou river discharge

3.4.1 計算結(jié)果

各方案下，NH3-N排江擴散的計算結(jié)果見表2和圖6。

當新溝河以最大設(shè)計流量310 m3/s排江時，NH3-N濃度越高對排江口區(qū)域長江水質(zhì)影響越大。在長江枯水年型計算條件下，隨著NH3-N排江濃度從0.5 mg/L升高至3.0 mg/L，下游長江水質(zhì)NH3-N濃度最大增量達0.2 mg/L的距離從2.2 km逐漸增大到12.2 km。當NH3-N排江濃度達到2.0 mg/L時，對入江口下游10.5 km以內(nèi)的長江沿岸區(qū)域水質(zhì)均會帶來較大影響，入江口下游沿岸10.5 km處濃度最大增量約0.2 mg/L，濃度平均增量約為0.06 mg/L，下游小灣水廠取水口的最大增量約0.18 mg/L，平均增量約0.05 mg/L。

圖6 不同NH3-N排江濃度下落憩時刻水域NH3-N濃度增量Fig.6 NH3-N concentration increment at ebb time after discharge with different concentrations

進一步統(tǒng)計在不同排江濃度下入江口區(qū)域各類水質(zhì)超標情況，同時考慮到長江實際存在NH3-N本底濃度，且不同季節(jié)濃度差異較明顯，選取長江4—10月份氨氮高值0.3 mg/L和1—3月份可能濃度0.7 mg/L為本底，分別統(tǒng)計在不同本底、不同排江濃度下各類水質(zhì)超標情況，見表3。(說明：根據(jù)圖4 2004—2009年長江氨氮濃度逐月監(jiān)測值，4—10月份的氨氮濃度基本<0.3 mg/L，1—3月份氨氮濃度各年的數(shù)據(jù)變化較大，大致在0.4～1.0 mg/L之間，取中間值0.7 mg/L作為可能出現(xiàn)的本底值。當本底為0.7 mg/L，本底水質(zhì)已是超Ⅱ類。)

表3 不同排江濃度引起的超Ⅲ類及超Ⅱ類水質(zhì)標準范圍Table 3 Ranges of water quality standard exceeding level Ⅲ and level Ⅱ caused by discharge with different concentrations

注：地表水Ⅲ類水質(zhì)NH3-N濃度限值為1.0 mg/L，Ⅱ類水質(zhì)NH3-N濃度限值為0.5 mg/L

由表3可知，同一NH3-N本底濃度下，NH3-N排江濃度越大，各類水質(zhì)超標范圍越大。NH3-N本底濃度為0.3 mg/L時，NH3-N排江濃度從1.0 mg/L增大到3.0 mg/L，上游超Ⅲ類水質(zhì)范圍從0.9 km增加到2.8 km，下游超Ⅲ類水質(zhì)范圍從1.2 km增加到4.3 km，橫向超Ⅲ類水質(zhì)范圍從1.4 km增加到1.9 km。同一NH3-N排江濃度下，NH3-N本底濃度越大，水質(zhì)超標范圍越大。NH3-N排江濃度為1.0 mg/L時，NH3-N本底濃度從0.3 mg/L增大到0.7 mg/L，上游超Ⅲ類水質(zhì)范圍從0.9 km增加到2.7 km，下游超Ⅲ類水質(zhì)范圍從1.2 km增加到3.8 km，橫向超Ⅲ類水質(zhì)范圍從1.4 km增加到1.7 km。

3.4.2 對小灣水廠水源地水質(zhì)的風險分析

當新溝河以最大設(shè)計流量310 m3/s排江，NH3-N排江濃度達到3 mg/L時，小灣水廠取水口處的NH3-N濃度最大增量達到0.265 mg/L，平均增量為0.077 mg/L，見表4。從濃度最大增量來看，當長江NH3-N本底濃度超過0.235 mg/L時，新溝河排江會導致小灣水廠取水口水質(zhì)類別在某些時段由Ⅱ類降為Ⅲ類。但從NH3-N濃度平均增量僅為0.077 mg/L來看，新溝河排江導致小灣水廠取水口處水質(zhì)類別下降的可能性不大。小灣水廠準保護區(qū)、二級保護區(qū)和一級保護區(qū)邊界處NH3-N濃度最大增量分別為0.426，0.368，0.320 mg/L，當長江NH3-N本底濃度分別超過0.074，0.132，0.180 mg/L時，小灣水廠準保護區(qū)、二級保護區(qū)和一級保護區(qū)邊界的水質(zhì)類別在某些時段會由Ⅱ類降為Ⅲ類。小灣水廠準保護區(qū)、二級保護區(qū)和一級保護區(qū)邊界處NH3-N濃度平均增量分別為0.132，0.111，0.096 mg/L，長江NH3-N本底濃度超過0.368，0.389，0.404 mg/L時，小灣水廠準保護區(qū)、二級保護區(qū)和一級保護區(qū)邊界處的水質(zhì)類別在某些時段會由Ⅱ類降為Ⅲ類。可見，新溝河以最大設(shè)計流量310 m3/s、NH3-N濃度3 mg/L的負荷風險排江時，會對下游小灣水廠取水水質(zhì)產(chǎn)生較大影響，需采取措施進行水質(zhì)影響風險防范。

表4 新溝河310 m3/s流量排江時小灣水廠取水口及其上游保護區(qū)NH3-N濃度增量Table 4 Increments of NH3-N concentration at Xiaowan water intake and upstream protection zone in the presence of 310 m3/s discharge rate of Xingou river

根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H污染源狀況預測，當排江流量達到310 m3/s，即流域100 a一遇降水造峰期時段，排江洪水中NH3-N濃度應(yīng)不會超過1 mg/L。如表4所示，由模型預測計算結(jié)果可知，在新溝河以流量310 m3/s、NH3-N濃度1 mg/L排江時，小灣水廠準保護區(qū)、二級保護區(qū)、一級保護區(qū)邊界和取水口處NH3-N濃度最大增量分別為0.142，0.123，0.107，0.088 mg/L，當長江NH3-N本底濃度超過0.358，0.377，0.393，0.412 mg/L時，小灣水廠準保護區(qū)、二級保護區(qū)、一級保護區(qū)和取水口的水質(zhì)類別在某些時段會由Ⅱ類改變?yōu)棰箢悺Ｐ乘畯S準保護區(qū)、二級保護區(qū)、一級保護區(qū)和取水口處NH3-N濃度平均增量分別為0.044，0.037，0.032，0.026 mg/L，當長江NH3-N本底濃度超過0.456，0.463，0.468，0.474mg/L時，小灣水廠準保護區(qū)、二級保護區(qū)、一級保護區(qū)和取水口區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)類別會由Ⅱ類降為Ⅲ類?？梢娦聹虾右宰畲笤O(shè)計流量310 m3/s、NH3-N濃度1.0 mg/L的負荷排江時，仍然會對下游小灣水廠取水水質(zhì)產(chǎn)生一定程度的影響。

4 結(jié)論與預防措施

盡管上述計算是以最不利條件為前提，但研究發(fā)現(xiàn)，新溝河排江對長江水質(zhì)及水廠取水安全確實造成一定風險，且NH3-N排江濃度越大，對長江水質(zhì)影響越大；長江NH3-N本底濃度越高，排江水流對長江水質(zhì)的影響越大，甚至會引起取水廠取水水質(zhì)類別降低。一旦此類情況發(fā)生，不僅會影響長江生態(tài)環(huán)境，也會危及民眾用水安全?？紤]到長江水質(zhì)及水廠水源地的重要性，新溝河排江應(yīng)當引起注意，采取必要的預防措施。

為控制新溝河排江風險，以NH3-N為控制指標，以保證小灣水廠二級保護區(qū)邊界水質(zhì)不超過Ⅱ類水質(zhì)濃度為限制條件，提出不同長江本底濃度下新溝河最大允許排江負荷(見表5)，供相關(guān)部門參考。表5中對長江NH3-N本底濃度在0.45～0.90 mg/L時，要求盡可能控制不排江，但在區(qū)域防洪壓力較大的情況下，以小灣水廠二級保護區(qū)邊界NH3-N濃度最大增量不超過0.01 mg/L為條件，給予了一定的允許排江流量，從數(shù)值看為10 m3/s左右的小流量。對應(yīng)長江本底情況，NH3-N出現(xiàn)0.45～0.90 mg/L范圍的時間基本全在1—3月份，因此，本調(diào)控原則上要求新溝河在1—3月份不排江，在區(qū)域防洪壓力較大時，宜按表5提出的負荷要求控制小流量排江。

注：如按負荷計算的允許排江流量超過工程河道設(shè)計最大過流能力即列為“無限制”