基于杭嘉湖平原河網模型的嘉善水廠斷面水質達標分析

朱銘銘,逄 勇, 2,謝蓉蓉,王健健,徐凌云

(1.河海大學環境學院,江蘇 南京 210098;2.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098)

杭嘉湖平原位于中國浙江省北部，是浙江最大的堆積平原，位于太湖以南，錢塘江和杭州灣以北，天目山以東，包括嘉興市全部，湖州市大部以及杭州市的東北部,面積約7 620 km2。杭嘉湖平原地勢低平，河網密布，平均海拔3 m左右，河網密度3.8 km/km2，水面率約10%。南部杭州灣沿岸一帶水面率較小，為4%～6%;北部和東北部一帶水面率較大，為12%～17%，有京杭大運河穿過。

近年來,隨著經濟、社會的發展,杭嘉湖平原河網水質性缺水日益嚴重,不僅影響市民的日常生活,對該地區的經濟發展也形成了一定制約。

為了研究并解決河流污染問題,國內外先后出現了很多運用廣泛的水環境數學模型運算軟件,其中運用比較成熟的有DHI公司開發的MIKE系列軟件,美國國家環境保護局(USEPA)于1983年開發并逐步修訂完善的WASP模型[1]，最初由美國得克薩斯州水利發展部(Texas Water Development Board)開發,后來經過USEPA等機構修改并完善的QUAL系列模型[2],20世紀90年代美國農業部農業研究中心(USDA-ARS)開發的SWAT模型[3]等。曾劍等[4]采用由MIKE系列軟件構建了溫瑞塘河河網水質模型,對河網水質變化趨勢進行了驗證和預測;廖振良等[5]應用WASP模型進行水質模擬預測,分析了蘇州河水質變化的趨勢和水質達標需要削減的污染物量;方曉波等[6]聯合QUAL2K模型及一維水質模型,對錢塘江水體納污能力進行了計算分析;唐莉華等[7]應用模型對溫榆河流域不同水平年的徑流、泥沙和非點源污染負荷進行了模擬計算,對流域內點源和非點源污染的貢獻率進行了分析。

筆者在水文、水質例行監測基礎上,利用丹麥水力學所的MIKE11軟件建立了杭嘉湖平原河網水動力-水質數學模型,模擬杭嘉湖地區水環境,選取1個重點控制斷面(嘉善水廠)進行內外源水質影響的權重分析,提出該斷面的水質達標方案。

1 基本方程

1.1 水動力模型

在MIKE11模型中,描述一維河網非恒定流的水動力模型控制方程為Saint-Venant微分方程組:

(1)

式中:A為過水斷面面積;Q為流量;x為距離坐標;t為時間坐標;g為重力加速度;h為水位;q為單位河段長度的旁側入流流量;C為謝才系數;R為水力半徑;α為動量校正系數。

利用Abbott六點隱式格式[8]離散控制方程組,離散格式在每一個網格點按順序交替計算水位或流量。

1.2 水質模型

本文采用MIKE11模型系統中的對流擴散模塊(AD)和水質反應模塊(ECOlab),對CODMn、NH3-N這兩個有較大影響的污染因子進行模擬。

對流擴散模塊的控制方程是建立在質量守恒基礎上的對流擴散方程,該方程假設物質在斷面上完全混合:

(2)

式中:ρ為水流輸送物質的濃度;Ex為縱向擴散系數;ρ2為源/匯項的濃度；K為污染物降解系數。

MIKE11對流擴散模塊利用時間和空間中心隱式差分格式[9]求解上述方程。

在水質反應模塊中,考慮DO、BOD、NH3-N、NO3-N、TN、有機磷、TP和CODMn這幾種物質之間的交互作用,利用ECOlab模塊模擬這幾種物質的物理、化學及生物反應過程。

對流擴散模塊與水質反應模塊耦合運行,采用龍格庫塔法[10]進行積分求解,得到污染物質的濃度。

2 模型建立及率定驗證

2.1 模型的建立

2.1.1 河網概化

本文建立模型區域為杭嘉湖平原河網,杭嘉湖地區河流縱橫交錯、成網狀分布，水系十分復雜,因此需對河網進行合理的概化。本文在充分掌握杭嘉湖平原河網水動力、水文資料的基礎上,以主干河道為基礎,按照河網概化的基本原則,對杭嘉湖流域河網進行了合理的概化。概化后河網如圖1所示。

圖1 杭嘉湖河網概化圖

2.1.2 邊界條件

模型計算范圍涵蓋整個杭嘉湖流域,共設置31個計算邊界,所有邊界水動力條件均采用2009年全年水位過程。

2.1.3 污染源概化

本次計算依據浙江省2009年污染源普查資料[11]得到杭嘉湖平原河網地區2009年CODMn入河量為34.68萬t/a,NH3-N入河量為3.76萬t/a。

在統計杭嘉湖流域污染源的基礎上,點源按其排污口所在河道輸入模型,面源則平均分配到各相應河段上。

2.2 模型率定驗證

模型對杭嘉湖河網的14個水文站點及15個水質站點進行了全面驗證。站點位置見圖2。

圖2 水文及水質站點位置

2.2.1 水動力模型率定

根據2009年全年的野外水文水質同步監測成果,對水動力模型進行率定。邊界條件采用實測水位過程。采用試錯法進行率定,即根據部分斷面實測的水位資料,調試各河道的糙率,使得計算水位過程與實測水位相吻合,率定得出河道糙率在0.025～0.050之間。部分驗證點位水位計算值與實測值的對比如圖3所示。

圖3 2009年部分驗證點位水位實測值與計算值比較

2.2.2 水質模型率定

杭嘉湖河網水質模型參數主要選取CODMn和NH3-N的降解系數進行取值,結合流域水動力特征,率定得到的CODMn降解系數為0.08～0.12/d,NH3-N降解系數為0.07～0.10/d。部分驗證點位CODMn和NH3-N質量濃度計算值與實測值的對比如圖4～5所示。

圖4 2009年部分驗證點位實測CODMn與計算值比較

圖5 2009年部分驗證點位NH3-N質量濃度實測值與計算值比較

通過部分率定結果圖對比可知,水位與水質兩者均吻合較好。對14個水文監測斷面水位率定以及對15個水質監測斷面水質率定統計得到,水位相對誤差小于10%,CODMn和NH3-N的質量濃度計算值平均誤差分別為11%及20%,在建模誤差允許范圍內。因此所建立的流域河網水動力、水質模型合理可信,能較準確地模擬該流域水質狀況。

3 水質達標方案分析

3.1 內外源權重分析

根據2009年污染源普查資料及嘉善水廠斷面實測資料,確定研究區域主要污染物質為CODMn和NH3-N。

內源外影響權重計算公式為

(3)

式中:αi為研究區域內部污染源所占的權重;α0為研究區域外部污染源所占的權重;ρi為邊界取功能區目標水質時,考慮內部污染源排放情況下按水質模型計算得出的控制斷面水質濃度;ρ0為邊界取實測水質時,不考慮內部污染源排放情況下按水質模型計算得出的控制斷面的水質濃度。

利用本文所建立的杭嘉湖平原河網模型,在水文、水質例行監測資料的基礎上:邊界水質取功能區目標水質,模型考慮研究區域內部污染源排放,根據內源權重計算公式,得出CODMn內源權重為55.4%,NH3-N內源權重為67.2%;邊界取實測水質,模型不考慮研究區域內部污染源排放,根據外源權重計算公式,得出CODMn外源權重為44.6%,NH3-N外源權重為32.8%。由此可見研究區域內源對嘉善水廠斷面的影響較大。

3.2 水質達標削減方案

根據《浙江省地表水(環境)功能區劃》的要求,嘉善水廠斷面應達到Ⅲ類水質標準。由于研究區域內源對嘉善水廠斷面的影響較大,故本文重點研究內部污染源在不同削減率下對嘉善水廠斷面水質的改善情況。

在模型邊界取功能區目標水質的前提下,分別模擬研究區域污染源(包括工業點源、污水處理廠和農村面源)削減10%、30%、50%和80%下嘉善水廠斷面的水質改善情況,并計算嘉善水廠斷面水質達到功能區值時,研究區域污染源的削減率。經計算,在邊界水質達標的情況下,要使嘉善水廠斷面水質達到功能區目標水質,研究區域內CODMn質量濃度需削減68%,NH3-N質量濃度需削減75%。

研究區域污染源負荷在不同削減率下的嘉善水廠斷面水質改善狀況如圖6所示。

圖6 2009年污染源在不同削減率下的CODMn、NH3-N質量濃度對比

4 結 語

筆者從重點斷面水質達標出發,利用MIKE11 軟件包建立了杭嘉湖平原河網水環境數學模型,并對水文和水質進行了率定驗證。由率定驗證結果得知模型參數選取合理,計算值和實測值吻合良好。

為確保嘉善水廠斷面水質達標,研究區域內的點源污染負荷可以通過提高城鎮污水處理廠的接管率、調整工業產業結構布局和對部分工業企業進行提標改造等措施進行削減;面源污染負荷可以通過畜禽與水產養殖污染控制、種植田地結構調整和農村環境連片整治等措施進行削減。

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