長(zhǎng)江泰州段水域納污能力研究分析

王勝艷 王為攀 黃 勇

(1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局泰州分局， 江蘇 泰州 225300；2.江蘇省泰州引江河管理處， 江蘇 泰州 225321)

長(zhǎng)江泰州段水域納污能力研究分析

王勝艷1王為攀2黃 勇1

(1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局泰州分局， 江蘇 泰州 225300；2.江蘇省泰州引江河管理處， 江蘇 泰州 225321)

研究水域納污能力可以為水資源保護(hù)和水環(huán)境管理提供決策依據(jù)。本文根據(jù)長(zhǎng)江泰州段水功能區(qū)分布的實(shí)際情況，分析水域納污能力，結(jié)果表明：長(zhǎng)江泰州段對(duì)化學(xué)需氧量的納污能力為36977t/a，對(duì)氨氮的納污能力為1908t/a。

水域； 納污能力； 分析

水域納污能力是指在設(shè)計(jì)水文條件下，某種污染物滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)要求所能容納的該污染物的最大數(shù)量。本文根據(jù)長(zhǎng)江泰州段水功能區(qū)分布情況及使用功能，研究該水域的納污能力，為該江段水資源保護(hù)和水環(huán)境管理提供決策依據(jù)。

1 研究水域概況

1.1 長(zhǎng)江泰州段概況

長(zhǎng)江泰州段西起泰州新?lián)P灣港，東至靖江的長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)，河道彎曲、汊道眾多、順直多變，干流總長(zhǎng)約96km。該江段屬長(zhǎng)江河口感潮河段，河川徑流受上游來(lái)水和下游潮汐影響，水流特性位于潮流界與潮區(qū)界之間，每日兩漲兩落，常年以順流為主。長(zhǎng)江泰州段水流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)則既受制于多變的地形條件，又受徑流動(dòng)力和潮汐動(dòng)力的雙重作用，是長(zhǎng)江下游河道水流特性極其復(fù)雜的一個(gè)典型河段。

1.2 水功能區(qū)劃

根據(jù)《江蘇省地表水環(huán)境功能區(qū)劃》，長(zhǎng)江泰州段共劃分了13個(gè)水功能區(qū)，總河長(zhǎng)95.60km，其中保護(hù)區(qū)1個(gè)，保留區(qū)3個(gè)，飲用水源區(qū)2個(gè)，過渡區(qū)2個(gè)，工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)5個(gè)，2020年水質(zhì)目標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。

表1 長(zhǎng)江泰州段水功能區(qū)劃分情況

2 水域納污能力分析

2.1 計(jì)算指標(biāo)

根據(jù)長(zhǎng)江泰州段水質(zhì)現(xiàn)狀，水域納污能力計(jì)算指標(biāo)為化學(xué)需氧量和氨氮。

2.2 計(jì)算原則

2.2.1 四類水功能區(qū)水域納污能力

保留區(qū)、保護(hù)區(qū)、飲用水源區(qū)及過渡區(qū)水域，這四類水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)原則上是維持現(xiàn)狀水質(zhì)不變且無(wú)點(diǎn)源污染，其納污能力因與現(xiàn)狀污染負(fù)荷相同，因此，直接采用現(xiàn)狀面源污染入河量作為其水域納污能力。

2.2.2 其他水功能區(qū)納污能力

其他水功能區(qū)以工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水為主，需要根據(jù)該江段水動(dòng)力特征和實(shí)際情況建立二維非穩(wěn)態(tài)水量—水質(zhì)數(shù)值模型，以模型計(jì)算結(jié)果作為水域納污能力。因長(zhǎng)江岸線較長(zhǎng)，需要將相應(yīng)水功能區(qū)的限定長(zhǎng)度范圍作為排污混合帶，在該范圍內(nèi)允許水質(zhì)超標(biāo)，在該長(zhǎng)度以外則水質(zhì)達(dá)標(biāo)，本次計(jì)算排污混合帶長(zhǎng)度取相應(yīng)水功能區(qū)10%的長(zhǎng)江岸線長(zhǎng)度。

2.3 現(xiàn)狀污染物入河量

現(xiàn)狀污染物入河量是指人類的生產(chǎn)、生活活動(dòng)所產(chǎn)生的污染物進(jìn)入地表水體的總量，包括點(diǎn)源污染和面源污染。

點(diǎn)源現(xiàn)狀資料來(lái)源為調(diào)查監(jiān)測(cè)的資料。為便于模型模擬，本次計(jì)算將排污口概化。根據(jù)長(zhǎng)江泰州段沿線的工業(yè)污染源、主要入江支流排污口分布情況，將距離較近的幾個(gè)排污口概化為一個(gè)排污口，概化后的排污口位置居中，確保排污口的總體分布格局保持不變。

面源通過現(xiàn)狀調(diào)查分析計(jì)算得出。根據(jù)泰州市統(tǒng)計(jì)年鑒中人口、耕地面積、畜牧業(yè)生產(chǎn)情況等相關(guān)資料及調(diào)查得到的資料，參考中國(guó)環(huán)境規(guī)劃院提出的排污系數(shù)范圍，采取排污系數(shù)法計(jì)算得到各水功能區(qū)的面源污染物產(chǎn)生量及入河量。

2.4 二維非穩(wěn)態(tài)水流—水質(zhì)數(shù)值模型的建立和驗(yàn)證

計(jì)算水域內(nèi)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和漁業(yè)用水區(qū)的水域納污能力，需要建立二維非穩(wěn)態(tài)水流—水質(zhì)數(shù)值模型，用以模擬水體的水流過程和相應(yīng)的污染物輸運(yùn)擴(kuò)散過程，得到相應(yīng)水功能區(qū)10%的長(zhǎng)江岸線長(zhǎng)度為排污混合帶的水域納污能力。

2.4.1 模型基本方程和求解方法

2.4.1.1 水量模型

a.基本方程。

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

式中x、y——水平方向縱向、橫向坐標(biāo)；

u、v——x、y方向平均流速分量；

H——全水深，即水底到水面的距離；

ξ——水位；

f——柯氏力系數(shù)；

g——重力加速度；

b.求解方法。由于計(jì)算區(qū)域邊界彎曲，為不規(guī)則邊界，故采用邊界擬合坐標(biāo)技術(shù)對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行坐標(biāo)變換。坐標(biāo)變換后可將X-Y平面上不規(guī)則的物理區(qū)域變換為坐標(biāo)系下的矩形區(qū)域。變換關(guān)系如下：

(4)

式中P、Q——調(diào)節(jié)函數(shù)。

ξ-n坐標(biāo)系下的水動(dòng)力方程為

(5)

式中，J=xξyn-xηyξ。

用有限體積法對(duì)變換后的式(5)進(jìn)行離散，采用交錯(cuò)網(wǎng)格技術(shù)，用ADI法對(duì)方程組進(jìn)行數(shù)值求解，計(jì)算得到各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的水位、垂線平均流速。

2.4.1.2 水質(zhì)模型

a.基本方程：

(6)

式中C——污染物濃度；

Dx、Dy——x、y方向濃度擴(kuò)散系數(shù)；

SC——污染物源強(qiáng)。

b.求解方法。將式(6)變換為ξ-η正交曲線坐標(biāo)系下的對(duì)流分散方程。采用有限體積法離散控制方程，并進(jìn)行數(shù)值求解，得到各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的濃度數(shù)值。

2.4.2 模型計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格布置

長(zhǎng)江泰州段上游為鎮(zhèn)揚(yáng)河段，長(zhǎng)江主流出和暢洲汊道進(jìn)入大港水道后水流較穩(wěn)定，這為研究水域提供一個(gè)穩(wěn)定的入流的條件。為計(jì)算水域一個(gè)穩(wěn)定的入流條件。因此，本次計(jì)算區(qū)域上游選擇鎮(zhèn)揚(yáng)河段的瓜州，下游選擇長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)，全長(zhǎng)約150km。

計(jì)算水域采用三角形網(wǎng)格布置，較正交曲線更貼合長(zhǎng)江河道天然岸線邊界。通過求解Poisson方程，計(jì)算區(qū)域概化為計(jì)算網(wǎng)格19512個(gè)，節(jié)點(diǎn)10214個(gè)，網(wǎng)格單元的邊長(zhǎng)約為120m。

2.4.3 計(jì)算時(shí)段

非穩(wěn)態(tài)二維水量-水質(zhì)數(shù)值計(jì)算模型采用顯式計(jì)算方法。根據(jù)計(jì)算區(qū)域劃分的網(wǎng)格單元大小，考慮水流和水質(zhì)的不同計(jì)算特征，水流模擬計(jì)算時(shí)步長(zhǎng)為0.5s，而水質(zhì)計(jì)算步長(zhǎng)為10s。

2.4.4 計(jì)算條件和參數(shù)確定

2.4.4.1 水文設(shè)計(jì)條件

根據(jù)大通站多年長(zhǎng)系列水文資料，選取多年實(shí)測(cè)最小月平均流量作為統(tǒng)計(jì)樣本，采用頻率分析法，得到90%保證率的枯水設(shè)計(jì)流量為8040m3/s，與典型大潮構(gòu)成組合方案，作為水質(zhì)預(yù)測(cè)的設(shè)計(jì)水文條件。大通水文站1980年1月的平均流量為8150m3/s，接近于該流量值。因此確定以1980年1月為計(jì)算典型月。

流量及水位邊界條件是：Q=Q0、Z=Z0，即上邊界給定流量過程，下邊界給定水位過程。由于計(jì)算區(qū)域與大通站間區(qū)間入流量相對(duì)較小，故以大通站最小月平均流量作為一維水流模擬的上邊界條件，用下游潮位站的同步潮位過程作為下邊界條件，經(jīng)一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型模擬后得到計(jì)算區(qū)域二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的上下游邊界的潮位變化過程，并以此作為設(shè)計(jì)邊界條件。

2.4.4.2 水質(zhì)設(shè)計(jì)條件

根據(jù)江蘇省水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心泰州分中心自2005年1月至2015年12月長(zhǎng)江泰州段水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，化學(xué)需氧量和氨氮的平均監(jiān)測(cè)質(zhì)量濃度分別是小于15mg/L、0.302mg/L。考慮不利影響，水質(zhì)設(shè)計(jì)條件為化學(xué)需氧量15mg/L、氨氮0.302mg/L。

濃度場(chǎng)邊界條件為：入流邊界所有節(jié)點(diǎn)濃度增量為0；出流邊界采用第二類邊界條件，即濃度增量的法向?qū)?shù)為0。

2.4.4.3 初始條件

初始時(shí)刻計(jì)算區(qū)域水位取下游邊界水位，其流速、濃度增量取0。

2.4.4.4 計(jì)算參數(shù)

綜合考慮計(jì)算區(qū)域地形、水生植物等其他因素的影響，結(jié)合長(zhǎng)江江蘇段的水動(dòng)力研究成果，長(zhǎng)江泰州段糙率取值0.020～0.022；柯氏力系數(shù)f=7.37×10-5；分散系數(shù)選用公式Ex=αxhu*，Ey=αyhu*，其中αx取為6，αy取為0.60，得到縱向及橫向擴(kuò)散系數(shù)分別取為120m2/s、0.60 m2/s；化學(xué)需氧量的降解系數(shù)為0.15/d，氨氮的降解系數(shù)為0.13/d。

2.4.5 模型率定和驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的可靠性，對(duì)長(zhǎng)江泰州段自1980年1月大潮和小潮過程進(jìn)行了模擬，同時(shí)，利用實(shí)測(cè)潮位資源作為邊界條件分別對(duì)大潮和小潮漲急、落急時(shí)刻特征進(jìn)行水流模擬。將水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，大、小潮水位率定誤差計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差值均在20cm之內(nèi)，小于10cm的占78.90%。流場(chǎng)空間分布基本合理，潮位過程線及流速驗(yàn)證精度較高，說(shuō)明該模型能夠較好地模擬長(zhǎng)江泰州段實(shí)際水流情況。

3 水域納污能力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)面源現(xiàn)狀調(diào)查資料，經(jīng)計(jì)算分析，計(jì)算水域內(nèi)保留區(qū)、保護(hù)區(qū)、飲用水源區(qū)及過渡區(qū)共8個(gè)水功能區(qū)水域納污能力為：化學(xué)需氧量3373t/a，氨氮432t/a。根據(jù)二維水量-水質(zhì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，計(jì)算水域內(nèi)其他5個(gè)水功能區(qū)的水域納污能力為：化學(xué)需氧量33604t/a，氨氮1476t/a。長(zhǎng)江泰州段水域納污能力合計(jì)為：化學(xué)需氧量36977t/a，氨氮1908t/a，見表2。

4 結(jié) 論

長(zhǎng)江泰州段對(duì)化學(xué)需氧量的水域納污能力為36977t/a，對(duì)氨氮的水域納污能力為1908t/a。研究水

表2 水域納污能力計(jì)算結(jié)果

域納污能力是促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用、落實(shí)水功能區(qū)限制納污紅線管理目標(biāo)的重要科學(xué)依據(jù)。為保護(hù)長(zhǎng)江中下游的水質(zhì)，必須加強(qiáng)對(duì)入江污染物的控制和管理，使污染物排放總量限值在納污能力即最大允許排放量之內(nèi)，將有益于全面落實(shí)水功能區(qū)限制納污紅線管理目標(biāo)。

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Study and analysis on water pollution receiving capacity in Yangtze River Taizhou Section

WANG Shengyan1, WANG Weipan2, HUANG Yong1

(1.JiangsuHydrologyandWaterResourcesSurveyBureauTaizhouBranch,Taizhou225300,China; 2.JiangsuTaizhouRiverDiversionManagementOffice,Taizhou225321,China)

Research on water pollution receiving capacity can provide decision-making basis for protecting water resources and managing water environment. In the paper, the water pollution receiving capacity is analyzed according to practical condition of water function zone distribution in Yangtze River Taizhou Section. The result shows that the pollution receiving capacity of chemical oxygen demand is 36977t/a and the pollution receiving capacity of ammonia nitrogen is 1908t/a in Yangtze River Taizhou Section.

water; pollutant receiving capacity; analysis

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.02.009

TV212.5

A

2096-0131(2017)02- 0029- 04