基于氧平衡的錢塘江河口水質(zhì)模型研究及應用

李若華，周 維，姚凱華，趙 坤

(1.河海大學環(huán)境學院，南京 210098；2.浙江省水利河口研究院，杭州 310020；3.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，南京 210098)

水體缺氧會導致魚類窒息死亡，還會使有機物發(fā)生厭氧分解產(chǎn)生硫化氫等有毒有害物質(zhì)，對水生生物和水質(zhì)安全進一步構(gòu)成威脅，因此水體缺氧問題一直是人們研究的熱點[1-4]。錢塘江河口富陽-閘口河段(見圖1)承擔了杭州市85%的生活用水，然而該河段卻經(jīng)常出現(xiàn)低氧現(xiàn)象，個別時期DO甚至低于1 mg/L[5,6]，多次發(fā)生死魚現(xiàn)象，嚴重威脅供水安全。富陽-閘口河段的低氧現(xiàn)象已受到強烈關(guān)注[5-8]，目前研究成果表明入江污染負荷過大是造成該河段低氧的主要元兇[7,8]，但對低氧產(chǎn)生機理多從定性角度研究，尚未給出明確的定量分析。水質(zhì)數(shù)學模型是模擬污染物在水體中的行為，預測水環(huán)境狀況的主要工具[9]。本文借助水環(huán)境軟件Mike21的HD、AD、Ecolab模塊，基于BOD耗氧、硝化耗氧、大氣復氧等氧平衡因素，構(gòu)建錢塘江河口上游段潮流水質(zhì)耦合模型，定量研究DO等水質(zhì)指標與污染負荷及徑流量的響應關(guān)系。

1 錢塘江河口概況

錢塘江富春江電站以下為感潮河段，稱為錢塘江河口(見圖1)，其中富春江電站-聞家堰河段主要受徑流控制，為近口段；聞家堰-澉浦河段受徑流和潮汐共同影響，為過渡段；澉浦以下稱為杭州灣，主要受外海潮波影響。錢塘江河口年均徑流約952 m3/s，主要集中在3-6月(或4-7月)(見圖2)，占全年的60%以上。錢塘江河口是一個典型的強潮寬淺型河口，潮汐受M2分潮控制。澉浦實測最大潮差達到9 m，澉浦以上潮差逐漸減小，閘口多年平均潮差為0.56 m，平均漲潮歷時1.53 h，平均落潮歷時10.88 h。

圖1 錢塘江河口平面圖

圖2 錢塘江河口多年月均徑流量(1969-2015年)

2 模型構(gòu)建及驗證

2.1 模型描述

數(shù)學模型選用丹麥水力學研究所研制的平面二維Mike21FM軟件，該軟件采用無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，可較好地擬合錢塘江河口不規(guī)則的岸線邊界。錢塘江河口水質(zhì)模擬系統(tǒng)見圖3。水動力模式主要用于模擬研究河段的水動力狀況，在此基礎上基于AD模塊模擬各物質(zhì)在物理作用下的對流擴散，最后水質(zhì)模式模擬各物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化及化學反應。水動力及對流擴散方程介紹見文獻[10]，下面僅對水質(zhì)模式進行介紹。

河流中DO供應的來源主要為大氣復氧，耗氧主要為水體中含碳化合物被氧化耗氧(即BOD)、含氮化合物(即NH3-N)硝化耗氧和底泥耗氧等[11]。該河段河床以砂礫石為主，淤泥質(zhì)較少，底泥耗氧量小，在此不予考慮。現(xiàn)有研究成果表明[7,8]，入河污染負荷較大是造成該河段低氧的元兇，因此水質(zhì)模式主要模擬水體中BOD、NH3-N、NO3-N等物質(zhì)生化過程中的耗氧。物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系見圖4。各物質(zhì)間的生化過程描述如下。

BOD模擬方程：

圖3 模擬系統(tǒng)的組成

圖4 Ecolab水質(zhì)模塊物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系

(1)

DO模擬方程：

(2)

NH3-N模擬方程：

(3)

NO3-N模擬方程：

(4)

式中：L為BOD濃度， mg/L；K1為BOD衰減率；O為DO濃度， mg/L；Os為當?shù)厮疁睾蛪毫Φ腄O飽和濃度， mg/L；K2為復氧率，d-1；α1為單位NH3-N氧化為NO3-N的耗氧率，4.57；β1為氨氮生物氧化速率常數(shù)，d-1；CN1、CN2分別為NH3-N、NO3-N的濃度，以N含量計。

2.2 模型建立和驗證

模型邊界設置應考慮2個因素：一是應距離重點關(guān)心河段足夠遠，以減小邊界條件對關(guān)心區(qū)域的影響；二是盡量選擇長期水文站點，以便容易獲得水文資料。富陽-閘口段是本文研究的重點河段，故模型上邊界取在富春江電站，采用電站下泄流量作為上邊界條件，模型下邊界取在倉前，倉前為長期潮位站，給定實測潮位以控制潮汐動力。模型范圍及網(wǎng)格劃分見圖5，模型模擬河段全長約122 km，共劃分14 150 個三角形單元，最小空間步長為40 m。

圖5 數(shù)模計算范圍及網(wǎng)格布設

模型進行應用首先需進行參數(shù)率定和模型驗證。2011年5月、2011年9月在模型范圍進行了2次大范圍的水流、水質(zhì)監(jiān)測，因此采用2011年5月實測資料對模型中的阻力系數(shù)、擴散系數(shù)及各物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化系數(shù)等參數(shù)進行率定，采用2011年9月實測資料進行模型驗證，部分驗證結(jié)果見圖6。由圖6可見，實測值與計算值吻合較好，表明模型能夠模擬研究河段的水動力及生化過程。參數(shù)率定及模型驗證結(jié)果表明，水質(zhì)模式中對DO影響最大的是BOD5降解系數(shù)和大氣復氧系數(shù)。

由圖6可見，BOD5指標自上游向下游呈上升趨勢，尤其在富陽斷面快速升高，而DO指標自上游向下游則呈下降趨勢，自富陽后快速下降，NH3-N指標自桐廬-中埠段呈上升趨勢，自富陽后有所下降，NO3-N指標變化很小，沿線基本維持在2.3 mg/L左右。根據(jù)各指標的沿線變化趨勢可初步判斷，DO與BOD5的相關(guān)性較強，與NH3-N、NO3-N的相關(guān)性略差。

圖6 數(shù)學模型水流水質(zhì)驗證

3 污染負荷及徑流量對水質(zhì)的影響

3.1 富陽排污對DO的影響

“造紙之鄉(xiāng)”富陽是排污大縣，根據(jù)文獻[8]，富陽排污是造成該河段低氧的元兇之一。為定量分析富陽排污對該河段DO及其他水質(zhì)的影響，將富陽入江污水量削減一半，即BOD5減排3 160 t/a，NH3-N減排1 850 t/a，借助數(shù)學模型研究水質(zhì)改善效果，結(jié)果見圖7。

圖7表明，富陽入江污水減排50%后，富陽及以下河段DO明顯升高，富陽斷面的DO濃度由4.7 mg/L提高至5.1 mg/L，升高了0.4 mg/L，漁山-閘口段的DO濃度升高了約0.5 mg/L，升高幅度達14%；富陽斷面的BOD5濃度由3.0 mg/L降低至2.9 mg/L，降低了0.1 mg/L，漁山及以下河段BOD5濃度降低更加明顯，漁山-閘口段的BOD5濃度降低了約0.5 mg/L，降低幅度達15%；富陽及以下河段NH3-N濃度降低0.02～0.03 mg/L，降低幅度約7%，NO3-N濃度降低約0.02 mg/L，因本底值較高，降低幅度僅0.01%，根據(jù)每毫克NH3-N氧化為NO3-N需氧4.57 mg計算，可減少耗氧0.1 mg/L。由此可見，富陽造紙廢水中的耗氧物質(zhì)對錢塘江的DO有較大影響，其中BOD5降解對DO影響較大，NO3-N的硝化作用對DO也有一定影響。

3.2 徑流量對DO的影響

錢塘江河口上游的新安江水庫是錢塘江流域最大的水庫，水質(zhì)可達地表水Ⅰ類(不含總氮)，枯水期新安江水庫下泄流量可占富春江電站下泄流量的80%以上。為定量分析徑流量變化對研究河段的水質(zhì)尤其是DO的影響，設置模型上邊界的徑流量分別為200、350、500、1 000 m3/s，采用數(shù)學模型研究徑流量變化對水質(zhì)的改善效果，結(jié)果見圖8。

圖8表明，增大徑流量對中埠以上河段的水質(zhì)影響不大，但可顯著改善富陽以下河段的水質(zhì)狀況。下泄流量為200 m3/s時，漁山-閘口的DO濃度均低于2.5 mg/L，BOD5濃度為4.1～4.5 mg/L；下泄流量增大到500 m3/s時，DO濃度可升高至3.7～4.1 mg/L，BOD5濃度降低至3.2～3.6 mg/L，與流量200 m3/s時相比，DO升高幅度達60%以上，BOD5降低幅度達20%以上；下泄流量增大至1 000 m3/s時，DO濃度可升至4.5～4.9 mg/L，BOD5濃度降至2.8～3.2 mg/L，與流量200 m3/s時相比，DO升高幅度達90%以上，BOD5降低幅度達30%以上。

同時也可看到，增大下泄流量不僅改善了富陽以下河段的NH3-N濃度，也可改善富陽以上河段的NH3-N濃度，下泄流量500 m3/s與200 m3/s時相比，NH3-N濃度自桐廬-中埠段降低0.05 mg/L，降低幅度約14%，富陽-閘口段的NH3-N濃度降低0.03～0.05 mg/L，降低幅度為7%～14%。NO3-N濃度因本底值較高，隨下泄流量變化不明顯。

圖7 富陽造紙廢水減排50%后水質(zhì)改善效果

圖8 增大下泄徑流量的水質(zhì)改善效果

上述分析表明，錢塘江河口上游段的BOD5負荷主要集中在富陽及以下河段，而NH3-N負荷沿程分布相對均勻，NO3-N負荷則主要來源于河口上游河段。隨著下泄流量的增大，對河口的水質(zhì)尤其是DO、BOD5濃度改善明顯，可有效稀釋降低BOD5濃度，提高DO濃度，另外也說明富陽下游的低氧與BOD5的相關(guān)性較大。

4 結(jié) 論

(1)構(gòu)建了錢塘江河口上游段潮流水質(zhì)耦合數(shù)值模型，驗證表明模型計算結(jié)果與原型監(jiān)測結(jié)果接近，基本上能反映出研究河段水動力狀況及污染物輸運轉(zhuǎn)化規(guī)律，抓住了研究河段的水動力和生化變化的過程，可用于富陽-閘口河段水質(zhì)的數(shù)值模擬研究。

(2)富陽入江污水中的BOD5對錢塘江河口富陽下游河段的DO有較大影響，富陽污水減排50%時，富陽下游河段的BOD5濃度可降低約0.5 mg/L，NH3-N濃度可降低0.02～0.03 mg/L，DO濃度可提高0.5 mg/L。富陽入江污水90%為造紙廢水，因此建議富陽采取改進造紙工藝、深化污水處理等措施，減少污染物的排放，以減輕錢塘江富陽河段的水環(huán)境負擔。

(3)增大下泄徑流量對改善富陽-閘口河段的水質(zhì)狀況、提高DO含量有非常積極的作用。徑流量由200 m3/s增大至500 m3/s時，漁山-閘口的DO濃度可由2.5 mg/L以下升至4.1 mg/L以上，BOD5濃度可由4.5 mg/L降至3.6 mg/L。因此建議新安江水庫在枯水期增大下泄徑流量，改善錢塘江河口的水質(zhì)及低氧狀況。

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