基于杭嘉湖平原河网模型的嘉善水厂断面水质达标分析

朱铭铭,逄 勇, 2,谢蓉蓉,王健健,徐凌云

(1.河海大学环境学院,江苏 南京 210098;2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,江苏 南京 210098)

杭嘉湖平原位于中国浙江省北部，是浙江最大的堆积平原，位于太湖以南，钱塘江和杭州湾以北，天目山以东，包括嘉兴市全部，湖州市大部以及杭州市的东北部,面积约7 620 km2。杭嘉湖平原地势低平，河网密布，平均海拔3 m左右，河网密度3.8 km/km2，水面率约10%。南部杭州湾沿岸一带水面率较小，为4%～6%;北部和东北部一带水面率较大，为12%～17%，有京杭大运河穿过。

近年来,随着经济、社会的发展,杭嘉湖平原河网水质性缺水日益严重,不仅影响市民的日常生活,对该地区的经济发展也形成了一定制约。

为了研究并解决河流污染问题,国内外先后出现了很多运用广泛的水环境数学模型运算软件,其中运用比较成熟的有DHI公司开发的MIKE系列软件,美国国家环境保护局(USEPA)于1983年开发并逐步修订完善的WASP模型[1]，最初由美国得克萨斯州水利发展部(Texas Water Development Board)开发,后来经过USEPA等机构修改并完善的QUAL系列模型[2],20世纪90年代美国农业部农业研究中心(USDA-ARS)开发的SWAT模型[3]等。曾剑等[4]采用由MIKE系列软件构建了温瑞塘河河网水质模型,对河网水质变化趋势进行了验证和预测;廖振良等[5]应用WASP模型进行水质模拟预测,分析了苏州河水质变化的趋势和水质达标需要削减的污染物量;方晓波等[6]联合QUAL2K模型及一维水质模型,对钱塘江水体纳污能力进行了计算分析;唐莉华等[7]应用模型对温榆河流域不同水平年的径流、泥沙和非点源污染负荷进行了模拟计算,对流域内点源和非点源污染的贡献率进行了分析。

笔者在水文、水质例行监测基础上,利用丹麦水力学所的MIKE11软件建立了杭嘉湖平原河网水动力-水质数学模型,模拟杭嘉湖地区水环境,选取1个重点控制断面(嘉善水厂)进行内外源水质影响的权重分析,提出该断面的水质达标方案。

1 基本方程

1.1 水动力模型

在MIKE11模型中,描述一维河网非恒定流的水动力模型控制方程为Saint-Venant微分方程组:

(1)

式中:A为过水断面面积;Q为流量;x为距离坐标;t为时间坐标;g为重力加速度;h为水位;q为单位河段长度的旁侧入流流量;C为谢才系数;R为水力半径;α为动量校正系数。

利用Abbott六点隐式格式[8]离散控制方程组,离散格式在每一个网格点按顺序交替计算水位或流量。

1.2 水质模型

本文采用MIKE11模型系统中的对流扩散模块(AD)和水质反应模块(ECOlab),对CODMn、NH3-N这两个有较大影响的污染因子进行模拟。

对流扩散模块的控制方程是建立在质量守恒基础上的对流扩散方程,该方程假设物质在断面上完全混合:

(2)

式中:ρ为水流输送物质的浓度;Ex为纵向扩散系数;ρ2为源/汇项的浓度；K为污染物降解系数。

MIKE11对流扩散模块利用时间和空间中心隐式差分格式[9]求解上述方程。

在水质反应模块中,考虑DO、BOD、NH3-N、NO3-N、TN、有机磷、TP和CODMn这几种物质之间的交互作用,利用ECOlab模块模拟这几种物质的物理、化学及生物反应过程。

对流扩散模块与水质反应模块耦合运行,采用龙格库塔法[10]进行积分求解,得到污染物质的浓度。

2 模型建立及率定验证

2.1 模型的建立

2.1.1 河网概化

本文建立模型区域为杭嘉湖平原河网,杭嘉湖地区河流纵横交错、成网状分布，水系十分复杂,因此需对河网进行合理的概化。本文在充分掌握杭嘉湖平原河网水动力、水文资料的基础上,以主干河道为基础,按照河网概化的基本原则,对杭嘉湖流域河网进行了合理的概化。概化后河网如图1所示。

图1 杭嘉湖河网概化图

2.1.2 边界条件

模型计算范围涵盖整个杭嘉湖流域,共设置31个计算边界,所有边界水动力条件均采用2009年全年水位过程。

2.1.3 污染源概化

本次计算依据浙江省2009年污染源普查资料[11]得到杭嘉湖平原河网地区2009年CODMn入河量为34.68万t/a,NH3-N入河量为3.76万t/a。

在统计杭嘉湖流域污染源的基础上,点源按其排污口所在河道输入模型,面源则平均分配到各相应河段上。

2.2 模型率定验证

模型对杭嘉湖河网的14个水文站点及15个水质站点进行了全面验证。站点位置见图2。

图2 水文及水质站点位置

2.2.1 水动力模型率定

根据2009年全年的野外水文水质同步监测成果,对水动力模型进行率定。边界条件采用实测水位过程。采用试错法进行率定,即根据部分断面实测的水位资料,调试各河道的糙率,使得计算水位过程与实测水位相吻合,率定得出河道糙率在0.025～0.050之间。部分验证点位水位计算值与实测值的对比如图3所示。

图3 2009年部分验证点位水位实测值与计算值比较

2.2.2 水质模型率定

杭嘉湖河网水质模型参数主要选取CODMn和NH3-N的降解系数进行取值,结合流域水动力特征,率定得到的CODMn降解系数为0.08～0.12/d,NH3-N降解系数为0.07～0.10/d。部分验证点位CODMn和NH3-N质量浓度计算值与实测值的对比如图4～5所示。

图4 2009年部分验证点位实测CODMn与计算值比较

图5 2009年部分验证点位NH3-N质量浓度实测值与计算值比较

通过部分率定结果图对比可知,水位与水质两者均吻合较好。对14个水文监测断面水位率定以及对15个水质监测断面水质率定统计得到,水位相对误差小于10%,CODMn和NH3-N的质量浓度计算值平均误差分别为11%及20%,在建模误差允许范围内。因此所建立的流域河网水动力、水质模型合理可信,能较准确地模拟该流域水质状况。

3 水质达标方案分析

3.1 内外源权重分析

根据2009年污染源普查资料及嘉善水厂断面实测资料,确定研究区域主要污染物质为CODMn和NH3-N。

内源外影响权重计算公式为

(3)

式中:αi为研究区域内部污染源所占的权重;α0为研究区域外部污染源所占的权重;ρi为边界取功能区目标水质时,考虑内部污染源排放情况下按水质模型计算得出的控制断面水质浓度;ρ0为边界取实测水质时,不考虑内部污染源排放情况下按水质模型计算得出的控制断面的水质浓度。

利用本文所建立的杭嘉湖平原河网模型,在水文、水质例行监测资料的基础上:边界水质取功能区目标水质,模型考虑研究区域内部污染源排放,根据内源权重计算公式,得出CODMn内源权重为55.4%,NH3-N内源权重为67.2%;边界取实测水质,模型不考虑研究区域内部污染源排放,根据外源权重计算公式,得出CODMn外源权重为44.6%,NH3-N外源权重为32.8%。由此可见研究区域内源对嘉善水厂断面的影响较大。

3.2 水质达标削减方案

根据《浙江省地表水(环境)功能区划》的要求,嘉善水厂断面应达到Ⅲ类水质标准。由于研究区域内源对嘉善水厂断面的影响较大,故本文重点研究内部污染源在不同削减率下对嘉善水厂断面水质的改善情况。

在模型边界取功能区目标水质的前提下,分别模拟研究区域污染源(包括工业点源、污水处理厂和农村面源)削减10%、30%、50%和80%下嘉善水厂断面的水质改善情况,并计算嘉善水厂断面水质达到功能区值时,研究区域污染源的削减率。经计算,在边界水质达标的情况下,要使嘉善水厂断面水质达到功能区目标水质,研究区域内CODMn质量浓度需削减68%,NH3-N质量浓度需削减75%。

研究区域污染源负荷在不同削减率下的嘉善水厂断面水质改善状况如图6所示。

图6 2009年污染源在不同削减率下的CODMn、NH3-N质量浓度对比

4 结 语

笔者从重点断面水质达标出发,利用MIKE11 软件包建立了杭嘉湖平原河网水环境数学模型,并对水文和水质进行了率定验证。由率定验证结果得知模型参数选取合理,计算值和实测值吻合良好。

为确保嘉善水厂断面水质达标,研究区域内的点源污染负荷可以通过提高城镇污水处理厂的接管率、调整工业产业结构布局和对部分工业企业进行提标改造等措施进行削减;面源污染负荷可以通过畜禽与水产养殖污染控制、种植田地结构调整和农村环境连片整治等措施进行削减。

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