基于氧平衡的钱塘江河口水质模型研究及应用

李若华，周 维，姚凯华，赵 坤

(1.河海大学环境学院，南京 210098；2.浙江省水利河口研究院，杭州 310020；3.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，南京 210098)

水体缺氧会导致鱼类窒息死亡，还会使有机物发生厌氧分解产生硫化氢等有毒有害物质，对水生生物和水质安全进一步构成威胁，因此水体缺氧问题一直是人们研究的热点[1-4]。钱塘江河口富阳-闸口河段(见图1)承担了杭州市85%的生活用水，然而该河段却经常出现低氧现象，个别时期DO甚至低于1 mg/L[5,6]，多次发生死鱼现象，严重威胁供水安全。富阳-闸口河段的低氧现象已受到强烈关注[5-8]，目前研究成果表明入江污染负荷过大是造成该河段低氧的主要元凶[7,8]，但对低氧产生机理多从定性角度研究，尚未给出明确的定量分析。水质数学模型是模拟污染物在水体中的行为，预测水环境状况的主要工具[9]。本文借助水环境软件Mike21的HD、AD、Ecolab模块，基于BOD耗氧、硝化耗氧、大气复氧等氧平衡因素，构建钱塘江河口上游段潮流水质耦合模型，定量研究DO等水质指标与污染负荷及径流量的响应关系。

1 钱塘江河口概况

钱塘江富春江电站以下为感潮河段，称为钱塘江河口(见图1)，其中富春江电站-闻家堰河段主要受径流控制，为近口段；闻家堰-澉浦河段受径流和潮汐共同影响，为过渡段；澉浦以下称为杭州湾，主要受外海潮波影响。钱塘江河口年均径流约952 m3/s，主要集中在3-6月(或4-7月)(见图2)，占全年的60%以上。钱塘江河口是一个典型的强潮宽浅型河口，潮汐受M2分潮控制。澉浦实测最大潮差达到9 m，澉浦以上潮差逐渐减小，闸口多年平均潮差为0.56 m，平均涨潮历时1.53 h，平均落潮历时10.88 h。

图1 钱塘江河口平面图

图2 钱塘江河口多年月均径流量(1969-2015年)

2 模型构建及验证

2.1 模型描述

数学模型选用丹麦水力学研究所研制的平面二维Mike21FM软件，该软件采用无结构网格，可较好地拟合钱塘江河口不规则的岸线边界。钱塘江河口水质模拟系统见图3。水动力模式主要用于模拟研究河段的水动力状况，在此基础上基于AD模块模拟各物质在物理作用下的对流扩散，最后水质模式模拟各物质之间的转化及化学反应。水动力及对流扩散方程介绍见文献[10]，下面仅对水质模式进行介绍。

河流中DO供应的来源主要为大气复氧，耗氧主要为水体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]。该河段河床以砂砾石为主，淤泥质较少，底泥耗氧量小，在此不予考虑。现有研究成果表明[7,8]，入河污染负荷较大是造成该河段低氧的元凶，因此水质模式主要模拟水体中BOD、NH3-N、NO3-N等物质生化过程中的耗氧。物质转化关系见图4。各物质间的生化过程描述如下。

BOD模拟方程：

图3 模拟系统的组成

图4 Ecolab水质模块物质转化关系

(1)

DO模拟方程：

(2)

NH3-N模拟方程：

(3)

NO3-N模拟方程：

(4)

式中：L为BOD浓度， mg/L；K1为BOD衰减率；O为DO浓度， mg/L；Os为当地水温和压力的DO饱和浓度， mg/L；K2为复氧率，d-1；α1为单位NH3-N氧化为NO3-N的耗氧率，4.57；β1为氨氮生物氧化速率常数，d-1；CN1、CN2分别为NH3-N、NO3-N的浓度，以N含量计。

2.2 模型建立和验证

模型边界设置应考虑2个因素：一是应距离重点关心河段足够远，以减小边界条件对关心区域的影响；二是尽量选择长期水文站点，以便容易获得水文资料。富阳-闸口段是本文研究的重点河段，故模型上边界取在富春江电站，采用电站下泄流量作为上边界条件，模型下边界取在仓前，仓前为长期潮位站，给定实测潮位以控制潮汐动力。模型范围及网格划分见图5，模型模拟河段全长约122 km，共划分14 150 个三角形单元，最小空间步长为40 m。

图5 数模计算范围及网格布设

模型进行应用首先需进行参数率定和模型验证。2011年5月、2011年9月在模型范围进行了2次大范围的水流、水质监测，因此采用2011年5月实测资料对模型中的阻力系数、扩散系数及各物质之间的转化系数等参数进行率定，采用2011年9月实测资料进行模型验证，部分验证结果见图6。由图6可见，实测值与计算值吻合较好，表明模型能够模拟研究河段的水动力及生化过程。参数率定及模型验证结果表明，水质模式中对DO影响最大的是BOD5降解系数和大气复氧系数。

由图6可见，BOD5指标自上游向下游呈上升趋势，尤其在富阳断面快速升高，而DO指标自上游向下游则呈下降趋势，自富阳后快速下降，NH3-N指标自桐庐-中埠段呈上升趋势，自富阳后有所下降，NO3-N指标变化很小，沿线基本维持在2.3 mg/L左右。根据各指标的沿线变化趋势可初步判断，DO与BOD5的相关性较强，与NH3-N、NO3-N的相关性略差。

图6 数学模型水流水质验证

3 污染负荷及径流量对水质的影响

3.1 富阳排污对DO的影响

“造纸之乡”富阳是排污大县，根据文献[8]，富阳排污是造成该河段低氧的元凶之一。为定量分析富阳排污对该河段DO及其他水质的影响，将富阳入江污水量削减一半，即BOD5减排3 160 t/a，NH3-N减排1 850 t/a，借助数学模型研究水质改善效果，结果见图7。

图7表明，富阳入江污水减排50%后，富阳及以下河段DO明显升高，富阳断面的DO浓度由4.7 mg/L提高至5.1 mg/L，升高了0.4 mg/L，渔山-闸口段的DO浓度升高了约0.5 mg/L，升高幅度达14%；富阳断面的BOD5浓度由3.0 mg/L降低至2.9 mg/L，降低了0.1 mg/L，渔山及以下河段BOD5浓度降低更加明显，渔山-闸口段的BOD5浓度降低了约0.5 mg/L，降低幅度达15%；富阳及以下河段NH3-N浓度降低0.02～0.03 mg/L，降低幅度约7%，NO3-N浓度降低约0.02 mg/L，因本底值较高，降低幅度仅0.01%，根据每毫克NH3-N氧化为NO3-N需氧4.57 mg计算，可减少耗氧0.1 mg/L。由此可见，富阳造纸废水中的耗氧物质对钱塘江的DO有较大影响，其中BOD5降解对DO影响较大，NO3-N的硝化作用对DO也有一定影响。

3.2 径流量对DO的影响

钱塘江河口上游的新安江水库是钱塘江流域最大的水库，水质可达地表水Ⅰ类(不含总氮)，枯水期新安江水库下泄流量可占富春江电站下泄流量的80%以上。为定量分析径流量变化对研究河段的水质尤其是DO的影响，设置模型上边界的径流量分别为200、350、500、1 000 m3/s，采用数学模型研究径流量变化对水质的改善效果，结果见图8。

图8表明，增大径流量对中埠以上河段的水质影响不大，但可显著改善富阳以下河段的水质状况。下泄流量为200 m3/s时，渔山-闸口的DO浓度均低于2.5 mg/L，BOD5浓度为4.1～4.5 mg/L；下泄流量增大到500 m3/s时，DO浓度可升高至3.7～4.1 mg/L，BOD5浓度降低至3.2～3.6 mg/L，与流量200 m3/s时相比，DO升高幅度达60%以上，BOD5降低幅度达20%以上；下泄流量增大至1 000 m3/s时，DO浓度可升至4.5～4.9 mg/L，BOD5浓度降至2.8～3.2 mg/L，与流量200 m3/s时相比，DO升高幅度达90%以上，BOD5降低幅度达30%以上。

同时也可看到，增大下泄流量不仅改善了富阳以下河段的NH3-N浓度，也可改善富阳以上河段的NH3-N浓度，下泄流量500 m3/s与200 m3/s时相比，NH3-N浓度自桐庐-中埠段降低0.05 mg/L，降低幅度约14%，富阳-闸口段的NH3-N浓度降低0.03～0.05 mg/L，降低幅度为7%～14%。NO3-N浓度因本底值较高，随下泄流量变化不明显。

图7 富阳造纸废水减排50%后水质改善效果

图8 增大下泄径流量的水质改善效果

上述分析表明，钱塘江河口上游段的BOD5负荷主要集中在富阳及以下河段，而NH3-N负荷沿程分布相对均匀，NO3-N负荷则主要来源于河口上游河段。随着下泄流量的增大，对河口的水质尤其是DO、BOD5浓度改善明显，可有效稀释降低BOD5浓度，提高DO浓度，另外也说明富阳下游的低氧与BOD5的相关性较大。

4 结 论

(1)构建了钱塘江河口上游段潮流水质耦合数值模型，验证表明模型计算结果与原型监测结果接近，基本上能反映出研究河段水动力状况及污染物输运转化规律，抓住了研究河段的水动力和生化变化的过程，可用于富阳-闸口河段水质的数值模拟研究。

(2)富阳入江污水中的BOD5对钱塘江河口富阳下游河段的DO有较大影响，富阳污水减排50%时，富阳下游河段的BOD5浓度可降低约0.5 mg/L，NH3-N浓度可降低0.02～0.03 mg/L，DO浓度可提高0.5 mg/L。富阳入江污水90%为造纸废水，因此建议富阳采取改进造纸工艺、深化污水处理等措施，减少污染物的排放，以减轻钱塘江富阳河段的水环境负担。

(3)增大下泄径流量对改善富阳-闸口河段的水质状况、提高DO含量有非常积极的作用。径流量由200 m3/s增大至500 m3/s时，渔山-闸口的DO浓度可由2.5 mg/L以下升至4.1 mg/L以上，BOD5浓度可由4.5 mg/L降至3.6 mg/L。因此建议新安江水库在枯水期增大下泄径流量，改善钱塘江河口的水质及低氧状况。

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