基于控制断面水质达标的高邮湖水环境容量研究

孙卫红,韩龙喜

(1.江苏省环境工程重点实验室 江苏省环境科学研究院, 江苏 南京 210036;2.河海大学，江苏 南京 210024)

1 引言

《排放水污染总量控制技术规范》中对水环境容量作如下定义:将给定水域和水文、水力学条件，给定排污口位置，满足水域某一水质标准的排污口最大排放量，叫做该水域在上述条件下的所能容纳的污染物质总量，通称水域允许纳污量或水环境容量[1]。在水环境容量计算方面，面对不同的河流、湖泊，运用不用的计算方法，已有丰富的研究成果[2～8]。高邮湖是江苏省第三大湖，地跨江苏、安徽两省，高邮湖湖体水质状况一直受到广泛关注。本文通过高邮湖二维水量水质数学模型，建立基于高邮湖控制断面水质达标的水环境容量计算方法。通过对高邮湖水环境容量进行计算，可针对性地采取相应措施削减区域内各污染源的排放量，这对改善高邮湖水环境质量有重要意义。

2 研究区域及概况

高邮湖水域总面积为760.67 km2[9]，水位 5.55 m时，水域面积648 km2，苇滩和堤坝面积112.67 km2。本次研究范围主要为江苏省部分及主要入湖河道，由京杭运河西岸、金宝航道南岸、入江水道改道段、高邮湖堤岸以及南部高邮的行政边界线围成的区域，主要包括高邮市菱塘乡、送桥镇、高邮街道、界首镇；金湖县的闵桥镇、塔集镇、银涂镇、宝应湖农场、复兴圩农场、金湖县滩涂开发公司；宝应县的金宝渔业村。研究范围及水系见图1。

3 基于控制断面水质达标的水环境容量计算模型的构建

3.1 二维水动力模型

3.1.1 控制方程

研究区区域为开阔水域，采用非稳态的深度平均二维水流连续方程及动量方程描述水流流场，二维非恒定浅水运动方程为[10]：

图1 研究范围及水系

(1)

式(1)中：t—时间坐标；x、y—纵向、横向坐标；g—重力加速度；f—柯氏系数；zy—床面高程；h—垂线水深；z—水位；u、v—x、y方向的垂线平均流速；n—河床糙率；ε—紊动粘性系数。

3.1.2 求解方法

由于计算区域边界弯曲为不规则边界，故采用边界拟合坐标技术对模拟区域进行坐标变换。坐标变换后可将X-Y平面上不规则的物理区域变换为坐标系下的矩形区域。变换关系如下：

(2)

式(2)中，P、Q—调节函数。ξ—η坐标系下的水动力方程为:

(3)

式(3)中，J=xξyη-xηyξ用有限体积法对变换后的方程(3)进行离散，采用交错网格技术，用ADI法对方程组进行数值求解，计算得到各个控制节点的水位、垂线平均流速。

3.2 二维水质模型

3.2.1 控制方程

水质数学模型模拟评价区域水质浓度的时空变化。控制方程为垂线平均的二维对流分散方程[11,12]：

(4)

式(4)中：C—污染物浓度；t—时间坐标；u、v—纵向、横向流速；EX—纵向分散系数；EY—横向分散系数；K—自净系数；S—污染物源强。

3.2.2 求解方法

将上述方程变换为ξ—η正交曲线坐标系下的对流分散方程。采用有限体积法离散控制方程，并进行数值求解，得到各个控制节点的浓度数值。

3.3 水环境容量计算模型

依据水功能区水质边界条件，在设计水文条件下，满足高邮湖控制断面水质达标要求的污染物总量即为高邮湖水环境容量。其计算公式如下：

(5)

式(5)中：W为湖泊水环境容量；Cs为控制断面水质目标标准限值；Cg为各入湖河道及污染源对控制断面水质贡献值；P为污染物入湖通量。

4 高邮湖水环境容量计算

4.1 高邮湖水质保护目标

根据《江苏省水污染防治工作方案》(苏政发[2015]175号)和《市政府关于印发高邮市水污染防治工作实施方案的通知》(邮政发〔2016〕186号)，高邮湖内控制断面近大汕退水闸按Ⅲ类标准控制，主要控制超标因子为TN、TP，浓度值为1.0 mg/L、0.05 mg/L。

4.2 高邮湖河网概化

本次以研究区域内高邮湖及其周边入、出湖河道为研究对象。高邮湖二维模型计算网格采用不规则三角形网格，湖体网格边长500 m，湖心与入湖出湖附近局部加密，加密网格边长300 m，二维模型共5417个计算节点，9938个计算网格，计算区域网格划分见图2。

图2 高邮湖二维模型计算网格示意

5 模拟结果及分析

5.1 控制断面TN 、TP污染源解析

基于已构建的水量水质模型，模拟计算时长为1年，期间各污染源对控制断面水质的浓度贡献是逐日变化的，取90%保证率时的污染源对断面的浓度贡献值计算贡献率，模拟结果见表1。

表1 近大汕退水闸断面TN、TP浓度的污染源解析

根据数据分析，高邮湖近大汕退水闸断面TN主要贡献源除入湖河道占比52.51%外依次为银涂镇等农业面源占比40.63%、银涂镇等散排生活污水面源占比4.49%;高邮湖近大汕退水闸断面TP主要贡献源除入湖河道占比77.46%外依次为银涂镇等农业面源占比18.37%、塔集镇等农业面源占比2.89%。

5.2 水环境容量计算结果及分析

污染物理论削减率计算公式如下：

理论削减量=

(6)

利用水环境容量计算公式，得到高邮湖TN、TP水环境容量，见表2。

表2 高邮湖水环境容量及污染物理论削减率

5.3 控制断面水质达标分析

研究区域内采取各项综合整治工程可削减TN为872t/a，TP为101t/a。通过二维水量水质模型模拟，高邮湖近大汕退水闸控制断面TN和TP浓度值全年90%情况下均可以实现Ⅲ类标准的水质目标，结果见图3。

图3 工程措施实施后控制断面浓度

6 结语

本文通过高邮湖二维水量水质数学模型，建立基于高邮湖控制断面水质达标的水环境容量计算方法。根据研究区域内各污染源对控制断面水质的浓度贡献率，计算高邮湖水环境容量TN、TP分别为2125.64 t/a、138.39 t/a，并得出高邮湖近大汕退水闸断面水质超标因子TN、TP污染源削减率分别为29.48%、41.82%,通过采取有效措施削减区域内污染源TN、TP分为872 t/a、101 t/a，运用二维水量水质模型模拟控制断面水质浓度TN、TP分别可达到1.0 mg/L、0.05 mg/L。此方法具有很高的实用性与可操作性，可为基于污染物总量控制的环境规划或区域环境综合整治规划提供科学依据。