平原感潮河网地区水环境容量研究——以张家港市为例

徐 飞， 周 飞， 沈 乐

(江苏省水文水资源勘测局南京分局，江苏 南京 210008)

平原感潮河网地区因其特殊的地理位置,经济发达,污染物排放量较大;但与山丘河道相较,又存在水动力条件不足,河道自净能力较弱,水流往复,污染物易于扩散等特点。因此,针对其水动力和水环境特征,进行合理的水环境容量计算,进而为污染物总量控制提供科学的依据,对缓解当地经济发展与水环境保护之间的矛盾意义重大。张家港市是典型的平原感潮河网地区,经济发达、人口密集、河道密布,高频的人类生产生活也带来了较为严重的水环境污染问题。且由于河网纵横、河床比降小、水流往复,水体往往自净能力较差。因此,对张家港市进行水环境容量计算研究十分必要,可为污染物总量控制提供科学依据。

1 研究方法

1.1 构建水环境数学模型

基于当地河道断面、水位、流量等水文资料及污染物调查情况,概化河网,建立研究区域水量水质模型。本次水动力模型采用圣维南方程组(式1)进行计算,水质模型采用污染物对流扩散方程(式2、式3)进行计算。

(1)

其中,Q为河流流量,m3/s;x为沿水流方向的空间坐标,m;BW为调蓄宽度,m;Z为河道水位,m;t为时间坐标,s;q为支流入流流量(流入为正,流出为负),m3/s;u为断面平均流速,m/s;g为重力加速度,m/s2;A为主槽过水断面面积,m2;B为主流断面宽度,m;n为河道糙率;R为水力半径,m。

(2)

(3)

其中,Q为河道流量,m3/s;Z为河道水位,m;A为河道面积,m2;Ex为纵向分散系数;C为水流输送的物质浓度,mg/L;Ω为河道叉点节点的水面面积,m2;j为节点编号;I为与节点j相关联的河道编号;Sc为与输送物质浓度相关的衰减项;Kd为衰减因子;S为外部的源汇项。

1.2 参数率定与验证

通过野外调水试验,利用先进的在线监测设备进行水量水质同步监测,从而获得一系列的水文、水质实测数据,在此基础上对张家港市河道的糙率、水质综合降解系数等参数进行率定和验证。

1.3 水环境容量计算

本文采用总体达标法[12]对张家港市水环境容量进行计算。选取90%保证率枯水年最枯月平均流量作为设计水文条件,根据研究区水环境功能区划水质达标要求,计算概化主干河网的水环境容量,水环境容量计算公式如式4、式5所示:

(4)

Wij环境容量=Q0ij(Csij-Coij)+KVijCsij

(5)

其中,αij为不均匀系数;Q为进口断面入流流量,m3/s;Csij为该水体的目标水质,mg/L;Coij为进口断面水质浓度,mg/L;K为水质降解系数,d-1;V为水体体积,m3。

由于研究区河网受潮汐影响,水流往复方向不固定,故取设计水文条件下的最枯月正向流、逆向流和流量为0时候的平均值作为水环境容量,详细计算如公式6所示:

W=(W1×d1+W2×d2+W3×d3)/d

(6)

其中,W为往复流河道环境容量,t/d;d为最枯月天数,d;W1、W2、W3为分别为正向流、逆向流和流量为0时候的水环境容量,t/d;d1、d2、d3为分别为正向流、逆向流和流量为0时候的天数,d。

2 水环境容量计算

2.1 模型构建

本文采用节点、河网、断面三种参数来进行河网概化,为提高河网计算的精度,本文在确保河道长度、坡降、流量、水位、水利工程基本与实际相符的前提下,将张家港复杂水系概化成367条河道。

2.2 模型率定和验证

本文设定模型外部边界为朝东圩港、一干河等,采用野外同步水量水质监测值进行计算,长江边界来水按Ⅲ类水标准值输入模型。通过模型率定,部分代表监测点位水量、水位实测值和模拟值结果对比详见图1、图2。

图1 水动力模型水量实测值与模拟值对比图

图2 水动力模型水位实测值与模拟值对比图

由图1、图2可知，代表监测点位流量和水位模型计算值与实测值均较为吻合，由图1、图2可知,各监测点位流量和水位模型计算值与实测值均较为吻合,其中流量的相对误差在30%以内,故本文判定该水动力模型可基本模拟研究区的水动力过程,且根据率定结果得出现状河道糙率取值范围为0.01～0.04。

本文采用原型引调水实验的同步监测值对水质模型进行率定。为调高计算的精确性和稳定度,时间步长t设置为15s。根据实地污染源调查,将全市范围内共计127家企业、22家生活及工业污水处理厂排污口概化成102个集中排污口,将约514家畜禽养殖场排污口概化成173个排污口,加入水质模型中,调整各参数,使代表监测点的模拟值与实测值趋于吻合。最终通过水质模型率定,COD、氨氮的模拟值和实测值对比详见图3、图4。

图3 COD浓度实测值与模拟值对比图

图4 COD浓度实测值与模拟值对比图

根据图3、图4可知，率定后的水质模型COD、氨氮模拟值与野外实测结果吻合度良好,相对误差均小于40%,结果表明该水质模型基本可模拟研究区污染物迁移过程。根据水质模型率定结果得出COD和氨氮降解系数取值范围分别为0.04～0.08/d和0.03～0.08/d,纵向扩散系数为2.5m2/s。

3.3 水环境容量计算

张家港市共有37个水环境功能区,其中长江张家港饮用、工业用水区和一干河张家港饮用水源区水质要求为Ⅱ类,不参与本次水环境容量计算,故本文只有35个功能区的水环境容量计入最终测算结果,水质目标详见表1。根据张家港市水污染调查结果和水环境管理目标,本文选取COD和氨氮作为特征污染物计算水环境容量。

表1 张家港市各水环境功能区环境容量

本文采用P-III型曲线对获取的张家港市1967-2013年的多年月平均降水量长序列资料进行水文频率分析,计算得到90%枯水年典型年为1971年,再依据太湖流域相关测站水位资料选取1971年最枯月2月的平均水位作为计算水位。由于一些河道受到潮汐影响易于形成往复流,故对于流向不定的河道采用流量为0时的设计水位对应的水量作为设计流量。

最终,利用总体达标法计算得出张家港市各主干河道的水环境容量,进而得出各水环境功能区环境容量,详细结果见表1。此外功能区外主要河道COD和氨氮的环境容量分别为9132.5t/a和564.3t/a,故张家港全市COD和氨氮水环境容量为分别为43742.9t/a和3527.6t/a。

4 结 论

平原河网地区由于污染物排放量较大且水体自净能力不足,往往水污染严重,对其进行污染物总量控制十分必要。本文通过建立张家港市水量水质模型,并利用野外高频在线监测数据对水环境数学模型进行了率定验证,结果显示模型拟合度较高,基本可用于描述研究区水量水质过程,从而确定了现状河道糙率和水质综合降解系数,其中COD和氨氮降解系数取值范围分别为0.04～0.08/d和0.03-0.08/d。在此基础上,通过对长序列资料的水文频率分析得出90%保证率典型年最枯月为1971年2月,并选取其作为计算水文条件,根据境容量,最终得出张家港市现状水环境容量COD为43742.9t/a,氨氮为3527.6t/a。建议以此为约束条件,通过加快城镇污水处理配套设施建设、促进工业企业优化工艺达标排放、加强农业面源污染整治力度等有效手段,一方面从源头减少污染物排放,另一方面提高污水处理率,从而有效削减污染物排放总量,切实改善张家港市水环境质量。