太湖梅梁湖灣水污染防治策略研究

太湖梅梁湖灣水污染防治策略研究

湖灣是一個相對封閉、獨(dú)立于湖的水域，包括從太湖的梅梁湖、五里湖和云南草海。由于受地形地勢的影響,湖灣的水流運(yùn)動緩慢,動力摻混能力弱,湖灣內(nèi)污染物不易向外湖轉(zhuǎn)移,從而導(dǎo)致污染物在湖灣內(nèi)積聚,加之水體自凈能力差,一旦湖灣水體受到污染,它將成為湖泊水污染治理的難點(diǎn)。目前,太湖的梅梁湖、滇池的草海都成為湖泊內(nèi)污染最嚴(yán)重的水域,因此,研究湖灣水污染治理對策是十分必要的。本文以太湖梅梁湖灣為例,探討了梅梁湖水污染治理對策及相應(yīng)的水環(huán)境改善效果,為太湖梅梁湖灣水污染治理提供科學(xué)依據(jù),為其它湖泊及其湖灣水污染治理提供參考。1梅梁湖灣水污染成因梅梁湖是太湖北部的一個大湖灣,南北長14km,東西寬7km,湖水面積129km2,平均深度1.8m。西部有武進(jìn)港、直湖港兩條入湖河道,北部由梁溪河連接無錫城區(qū)河網(wǎng),梅梁湖可通過梅梁湖泵站抽排水與五里湖或梁溪河進(jìn)行水量交換,南部與大太湖連通,其局部區(qū)域水系概況見圖1。目前梅梁湖灣水污染嚴(yán)重,是太湖污染最嚴(yán)重的湖灣之一。從近6年來梅梁湖灣實(shí)測濃度統(tǒng)計(jì)平均值(如圖2)來看,CODMn、TP呈波動性下降趨勢,TN和NH3-N呈上升趨勢。湖區(qū)CODMn、TP、TN、NH3-N實(shí)測站點(diǎn)近年來年平均濃度分別為6.19、0.15、4.72、2.21mg/L。導(dǎo)致太湖梅梁湖灣水污染嚴(yán)重的成因可概括為以下4個方面:湖灣水流運(yùn)動系風(fēng)生湖流型,其水流緩慢、動力摻混能力弱;由于受地勢影響,湖灣相對比較封閉,與大太湖水流交換不暢,湖灣水體自凈能力差,納污能力小1;由于承接無錫及常州主要排污河道武進(jìn)港、直湖港及梁溪河等大量污水,其入湖污染負(fù)荷量大,遠(yuǎn)超過湖灣的納污能力。2城市湖泊污染治理對策針對太湖梅梁湖灣嚴(yán)重的水污染問題及其成因,可針對不同成因采取相應(yīng)的防治對策進(jìn)行太湖梅梁湖灣水污染綜合治理。首先,要從源頭到湖灣水體進(jìn)行全過程的污染防治(包括點(diǎn)源、面源及內(nèi)源治理),以加強(qiáng)湖灣水污染綜合治理,減少污水入湖,以改善湖灣水環(huán)境。湖灣及其匯水區(qū)域的水污染綜合防治是其水污染治理的根本。其次,入湖湖濱帶建設(shè)及湖灣水體生態(tài)修復(fù)等末端治理是補(bǔ)充,并以湖灣水體納污能力作為其水污染治理后入湖污染物的總量控制目標(biāo)。最后,在上述對策均無法在短期內(nèi)有效實(shí)施的情況下,引水調(diào)控措施是短期內(nèi)改善重污染型湖灣水體水環(huán)境的有效手段。近年來開展的引江濟(jì)太調(diào)水試驗(yàn)表明,通過引水調(diào)控可有效改善河網(wǎng)及湖體受水區(qū)水體的水動力特性和水質(zhì),對于加快湖體水體流動,增加水環(huán)境容量,改善湖泊水環(huán)境具有重要意義。由于受湖泊地勢的影響,梅梁湖灣與大太湖水流交換不暢,引江濟(jì)太調(diào)水試驗(yàn)對梅梁湖灣水質(zhì)改善效果不明顯,因此,為滿足梅梁湖湖灣水質(zhì)改善的需要,應(yīng)完善引水調(diào)控技術(shù),解決目前引排水線路單一的問題,并根據(jù)需要完善梅梁湖灣的水利工程體系,使湖灣成為引江濟(jì)太調(diào)水工程的受水區(qū)和水質(zhì)改善區(qū),加快湖灣水體流動,改善湖灣水質(zhì),以保障無錫市梅梁湖水源地供水水質(zhì)安全。3通過引入引水管理，改善了湖泊和海灣水環(huán)境的影響預(yù)測3.1梅梁湖直接洪水調(diào)控方案引水調(diào)控的研究思路是基于太湖現(xiàn)有水利工程設(shè)施條件(通過梅梁湖泵站抽水入五里湖或梁溪河,調(diào)水線路見圖3),在太湖引江濟(jì)太工程調(diào)度的背景條件下,探討梅梁湖泵站抽水對改善梅梁湖水環(huán)境效果及其對調(diào)水效果的主要影響因子,并在2003年引江濟(jì)太期間,結(jié)合太湖流域水利工程調(diào)度原則和優(yōu)化調(diào)度目標(biāo),擬定梅梁湖抽水調(diào)控方案并預(yù)測其水環(huán)境改善效果,為調(diào)水改善梅梁湖以及五里湖、無錫城區(qū)河網(wǎng)水環(huán)境提供決策依據(jù)。3.2水動力計(jì)算結(jié)果及分析太湖屬大型寬淺型湖泊,水流運(yùn)動主要受湖面風(fēng)場影響,以風(fēng)生流為主。其風(fēng)生湖流運(yùn)動及污染物質(zhì)在水體中的運(yùn)動可以分別用水深平均的平面二維水流運(yùn)動基本方程和對流擴(kuò)散的平面二維方程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述,1,其中主要水質(zhì)指標(biāo)包括CODMn、TP、TN、NH3-N。各污染物指標(biāo)的生化反應(yīng)項(xiàng)均作一級簡化處理,CODMn考慮自凈衰減,TP、TN、NH3-N考慮各種因素引起的釋放與沉降,通過綜合沉降和釋放系數(shù)反映。該模型已成功應(yīng)用于太湖、滇池、呼倫湖等大型淺水湖泊的水流水質(zhì)模擬計(jì)算,效果較好。計(jì)算網(wǎng)格劃分采用變量交錯布置的方式,在正方形網(wǎng)格(1km×1km)上對上述方程進(jìn)行離散,其中對流項(xiàng)采用迎風(fēng)格式,擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分,用迭代法求解離散方程組。梅梁湖地處湖灣,水流緩慢,流速為mm~cm量級,現(xiàn)場觀測難度極大,可用的實(shí)測資料很少。因此,二維水動力模型的驗(yàn)證是通過對不同風(fēng)向下太湖的總體湖流形態(tài)、梅梁湖湖灣環(huán)流特征的合理性分析,結(jié)合以往實(shí)測的及前人研究成果,以及通過水質(zhì)計(jì)算成果的合理性對比間接加以驗(yàn)證的。本次選擇2002~2003年太湖逐月實(shí)測的水位、出入湖流量和水質(zhì)濃度資料及相應(yīng)的水文氣象資料,對水流、水質(zhì)模型進(jìn)行參數(shù)率定與驗(yàn)證,其模型參數(shù)值見表1。3.3單因子敏感性分析分析梅梁湖水流水質(zhì)演變規(guī)律,在圖3總體調(diào)水流程下,影響梅梁湖水質(zhì)改善效果的自然影響因子歸納起來主要包括梅梁湖泵站抽水歷時、抽水量、望虞河調(diào)水水質(zhì)、太湖湖區(qū)風(fēng)場、湖水位、湖區(qū)不同區(qū)域調(diào)水改善效果差異等6個方面。通過對梅梁湖泵站抽水歷時(30、60、90、120d)、抽水量(20、30、50m3/s)、望虞河調(diào)水水質(zhì)(較好、一般、較差)、湖區(qū)風(fēng)場(風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)、東北風(fēng)、西北風(fēng),風(fēng)速為靜風(fēng)、1、2、3m/s)、湖區(qū)水位(高、中、低)、湖灣不同區(qū)域(南、中、北)等單因子變化敏感分析,在各類影響因子的可能變化范圍內(nèi),梅梁湖水質(zhì)改善效果差異性顯著的敏感因子包括梅梁湖泵站抽水量、抽水歷時(抽水90d后梅梁湖區(qū)水質(zhì)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài))、望虞河調(diào)水水質(zhì)、湖區(qū)風(fēng)場。在太湖水位正常變化幅度內(nèi),梅梁湖抽水呈現(xiàn)了低水位抽水效果略好于高水位的情景,但差別不大。3.4梅梁湖灣和大太湖水量交換影響分析在2003年引江濟(jì)太期間(8~10月),數(shù)值模擬引水調(diào)控(梅梁湖泵站抽水0、20、30、50m3/s)對梅梁湖灣水流、水質(zhì)及梅梁湖與大太湖水量交換的影響,并預(yù)測分析大流量(50m3/s)集中調(diào)水(30d)和小流量(20m3/s)維持性調(diào)水(60d)的水環(huán)境效果,為引水調(diào)控改善太湖局部湖灣水環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。3.4.1抽水量對湖灣水流變學(xué)特性的影響大量寬淺型湖泊水流運(yùn)動機(jī)理觀測研究表明,風(fēng)是湖泊水流運(yùn)動的主要動力,其次是環(huán)湖河道進(jìn)出水量形成的吞吐流,湖流運(yùn)動形成以風(fēng)生流為主、吞吐流為輔的混合流動特性。雖然太湖湖流流態(tài)主要受湖面風(fēng)場影響,環(huán)湖河道出入水量對其影響較小,但吞吐流將對河道出入口所在湖區(qū)的局部流態(tài)產(chǎn)生較為顯著的影響,尤其是對較為封閉的湖灣水流影響明顯,因?yàn)橥掏铝鲗⒓涌旌承∷w流動及與大太湖水體的循環(huán)與交換,改善湖灣水動力條件,有利于湖灣水環(huán)境改善。2003年引江濟(jì)太期間梅梁湖泵站抽水量從0m3/s逐步增加到50m3/s時,梅梁湖區(qū)水流平均流速將隨泵站抽水量的增加而增加,由現(xiàn)狀(沒有抽水)的1.53cm/s逐步增加到1.58cm/s,即泵站抽水量每增加10m3/s,梅梁湖區(qū)流速就增加0.01cm/s。同時泵站抽水量變化也將改變梅梁湖與大太湖的水量交換特性,對抽水口附近局部水流特性有較為顯著的影響,如梅梁湖湖灣與大太湖交界面的交換水量會隨著抽水量的增加而呈現(xiàn)由大太湖入梅梁湖的水量越來越多、從梅梁湖入大太湖的水量越來越少的趨勢(從大太湖進(jìn)入梅梁湖區(qū)為正,而從梅梁湖進(jìn)入大太湖為負(fù)),見圖4。由此可見,泵站抽水量增加有利于加快湖灣水體的循環(huán)及梅梁湖灣與大太湖水量交換,縮短湖灣水體的換水周期。3.4.2抽水量對tp指標(biāo)的影響隨著梅梁湖泵站抽水量的增加,梅梁湖區(qū)各水質(zhì)指標(biāo)平均濃度值不斷下降。以TP為例,當(dāng)抽水量由0逐漸增加到20、30、50m3/s時,梅梁湖區(qū)TP指標(biāo)濃度改善率分別為19.9%、24.8%和30.7%,說明抽水量增加所帶來的水質(zhì)改善效果是比較明顯的(見圖5)。由于各指標(biāo)在大太湖及梅梁湖區(qū)本底濃度差異程度不同,所以四指標(biāo)中以NH3-N的改善效果最為顯著,CODMn指標(biāo)相對最小。3.4.3典型水環(huán)境分析持續(xù)的大流量調(diào)水(梅梁湖泵站抽水50m3/s)將給梅梁湖帶來較好的水環(huán)境改善效果,但卻需要大量的經(jīng)費(fèi)投入,如果不持續(xù)調(diào)水,湖區(qū)的水環(huán)境將隨時間推移迅速反彈。因此,為保持大流量調(diào)水的水環(huán)境改善效果,并從減少經(jīng)費(fèi)投入的角度出發(fā),設(shè)計(jì)了大流量(50m3/s)集中調(diào)水和小流量(20m3/s)維持性調(diào)水方案,其中大流量集中調(diào)水時間為30d,小流量維持性調(diào)水時間為60d。利用數(shù)值模擬預(yù)測梅梁湖水質(zhì)變化過程如圖6所示。由圖6可知,梅梁湖在泵站大流量集中抽水后小流量維持性調(diào)水可以保持大流量集中調(diào)水帶來的水質(zhì)改善效果,水質(zhì)在調(diào)水期間不會反彈。4引江濟(jì)太期間調(diào)整洪水調(diào)控對梅梁湖灣水質(zhì)的改善效果為充分發(fā)揮引江濟(jì)太工程的綜合效益,實(shí)施引水調(diào)控(梅梁湖泵站抽水)對太湖局部水域梅梁湖灣水環(huán)境的改善是比較顯著的。本文以改善梅梁湖水環(huán)境為目標(biāo),重點(diǎn)分析了調(diào)水的敏感影響因子對梅梁湖水環(huán)境改善效果的影響;并結(jié)合2003年引江濟(jì)太工程運(yùn)行的實(shí)際情況和現(xiàn)有水利工程可能的調(diào)度方式,預(yù)測2003年引江濟(jì)太期間實(shí)施引水調(diào)控對梅梁湖灣水質(zhì)的改善效果,為調(diào)水改善梅梁湖灣水環(huán)境提供了科學(xué)決策依據(jù)。通過系統(tǒng)的水量水質(zhì)調(diào)