基于非均勻系數(shù)的水環(huán)境容量計算方法

基于非均勻系數(shù)的水環(huán)境容量計算方法

1水環(huán)境容量計算方法水體環(huán)境容量是指水體在規(guī)定的環(huán)境目標下能夠吸收的最大污染物量。它反映了污染物在環(huán)境中的流動、轉(zhuǎn)化和積累規(guī)律，以及在特定功能條件下對污染物的適應(yīng)性。其容量大小與水體特征、水質(zhì)目標和污染物特征有關(guān)（徐貴泉，2000）。有許多關(guān)于非感潮河流的水環(huán)境管理的研究（水保護水資源保護部，1996；陳興偉，2006）。對于受潮汐影響的河流，流量和徑向隨著潮汐和徑向的相互作用而變化。隨著水位和徑向流的周期性變化，下降趨勢變化較大，研究相對復(fù)雜。自20世紀90年代初以來，金海生、鄭英明（金海生，1992）、楊志平、孫偉（楊志平，1995）、徐貴泉和吳祖陽（徐貴泉，2000）采用一河和河網(wǎng)的動態(tài)水質(zhì)模型，計算和研究了評價潮汐河和河網(wǎng)的水環(huán)境質(zhì)量的各種結(jié)果表明。對于濱臨長江、感潮特性明顯的濱江水體,其水文特征與感潮河網(wǎng)相似:水流運動比較復(fù)雜,流態(tài)、流向多變,水位、流量、水質(zhì)受潮汐影響較大.但由于濱江水體水面較寬闊,污染物質(zhì)在橫斷面分布不均勻,一維水質(zhì)模型不能適用,目前,對濱江水體水環(huán)境容量的計算研究還存在一些空缺.本文以鎮(zhèn)江內(nèi)江為例,針對濱江水體的基本特征,提出了基于非均勻分布系數(shù)的水環(huán)境容量計算方法.通過建立內(nèi)江二維非穩(wěn)態(tài)水流水質(zhì)耦合模型,動態(tài)模擬內(nèi)江洪枯兩季典型全日潮的水流水質(zhì)時空變化過程,分別求取了內(nèi)江洪季、枯季非均勻分布系數(shù),并運用修正后的容量計算公式求得內(nèi)江不同水位條件下及不同典型年的水環(huán)境容量,從而為研究區(qū)域水資源規(guī)劃及水環(huán)境保護提供了重要依據(jù).2計算方法calcimationcapture2.1潮期期內(nèi)引航道分析鎮(zhèn)江是長江三角洲典型的濱江城市,位于長江與京杭運河兩條黃金水道交匯處.內(nèi)江是鎮(zhèn)江的主要水體,上游通過引航道(寬300m)與長江相通,下游通過焦南閘與長江匯聚(見圖1).一般條件下,內(nèi)江由引航道進水、焦南閘出水,枯季由于長江水位較低,引航道也會出現(xiàn)逆流現(xiàn)象(流向長江).受長江潮汐作用,內(nèi)江為非正規(guī)半日潮混合型,潮位日變化明顯,每日出現(xiàn)兩次高低潮,漲潮歷時大約3h25min,落潮歷時約9h.由于漲落潮作用,內(nèi)江水位、調(diào)蓄庫容、水動力條件及與長江的交換水量在不同水季以及一個潮周期內(nèi)變幅都較大.與內(nèi)江相通的河流主要有運糧河、虹橋港及古運河,其中除古運河出內(nèi)江外,運糧河與虹橋港均為入內(nèi)江河流,同時也是入內(nèi)江的兩條主要污染通道.運糧河位于鎮(zhèn)江城區(qū)西部與內(nèi)江、長江相通,其水動力條件受長江潮汐作用較大,一般在漲落潮初期流速較大,漲潮階段流向長江,而落潮階段流向內(nèi)江.虹橋港位于鎮(zhèn)江城區(qū)東北,其坡降較小,水流較為緩慢,污染物質(zhì)受虹橋閘控制間歇性排入內(nèi)江.2.2非均勻系數(shù)水環(huán)境容量計算方法污染物質(zhì)的遷移、擴散、沉降等物理過程與受納水體地形條件、水動力條件密切相關(guān),對于一些斷面狹窄的非感潮河道水體,由于其面積較小,在水流作用下,污染物質(zhì)與水體有可能形成均勻混合,因而可采用完全混合模型計算其水環(huán)境容量.而內(nèi)江水域?qū)掗?受潮汐作用影響明顯,且所納污染物主要通過運糧河與虹橋港進入,污染源空間分布的差異性及內(nèi)江流量、流態(tài)變化的復(fù)雜性,會造成污染物質(zhì)的輸運過程及平面分布的不均勻,從而使其不能在水體中達到完全混合.據(jù)實測資料分析,內(nèi)江運糧河與虹橋港河口附近水質(zhì)相對較差,而在中心主流區(qū)水質(zhì)較好;漲潮階段,受長江高水位頂托,污染物質(zhì)易在內(nèi)江產(chǎn)生積存,退潮時,污染物又會隨潮流擴散.故針對污染物質(zhì)進入受納水體后時空分布的不均性,本文提出了基于非均勻分布系數(shù)的水環(huán)境容量計算方法,計算公式如下.W=86.4·[∑Qi(Cs-C0)+q(Cs-CL0)]+10-3αKVCs(1)式中,W為水環(huán)境容量(kg·d-1);α為考慮污染源排放空間分布不均及污染物質(zhì)輸運過程平面分布不均的非均勻分布系數(shù);Qi為長江入內(nèi)江流量(m3·s-1);Cs為水質(zhì)標準(Ⅲ類水,以COD計)(mg·L-1);C0為長江來水水質(zhì)濃度(以Ⅱ類水計)(mg·L-1);CL0L0為旁側(cè)入流初始濃度(mg·L-1);V為水體體積(m3);K為COD綜合降解系數(shù)(d-1);q為旁側(cè)入流流量(m3·s-1).3污染物擴散過程模擬通過建立內(nèi)江二維非穩(wěn)態(tài)水流-水質(zhì)耦合模型,運用通量向量分裂(FVS)格式逐時段、逐單元計算跨越控制體界面法向數(shù)值通量,對內(nèi)江水流時空變化過程及相應(yīng)的污染物擴散過程進行數(shù)值模擬,根據(jù)內(nèi)江兩次大規(guī)模水文、水質(zhì)同步監(jiān)測結(jié)果,求解內(nèi)江污染物降解系數(shù).3.1fvs水流模型(1)x、hbb二維淺水方程和對流-擴散方程的守恒形式可表達為:?h?t+?(hu)?x+?(hv)?y=0?h?t+?(hu)?x+?(hv)?y=0?(hu)?t+?(hu2+gh2/2)?x+?(huv)?y=gh(s0x-sfx)?(hu)?t+?(hu2+gh2/2)?x+?(huv)?y=gh(s0x?sfx)?(hv)?t+?(huv)?x+?(hv2+gh2/2)?y=gh(s0y-sfx)?(hC)?t+?(huC)?x+?(hvC)?y=??x(Dxh?C?x)+??y(Dyh?C?y)-Κhc+S(2)式中,h為水深(m);u、v為x、y方向垂線平均水平流速分量(m·s-1);g為重力加速度(m·s-2);S0x為x向的河底底坡;S0y為y向的河底底坡;Sfx為x向的摩阻底坡;Sfy為y向的摩阻底坡;C為污染物(COD)的垂線平均濃度(mg·L-1);Dx、Dy為x、y方向COD擴散系數(shù)(m2·s-1);K為COD降解系數(shù)(d-1);S為污染物源匯項.(2)單元掃碼有限元離散上述水量、水質(zhì)模型可統(tǒng)一寫為以下形式(Zhao,1994;趙棣華,2000;Zhao,1996):?q?t+?f(q)?x+?g(q)?y=b(q)(3)式中,q為守恒物理量;f(q)、g(q)分別為x、y方向通量;b(q)為源匯項.在任意形狀的單元Ω上采用有限體積法對式(3)進行積分離散,運用FVS格式求解法向數(shù)值通量.具體解算過程詳見參考文獻(趙棣華,2002;丁玲,2004;胡四一,1995).3.2內(nèi)陸水文水質(zhì)的同步監(jiān)測3.2.1潮地和潮水的監(jiān)測根據(jù)內(nèi)江潮汐特征,確定2004年4月21日(農(nóng)歷2月3日,大潮汛)的全日潮和2004年8月18日(農(nóng)歷7月3日,大潮汛)的全日潮為枯季和洪季的2次監(jiān)測時間.內(nèi)江兩次野外監(jiān)測點位布置相同.在引航道上、下斷面,運糧河,焦南閘布設(shè)了4個監(jiān)測斷面,每個斷面均設(shè)3條垂線;在內(nèi)江主流區(qū)布設(shè)了7個監(jiān)測點,每點設(shè)一條垂線,同步監(jiān)測水文、水質(zhì)(見圖2).3.2.2潮前流場觀測①水位觀測.在引航道上、下斷面、運糧河、焦南閘4處斷面進行水位觀測,其中焦南閘設(shè)置自記水位記實施觀測,引航道上、下斷面、運糧河采用人工現(xiàn)場觀測.每1h觀測1次,高(低)潮前后加密觀測,時間為26h(同步觀測).②流速流向監(jiān)測.在各垂線處進行定點流速流向測量.測驗運用SL25-1流速流向儀,漲潮每逢整點小時前后施測1次,落潮每2h施測1次.各條垂線全潮定點流速、流向測驗均同步進行.③水質(zhì)監(jiān)測.水質(zhì)樣品采用懸移質(zhì)橫式采樣器進行采集.采樣間隔為3h,每根垂線采樣位置均為水面下0.5m處.3.3模型材料參數(shù)的確定模型計算區(qū)域為內(nèi)江.根據(jù)內(nèi)江地形資料,應(yīng)用gambit軟件將其劃分為2642個四邊形單元網(wǎng)格,共2880個節(jié)點,平均網(wǎng)格尺寸為50m×50m.以引航道、運糧河全日潮實測流量以及焦南閘實測水位作為計算邊界.考慮計算穩(wěn)定性及精度,取時間步長Δt為1s.根據(jù)內(nèi)江兩次野外同步監(jiān)測結(jié)果,對模型參數(shù)進行率定驗證.結(jié)果表明,x向紊動擴散系數(shù)Dx=0.6m2·s-1、y向紊動擴散系數(shù)Dy=0.05m2·s-1、COD降解系數(shù)K=0.06d-1.率定驗證結(jié)果見圖3至圖6.4非均勻系數(shù)不規(guī)則4.1污染物排放量確定水動力條件是影響污染物遷移擴散的重要因子,在相同污染帶面積控制標準下,水體環(huán)境容量隨水動力條件的不同而有所差異.故選擇內(nèi)江洪季、枯季兩個典型全日潮,運用二維非穩(wěn)態(tài)水流-水質(zhì)模型對其水流、水質(zhì)時空變化過程進行數(shù)值模擬,通過對運糧河、虹橋港兩個入內(nèi)江污染源通道污染物排放量的不斷調(diào)試,推算不同污染物排放量條件下內(nèi)江最大排污混合帶面積,建立排污量與混合帶面積響應(yīng)關(guān)系曲線(孫衛(wèi)紅,2001);基于內(nèi)江水體功能區(qū)劃及混合帶面積控制要求,運用響應(yīng)關(guān)系計算在保證混合帶面積滿足要求的前提下內(nèi)江污染物允許排放量W0;W0除以完全混合容量W1,即為內(nèi)江非均勻分布系數(shù),見公式(4).α=W0W1(4)式中,W1=KVCs.4.2污染物排放量與排污混合帶面積、水位-水面面積關(guān)系模型計算水文、水質(zhì)邊界根據(jù)內(nèi)江兩次大規(guī)模同步水文、水質(zhì)監(jiān)測資料給定.根據(jù)數(shù)模計算結(jié)果,運用Tecpot、AutoCAD軟件繪制不同排污條件下污染帶空間分布圖并根據(jù)水體功能區(qū)劃要求,計算排污混合帶面積,從而求得內(nèi)江洪、枯兩季污染物通量W與排污混合帶面積S的響應(yīng)關(guān)系曲線(圖7).按照內(nèi)江水功能區(qū)劃及鎮(zhèn)江城市景觀水體要求,參考長江江蘇段區(qū)域供水水源地可利用江段研究結(jié)果(逄勇,2003)及江蘇省地表水環(huán)境容量核定結(jié)果1),控制內(nèi)江排污混合帶面積不超過水域面積的10%.根據(jù)內(nèi)江污染物排放量與排污混合帶面積響應(yīng)關(guān)系曲線及實測的內(nèi)江水位-水面面積關(guān)系曲線、水位-庫容關(guān)系曲線,運用公式(4)求得內(nèi)江洪季非均勻分布系數(shù)分別為0.18,枯季為0.25(見表1).結(jié)果表明,長江水文條件及漲落潮作用對內(nèi)江污染物質(zhì)遷移擴散規(guī)律影響較大,洪季內(nèi)江雖水量豐沛,但污染物質(zhì)與水體的混合程度卻低于枯季.5典型年水環(huán)境容量的計算為了避免偏高或偏低計算水體環(huán)境容量,造成水資源保護工作的失誤或水資源的未充分利用,本文對內(nèi)江不同水位條件下及不同典型年水環(huán)境容量進行了計算.5.1枯季水位變化影響受潮汐及上游徑流影響,內(nèi)江年際、年內(nèi)水位變幅較大,且年內(nèi)洪枯季分明.一般5～10月為洪季,平均水位在2.5～5m之間;11月至翌年4月為枯季,平均水位在1.0～2.5m之間.根據(jù)確定的計算參數(shù)及內(nèi)江水位-庫容關(guān)系曲線求得內(nèi)江不同水位及不同引水量條件下水環(huán)境容量見圖8.結(jié)果表明,內(nèi)江引水量與水位條件對其水環(huán)境容量影響較大;等引水量條件下,洪季內(nèi)江維持平均水位4m時,其容量值約比枯季維持平均水位1m時增加了33.5%;等水位條件下,內(nèi)江引水量為5×106m3時,其容量值約比引水量為1×106m3時增加了68.2%.5.2典型年度內(nèi)水環(huán)境容量選擇1998年豐水年、2001年平水年及2004年枯水年3個典型年計算內(nèi)江水環(huán)境容量.根據(jù)現(xiàn)有水文資料,對3年內(nèi)江逐月平均水位h及與長江凈交換水量Q進行統(tǒng)計分析.計算得3個典型年水環(huán)境容量見表2.結(jié)果表明,不同典型年內(nèi)江水環(huán)境容量相差較大;豐水年水環(huán)境容量較平水年增加了110%,而枯水年則比平水年減少了32.8%;各年內(nèi)水環(huán)境容量均主要分布在洪季5月至10月,約占全年總?cè)萘康?4%(各典型年逐月水環(huán)境容量見圖9).6外域水體水文條件及污染分布的均勢影響1)本文以鎮(zhèn)江內(nèi)江為研究區(qū)域,針對水面寬闊、感潮特性明顯的濱江水體,考慮污染源排放空間分布及污染物質(zhì)輸運過程平面分布的不均性,提出了基于非均勻分布系數(shù)的水環(huán)境容量計算方法.該方法運用非均勻分布系數(shù)綜合反映了濱江水體由于水流運動復(fù)雜、交換水量不穩(wěn)定、污染物遷移擴散多變等特點對水體水環(huán)境容量的影響,具有較好的適用性與可操作性.2)外域水體