新安江皖浙缓冲区纳污能力计算与分析

摘要： 新安江是千岛湖主要入湖河道，入湖水质直接影响千岛湖水生态环境状况。运用MICK21软件建立新安江皖浙缓冲区水流水质数学模型，计算了缓冲区浓度场，在此基础上采用二维河流模型计算纳污能力，并运用一维模型验证了计算成果的合理性。

Abstract： Xin'an river is a major river into Qiandao Lake，the water quality of Xin'an river affects directly the ecological environment of the Qiandao Lake. The water flow mathematical model of the buffer area of Xin'an River in Anhui and Zhejiang province was established with MICK21 software， and the concentration field of buffer area were simulated. Based on the concentration of water quality， a two-dimensional model was used to calculate the water environment capacity of the buffer area. And the rationality of the calculation results was tested. It provides the basis for the management of water function area.

关键词： 新安江；缓冲区；MICK；纳污能力

Key words： Xin'an river；buffer area；MICK；water environment capacity

中图分类号：X524 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）20-0067-03

0 引言

新安江是千岛湖主要入湖河道，多年平均入湖水量约占千岛湖环湖河道总入湖水量的60%。新安江三港～威坪坝段跨安徽和浙江两省，该段在全国重要江河湖泊水功能区中划定为新安江皖浙缓冲区，其入湖水质直接影响千岛湖水生态环境状况。近些年千岛湖水环境状况成恶化趋势[1]，为保护新安江及千岛湖水生态环境，分析计算新安江皖浙缓冲区纳污能力，可为水功能区管理提供依据。

1 新安江皖浙缓冲区基本情况

新安江，古称渐江，是钱塘江的正源，其跨省河段在全国重要江河湖泊水功能区中划定为新安江皖浙缓冲区，缓冲区北起自安徽省黄山歙县三港（29°47'1.40"N，118°40'21.70"E），南至浙江省淳安威坪坝（29°42'19.73"N，118°45'21.77"E），总长17.8km，省界断面为街口，水质保护目标为Ⅱ类。其中，安徽段长12.6km（三港～街口），浙江段5.2km（街口～威坪坝）。

根据2005～2010年街口断面水质监测资料，新安江皖浙缓冲区水质总体较好。CODMn、NH3-N指标浓度相对稳定，分别为Ⅰ～Ⅱ类和Ⅰ类；TP为Ⅱ～Ⅲ类，指标浓度有上升趋势，逐渐超标；TN为Ⅳ～Ⅴ类，指标浓度超标。

2 计算范围与指标

根据现有资料及研究目的确定纳污能力计算范围为新安江皖浙缓冲区全区段，上起三港下至威坪坝，全长17.8km。该段属河道型水库，纳污能力计算按河道型。

根据新安江皖浙缓冲区水质现状和水污染特点，结合千岛湖水质保护要求，纳污能力计算控制指标确定为：CODMn、NH3-N、TP、TN。

3 计算方法与参数拟定

MICK21软件系统由波浪模型、水动力模型、对流扩散模型、常规水质模型和富营养化模型等组成，可模拟各种水文、气象条件下水体的流场分布，流速大小和方向，污染物迁移转化规律和水生生态演变规律等。研究中采用MICK21建立新安江皖浙缓冲区水流水质数学模型，用于计算新安江皖浙缓冲区浓度场，确定控制断面水质浓度；进而采用《水域纳污能力计算规程》（GB/T 25173-2010）二维河流模型计算水功能区水域纳污能力。

3.1 计算方法

3.1.1 计算方程 MICK21模型考虑Bousinesque近似和浅水假定，以及风应力的影响，则垂向积分的二维水动力学方程组为：

连续方程：■+■+■=S

动量方程：

■+■■+■■+gh■+■-■■（h？子xx）+■（h？子xy）-？赘q-fVVx+■■（pa）=0

■+■■+■■+gh■+■-■■（h？子yy）+■（h？子xy）+？赘p-fVVy+■■（pa）=0

式中：h为水深，m；ζ为水位，m；p、q为x、y向的单宽流量，m3·s-1·m-1；C=■H1/6为谢才系数，其中n为曼宁系数；f为风阻力系数；V、Vx、Vy、为风速及其在x、y方向上的分量，m·s-1；Ω为Coriolis参数；Pa为大气压，Kg·m·s-2；ρw为水的密度，Kg·m-3；τxx、τxy、τyy为剪切应力分量。

描述污染物在水体中运动变化过程的对流扩散方程为：

■（hc）+■（uhc）+■（vhc）=■（h·Dx·■）+■（h·Dy·■）-khc+S

式中：c为污染物质浓度，mg·L-1；u、v为x、y方向流速，m·s-1；Dx、Dy为x、y方向扩散系数；k为综合降解系数，d-1；S为源汇项。

纳污能力计算计算公式为：

M=m+（Cs-Cl）（Q+Qp）

式中：M为水域纳污能力，kg·s-1；m为水功能区沿程汇入的污染负荷量，kg·s-1；Cs为水质目标浓度值，mg·L-1；Cl为水功能区下断面污染物浓度，mg·L-1；Qp为废污水排放流量，m3·s-1；Q为初始断面的入流流量，m3·s-1。

3.1.2 计算范围网格概化 对计算范围确定的新安江皖浙缓冲区全区段（三港至威坪坝，长17.8km），应用三角形网格进行剖分，网格尺寸为50*50m，网格数为5685个。

3.2 模型计算参数

3.2.1 污染物综合降解系数的确定 污染物综合降解系数反映水体由于物理、化学和生物作用得到净化的能力，与河道形态、水文条件、水温、泥沙含量和污染物浓度等因素有关[2]。

①CODMn降解系数。

新安江皖浙缓冲区水域为河道型水库，根据水库水质控制要求，参考中国环境规划院在《全国地表水水环境容量核定技术复核要点》（2004年）中提出的水质降解系数参考值（湖库水质Ⅱ-Ⅲ类，CODMn降解系数为0.06d-1～0.10d-1），确定CODMn降解系数取0.10d-1。

②NH3-N降解系数。

影响水体中NH3-N的主要过程包括颗粒物吸附、水生生物吸收和硝化反应等。河道型水库水文、水力、污染物迁移扩散等特点与河流较为相似。结合区域特征，参考相关研究成果[2-4]，并综合考虑水质现状，确定NH3-N降解系数取0.13d-1。

③氮、磷营养盐降解系数。

水体中氮、磷营养物质受纳、迁移、转化过程复杂，影响因素很多，包括不同形态氮、磷之间的转化及其在浮游生物之间的迁移，以及颗粒物对其的吸附、沉降等。目前，对水体中氮、磷营养物质降解特性的研究主要针对湖泊和水库，且不同湖库氮、磷降解特性差别较大。新安江皖浙缓冲区内水体形态类似于河道，参考相关研究成果[2-4]，确定TP、TN降解系数分别取0.07d-1和0.05d-1。

3.2.2 计算河长 新安江皖浙缓冲区总长为17.8km，考虑到该段跨安徽和浙江两省，计算中将缓冲区分为两段，即三港～街口段，长12.6km；街口～威坪坝段，长5.2km。

3.2.3 设计流量及流速 根据新安江皖浙缓冲区设计水文资料，计算采用90%保证率最枯月平均流量10m3·s-1作为设计流量，此设计流量下的流速为0.011m·s-1。

3.2.4 污染源条件 为较准确地计算新安江皖浙缓冲区纳污能力，现场调查了缓冲区三港至威坪坝两岸一定范围内的污染源状况。新安江皖浙缓冲区两岸地形以丘陵为主，两岸村庄依山临水而建，无工业点源；临江民房大多建在安徽省境内，浙江境内相对较少，民房层高以3～4层为主。经调查统计，两岸共有民房约1113幢，按5人/幢计算，缓冲区临江两岸共有居民5565人。缓冲区污染源主要为两岸居民生活污水排放，排放当量参考相关研究成果[4]的当量取值，具体取值见表1。经估算，新安江皖浙缓冲区沿江两岸居民年生活污水排放量为8.74万t，CODMn、NH3-N、TP和TN的年排放量分别为120.93t、23.09t、2.78t和47.86t。

根据调查及估算成果，对研究范围内的污染源进行概化，污染源概化见图1。

3.2.5 入流断面水质浓度 根据新安江皖浙缓冲区三港断面监测数据，同时考虑水功能区保护要求，综合确定入流断面水质浓度，见表2。

3.2.6 目标浓度 新安江皖浙缓冲区终止断面为威坪坝，入湖水质直接影响千岛湖。因此，水功能区目标要求，结合现状水质浓度，并参考千岛湖区控制浓度要求，确定新安江皖浙缓冲区威坪坝断面各阶段水质保护目标浓度。详见表3。

4 计算结果

4.1 污染物浓度分布 计算区域新安江皖浙缓冲区内水流从三港流向威坪坝，流速在0.011m·s-1左右，符合模型的计算水文条件。通过二维水质模型计算得出各指标浓度场及沿程分布情况见图2所示。

根据二维水质模型计算，新安江皖浙缓冲区街口和威坪坝断面各指标的浓度值见表4。由表3和表4可以看出，新安江皖浙缓冲区CODMn、NH3-N、TP、TN自上游三港至街口再至威坪坝浓度逐步降低。

4.2 纳污能力计算成果 采用河流二维模型计算，新安江皖浙缓冲区CODMn、NH3-N和TP指标纳污能力分别为909t·a-1、133t·a-1和8.14t·a-1；TN指标2015年浓度以1.0mg·L-1控制，纳污能力为259t·a-1，2020年浓度以0.8mg·L-1控制，纳污能力为168t·a-1，2030年浓度以0.5mg·L-1控制，三港断面来水TN浓度为1.0mg·L-1时，威坪坝断面难以达到0.5mg·L-1的控制目标，纳污能力取0t·a-1。

5 计算成果复核分析

采用一维对流水质模型复核新安江皖浙缓冲区纳污能力，计算参数及边界条件同3.2节。一维对流水质模型将河段内的多个污染源概化为一个集中的排污口，概化排污口位于河段中点处，相当于一个集中点源，则对应于河道下断面的污染物浓度为：

Cx=1=■C0exp（-kl/u）+■exp（-kl/2u）

由此推导出纳污能力计算公式为：

M=（Cs-■C0exp（-kl/u））*exp（kl/2u）*（Q+q）

式中：M为河道的污染物最大允许纳污量，g·s-1；Q为设计流量，m3·s-1；q为旁侧入流流量，m3·s-1；l为河长长度，m；其他符号意义同前。

运用一维对流水质模型计算新安江皖浙缓冲区纳污能力，CODMn、NH3-N、TP分别为1089t·a-1、154t·a-1、10t·a-1。TN指标浓度在1.0mg·L-1、0.8mg·L-1、0.5mg·L-1条件下纳污能力分别为306t·a-1、206t·a-1、0t·a-1。

一维和二维水质模型计算结果相对较为接近，说明计算成果总体合理。

一维对流水质模型将河段内的多个污染源概化为河段中点处，相当于一个集中点源，概化相对简单；二维水质模型中多个污染源基本按实际调查点分布，因此计算的缓冲区沿程水质浓度场较为合理，纳污能力计算成果也更为合理。

6 结论

通过运用MICK21软件建立新安江皖浙缓冲区水流水质数学模型，较合理的模拟计算了缓冲区浓度场，确定了控制断面水质浓度，进而计算了纳污能力，并用简化的一维对流水质模型进行了检验，认为成果合理，可为保护新安江及千岛湖水生态环境提供支撑，为水功能区管理提供依据。本研究采用的计算方法可行，可供其他地区借鉴。

参考文献：

[1]太湖流域水资源保护局.千岛湖及新安江上游流域水资源与生态环境保护综合规划水利部分（2011年）[R].上海：太湖流域水资源保护局，2011.

[2]王彦红.水体纳污能力计算中各参数的分析与确定[J].山西水利科技，2007，164（2）：55-57.

[3]张红举，禹雪中，马巍.浅水湖泊纳污能力计算研究：以太湖为例.中国环境科学学会第十三届世界湖泊大会论文集[C].北京：中国农业大学出版社，2009：2185-2188.

[4]水利部太湖流域管理局等.太湖流域水量模型、污染负荷模型及水质模型研制总报告（2006年）[R].上海：水利部太湖流域管理局，2006.