庄　巍,王　晓,逄　勇,李维新

(1.环境保护部南京环境科学研究所,江苏 南京　210042; 2.河海大学环境学院,江苏 南京　210098;

3.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,江苏 南京　210098)



太湖流域跨界区域水污染物通量数值模型构建与应用

庄巍1,王晓2,3,逄勇2,3,李维新1

(1.环境保护部南京环境科学研究所,江苏 南京210042; 2.河海大学环境学院,江苏 南京210098;

3.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,江苏 南京210098)

摘要：以太湖全流域河网模型为基础,构建跨界区域套网格水环境数学模型,并利用31个苏浙沪跨界断面实测资料进行率定。提出跨界区域水污染物通量值、通量阈值以及超标通量值的计算方法,采用实时校核及区域叠加技术,形成苏浙沪跨界区域水污染物通量数值计算体系。在集成开发的跨界区域污染物通量监控系统中,初步开展了跨界通量计算的业务化应用。

关键词：太湖流域;污染物通量;水环境数学模型;河网;系统集成

太湖流域苏浙沪跨界区域是典型的平原感潮河网地区,河网湖荡密布,水流往复不定,水文水质形势复杂多变,跨省各行政区污染责任界定不清,污染事故和水质考核矛盾突出,单一的水质浓度指标难以完全反映区域水质问题、界定上下游的相互影响。因此,有必要开展跨界区域水污染通量方面的研究[1-2]。

近年来,太湖流域有关水污染物通量的报道多集中于通过水文基站观测或水文巡测获取流量,并结合同期水质监测数据来进行整编测算分析[3-7]。这极大地依赖于同步监测点位布设情况,且多以入湖河流与湖体间的污染物通量为讨论主体。由于感潮河网区流向顺逆不定,如果直接利用已有常规监测站点数据进行通量测算,则监测点位分布、监测频次方面难以满足要求;而开展河网区野外同期水量水质实测,则需要消耗大量的人力物力,难以长期持续开展。以上限制因素导致目前对于感潮河网污染物通量方面的研究较少。通过构建水环境数学模型,开展复杂水系河湖之间、河道之间的水污染物通量研究[2,8]。通过模型运算获得跨界区域污染物过境通量数据,有利于整合优化有限的监测站位,对于河网区域具有应用价值。

表1　太湖流域苏浙沪跨界区域累计流向统计结果

此外,GIS技术近年来在水环境管理领域获得长足发展,结合水环境数值模型,通过GIS手段进行直观可视化表达,提供友好的用户交互环境,有助于提高工作效率,在环境管理工作中具有现实意义[9-10]。建立流域层面的跨行政区的水环境监控及通量测算系统,为跨界矛盾提供协商交流平台,是各级环保管理部门的迫切需求。

笔者针对太湖跨界河网区的环境特征,构建跨界区域套网格水环境数学模型,提出跨界区域通量计算、阈值确定和超标通量计算方法,建立实时校核及区域叠加的太湖流域跨界区域主要水污染物通量计算模式,并利用集成开发的水污染物通量监控系统实现初步业务化应用。

1研究区域概况

太湖流域跨界区域为苏浙沪两省一市交界,包括位于苏沪长江交界点至汾湖大桥的苏沪线,长约114 km;汾湖大桥至金山区的沪浙线,长约82 km;汾湖大桥至吴溇太湖点的苏浙线,长约109km。研究区域内地势低平,属于典型的平原河网区。

在苏浙沪边界上共设置了31个河流国控省级跨界断面,位置分布见图1。受潮汐作用影响,太湖流域跨界区域内水流方向复杂多变,水质变化规律复杂。根据水利部太湖流域管理局发布的2009年3月—2012年12月的《太湖流域及东南诸河省界水体水资源状况通报》,按照跨界断面所处省界区域进行流向的累计统计,统计结果(表1)表明该区域内水流具有明显的往复流特征。

图1　太湖流域苏浙沪跨界交界线及跨界断面位置分布

2跨界区域套网格水环境数学模型构建及通量计算方法

2.1　跨界区域水环境数学模型构建

为提高跨界控制区域通量计算精度,以文献[10-11]构建的太湖全流域河网模型为基础,对跨界区域范围进行局部加密,构建跨界区域套网格水环境数学模型。根据跨界水环境控制区划分成果[12],确定了包含太仓市、昆山市、吴江区、嘉定区、青浦区、金山区、松江区、湖州市南浔区、桐乡市、嘉善县、嘉兴市区、平湖市等区域的套网格水环境模型模拟范围。跨界水环境套网格数学域模型共设置河道190条,河道断面间距(计算水位点)300～1 000 m,模型计算网格(计算水位点、流量点)总数约为639个。太湖流域跨界区域套网格河网概化情况见图2。

图2　套网格水环境模型河网示意图

2.2　跨界区域水环境数学模型率定

跨界套网格水环境数学模型设置46个开边界,按照上游流量、下游水位的原则分别设置8个流量边界,38个水位边界。模型边界采用跨界控制区内56水文水位站点逐日监测及48个水质站点逐月监测资料;部分没有实测资料的,由太湖水环境数学模型计算值提供。

2.2.1水动力参数率定

利用太湖跨界控制区内水文水位站的2011年实测数据对模型动力参数进行率定。考虑跨界控制区各个水环境管理区内水系河道的水文水系特征不同,故以各控制区为单位分区进行模型水动力参数率定,率定结果见表2。

图3　2011年主要跨界断面水位计算值与实测值对比

区域名称水环境控制区苏沪苏浙沪浙苏浙苏沪沪浙沪苏浙糙率0.020~0.0260.020~0.0280.020~0.0270.020~0.0260.022~0.0270.022~0.028

利用2011年跨界断面实测资料与模型计算结果进行对比分析,结果表明,水文水动力模型水位模拟结果与实测结果吻合较好,2011年最高及最低日均水位、水位过程线趋势与实测资料拟合情况较好,全年期水位模拟结果与实测结果的平均误差小于15 cm。部分跨界断面水位率定对比见图3。

2.2.2水质参数率定

利用跨界区域2011年水质监测数据对模型水质参数进行率定。由于不同的区域水系河道具有不同的水动力特征,而水动力条件对污染物的迁移和转化会产生一定的影响,因此结合跨界控制区各个子控制区的水文水系及污染分布特征,以各子控制区为单位分区率定得到模型水质参数,参数结果见表3。

表3　跨界套网格水环境数学模型水质参数率定结果

本次河网水质模型率定参数选取CODMn、NH3-N、TP 3种污染物指标,利用2011年跨界控制区内的水质监测数据与模型计算结果进行对比,得到31个跨界断面水质计算值和实测值的相对误差。结果表明，2011年跨界区域内断面水质模拟吻合度较好,平均相对误差在25%以内。部分跨界断面水质率定对比见图4。

图4　2011年部分跨界断面污染物质量浓度计算值与实测值对比

2.3　跨界区域水污染物通量计算模型

2.3.1跨界区域通量计算方法

跨界区域污染通量计算公式为

(1)

式中:W为跨界区域出入境污染物通量;i为计算天数；j为计算区域内河道数量;ρij为跨界区域内各河道跨界断面水质质量浓度;Qij为跨界区域内各河道跨界断面流量;αi为该区域通量校核系数。

基于区域污染物通量计算公式(1),利用太湖流域水环境数学模型及已建立的31个苏浙沪跨界污染物通量监测站点的实测资料,建立苏浙沪跨界区域各行政区间的污染物通量计算体系。该体系采用实时校核及区域叠加技术,即用区域内部分断面实测通量指标与模型计算结果进行实时订正,所得订正系数用以校核区域内其他河道通量计算结果，并将区域内所有河道实时计算通量值叠加,以期计算一定时间内区域内污染物通量值。

2.3.2跨界区域通量阈值计算方法

在区域通量计算公式的基础上,根据太湖流域90%设计水文年的年均流量值与水功能区划的水质目标值,计算得到各个河段的通量阈值。跨界区域污染通量阈值计算公式为

(2)

式中:WS为跨界区域出入境污染物通量阈值;j为区域内河道数量,ρS为计算区域内各个河段的水功能区划水质目标值;Qj为跨界区域各河道90%设计水文年平均流量。

a. 确定设计水文年。主要依据太湖流域的降水量资料选取典型年。考虑太湖流域各水文分区的雨量站的分布,采用丹阳、茅东、赵村、溧阳、宜兴、常州、陈墅等80多个雨量站1954—2012年共58年的年降水量资料进行频率分析,最终确定1971年的枯水保证率为90%。

b. 确定水质目标。根据国务院2010年批复的《太湖流域水功能区划》,跨界控制区内水功能区划共151处,其中江苏省水功能区划25处,浙江省55处,上海市28处,省界水功能区划43处。根据各水功能区对应水质指标进行水质目标确定。

2.3.3跨界区域超标通量计算方法

跨界区域污染超标通量计算公式为

(3)

式中:W为跨界区域出入境污染物通量;WC为跨界区域出入境污染物超标通量。

3跨界区域水污染物通量监控系统构建与应用

3.1　跨界区域通量监控系统构建

通过Web-GIS等开发手段进行系统集成耦合,将跨界通量测算体系中的相关水环境信息及数值模型等嵌入GIS管理平台,研发具备水质在线监测及数据分析、水环境数学模型构建及计算分析、水污染物通量动态测算等功能的跨界区域水污染物通量监控系统,其系统集成结构如图5所示。

图5　系统集成总体结构示意图

该系统将水环境信息与空间信息紧密结合,可直观形象地展示模型河道及关键断面水质计算结果信息;基于前述通量核算体系,可实现苏浙沪跨界区域各行政区间水污染物通量的动态计算,以及跨界区域通量超标预警(图6)。

图6　跨界区域水污染物通量监控系统部分功能截屏

3.2　跨界区域通量计算及分析

3.2.1跨界区域水污染物通量计算

对跨界控制区涉及的江苏省苏州市、浙江省湖州市、浙江省嘉兴市及上海市内14个县区进行分析,确定了10个水污染物出(入)省界交换县区,基于苏浙沪跨界区域各行政区间的水污染物通量计算体系,利用通量计算公式(1),采用2009—2012年跨界区域水文、水质实测资料,计算得到了苏浙沪跨界区域各行政区间的逐月水污染物通量值。其中2011年跨界区域水污染物通量计算结果见表4。

表4　2011年各县区跨界水污染物通量计算结果 　t/a

3.2.2跨界区域通量阈值计算

根据90%枯水保证率水文条件及水功能区划水质目标,利用跨界区域水污染通量阈值计算公式(2),计算得到了苏浙沪跨界区域各行政区间跨界污染物通量阈值,见表5。

3.2.3跨界区域超标通量计算

基于苏浙沪跨界区域各行政区间的水污染物通量计算结果与通量阈值,利用跨界区域水污染超标通量计算公式(3),计算得到了苏浙沪跨界区域各行政区间2009—2012年的逐月水污染物超标通量值,其中2011年超标通量计算结果见表6。由表6可知,2011年内,跨界区交界行政区间,江苏—上海交界处的COD超标通量最高,而浙江—上海交界处NH3-N及TP的超标通量最高。

表5　各县区主要河道跨界水污染物通量阈值计算结果　t/a

表6　2011年各县区跨界水污染物超标通量计算结果　t/a

4结语

在太湖流域大网模型基础上,构建了苏浙沪跨界区域河网加密的套网格水环境数学模型,利用水文、水质同步监测数据率定得到各项模型参数。利用污染物通量计算原理,建立了跨界区域污染物通量计算模型,并结合太湖流域已建立的31个苏浙沪跨界污染物监测站点的实测数据,采用实时校核及区域叠加技术,构建了苏浙沪跨界区域各行政区间的污染物通量计算体系。

利用2009—2012年跨界区域水文、水质实测资料,计算得到了苏浙沪跨界区域各行政区间的污染物通量。其中,2011年的跨界区水污染物超标通量计算值表明,跨界区域交界行政区间,江苏—上海交界处COD超标通量最高,浙江—上海交界处NH3-N及TP的超标通量最高。计算结果可为跨界矛盾调处、责任认定、生态补偿等环境管理提供科学量化依据。

采用二次开发系统耦合技术,研发了跨界区域水污染物通量监控系统,并开展了初步业务运行。该系统可在太湖跨界区域污染责任认定、跨省界矛盾协调等环境管理工作中发挥重要作用,具有一定的经济、社会和环境效益,具有良好的应用及发展前景。

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Establishment and application of numerical model of water pollutants flux for trans-boundary regions of Taihu Lake Basin

ZHUANG Wei1, WANG Xiao2,3, PANG Yong2,3, LI Weixin1

(1.NanjingInstituteofEnvironmentalSciences,MinistryofEnvironmentalProtection,Nanjing210042,China;

2.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;

3.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourcesDevelopmentonShallowLakes,Ministryof

Education,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：Based on a whole river network model of Taihu Lake Basin, a nested local mathematical model of water environment was established, calibrated by data from the 31 existed monitoring sites in trans-boundary regions of Jiangsu, Zhejiang and Shanghai. Flux of pollutants, flux threshold and excessive flux value methods for calculating water pollutants in trans-boundary regions were proposed, combined with real-time verification and the domain superposition technique. Subsequently, a water pollutants flux monitoring system for trans-boundary regions of Jiangsu, Zhejiang and Shanghai was developed, in which the primarily operational application was carried out.

Key words：Taihu Lake Basin; flux of pollutants; mathematical model of water environment; river network; system integration

(收稿日期：2015-10-08编辑：彭桃英)

中图分类号：X830.3

文献标志码：A

文章编号：1004-6933(2016)01-0036-06

作者简介:庄巍(1981—),男,助理研究员,博士,主要从事水环境资源保护方面研究。E-mail:zhuangwei@nies.org通信作者:李维新,研究员。E-mail:lwx@nies.org

基金项目:水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07506-007,2014ZX07101-011);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(2015-33);浙江省自然科学基金资助项目(LQ14G030020)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.005