張 聃，周 蔚，徐海嵐，何曉洪

(1.杭州市環(huán)境保護科學研究院，浙江 杭州 310014； 2.杭州市水文水資源監(jiān)測總站，浙江 杭州 310016)

城市內(nèi)河污染是目前許多城市面臨的問題。近年來，杭州市加大了河道水質(zhì)改善工程的力度，河水黑臭現(xiàn)象已基本消失，但距水質(zhì)達標仍有較大差距。

改善河流水質(zhì)的根本措施是對污染源進行有效治理。但要截除所有排入河流的污染源比較困難。研究表明，在現(xiàn)有經(jīng)濟社會條件下，河道引配水是一條在有限范圍內(nèi)治理時間最短、投入最少、見效最快的捷徑[1]。如上海市長期致力于蘇州河水系水質(zhì)改善研究，通過合理的引配水調(diào)度，蘇州河干流水質(zhì)改善效果明顯[2]；福州市通過引調(diào)清水，基本消除了內(nèi)河的黑臭現(xiàn)象[3-4]。為進一步改善河道水質(zhì)，杭州市制定了一系列引配水方案，筆者建立了運河杭州段河網(wǎng)水質(zhì)模型，預(yù)測、分析引配水工程運行后運河干流及主要支流的水質(zhì)變化，為相關(guān)研究提供依據(jù)。

1 引配水方案

1.1 運西引水方案

為改善運西片河網(wǎng)以及西湖水環(huán)境，新建珊瑚沙引水工程。工程引水口位于珊瑚沙水庫九溪水廠二期南側(cè)，引水系統(tǒng)由南至北從留下鎮(zhèn)小馬山出口，由分流河介入運西片河網(wǎng)，全長12.5 km。珊瑚沙水工程直接受水區(qū)域為沿山河以北、運河以西河網(wǎng)。

1.2 河網(wǎng)內(nèi)部配水方案

1.2.1 拱墅區(qū)內(nèi)河配水方案

為了保護運河義橋段和改善該區(qū)塊河網(wǎng)水質(zhì)，選在勝利河閘、姚家壩河、電廠進水河與上塘河交界處興建4個抽水泵站，流量分別為0.5 m3/s、2 m3/s、2 m3/s、2 m3/s。運河水經(jīng)拱墅區(qū)河網(wǎng)抽至上塘河，再經(jīng)和睦港排入錢塘江，形成“錢塘江—運河—拱墅區(qū)內(nèi)河—上塘河—和睦港—錢塘江”的水體循環(huán)。

1.2.2 崇賢、康橋鎮(zhèn)配水方案

打通電廠進水河和崇賢沿山港，并設(shè)流量為3 m3/s泵站，抽電廠河水入崇賢沿山港，促進康橋、崇賢片水體流動。

1.2.3 城西配水方案

取消紫金港以東、余杭塘河以南的蓮花港、馮家河小區(qū)域的控制水位2.7 m，開放沿山河、余杭塘河上水閘。通過控制沿余杭塘河水閘的開啟度，使珊瑚沙引水工程入西溪濕地的水量相對均勻地分配到蔣村港、紫金港、蓮花港、馮家河等，適當集中加大五常港、蔣村港的流量，以抬高余杭塘河的水位，使珊瑚沙引水工程經(jīng)西溪濕地的出水比較均勻地分配到余杭塘河以北的河道。

2 河網(wǎng)水環(huán)境模型

運河水系上游水源為錢塘江引水，下游受太湖水系水位影響，屬于典型的受人工調(diào)控的平原河網(wǎng)。城市內(nèi)河污染嚴重，水質(zhì)主要的超標因子為NH3-N、COD。針對運河水系的特點，建立運河流域一維河網(wǎng)水動力水質(zhì)模型，以預(yù)測引配水工程實施后河網(wǎng)水質(zhì)變化。

2.1 河網(wǎng)水動力模型

河網(wǎng)一維水動力模型控制方程為Saint-Venant方程組，其基本形式為：

(1)

(2)

式中：x、t分別為距離和時間；A為過水斷面面積；Q為流量；h為水位；q為旁側(cè)入流流量；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；α為動量校正系數(shù)；g為重力加速度。

利用Abbott 6點有限差分格式[5]離散上述控制方程組，離散后的線性方程組用追趕法求解。

2.2 河網(wǎng)水質(zhì)模型

污染物質(zhì)在河道中的運動轉(zhuǎn)化過程可以用對流擴散方程來描述，對于一維河網(wǎng)模型可以用下式表達：

(3)

式中：ρ為污染物質(zhì)量濃度；D為彌散系數(shù)；ρq為源、匯質(zhì)量濃度；K為衰減系數(shù)。

本研究中的水質(zhì)指標為NH3-N和COD。

2.3 河網(wǎng)概化及污染源分析

運河水系河道縱橫交錯，河道斷面復(fù)雜多變，本研究中河道概化以骨干河道(市級和區(qū)級河道)為基礎(chǔ)，保留污染較為嚴重或?qū)^水具有重要作用的鄉(xiāng)鎮(zhèn)河道。概化后的河網(wǎng)、湖泊在輸水能力和調(diào)蓄能力方面與實際河網(wǎng)相近。概化后的河網(wǎng)如圖1，共有98條河段。

運河流域一些廢水直接排入河道的工業(yè)企業(yè)的污染負荷通過在模型中加入點源來實現(xiàn)。本研究調(diào)查了全市污水直接排入河道的工業(yè)企業(yè)的排污數(shù)據(jù)，包括排污口的名稱、位置、性質(zhì)、污水排放量和主要污染物(COD和NH3-N)的排放量等信息。

模擬區(qū)域產(chǎn)生的城市徑流、農(nóng)業(yè)污染以及畜禽養(yǎng)殖等面源污染通過降雨徑流均勻進入相應(yīng)河道，其污染負荷排放強度與降雨徑流強度成正比。每個面源邊界包括排放流量和污染物排放濃度。分散排污口排放的污染物也通過徑流進入相應(yīng)河段，并考慮遷移過程中的衰減作用。

2.4 模型驗證

在外部邊界條件以及內(nèi)部污染源資料較為準確的前提下，水環(huán)境模型計算結(jié)果的準確性主要取決于水動力模型中曼寧系數(shù)n以及水質(zhì)模型中衰減系數(shù)K。根據(jù)已有相關(guān)研究成果，研究區(qū)域內(nèi)河道曼寧系數(shù)n取值范圍為0.025～0.037[6]；KCOD約為0.1 d-1[7]，KNH3-N為0.04 d-1[8]。

本研究采用拱宸橋及臨平下2個水位站2007年全年實測水位對水動力模型進行驗證，采用德勝壩、義橋、大同橋以及大麻等常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測斷面2007年上半年實測水質(zhì)對水質(zhì)模型進行驗證。水位驗證結(jié)果見圖2，部分斷面水質(zhì)驗證結(jié)果見圖3、圖4。

3 引配水方案模擬結(jié)果及分析

3.1 計算方案設(shè)計

引配水方案中珊瑚沙引水工程設(shè)計引水量為25 m3/s，已運行三堡引水工程設(shè)計引水量也為25 m3/s。實際計算方案根據(jù)枯、豐水期錢塘江水量以及其他一些因素確定各個季度三堡引水工程以及珊瑚沙引水工程設(shè)計引水量分別為：18 m3/s、29 m3/s、25 m3/s和21 m3/s。其余引水工程引水量取往年實際引水量均值。引配水方案計算的主要邊界條件見表1。

圖1 運河水系河網(wǎng)概化及引配水示意圖

圖2 水位驗證結(jié)果

圖3 德勝壩斷面水質(zhì)驗證結(jié)果

圖4 大麻斷面水質(zhì)驗證結(jié)果

表1 引配水方案計算的主要邊界條件

取2006及2007年河道監(jiān)測數(shù)據(jù)均值作為河道水質(zhì)計算本底值以及邊界條件，綜合考慮引配水調(diào)度以及污染源排污情況下河道水質(zhì)變化情況。

3.1 水動力模擬結(jié)果分析

引配水方案實施后，余杭塘河勤豐橋及運河干流主要斷面流量年均值變化情況見圖5。由預(yù)測結(jié)果可知，設(shè)計計算條件下，各斷面流量均有大幅度增加，勤豐橋、五杭大橋及大麻斷面流量增幅均超過了300%。拱宸橋、義橋以及大同橋斷面附近均有較大的分流，故斷面流量增幅相對較小。

圖5 引水前后流量對比

3.2 水質(zhì)預(yù)測結(jié)果分析

設(shè)計水動力條件與現(xiàn)狀水動力條件下水質(zhì)比較見表2。由表2可知，珊瑚沙引水工程以及其他一些內(nèi)部引配水工程啟用，對余杭塘河及運河干流水質(zhì)改善十分明顯。余杭塘河勤豐橋斷面COD和NH3-N濃度分別降低了36.1%和59.2%，設(shè)計水動力條件下COD質(zhì)量濃度為16.8 mg/L，已滿足Ⅲ類水質(zhì)標準；NH3-N質(zhì)量濃度為1.42 mg/L，能滿足Ⅳ類水質(zhì)標準。運河干流所有斷面COD基本達標；大同橋斷面NH3-N質(zhì)量濃度達標，其余斷面均不達標。盡管除大同橋斷面外，所有斷面的NH3-N質(zhì)量濃度仍無法滿足水環(huán)境功能目標，但拱宸橋和義橋斷面的NH3-N濃度降低了42.5%和46.5%，五杭大橋及大麻斷面NH3-N濃度也降低了22.7%和16.0%。由此可見，引配水對河網(wǎng)水質(zhì)改善效果是十分明顯的。

表2 設(shè)計水動力條件與現(xiàn)狀水動力條件下水質(zhì)比較

4 結(jié) 論

a. 對研究范圍內(nèi)污染源進行調(diào)查以及對河網(wǎng)進行概化，建立運河流域杭州段河網(wǎng)水動力水質(zhì)模型，并采用2007年實測水位及水質(zhì)數(shù)據(jù)對模型進行驗證。驗證結(jié)果表明，所建模型能較好地反映研究區(qū)域內(nèi)水動力、水質(zhì)變化情況，能進行設(shè)計計算方案下的水質(zhì)預(yù)測。

b. 引配水方案實施后，除大麻斷面外，運河干流主要斷面COD質(zhì)量濃度均低于20 mg/L，滿足Ⅲ類水質(zhì)標準。拱宸橋、義橋、五杭大橋以及大麻斷面的NH3-N質(zhì)量濃度均高于1 mg/L，不滿足Ⅲ類水環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)指標。大同橋斷面NH3-N平均質(zhì)量濃度為1.47 mg/L，基本滿足Ⅳ類水水質(zhì)標準。

c. 盡管引配水方案實施后，運河干流各主要斷面NH3-N質(zhì)量濃度仍無法滿足要求，但相對現(xiàn)狀水質(zhì)已有很大改善。因此，河道引配水是一種實施相對容易且見效較快的水質(zhì)改善措施。但是，要根本實現(xiàn)水質(zhì)改善，仍需要對入河污染負荷進行削減。

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