陳　玥,侯道平,陳　星,張其成,龐曉飛

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京　210098; 2. 臺州市市區(qū)水環(huán)境整治促進中心,浙江 臺州　318000；3.臨沂市水務集團有限公司，山東 臨沂　276000)

臺州市核心區(qū)生態(tài)補水最佳流量研究

陳玥1,侯道平2,陳星1,張其成1,龐曉飛3

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京210098; 2. 臺州市市區(qū)水環(huán)境整治促進中心,浙江 臺州318000；3.臨沂市水務集團有限公司，山東 臨沂276000)

摘要：為改善臺州城區(qū)水生態(tài)環(huán)境,確定對臺州城區(qū)生態(tài)補水的規(guī)模,應用MIKE 11水環(huán)境模型軟件建立河網(wǎng)水量水質耦合模型,研究河網(wǎng)水動力變化對水質改善的影響,對模型進行率定、驗證,并預測8種不同工況條件引水后的水質狀況,以水環(huán)境質量改善后降低的污水處理費用作為經(jīng)濟效益指標,以泵站運行費用作為成本指標,計算引水流量與工程凈效益之間的定量關系,最后分析得到最佳引水流量,旨在為確定、優(yōu)化臺州市區(qū)生態(tài)補水流量、治理城市水污染問題提供決策依據(jù)。

關鍵詞：生態(tài)補水;水量水質模型;最佳引水流量;效益分析;臺州市

河網(wǎng)地區(qū)的經(jīng)濟、社會、文化均發(fā)展較快,水污染問題極其突出,水生態(tài)系統(tǒng)遭受嚴重破壞[1]。為解決城市水環(huán)境問題,采取“清水、活水”方法,即通過生態(tài)補水來降低水體中污染物濃度并增強水動力條件,從而改善地區(qū)水環(huán)境的方法,被很多國家采納,且效果顯著。美國的Green湖、Snake湖等均通過生態(tài)補水使水質得到了改善[2];1979年,荷蘭采用了相似的方法治理了Veluwe湖[3]。近些年,我國也有不少采用該方法有效治理水污染的典范。加強河湖連通是新形勢下的一種治水方案。以水生態(tài)環(huán)境修復與保護為主的河湖水系連通,需保障生態(tài)環(huán)境用水,修復河湖和區(qū)域的生態(tài)環(huán)境,重點提高水資源和水環(huán)境承載能力[4]。2002年,為實現(xiàn)太湖流域水環(huán)境綜合治理,組織了“引江濟太”工程;同年,還實施了長江對南四湖的應急生態(tài)補水工程;2004年,為拯救干涸的白洋淀,通過“引岳濟淀”工程使白洋淀水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)得以恢復[5-6]。但是,目前該方面的研究內(nèi)容側重于補水后水體水質改善的效果評價[7-8],且研究對象大多為湖泊,而引水流量與水環(huán)境改善效益的量化關系以及最佳引水流量的確定是該領域有待深入探討的問題之一[9]。本文基于MIKE 11的水量水質數(shù)學模型模擬不同的引水流量工況對臺州城區(qū)水質的改善情況,以水質改善降低的污水處理費用作為經(jīng)濟效益指標,以泵站運行費用作為成本指標,定量計算引水流量與凈效益之間的關系,試圖解決生態(tài)補水工程中具有最佳經(jīng)濟效益的引水流量問題。研究區(qū)水系屬山丘平原河網(wǎng)水系,相互貫通,并且受人工閘壩調(diào)控,水動力條件復雜。該地區(qū)既受上游來水影響,又受本地污染源影響,水體污染嚴重,體現(xiàn)了我國東部地區(qū)城市水動力、水質污染特點。本研究旨在為類似地區(qū)水量調(diào)控和水污染治理提供參考和借鑒。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

臺州市椒江區(qū)地處東南沿海,位于溫黃平原,為典型河網(wǎng)水系地區(qū)。河流水系總體呈“四橫九縱”經(jīng)緯格局,“四橫”自北向南依次為東西走向的高閘浦、洪家場浦、鮑浦、長浦,“九縱”自西往東依次為南北走向的永寧河、葭芷涇、三才涇、一條河、二條河、三條河、五條河、八條河、九條河。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,大量工業(yè)廢水和生活污水等外源污染輸入,加之河道長期滯留,水污染問題日趨嚴重。從椒江區(qū)9個水質監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,近5年椒江區(qū)劣Ⅴ類水體占50%以上,主要污染物質為NH3-N、TP。隨著浙江省“五水共治”工作的推進,城區(qū)作為“治污水”工作的重點區(qū)域,臺州市政府劃定西至永寧河,東至機場路,南至東海大道,北至椒江堤塘為臺州市核心區(qū),面積約20km2,擬通過生態(tài)補水和城區(qū)活水工程來改善城區(qū)水生態(tài)環(huán)境。引水調(diào)控方案為引長潭水庫的清潔水源,經(jīng)由江南渠道、中干渠至西江水系,通過東官河經(jīng)永寧河注入椒江城區(qū),通過海門河入江城河、葭芷涇、三才涇,對臺州市核心區(qū)進行生態(tài)補水。涉及的河道主要有東官河、永寧河、海門河、江城河、葭芷涇、三才涇,引水建筑物包括永寧河上的0號船壩,葭芷涇上3號橡膠壩,三才涇上4號橡膠壩,海門河上5號橡膠壩,以及其他臨時堵壩。具體情況見圖1。

圖1　椒江區(qū)核心區(qū)水系及水利工程分布

1.2模型

1.2.1水量、水質模型的建立

本文采用MIKE11 HD模塊建立水動力模型,基本原理為圣維南方程組(式(1)),采用“雙掃”法進行數(shù)值計算,采用六點中心隱式差分格式。

(1)

式中:A為過流斷面面積;t為時間;Q為流量;x為距離坐標;q為旁側入流的流量;h為水位;C為謝才系數(shù);R為水力半徑;g為重力加速度。

利用HD模塊模擬的水動力條件,通過MIKE11 AD模塊模擬水體中污染物對流擴散過程,應用對流擴散方程進行計算。采用一維模型進行模擬,其基本方程為

(2)

式中:ρ為污染物質量濃度;t為時間;u為河流平均流速;x為距離坐標;Ex為對流擴散系數(shù);K為污染物一級衰減系數(shù)。

1.2.2河網(wǎng)概化

在掌握椒江河網(wǎng)水文資料的基礎上,遵循與實際河網(wǎng)輸水能力、調(diào)蓄能力等保持一致的原則[10],以東官河、永寧河、海門河、葭芷涇、三才涇、高閘浦為骨干河道進行概化。概化河網(wǎng)見圖2。

圖2　核心區(qū)河道概化

1.2.3模型率定

以2012年1月9—13日臺州市原型調(diào)水實驗數(shù)據(jù)為實測值。原型調(diào)水從長潭水庫開閘放水,經(jīng)由江南渠道、中干渠至西江水系,通過東官河經(jīng)永寧河進入椒江城區(qū),通過閘壩調(diào)度對核心區(qū)進行補水,共設有10個監(jiān)測斷面,具體見圖3。水文監(jiān)測因子包括流量、流速、水位,水質監(jiān)測因子包括COD、NH3-N、TN、TP,水文監(jiān)測每小時1次,水質監(jiān)測每6 h1次。結果表明計算流量和水質均與實測值擬合較好,流量相對誤差最大10.3%;選取COD 和NH3-N為代表污染物,水質相對誤差小于15%,說明模型參數(shù)選取合理,可用于描述該地區(qū)的水動力和水質變化過程。其中重點監(jiān)測斷面的流量和水質率定驗證結果見圖4。

2引水效果評價

筆者逐步增加引水流量,模擬不同引水流量下的水質情況,進行引水效果評價。結果表明:當流量未達到10 m3/s時,水質改善效果顯著;流量達到10 m3/s時,水質改善趨勢減緩。為保持流量、水質關系的完整性,流量模擬至16 m3/s。

通過綜合水質標識指數(shù)評價法來分析8種不同引水流量下水質改善效果,再計算效益和成本。水環(huán)境質量改善后具有諸多效益,本文選取降低污水處理費作為可量化指標來進行評估,以調(diào)水過程中泵站運行成本作為成本指標,確定引水流量和凈效益的定量關系,進一步分析經(jīng)濟效益最大化時的引水流量。

2.1水質評價方法

本文采用綜合水質標識指數(shù)評價法來判斷水質改善狀況。綜合水質標識指數(shù)表示為C，其計算方法為

圖3　核心區(qū)原型調(diào)水試驗監(jiān)測斷面分布

圖4　模型計算值與實測值對比

(3)

式中:Pi為徐祖信等[11]提出的單因子水質標識指數(shù),每項指標各占1個權重,m為主要污染物個數(shù);Pj為非主要單因子水質標識指數(shù),共計1個權重,n為非主要污染物個數(shù)。

該方法不僅能夠對Ⅰ～Ⅴ類水進行判斷,還可對劣Ⅴ類水進行連續(xù)劃分,具體評判標準見表1。本文采用COD、NH3-N、TP、TN作為評價單因子,采用單因子評價法計算得到4個監(jiān)測指標的標識數(shù),其中NH3-N、TP、TN為主要污染指標,COD為非主要污染指標。模型模擬結果顯示,引水3 d后,各斷面污染物基本達到穩(wěn)定狀態(tài),以引水75 h后的水中污染物濃度作為評價數(shù)據(jù)。由于研究區(qū)域范圍較小,且河道斷面較規(guī)則,采用3—12號斷面污染物濃度的平均值,計算得到8種不同工況下綜合水質標識指數(shù),具體計算結果見表2。根據(jù)計算結果繪制綜合水質標識指數(shù)變化曲線,見圖5。

表1　基于綜合水質標識指數(shù)水質分類

表2　不同工況下綜合水質標識指數(shù)

圖5　水質綜合標識指數(shù)變化曲線

由圖5可以看出,隨著流量的增加水質綜合評價標識指數(shù)降低速率變小,即水質改善的效果逐漸降低,當流量達到10 m3/s,水質可達到水功能區(qū)要求。

2.2經(jīng)濟效益評價

本文利用MIKE 11模型計算出的引水后流量和污染物濃度,經(jīng)濟效益指標為減少的污水處理費用,經(jīng)濟效益計算公式為

(4)

式中:Em為經(jīng)濟效益;ρ0為引水前河網(wǎng)中初始污染物量;ρ1為引水后污染物量;P為處理1 g污染物的成本,其計算公式為

(5)

式中:Pc為單位水價中包含的污染物處理費用;ρ為污染物質量濃度。

本文選用補水工程運行成本作為成本指標,不考慮生態(tài)補水工程的建設成本,由于引水水源為長潭水庫汛期的下泄水量,故成本主要為泵站運行費用,通過式(6)進行成本計算:

(6)

式中:Ey是運行成本;Q′為引水流量;T為引水時間;Py為泵站運行費用。

根據(jù)公式(5)～(6)計算經(jīng)濟效益與運行成本,兩者之差為工程凈效益,計算公式為

(7)

計算過程中,選用典型污染物NH3-N作為經(jīng)濟效益計算污染物,核心區(qū)引水以75 h計算,核心區(qū)水體約為40萬m3;臺州市的污水處理費用約為1.03元/m3,臺州市污水處理廠混合進水水質分析結果顯示,污水中NH3-N質量濃度約為32.5 mg/L;根據(jù)目前引水時泵站的運行費用估算泵站污染物處理費用為0.01元/m3。然后可以利用公式(4)～(7)計算得出相關的指標值,具體計算結果見表3。凈效益與引水流量的定量數(shù)值關系可表達為E=-0.033 1Q′2+0.617 8Q′+2.116 3,變化曲線見圖6。

表3　8種工況下經(jīng)濟效益、運行成本與凈效益

圖6　引水流量與經(jīng)濟效益、運行成本、凈效益關系

3結語

a. 通過對比分析8種不同引水流量對核心區(qū)水質的改善效果,并計算出8種工況下的效益和成本,得到流量和凈效益之間的定量關系,確定最經(jīng)濟引水流量為10.24m3/s,最大凈效益約為4.97萬元,此種工況引水75h后污染物質量濃度基本穩(wěn)定。

b. 水環(huán)境質量改善后具有諸多效益,如提升城市品位,吸引旅游和投資,提升土地價值,降低污水處理費用等。由于其他指標難以量化,本文僅選取降低污水處理費用作為經(jīng)濟效益指標,但這樣會使效益偏小。

由于資料局限,本文只建立了一維水量水質模型,結果僅供工程建設參考,建議采用二維模型,參考本文評估方法,來計算最佳引水流量和經(jīng)濟效益。

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Optimal flow of ecological water supplement in core area of Taizhou City

CHEN Yue1, HOU Daoping2, CHEN Xing1, ZHANG Qicheng1, PANG Xiaofei3

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.PromotionCenterforTaizhouCityWaterEnvironmentTreatment,Taizhou318000,China;3.LinyiWaterGroupCo.Ltd.,Linyi276000,China)

Abstract：In order to improve the water ecological environment of Taizhou urban area, and determine the scale of ecological water supplement in the area, the water environment MIKE 11 software was used to establish a river water quantity and quality coupling model to study the influence of hydrodynamic change on water quality improvement. And then the model was calibrated and verified. The situation of water quality after water diversion of eight kinds of different working conditions was predicted. Taking the reduced wastewater treatment costs after the quality of water was improved as the economic benefits indicators, and pump operating costs as the cost index, the quantitative relationship between the flow of water diversion and the net benefit of the project was calculated, and the optimal flow of water diversion was obtained. The aim of this study is to provide a scientific basis for determining and optimizing ecological water supplement and the control of water pollution in Taizhou urban area.

Key words：ecological water supplement; water quantity and quality model; optimal flow of water diversion;benefits analysis; Taizhou City

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.018

作者簡介:陳玥(1992—),女,碩士研究生,研究方向為生態(tài)水利。E-mail:2504784595@qq.com 通信作者:陳星,講師，博士。E-mail:chenxing@hhu.edu.cn

中圖分類號：X832

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)02-0087-05

(收稿日期：2015-07-13編輯：彭桃英)