污染負荷多情景變化下河流水質響應關系研究

戴 君,劉 碩,2*,韓金鳳,萬魯河,2 (.哈爾濱師范大學,黑龍江 哈爾濱 50025；2.黑龍江省普通高等學校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 50025)

松花江屬于我國七大江河水系之一,近年來隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快,使得流域內污染物排放量不斷增加,水污染問題日益嚴重[1].《2011～2015重點流域水污染防治規(guī)劃》將松花江流域作為重點流域之一[2],同時將松花江哈爾濱市轄區(qū)控制單元,規(guī)劃為流域總量減排、水質改善的優(yōu)先控制單元.根據(jù)黑龍江省2015年環(huán)境狀況公報顯示,松花江主要污染指標為化學需氧量、氨氮和高錳酸鹽指數(shù).全市化學需氧量排放量為28.04萬t,全市氨氮排放量為1.77萬t.

我國流域水環(huán)境管理起步較晚,目前已成為環(huán)境管理的難題之一,制約著我國環(huán)境與社會經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展.支流的水質惡化不僅會使主河道的水環(huán)境質量下降,也會給下游出口斷面造成水環(huán)境壓力,不利于下游水環(huán)境控制單元的建設[3].水質模型的引入,有利于更好的實現(xiàn)對水環(huán)境質量的評價與監(jiān)控預警,從而提高了流域水環(huán)境管理水平[4-5].目前,應用較為廣泛的水質模型有WASP[6]、EFDC[7-8]、MIKE等.其中,EFDC模型是由美國Virginia海洋研究所的Hamrick等根據(jù)多個數(shù)學模型集成開發(fā)研制的綜合模型[9-12],采用Fortran77編制,通用性較好,在流域水環(huán)境管理中的應用日益廣泛[13-14].EFDC模型能夠模擬河道、海灣、水庫、湖泊、濕地和河口等多種地表水的水動力、水質和泥沙等變化,主要包括水動力、水質等6個模塊[15].國內方面,在滇池、長江武漢段[16]等水體都有成功案例,楊澄宇等[17]以滇池流域為例,使用EFDC模型對湖泊流域總量控制進行研究.國外方面,在Okeechobee湖、St.Lucie 河口[18]等地也得到應用.但通過EFDC模型來模擬支流河口與干流水質響應的研究較少.

本研究以松花江哈爾濱市段為模擬河段,利用EFDC模型,選取化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)兩個水質指標,在支流河口污染負荷多情景變化下,對整個干流以及出口斷面水質響應關系開展研究.以期為松花江哈爾濱段單元內流域水質管理及優(yōu)化決策提供依據(jù)和參考[19-21].

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)河段概況

松花江哈爾濱段全長約66km,其干流流域地處我國44°N以北,黑龍江省南部,屬于松花江流域的中段,位于朱順屯斷面及大頂子山斷面兩個國控監(jiān)測斷面之間,入流河段包括阿什河、呼蘭河、蜚克圖河,何家溝以及馬家溝,如圖1所示.河流分為枯水期、平水期、桃花汛期、豐水期4個時期,具有冰封期長及春夏雙汛期的特點,豐枯交替現(xiàn)象明顯.枯水期為每年冬天11月～次年2月,水位最低;桃花汛期集中在每年的3月末～4月末,上游及流域范圍內冰雪消融產(chǎn)生融雪徑流;豐水期為6月～8月,洪峰大、徑流量較大;平水期為9～10月.在全年降水量中,降雨占70%～85%,是松花江哈爾濱段徑流量的重要補給源.目前,對控制單元內松花江干流大頂子山出口斷面以下的水體功能區(qū)劃目標為III類;一級支流河阿什河和呼蘭河的水質目標為IV類.

圖1 研究區(qū)域及主要水系及河流斷面Fig.1 Study area and main water system and river section

1.2 水動力-水質模型的構建

1.2.1 模型網(wǎng)格構建 根據(jù)研究區(qū)域水體范圍及其地形條件,使用Delft3D軟件對哈爾濱市段河流干流進行劃分,研究范圍河道水深較淺,垂向不設置分層,概化后得到1220個正交網(wǎng)格.沿江有何家溝、馬家溝、阿什河、呼蘭河、蜚克圖河等匯入,市區(qū)內的徑流、污水處理廠處理后的出水等沿以上支流分別匯入松花江,入流口A為朱順屯入流口,是研究區(qū)最主要的水源,為上游的來水量.匯水口B為何家溝匯水口,C和D分別為馬家溝和阿什河匯水口,E和F分別為呼蘭河和蜚克圖河匯水口,G為老頭灣水文監(jiān)測站.A為模型上邊界、B、C、D、E、F為模型的旁側邊界.概化后的網(wǎng)格及邊界條件的設定如圖2所示.

1.2.2 模型數(shù)據(jù)來源 建模過程中主要包括氣象、流量、水位以及水質數(shù)據(jù)等.其中氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng),提取2014年1月～10月研究區(qū)氣象站的降水量、氣壓、風速、風向、溫度、相對濕度和水汽壓等數(shù)據(jù)對模型進行輸入.流量邊界及水位數(shù)據(jù)采用朱順屯斷面、大頂子山斷面及各支流斷面的實測數(shù)據(jù).模型選取COD、NH3-N兩水質指標進行模擬,數(shù)據(jù)來源于朱順屯斷面、何家溝口內斷面、馬家溝口內斷面、阿什河口內斷面、呼蘭河口內斷面以及蜚克圖河口內斷面的月平均實測值.

圖2 網(wǎng)格及邊界條件的設定Fig.2 Boundary condition setting

圖3 老頭灣水文站水位驗證結果Fig.3 Water level verification result

1.2.3 參數(shù)率定及模型驗證 模型的時間步長為10s,采取上游設置流量下游設置水位的方式,初始的水位場為116.43m.初始溫度場設置為18℃,模擬時間為2014年1月～10月,水動力與水質模塊按天輸入0～303d的流量、水質等數(shù)據(jù).根據(jù)2013年7、8月老頭灣監(jiān)測站的實測水位數(shù)據(jù),對水動力模型進行率定.模型底部糙率為0.02,采用2014年1月～10月實測數(shù)據(jù)進行驗證,水位驗證結果如圖3所示,模擬和實測水位最大水位差是0.33m,相對誤差較小.水質模塊采用2014年1月水質數(shù)據(jù)進行率定,主要參數(shù)取值見表1.圖4所示為大頂子山斷面水質實測值的驗證結果,COD的相對誤差和相對均方根誤差分別為2.19%和12.06%,NH3-N的相對誤差和相對均方根誤差分別為11.63%和10.42%.

圖4 大頂子山斷面COD與NH3-N濃度驗證Fig.4 Result of COD and NH3-N concentration calibration of Dadingzi Hill section estuary

表1 水質主要參數(shù)率定取值Table 1 Main parameter of water quality model calibration

2 結果與討論

2.1 情景設置

大頂子山斷面為國家水體污染控制與治理科技重大專項中松花江哈爾濱段控制單元的出口斷面,對其污染負荷的研究有利于優(yōu)化控制單元出口斷面的水質,提高區(qū)域內及下游單元的水環(huán)境質量.自2012年起,哈爾濱市取消了所有點源的松花江趕排口,因此阿什河、何家溝、呼蘭河、馬家溝和蜚克圖河等入流河段成為松花江哈爾濱段干流的點源污染負荷的輸入口,以上5個入流河段的入流濃度變化成為情景設置的基礎.阿什河為松花江一級支流,附近有哈爾濱市文昌污水處理廠、信義溝以及周邊村屯排放的生活生產(chǎn)污水流入,新增工業(yè)園區(qū)及生活污水形成的復合污染,導致阿什河水體污染較為嚴重,甚至達到劣V類,對松花江干流水質有著較大影響.同時位于上游的何家溝,其污染負荷會受其附近群力污水處理廠的影響,從而影響中下游水質,通過對其模擬,可以得出污水處理廠擴建或處理技術提高時污染負荷改變對干流水質造成的影響.呼蘭河是整個呼蘭區(qū)的受納水體,其污染也很大程度上影響著中下游水質,其污染負荷增減的模擬也具有重要參考價值.馬家溝水量較小,蜚克圖河污染負荷較低,改變污染負荷后的模擬結果變化較小.因此,本研究主要針對阿什河、呼蘭河、何家溝3個流量較大并且污染負荷較高的支流河口進行模擬,從而得出支流河污染負荷改變的情境下,干流河及出口斷面水質的變化情況,進而得出在保證大頂子山斷面COD、NH3-N的水質穩(wěn)定在III類時,對中上游支流河的水質要求.為此,設置9個模擬情景,保持水動力模型設置不變,水質模塊的上邊界按天輸入的污染負荷不變,分別模擬3個支流河口及其組合時,污染物濃度在原始污染負荷的基礎上進行增加和削減時,下游大頂子山出口斷面COD、NH3-N濃度在枯水期、桃花汛期、豐水期和平水期四個水期的變化規(guī)律.具體見表2.

表2 干支流污染負荷輸入情景設置Table 2 Input load scenarios for pollutant loads in tributaries

2.2 COD水質模擬

2.2.1 不同水期出口斷面水質的響應 根據(jù)上述模擬情景,模擬單獨改變一個支流河口和同時改變幾個支流河口污染負荷時,大頂子山出口斷面在不同水期的水質變化.由圖5可以看出,在不改變污染負荷時,枯水期污染負荷最為嚴重.阿什河污染負荷的變化對大頂子山斷面的影響最大,在單獨改變阿什河與其他河流組合時,其模擬結果均成上升趨勢;當阿什河削減負荷,呼蘭河增加負荷時,整體水質有上升趨勢.根據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)[22]中COD標準限值要求,情景①中,當阿什河污染負荷不斷降低,枯水期水體達到23.52mg/L,屬IV類水體時,大頂山斷面的污染負荷濃度也隨之降低為19.81mg/L,成為III類水體;平水期阿什河COD濃度降到30.16mg/L,屬V類水體時,大頂子山斷面水體降低為14.65mg/L,成為II類.當阿什河污染負荷升高時,桃花汛期和平水期水體達到劣V類時,大頂子山斷面水體分別為20.12和20.4mg/L,達到了IV類.情景④阿什河和呼蘭河同時改變的情景下,枯水期二者都為IV類水體時,出口斷面為19.49mg/L,屬于III類水體,二者都為I類時,出口斷面為II類;豐水期時,二者都降為II類水體,大頂子山斷面為14.86mg/L屬于II類水體.平水期,當大頂子山斷面的水體達到20.64mg/L為IV類水體時,阿什河與呼蘭河水體已經(jīng)是劣V類水.情景⑦三條河負荷同增同減時,在降低污染負荷的情況下,平水期阿什河降為II類、呼蘭河為II類、何家溝為III類時,大頂子山斷面COD濃度符合II類水質標準;桃花汛期,阿什河和何家溝水質降為II類,同時呼蘭河為I類時,出口斷面水質為II類.

圖5 COD模擬結果Fig.5 COD simulation results

2.2.2 不同水期干流水質的響應 在枯水期、桃花汛期、平水期和豐水期,大頂子山斷面處于III類水體時,不同水期COD在整個江面的分布狀態(tài)如圖6所示.阿什河口內與呼蘭河口內斷面污染負荷同時改變的條件下,若大頂子山斷面水質保持在III類水質標準時,要求枯水期(a)阿什河口內斷面COD濃度不能超過29.3mg/L,呼蘭河口內斷面不能超過22.3mg/L;桃花汛期(b)則不能超過41.82和32.13mg/L;平水期(c),阿什河口內斷面COD濃度不超過47.75mg/L,呼蘭河口內斷面不超過36.27mg/L時,大頂子山斷面保持在III類;豐水期(d),當阿什河口內與呼蘭河口內斷面COD濃度同時分別超過65.4和41.47mg/L時,大頂子山斷面超出III類水體.

圖6 不同水期COD在整個江面的分布情況Fig.6 The COD distribution of different water periods on the entire river

2.3 NH3-N水質模擬

2.3.1 不同水期出口斷面的水質響應 針對NH3-N的模擬情景如圖7,原始狀態(tài)下大頂子山斷面在枯水期水質為1.24mg/L,屬于IV類水體;桃花汛期和平水期水質分別為0.8和0.62mg/L,為III類;豐水期0.36mg/L,為II類.阿什河的濃度較高,模擬后對出口斷面的影響較大,情景①中,枯水期大頂子山斷面由IV類變?yōu)镮I類時,此時阿什河的水質是由劣V類降到了III類;在阿什河NH3-N濃度降到0.48mg/L成為II類時,桃花汛期大頂子山斷面達到0.47mg/L,是II類水體;平水時期阿什河水質降為III類時,出口斷面水質則由III類降為II類.阿什河污染負荷增長時,出口斷面的水質也逐漸惡化,當污染負荷在其原始濃度上增加80%時,出口斷面水質在枯水期由IV類變成V類,桃花汛期由III類變成IV類.與阿什河相比,呼蘭河和何家溝的改變對出口斷面的影響相對較弱,情景②中,大頂子山斷面NH3-N濃度均有所波動,但仍處于原始水質標準的范圍內.由情景⑦可知,3條河流同時改變,對大頂子山斷面的影響最大,阿什河與何家溝匯水口的污染負荷較高,在二者NH3-N濃度同時降低50%,并且呼蘭河由III類降低為II類時,出口斷面水質在枯水期由III類降為II類.桃花汛期,出口斷面由III類變?yōu)镮I類時,此時阿什河處于III類,呼蘭河處于I類,何家溝則降低到接近V類.平水時期,阿什河為IV類,呼蘭河降為II類,何家溝減少60%負荷時,大頂子山出口斷面水質由III類變?yōu)镮I類.

2.3.2 不同水期干流水質的響應 在模擬情景中,大頂子山斷面NH3-N濃度分別在不同水期達到了不同的水質標準,此時整個江面的分布狀況如圖8所示.(a)為枯水期處于IV類時,整個江面的狀況;(b)為桃花汛期處于III類江面的分布狀況;(c)是平水時期,此時出口斷面水質為II類;(d)所示為豐水期大頂子山斷面NH3-N處于I類標準,濃度整體比較低.阿什河口內與呼蘭河口內斷面污染負荷同時改變的條件下,枯水期若大頂子山斷面水質保持在III類,則要求阿什河口內斷面和呼蘭河口內斷面水質不能超過8.73和2.92mg/L;桃花汛期若大頂子山保持在II類,則二者最高分別為6.3和2.23mg/L;大頂子山斷面在豐水期保持在I類水體時,阿什河口內斷面和呼蘭河口內斷面NH3-N濃度則不能超過7.57和1.79mg/L.

圖7 NH3-N模擬結果Fig.7 NH3-N simulation results

圖8 不同水期NH3-N在整個江面的分布情況Fig.8 The NH3-N distribution of different water periods on the entire river

3 結論

3.1 研究表明,水動力模塊模擬水位和實測水位最大水位差為0.33m,水質指標模擬結果與實測數(shù)據(jù)的相對誤差和相對均方根誤差均在15%以內,顯示了模型的可靠性.

3.2 選取COD、NH3-N兩項水質指標,設置9個情景,研究分為4個水期,考慮到不同季節(jié)污染負荷的動態(tài)變化,模擬中上游支流河口污染負荷輸入與出口斷面污染負荷輸出水質的響應關系,結論表明,嚴格控制每個支流匯水口的污染負荷排放有利于干流及下游的水污染防治和管理,可以減輕其水質壓力.阿什河口下斷面的改變對出口斷面影響最大,為此應加強對一級支流阿什河的治理力度.

3.3 模擬給出了大頂子山COD保持在III類水質時、NH3-N保持在I、II、III類時,各個水期對阿什河及呼蘭河的水質要求.模型結果可為松花江哈爾濱市段流域總量減排和水質改善提供科學依據(jù),同時也為流域大尺度水質評估及預警提供定量化的參考.

[1] 于 森,蔣洪強,常 杪,等.松花江流域水資源-水污染聯(lián)合調控方案動態(tài)模擬研究 [J]. 環(huán)境科學學報, 2015,35(6):1866-1874.[2] 黃錫生,劉 茜.重點流域污染防治法律體系現(xiàn)狀及對策建議[J]. 環(huán)境保護, 2013,41(13):17-20.

[3] 彭秋志,康慕誼,廖劍宇,等.河段水質壓力目標管理模式的概念與方法 [J]. 環(huán)境科學學報, 2012,32(10):2625-2632.

[4] Zhu Z, Oberg N, Morales V M, et al. Integrated urban hydrologic and hydraulic modelling in Chicago, Illinois [J]. Environmental Modelling & Software, 2016,77(C):63-70.

[5] 朱 磊,李懷恩,李家科,等.水文水質模型聯(lián)合應用于水庫水質預測研究 [J]. 中國環(huán)境科學, 2012,32(3):571-576.

[6] 張質明,王曉燕,潘潤澤.一種改進的不確定性水質模型參數(shù)率定方法 [J]. 中國環(huán)境科學, 2017,37(3):956-962.

[7] 李一平,邱 利,唐春燕,等.湖泊水動力模型外部輸入條件不確定性和敏感性分析 [J]. 中國環(huán)境科學, 2014,34(2):410-416.

[8] 鄒 銳,蘇 晗,陳 巖,等.流域污染負荷-水質響應的時空數(shù)值源解析方法研究 [J]. 中國環(huán)境科學, 2016,36(12):3639-3649.

[9] Hamrick J M. A Three-Dimensional Environmental Fluid Dynamics Computer Code: Theoretical and Computational Aspect [J]. 1992.

[10] Jin K R, Hamrick J H, Tisdale T. Application of Three-Dimensional Hydrodynamic Model for Lake Okeechobee [J].Journal of Hydraulic Engineering, 2000,126(10):758-771.

[11] 張以飛,王玉琳,汪 靚. EFDC模型概述與應用分析 [J]. 環(huán)境影響評價, 2015,37(3):70-72.

[12] Chen L, Yang Z, Liu H. Assessing the eutrophication risk of the Danjiangkou Reservoir based on the EFDC model [J]. Ecological Engineering, 2016,96:117-127.

[13] 鄒 銳,張曉玲,劉 永,等.撫仙湖流域負荷削減的水質風險分析 [J]. 中國環(huán)境科學, 2013,33(9):1721-1727.

[14] 王建平,蘇保林,賈海峰,等.密云水庫及其流域營養(yǎng)物集成模擬的模型體系研究 [J]. 環(huán)境科學, 2006,27(7):1286-1291.

[15] 萬由鵬,毛獻忠.深圳灣TIN和PO_4～(3-)-P數(shù)值模擬及減排效果分析 [J]. 環(huán)境科學, 2011,32(2):384-391.

[16] 齊 珺,楊志峰,熊 明,等.長江水系武漢段水動力過程三維數(shù)值模擬 [J]. 水動力學研究與進展, 2008,23(2):212-219.

[17] 楊澄宇,代 超,伊 璇,等.基于正交設計及EFDC模型的湖泊流域總量控制--以滇池流域為例 [J]. 中國環(huán)境科學, 2016,36(12):3696-3702.

[18] Ji Z G, Hu G, Shen J, et al. Three-dimensional modeling of hydrodynamic processes in the St. Lucie Estuary [J]. Estuarine Coastal & Shelf Science, 2007,73(1):188-200.

[19] 盛 虎,向 男,郭懷成,等.流域水質管理優(yōu)化決策模型研究[J]. 環(huán)境科學學報, 2013,33(1):1-8.

[20] 樊慶鋅,楊先興,邱 微.松花江哈爾濱段城市水環(huán)境質量評價[J]. 中國環(huán)境科學, 2014,34(9):2292-2298.

[21] 吳運敏,陳求穩(wěn),李 靜.模糊綜合評價在小流域河道水質時空變化研究中的應用 [J]. 環(huán)境科學學報, 2011,31(6):1198-1205.[22] GB3838-2002 地表水環(huán)境質量標準 [S].