淀山湖环湖河流总磷入湖控制浓度分析

中国环境学会  2011年 03月31日


  张红举1,杨利芝1,陈祖军2,魏清福3,汪传刚1
  (1、太湖流域水资源保护局,上海,200434;2、上海市水务规划设计研究院,上海,200232;3、上海勘测设计研究院,上海,200434)


  摘  要:淀山湖是江苏省与上海市边界的重要湖泊,近年来富营养化程度不断加剧。本文建立了基于MIKE21的淀山湖二维水量水质计算模型,采用该模型研究了在淀山湖水功能区水质保护目标要求下,环湖河流总磷(TP)入湖控制浓度,成果可为水资源管理提供参考。
  关键词:淀山湖,MIKE21,总磷,入湖控制浓度


  Analysis on River’s Total Phosphorus Allowable Concentration around the Dianshan Lake
  ZHANG Hong-ju1, YANG Li-zhi1,CHEN Zu-jun2, WEI Qing-fu3, WANG Chuan-gang1
  (1、Taihu Basin Water Resources Protection Bureau, Shanghai 200434, P.R. China;
  2、Shanghai Water Planning & Design Research Institute, Shanghai 200232 , P.R. China;
  3、Shanghai investigation, Design & Research Institute, Shanghai 200434, P.R. China)
  Abstract:Dianshan Lake is located at the boundary of Jiangsu Province and Shanghai. In recent years, Dianshan Lake has become euthophicated. This article established the lake water quantity and quality model based on MIKE21, and the maximum allowable total phosphorus (TP) concentration of the river around the Lake can be gotten through the model simulation, the achievement may provide the reference for the water resources management
  Keywords: Dianshan Lake, MIKE 21, total phosphorus, allowable concentration
   
  1 淀山湖概况


  1.1 自然概况
  淀山湖地处江苏、上海交界处,分属江苏昆山市和上海青浦区管辖。淀山湖是一个吞吐型浅水湖泊,南宽北窄,形似葫芦,水域面积63.7km2,平均水深2.11m,最大水深3.59m。淀山湖全湖为苏沪缓冲区,水质保护目标为Ⅱ~Ⅲ类。淀山湖涉及阳澄淀泖、浦西区两大片洼地,地面高程一般在2.5~3.5m(镇江,吴淞零点,下同),最低地区高程不到2.0m。
  1.2 社会经济
  淀山湖地区行政区域主要包括江苏省昆山市(周庄、锦溪、张浦、千灯、淀山湖镇)、吴江市(汾湖镇)、上海市青浦区(金泽、练塘、朱家角镇),覆盖面积约979km2。2006年,地区总人口77.5万(占太湖流域的1.6%),其中户籍人口51.7万, 流动人口25.8万。国内生产总值达324.9亿元(占太湖流域的1.3%)。
  1.3 水系概况
  淀山湖环湖河流较多,主要有千灯浦、朱厍港、急水港、元荡、拦路港等,总计59条,见图1。淀山湖出水经黄浦江流入长江口至东海。
  1.4 水质状况
  2008年淀山湖水质劣于Ⅴ类[1],主要超标项目为总氮、总磷(TP)、氨氮、五日生化需氧量和化学需氧量等,营养状况评价结果为中度富营养水平。淀山湖入湖河流水质较差,其中急水港(周庄大桥断面)、千灯浦(千灯浦闸断面)水质为劣于Ⅴ类,朱厍港(珠砂港大桥断面)为Ⅳ类。
  近年来,由于入湖污染物量不断增加,淀山湖已经逐渐转化为中度富营养化湖泊。相关研究表明,TP是湖泊富营养化的控制性因子[1-2]。为保护淀山湖,有必要研究淀山湖环湖河流TP入湖控制浓度。


  2 湖泊TP入湖控制浓度分析


  2.1 技术路线
      建立淀山湖二维水量水质模型,选择湖泊浓度控制点,通过模型计算,研究当湖泊水质控制点满足TP保护目标时,环湖河流允许入湖的TP最高浓度。
  2.2 淀山湖二维水环境数学模型的建立
  式中:Z为水位,m;t为时间,s;x、y分别为x方向和y方向距离,m;h为水深,m,h=Z-ZB,ZB为湖底高程,m;u为x方向分速度,m/s;v为y方向分速度,m/s;q为湖面降雨、蒸发及湖底渗漏等水量源汇项,m/s;f为柯氏加速度,f=2ωsinφ,ω为地球自转速度;φ为纬度,淀山湖区域可取北纬31度10分;ω为地球自转速度,rad/s;Sfx,Sfy为x方向和y方向的切应力,N/m2。
  式中:C为TP浓度,mg/L;Ex为x方向扩散系数,m2/s;Ey为y方向扩散系数,m2/s;S为TP生化反应项,g/(m3·d);Sw为TP的外部源汇项,g/s,其余符号意义同前。
  采用MIKE21基于二维非结构网格下的有限体积数值模拟方法[3]进行淀山湖湖区的水环境数值分析。淀山湖区域模拟边界和地形分布见图2,其中,淀山湖环湖河道概化为千灯浦、朱厍港、急水港、元荡、拦路港、淀浦河、小千灯浦、浪浦港等8条。根据水质监测点布设,确定“淀山湖北”、“淀山湖中”、“淀山湖南”三个水质计算浓度控制点,见图2。
  全湖划分为三角形网格2021个,节点1264个,见图3;模拟步长为300s。采用2008年6月和9月的实测水质资料分别进行率定与验证,结合淀山湖区域污染物降解系数试验,确定TP综合沉降系数为0.03 d-1。模型率定结果,TP平均相对误差为7.4%;基本满足分析要求。
  2.3计算条件设置
  (1)设计水文条件
  为保证计算结果偏安全,选择流域90%降水典型年作为计算水量条件。根据1956~2000年系列降雨资料分析,1971年流域降水量为983.9mm,降水频率86%[4],基本满足要求。根据1971年型条件下太湖流域一维河网水量模型[5]分析,淀山湖环湖河道最低流量出现在2月,因此选择2月流量过程作为淀山湖二维水环境数值模拟的纳污能力计算的流量边界条件,见表1。
       表1   1971年型2月淀山湖环湖河流流量特征     流量单位:m3/s

   

 

元荡

急水港

朱厍港

浪浦港

千灯浦

小千灯浦

淀浦河

拦路港

入湖

入湖时间

(小时)

415

631

631

672

672

672

47

104

入湖平均流量

8.6

42.4

40.0

6.8

21.5

6.6

0.0

56.9

入湖最大流量

13.0

63.7

57.4

9.3

25.2

8.6

0.0

118.9

出湖

出湖时间

(小时)

257

41

41

0

0

0

47

568

出湖平均流量

8.6

11.1

11.1

-

-

-

0.0

128.2

出湖最大流量

13.1

13.9

14.7

-

-

-

0.0

214.3

  (2)污染源条件
  根据2005年污染源调查资料统计,工业与城镇生活等点源排入淀山湖的TP强度为2.63 t/a。将直排淀山湖的污染物量转化为平均流量概化至入流河道之间的岸边带。
  (3)淀山湖初始浓度
  以连续计算1个月、水质指标浓度基本稳定后的湖区浓度作为正式计算的初始浓度。
  2.4 计算分析
  根据环淀山湖河流水功能区水质保护目标,可确定河道入湖TP浓度。未划分水功能区的环湖河道按照Ⅲ类标准控制,见表2。
  表2    环淀山湖河流入流TP浓度设定           单位:mg/L

  环湖河流

水功能区

河道水质标准

浓度

急水港、朱砂港、千灯浦

缓冲区

0.20

元荡

缓冲区

~

0.15*

拦路港

保护区

~

0.15

淀浦河

饮用水源区

0.10

浪浦港、小千灯浦

0.20

*注: 保护目标为Ⅱ~Ⅲ类的水功能区,浓度取Ⅱ类及Ⅲ类标准上限的平均值。

  在此条件下,淀山湖三个测点计算浓度特征值见表3。TP平均浓度0.146 mg/L,为Ⅴ类。
    表3    淀山湖控制点水质计算平均浓度      单位:mg/L

   

淀山湖北

淀山湖中

淀山湖南

三点平均

TP浓度

0.149

0.140

0.149

0.146

类别

  河道与湖泊TP评价标准不同,TP满足河流水功能区标准时,淀山湖仍为Ⅴ类,与淀山湖Ⅱ~Ⅲ类的保护目标尚有较大差距。为使淀山湖TP达标,有必要进一步控制入湖河流TP浓度。
  由于淀山湖为跨省界湖泊,为兼顾地区公平,TP浓度削减时采用同一比例,反复调算,直至淀山湖控制点均达到Ⅲ类标准。环湖河流TP入湖临界浓度调算成果见表4,在此条件下淀山湖各控制点水质特征浓度见表5,浓度场分布见图4。可以看出,要使湖泊TP平均浓度达到Ⅲ类,入湖河流TP必须达到Ⅱ类。
  表4    环湖河流TP入湖临界浓度调算成果设定           单位:mg/L

  环湖河流

水功能区

TP

类别(河道标准)

淀浦河

饮用水源区

0.031

元荡

缓冲区

0.047

拦路港

保护区

0.047

急水港、朱砂港、千灯浦

缓冲区

0.062

浪浦港、小千灯浦

0.062

  表5  环湖河流TP入湖临界浓度时湖泊控制点水质浓度     单位:mg/L

   

淀山湖北

淀山湖中

淀山湖南

三点平均

平均浓度

0.050

0.048

0.050

0.050

最高值

0.055

0.055

0.055

0.055

最低值

0.036

0.035

0.037

0.036

 

  3 小结
 

  通过建立水量水质数学模型,可调算获得在湖泊满足水质保护目标条件下,环湖河流入湖临界污染物浓度。本文研究显示:当入湖河流TP满足河流水功能区目标时,淀山湖TP浓度仍严重超标,这是由于河流与湖泊TP评价标准不同造成的。要使淀山湖TP浓度达到Ⅲ类,入湖河流TP平均浓度应为0031~0.062 mg/L,按河流评价标准水质类别为Ⅱ类。因此,为加强湖泊水质保护,今后应进一步研究河道与湖泊的TP浓度控制标准衔接。
   
  参考文献
  [1] 阮仁良,王云. 淀山湖水环境质量评价及污染防治研究[J]. 湖泊科学,1993,5(2):153-158
  [2] 程曦,李小平. 淀山湖氮磷营养物20年变化及其藻类增长相应[J]. 湖泊科学,2008,20(4):409-419;
  [3] Zhao D.H., Shen H.W., Tabios G.Q., Tan W.Y., Lai J.S. Finite-volume two-dimensional unsteady-flow model for river basins[J]. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 1994,120(7):833-863
  [4] 水利部太湖流域管理局. 太湖流域水资源保护规划,2002:57
  [5] 张红举、翟淑华. 平原河网纳污能力核算方法研究 [J]. 水资源保护,2009,5:24~27

  第一作者简介:张红举,1977年,男,汉族,安徽省安庆市,工程师,硕士,主要研究方向:水资源规划,水质数值计算。
  联系电话:办公室:021-35054999-2302  手机:13918859836
  邮箱:zeusium@hotmail.com
 
  [1] 《2008年太湖健康状况报告》,水利部太湖流域管理局,2009年1月

 
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