江汉平原河网区河渠水环境容量研究

中国环境学会  2011年 06月22日

  叶紫 陈伟亚       武汉工程大学  


  摘要:针对不同时期的江汉平原河网区河渠分别构建相应的水质数学模型及水环境容量模型,由此提出河网区河渠各时期以及全年水环境容量计算方法。以湖北某市河网区河渠为例进行了实证研究,计算水环境容量并结合水质预测,提出应以闭闸期的河渠水环境容量作为制定总量控制指标的依据。


  关键词:江汉平原;河网;水环境容量;水质预测
   
  一、引言


  江汉平原由长江汉江冲积而成,位于湖北省中南部,两湖平原的北部,西起枝江,东迄武汉,北至钟祥,南与洞庭湖平原相连,面积3万多平方千米。
  汉江自古有“曲莫如汉”之说,其洪水量不及长江,但下游河槽呈漏斗状,上宽下窄。当外江汛期,又适逢内湖水位上涨、地下水位增高的季节,外洪内涝,极易造成严重洪涝灾害。
  1949年以来,国家调整了原有水系,开挖了西起天门市魏家台,东至汉阳县新河镇,长近100公里的汉北河;四湖地区长126公里的总干渠;东、西干渠、田关渠等几十条大、中型骨干排灌渠道。至80年代初期,平原的排灌系统初步形成,减轻了旱涝灾害,同时也形成了平原内独特的人工河网交织,垸堤纵横的水系特征。
  随着区域经济的发展,平原地区污染物排放不断增多,越来越多的人工河道作为工业企业及污水处理厂的纳污水体,其水质状况已不容乐观。水环境容量的计算是区域水污染控制规划的基础工作,而平原河网地区大量的人工构筑物(堰、水闸、泵站等)使得平原河网区的水流受自然和人为两类因素的影响,为其水环境容量的计算带来了一定的特殊性。因此,合理地确定江汉平原河网区河渠水环境容量对于区域水污染综合整治具有重要的理论意义及实践价值。


  二、水环境容量计算方法


  (一)水环境容量的概念
  水环境容量是指在不影响水体的正常功能的情况下,水体所能容纳的污染物的量或自身调节净化并保持生态平衡的能力。它反映了污染物在水体中的迁移、转化和积存规律,也反映了水环境在满足特定功能条件下对污染物的承受能力。
  江汉平原的河网区河渠兼具排水及灌溉的功能,在汛期可分洪泄流,大大减轻洪水对平原地区的威胁,在春灌及秋灌时期又可引汉江水作为农田的灌溉水源。排灌时期河网涵闸开放,河道流量较大,一般不低于60 m3/s;其他时期涵闸关闭,河道基本处于封闭状态,流速缓慢,流量明显减小,降至不到6 m3/s,有些河渠甚至出现断流现象。
  鉴于江汉平原河网区河渠在不同时期存在的两种截然不同的水文特征,水体对污染物的降解、净化能力也随之改变,因此,其水环境容量及相应水质参数的核算应针对两种情况分别考虑。


  (二)河网区水环境容量计算模型的构建
  根据江汉平原河网区水文特点,大致可分为开闸引水的排灌期(丰水期)以及非排灌季节的闭闸期(枯水期)。
  (1)排灌期(丰水期)
  排灌期河网内水体流向、流量基本稳定,且一般为小型河渠,因此其污染物浓度变化可采用一维水质模型进行模拟。         (2)闭闸期(枯水期)
  当河道的首尾两闸均不开放时,河网内沟渠基本为封闭的河流,流速很小,流量主要依靠沿岸污水的排放,近似于狭长湖库,因此,采用定常条件下的河流稀释混合模型对闭闸期的河网沟渠进行水质模拟。

 

  (三)模型参数的确定
  本文采用实测资料反推法计算模型中的污染物降解系数K值,即选择某一河段,根据上下断面临近时段的监测数据计算。为排除入河污染物量和入河水量随机波动对水质监测结果的影响,应选择没有排污口、支流口的河段作为计算河段。


   三、实证研究


  (一)水环境概况 
  湖北某市地处江汉平原腹地,境内天然水体主要为汉江和D河。为建立相对独立完善的防洪、排涝、抗旱工程体系,建国以来,全市共开挖干、支、斗渠2760 条,总长4000余公里,兴建电力排灌泵站 211 处,提灌泵站 29 处,排灌两用泵站 11 处,兴建大中小型排水涵闸586座以及灌溉涵闸657座。市内主要引水水源为汉江和C湖,水系以D河为界分属四湖流域和江汉流域,大小沟渠纵横交织,具有典型的江汉平原河网特征。


  (二)主要纳污水体水环境容量计算及分析
  根据该市水功能区划报告,市内主要河网区河渠水质目标及其纳污情况见表1。
  表1 潜江市主要河网区河渠水质目标及纳污情况

  水体

主要功能

水质功能区划

1

H

一般工业用水人体非直接接触的娱乐用水

2

C

农业用水区

一般景观要求水域

3

Z

集中式生活饮用水源保护区渔业用水及游泳区

4

S

一般工业用水人体非直接接触的娱乐用水

5

X

集中式生活饮用水源保护区渔业用水及游泳区

6

L

集中式生活饮用水源保护区渔业用水及游泳区

7

X

集中式生活饮用水源保护区渔业用水及游泳区

8

B

一般工业用水人体非直接接触的娱乐用水


  以上纳污水体水环境容量的计算采用2008年常规断面水质监测资料,以总量控制指标COD和NH3-N作为计算因子,排灌期及闭闸期各计6个月,控制断面取概化排污口下游5km。同时根据该市总体规划要求预测的不同规划年污染物入河总量控制目标得到剩余环境容量,计算公式为:剩余环境容量=理想水环境容量-污染物入河总量。该市主要河网区河渠不同时期及全年剩余水环境容量计算结果见表2、表3。
  表2该市主要河网区河渠不同时期剩余水环境容量计算结果   t/a

  序号

河渠名称

排灌期剩余水环境容量

闭闸期剩余水环境容量

COD

NH3-N

COD

NH3-N

2015

2020

2015

2020

2015

2020

2015

2020

1

H

12131.73

12127.72

1069.54

1066.84

390.68

386.67

-62.84

-65.54

2

C

26665.53

24865.53

-2440.09

-3140.09

-6941.53

-8741.53

-2628.52

-3328.52

3

Z

7206.87

7156.87

3663.56

3623.56

442.156

392.156

47.37

7.37

4

S

44490.69

43990.69

1588.71

1538.71

2172.34

1672.34

-362.14

-412.14

5

X

23980.5

23930.5

500.29

460.29

968.94

918.94

5.04

-34.96

6

L

33830.67

34078.09

-397.24

-389.85

2084.35

2331.42

-59.16

-51.81

7

X

13543.7

13493.7

601.71

601.71

2315.26

2265.26

76.93

76.93

8

B

13108.38

13088.38

661.36

641.36

2043.04

2023.04

69.69

49.69


  表3 该市主要河网区河渠全年水环境容量计算结果   t/a

  序号

河渠名称

全年剩余水环境容量

COD

NH3-N

2015

2020

2015

2020

1

H

6261.2

6257.19

503.35

500.65

2

C

9861.2

8061.2

-2534.31

-3234.31

3

Z

3824.51

3774.51

1855.46

1815.46

4

S

23331.52

22831.52

613.29

563.29

5

X

12474.72

12424.72

252.67

212.67

6

L

17957.51

18204.76

-228.2

-220.83

7

X

7929.48

7879.48

339.32

339.32

8

B

7575.71

7555.71

365.52

345.52


  从表2、表3可看出,该市主要河网区河渠中城南河与兴隆河在全年各时期的剩余环境容量均为负值,应为重点整治河道;闭闸期由于河流流量普遍较小,水环境容量相应比排灌期小,H河、S渠及X渠虽在排灌期和全年总体水环境容量尚可,但在闭闸期其水环境容量难以满足纳污需求。为使水体水质在各时期均能满足功能要求,应考虑将闭闸期的水环境容量作为制定总量控制指标的依据。


  (三)水质预测与分析
  水环境容量的计算是使水体能否满足功能要求、制定总量控制目标的基础,河渠60%流域长度的水质指标达到功能水质标准则是水体水质符合标准要求的前提,且在排灌期中用以农田灌溉的河渠水质也应满足《农田灌溉水质标准》(GB5084-92)中的相关要求,因此采用数学水质模型对该市主要河网区河渠2020年水质进行预测,预测结果见表4。
  表4 湖北某市主要河网区河渠2020年水质预测   mg/L

  序号

河渠名称

排灌期预测水质

闭闸期期预测水质

相应功能水质标准

农田灌溉水质标准

COD

NH3-N

COD

NH3-N

COD

NH3-N

COD

1

H

24.81

1.02

23.24

1.21

30

1.5

200

2

C

22.75

2.03

37.71

3.66

40

2

3

Z

17.62

0.44

24.03

1.23

20

1

4

S

10.43

0.62

13.25

1.01

30

1.5

5

X

10.32

0.79

11.93

0.76

20

1

6

L

6.68

1.01

15.52

1.94

20

1

7

X

2.93

0.19

3.71

0.28

20

1

8

B

14.70

0.64

16.23

0.78

30

1.5

  表4中同时列出了个水体相应的功能水质标准以及农田灌溉水质标准,通过与预测比较可看出,排灌期除C河氨氮浓度略有超标,其余主要河渠水质浓度均满足相应功能标准限值,灌溉水质能够满足农田灌溉水质标准;闭闸期河渠水质达标情况整体较差,C河、Z渠、L河均有超标现象。因此,在现有规划条件下,该市主要河网区河渠不能完全满足水质功能要求,污染源总量削减水平仍需提高。


  四、结论


  由于大量人工构筑物的影响,江汉平原河网区河渠存在其特殊性,针对在排灌期与闭闸期河渠的两种截然不同的河流形态,分别构建水环境容量模型,提出不同时期与全年水环境容量计算方法。本文以湖北某市河网区为例进行实证研究,结合预测排放总量,分析河网河渠纳污能力,并进行了水质预测。结果表明,C河与L河各时期的剩余水环境容量均为负值,需重点整治;H河、S渠及X渠在闭闸期剩余水环境容量为负值;河渠在闭闸期的水环境容量整体小于排灌期,且闭闸期水质超标情况较排灌期严重,该市主要河网区河渠在现有规划条件下,不能完全满足功能要求,应加强污染源总量削减力度,因此建议采用闭闸期的水环境容量作为制定区域总量控制指标的依据。
   
  参考文献
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