杭州市新取水口水质论证

张舒羽，程杭平

（浙江省水利河口研究院，杭州 310020）

杭州市新取水口水质论证

张舒羽，程杭平

（浙江省水利河口研究院，杭州 310020）

杭州市为抵御咸潮，满足日益增长的用水需求，计划将自来水取水口由珊瑚沙上移至里山位置。在规划期里山取水口的水质能否达到饮用水水质标准是公众关心的问题。在分析里山河段现状水质的基础上，借助Mike21软件，进行了钱塘江多站位水文及水质的验证，计算了规划期里山取水口附近的水质情况，并通过改变上游径流量、上游来水水质、下游潮汐条件、污染负荷控制情况对里山取水口的水质影响作敏感性分析，从而论证在里山位置设置取水口的合理性。通过计算分析表明，在规划期的排污条件下，上游枯水流量遭遇下游小潮时，里山河段的水质指标CODMn接近二类水体临界值，为确保饮用水的质量，需削减城镇污染负荷的排放。上游径流量、上游来水水质、下游潮汐条件、污染负荷的改变对里山取水口水质的影响敏感。

水质预测；数学模型；取水口

杭州市自来水供水水源85%取自钱塘江，而每年7－11月钱塘江都要受到大潮的影响，当江水含氯度超过250×10－6时，将不能再作为饮用供水水源［1］。随着城市的发展，用水量日益增加。目前，作为主要水源的珊瑚沙水库及其取水口的含氯度指标只有80%的保证率，将不能满足日益增长的用水需求。为提高供水保证率，计划将取水口再移至上游12 km处的里山（图1）。

据调查，钱塘江两岸均设有排污口，在规划年（2010年）里山位置的水质能否达到饮用水水质的标准是公众关心的问题。本文通过收集水文水质资料，借助Mike21水质模型，预测规划期里山位置的水质情况，并对上游径流量、上游来水水质、下游潮汐条件、污染负荷的改变等情况作敏感性分析［2］。

图1 里山取水口平面位置图Fig.1 The sketch of Lishan W ater Intake

1 里山河段现状水质

水质监测资料包括为取水工程专门所测的资料和常规测验站的资料。

从收集的资料来看，里山河段枯水期NH3-N为II－III类，劣于平水期（总体II类）；枯水期总磷总体为II类，优于平水期（II－III类）；CODMn和CODCr在2个水期总体基本相当，为I－II类；平水期总氮指标较高，为V－劣V类。分析原因可能是平水期下泄流量大，水环境稀释扩散作用优于枯水期，因此平水期NH3-N水质优于枯水期，而平水期总氮和总磷指标较高，可能是径流量增大，带入农业面源增加所造成。

2 水质模型介绍

采用丹麦水力学研究所研制的平面二维数值模型Mike21研究工程区域的潮流和污染物对流扩散运动。该模型计算软件具有算法可靠、计算稳定、界面友好、前后处理方便等突出优点，并在70多个国家得到应用。

潮流模型包括1个连续性方程和2个动量方程。基本方程为：

式中：ζ为潮位，即水面到某一基准面的距离；p，q分别为x，y方向上的垂线平均流量分量；u，v分别为x，y方向上的垂线平均流速分量；h为水深；g为重力加速度；Ω为柯氏力参数；C′为谢才系数；E为涡动粘性系数；t为时间；C为沿程平均污染物浓度；Dx，Dy分别为x，y方向上的扩散系数；Qs为污水排放流量；Cs为污水排放浓度；As为排放口位置的流体微团面积，在数值计算中取x，y向网格宽度的乘积。

上述方程组的初始条件：

根据上述定解条件，Mike21软件采用交替方向隐格式（ADI）求解二维浅水潮波方程，方程矩阵采用双向消除（Double Sweep）算法求解。

3 模型验证

二维上边界取在上游窄溪，下边界选在钱塘江闸口站。模型采用矩形网格，空间步长为50m×100m，时间步长5 s，江道地形采用2004年实测地形。

枯水期验证采用2004年1月的资料，平水期验证采用2004年9月的资料。现状条件下，模型范围内污水总量为95万t／d，CODCr排放量为95 t／d，富阳渔山江段NH3-N排放量为1.73 t／d。计算中，CODCr与CODMn的换算值取2.5。各监测断面的水质验证结果见表1。

通过水流、水质的数值模拟和验证表明，本文所建立的数学模型基本能反映钱塘江河道的实际情况，验证结果合理可靠，率定的参数可用于设计潮型下的水质预测。

表1 水质验证结果Table 1 Verification result of water quality

4 规划期水质计算及敏感性分析

4.1 规划期水质计算

按照国家规范，水环境评价必须要在上游流量85%～90%设计保证率的水文条件下，其水质仍能满足水质标准。统计上游富春江电站多年径流量，保证率在90%的径流流量为300 m3／s，但近两年，水资源日趋紧张，小于200 m3／s的流量频频出现，针对具体情况，本着慎重的态度，认为对于杭州市的重要水源保护区宜采用保证率95%的流量为妥，其值为200 m3／s。

小潮稀释水体较少，污染物排放口形成的混合区浓度高，影响较大。因此，取小潮汛作为下边界是最不利的工况条件。

规划期，富阳至小沙江段南北岸的负荷之比约为8∶1。江北片污水总量为15.7万t／d，CODCr排放量为9.5 t／d，较现状污染负荷增幅为25%；江南片污水总量为76万t／d，CODCr排放量为75.2 t／d，较现状污染负荷增幅22%。江北片NH3-N排放量为2.35 t／d，江南片NH3-N排放量为4 t／d。

对于污染物CODMn，模型范围内所有污染源都有其对应的规划期负荷，因此可以计算绝对值。对于污染物NH3-N，仅收集到富阳渔山江段的规划期负荷，缺乏其他众多污染源的NH3-N负荷，因此NH3-N的计算采用“增量法”，集中反映富阳城镇污水排放对于杭州市饮用水源保护区的“贡献值”。

表2为上游枯水流量遭遇下游小潮时在里山取水口水源保护区的CODMn和NH3-N增量全潮平均值。可见，规划期保护区上游断面（取水口上游4 km）的污染物CODMn值为4.00 mg／L，保护区下游断面（取水口下游3 km）的CODMn值为3.98 mg／L，总体接近Ⅱ类水体的临界值；NH3-N全潮浓度增量为0.12 mg／L。

表2 规划期排污量下里山取水口水源保护区的水质情况Table 2 Water quality of Lishan Water Intake at Water Source Protection Area in programm ing pollution load mg／L

4.2 敏感性分析

里山取水口的水质与上游径流量、上游来水水质、下游潮汐条件、污染负荷控制情况有一定的关系，但具体的敏感性如何，需要方案计算进行确定。本文拟定了7种工况，以CODMn指标为例，分析不同条件下的水质敏感性，具体的工况设置和计算的成果见表3。

4.2.1 富阳南片污染负荷削减对保护区水质的影响

通过方案1，2，3的比较，分析污染负荷削减对取水口水质的影响。方案1为规划期负荷的工况，和现状相比，江北片CODcr负荷增幅25%；江南片CODcr负荷增幅22%，在这种工况下，保护区CODMn指标已经接近Ⅱ类水体临界值。方案2将富阳南片的负荷维持在现状水平，北片为规划排污量，在这种工况下，保护区的CODMn平均值有所下降，基本保持在Ⅱ类水体的标准值内。如果进一步削减南片的污染物，即方案3削减江南片污染负荷为现状的75%，江北片为规划排污量，则保护区的CODMn平均值将对应下降，但幅度不是很大。

表3 里山取水口不同位置、不同工况下的水质敏感性分析Table 3 Sensitivity analysis on water quality at Lishan W ater Intake under different conditions and locations mg／L

4.2.2 上游来水水质对保护区水质的影响

通过方案3，4的比较，分析上游来水水质对保护区的影响。随着上游城镇和经济的发展，污染物排放量增加，使上游来水的水质变差，其浓度的改变将对取水口水质产生影响。在富阳南片污染负荷为现状的75%，北片为规划排污量的负荷下，方案4上游边界浓度在方案3的基础上，增加15%。可知，尽管富阳南片的污染负荷在现状基础上削减了25%，但只要其上游的污染物没有加以控制，保护区的CODMn平均值仍满足不了Ⅱ类水体的水质要求。因此，应严格控制上游的污染物排放，其总量应保持现状的水平。

4.2.3 上游径流量改变对保护区水质的影响

通过方案1，5，6的比较，分析径流量改变对保护区水质的影响。在方案1富阳城镇污染负荷规划工况的基础上，考虑将上游径流量进一步削减为150 m3／s（方案5）和抬升为300 m3／s（方案6）2种工况。通过比较发现，径流量的改变直接影响保护区的CODMn平均值，在径流量削减为150 m3／s时，保护区CODMn平均值超过Ⅱ类水体的水质要求；而将上游径流量提高到300 m3／s，则保护区CODMn平均值有较大幅度的下降，可满足Ⅱ类水体的水质要求。

4.2.4 下游潮汐条件改变对保护区水质的影响

通过方案1，7的比较，分析下游潮汐条件改变对保护区水质的影响。一般情况下，小潮期污染物稀释扩散条件差，而大潮期流速大，污染物迁移、扩散作用强于小潮，污染物推移上溯的距离会长一些。因此，在规划工况的基础上，考虑大潮的边界条件（方案7）。通过比较发现，大潮工况对于保护区CODMn平均值的改变量是明显的，它并没有将下游排放的污染物推移至影响保护区，而是有效地稀释了保护区的污染物浓度。

5 结 论

（1）为了确保杭州市取水口的安全，必须设置一级保护区来加以保护，并严格遵守国家“饮用水水源保护区污染防治管理规定”中一级保护区有关禁止事项，严格加以保护。根据具体情况在里山取水口的上游4 km、下游3 km设定为一级保护区是必须而妥当的。

（2）为了确保杭州市饮用水源保护区受到严格保护，必须限制富阳城镇污染负荷总量的排放，富阳北片可控制在规划水平；富阳南片必须控制在现状水平；条件许可的话，应调整富阳城镇的产业结构，进一步削减污染负荷排入量，提高杭州饮用水源保护区的水质。

（3）上游来水的水质、上游的径流量和下游的潮汐条件对保护区范围内的水质影响敏感。对于富阳上游的污染物排放，应严格控制其总量的排放，要求污染负荷总量排放必须维持在现状水平。

［1］ 韩曾萃，戴泽衡，李光炳，等.钱塘江河口治理开发［M］.北京：水利电力出版社，2003：61－62.（HAN Zeng-cui，DAI Ze-heng，LIGuang-bing，et al.Regulation and Exploitation of Qiantang Estuary［M］，Beijing：hydraulic and electric publisher，2003：61－62.（in Chinese））

［2］ 黄少燕.重要水源地水质问题及保护对策研究［J］.亚热带水土保持，2006，（12）：65－67.（HUANG Shaoyan.Water quality problem and research on protection measures of main water resources［J］.Soil and Water Conservation of Subtropical Region，2006，（12）：

65－67.

（编辑：周晓雁）

Argumentation on W ater Quality of New W ater Intake in Hangzhou City

ZHANG Shu-yu，CHENG Hang-ping

（Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary，Hangzhou 310020，China）

In order to resist saltwater intrusion and meet the demand of increasing water consumption，Hangzhou City government plans tomove thewater intake from Shanhusha to upstream a site called Lishan.Whether thewater quality of new water intake can reach quality standard has become the focus of public concerns.Firstly，this paper analyzed presentwater quality；secondly，field data of hydrology and water quality of several stations in Qiantang River were validated with the 2-D mathematicalmodel Mike21.Then concentration in programming pollution load was calculated.Furthermore，on the basis of analyzing the influence factors on water quality such as upstream runoff amountand upstream water quality，and downstream tide range and pollution load，the rationality ofwater intake at Lishan sitewas evaluated.From these studies，when upstream low flow meets downstream neap tide，the concentration of water quality index CODMnis close to national second-class seawater standard（GB 3097－1997）.In order to insure water quality，pollution load should be reduced.The factors influencing water quality，such as upstream runoff amount and upstream water quality，and downstream tide range and pollution load，significantly effectwater quality.

water quality prediction；mathematicalmodel；water intake

X522

A

1001－5485（2010）06－0014－04

2009-06-12；

2009-12-07

张舒羽（1976-），女，浙江宁波人，工程师，硕士，主要从事河口海岸工程研究，（电话）0571-86437021（电子信箱）zsyjhy2000＠sina.com。