污染负荷多情景变化下河流水质响应关系研究

戴 君,刘 硕,2*,韩金凤,万鲁河,2 (.哈尔滨师范大学,黑龙江 哈尔滨 50025；2.黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室,黑龙江 哈尔滨 50025)

松花江属于我国七大江河水系之一,近年来随着经济的发展和城市化进程的加快,使得流域内污染物排放量不断增加,水污染问题日益严重[1].《2011～2015重点流域水污染防治规划》将松花江流域作为重点流域之一[2],同时将松花江哈尔滨市辖区控制单元,规划为流域总量减排、水质改善的优先控制单元.根据黑龙江省2015年环境状况公报显示,松花江主要污染指标为化学需氧量、氨氮和高锰酸盐指数.全市化学需氧量排放量为28.04万t,全市氨氮排放量为1.77万t.

我国流域水环境管理起步较晚,目前已成为环境管理的难题之一,制约着我国环境与社会经济协调发展.支流的水质恶化不仅会使主河道的水环境质量下降,也会给下游出口断面造成水环境压力,不利于下游水环境控制单元的建设[3].水质模型的引入,有利于更好的实现对水环境质量的评价与监控预警,从而提高了流域水环境管理水平[4-5].目前,应用较为广泛的水质模型有WASP[6]、EFDC[7-8]、MIKE等.其中,EFDC模型是由美国Virginia海洋研究所的Hamrick等根据多个数学模型集成开发研制的综合模型[9-12],采用Fortran77编制,通用性较好,在流域水环境管理中的应用日益广泛[13-14].EFDC模型能够模拟河道、海湾、水库、湖泊、湿地和河口等多种地表水的水动力、水质和泥沙等变化,主要包括水动力、水质等6个模块[15].国内方面,在滇池、长江武汉段[16]等水体都有成功案例,杨澄宇等[17]以滇池流域为例,使用EFDC模型对湖泊流域总量控制进行研究.国外方面,在Okeechobee湖、St.Lucie 河口[18]等地也得到应用.但通过EFDC模型来模拟支流河口与干流水质响应的研究较少.

本研究以松花江哈尔滨市段为模拟河段,利用EFDC模型,选取化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)两个水质指标,在支流河口污染负荷多情景变化下,对整个干流以及出口断面水质响应关系开展研究.以期为松花江哈尔滨段单元内流域水质管理及优化决策提供依据和参考[19-21].

1 材料与方法

1.1 研究区河段概况

松花江哈尔滨段全长约66km,其干流流域地处我国44°N以北,黑龙江省南部,属于松花江流域的中段,位于朱顺屯断面及大顶子山断面两个国控监测断面之间,入流河段包括阿什河、呼兰河、蜚克图河,何家沟以及马家沟,如图1所示.河流分为枯水期、平水期、桃花汛期、丰水期4个时期,具有冰封期长及春夏双汛期的特点,丰枯交替现象明显.枯水期为每年冬天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,上游及流域范围内冰雪消融产生融雪径流;丰水期为6月～8月,洪峰大、径流量较大;平水期为9～10月.在全年降水量中,降雨占70%～85%,是松花江哈尔滨段径流量的重要补给源.目前,对控制单元内松花江干流大顶子山出口断面以下的水体功能区划目标为III类;一级支流河阿什河和呼兰河的水质目标为IV类.

图1 研究区域及主要水系及河流断面Fig.1 Study area and main water system and river section

1.2 水动力-水质模型的构建

1.2.1 模型网格构建 根据研究区域水体范围及其地形条件,使用Delft3D软件对哈尔滨市段河流干流进行划分,研究范围河道水深较浅,垂向不设置分层,概化后得到1220个正交网格.沿江有何家沟、马家沟、阿什河、呼兰河、蜚克图河等汇入,市区内的径流、污水处理厂处理后的出水等沿以上支流分别汇入松花江,入流口A为朱顺屯入流口,是研究区最主要的水源,为上游的来水量.汇水口B为何家沟汇水口,C和D分别为马家沟和阿什河汇水口,E和F分别为呼兰河和蜚克图河汇水口,G为老头湾水文监测站.A为模型上边界、B、C、D、E、F为模型的旁侧边界.概化后的网格及边界条件的设定如图2所示.

1.2.2 模型数据来源 建模过程中主要包括气象、流量、水位以及水质数据等.其中气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网,提取2014年1月～10月研究区气象站的降水量、气压、风速、风向、温度、相对湿度和水汽压等数据对模型进行输入.流量边界及水位数据采用朱顺屯断面、大顶子山断面及各支流断面的实测数据.模型选取COD、NH3-N两水质指标进行模拟,数据来源于朱顺屯断面、何家沟口内断面、马家沟口内断面、阿什河口内断面、呼兰河口内断面以及蜚克图河口内断面的月平均实测值.

图2 网格及边界条件的设定Fig.2 Boundary condition setting

图3 老头湾水文站水位验证结果Fig.3 Water level verification result

1.2.3 参数率定及模型验证 模型的时间步长为10s,采取上游设置流量下游设置水位的方式,初始的水位场为116.43m.初始温度场设置为18℃,模拟时间为2014年1月～10月,水动力与水质模块按天输入0～303d的流量、水质等数据.根据2013年7、8月老头湾监测站的实测水位数据,对水动力模型进行率定.模型底部糙率为0.02,采用2014年1月～10月实测数据进行验证,水位验证结果如图3所示,模拟和实测水位最大水位差是0.33m,相对误差较小.水质模块采用2014年1月水质数据进行率定,主要参数取值见表1.图4所示为大顶子山断面水质实测值的验证结果,COD的相对误差和相对均方根误差分别为2.19%和12.06%,NH3-N的相对误差和相对均方根误差分别为11.63%和10.42%.

图4 大顶子山断面COD与NH3-N浓度验证Fig.4 Result of COD and NH3-N concentration calibration of Dadingzi Hill section estuary

表1 水质主要参数率定取值Table 1 Main parameter of water quality model calibration

2 结果与讨论

2.1 情景设置

大顶子山断面为国家水体污染控制与治理科技重大专项中松花江哈尔滨段控制单元的出口断面,对其污染负荷的研究有利于优化控制单元出口断面的水质,提高区域内及下游单元的水环境质量.自2012年起,哈尔滨市取消了所有点源的松花江赶排口,因此阿什河、何家沟、呼兰河、马家沟和蜚克图河等入流河段成为松花江哈尔滨段干流的点源污染负荷的输入口,以上5个入流河段的入流浓度变化成为情景设置的基础.阿什河为松花江一级支流,附近有哈尔滨市文昌污水处理厂、信义沟以及周边村屯排放的生活生产污水流入,新增工业园区及生活污水形成的复合污染,导致阿什河水体污染较为严重,甚至达到劣V类,对松花江干流水质有着较大影响.同时位于上游的何家沟,其污染负荷会受其附近群力污水处理厂的影响,从而影响中下游水质,通过对其模拟,可以得出污水处理厂扩建或处理技术提高时污染负荷改变对干流水质造成的影响.呼兰河是整个呼兰区的受纳水体,其污染也很大程度上影响着中下游水质,其污染负荷增减的模拟也具有重要参考价值.马家沟水量较小,蜚克图河污染负荷较低,改变污染负荷后的模拟结果变化较小.因此,本研究主要针对阿什河、呼兰河、何家沟3个流量较大并且污染负荷较高的支流河口进行模拟,从而得出支流河污染负荷改变的情境下,干流河及出口断面水质的变化情况,进而得出在保证大顶子山断面COD、NH3-N的水质稳定在III类时,对中上游支流河的水质要求.为此,设置9个模拟情景,保持水动力模型设置不变,水质模块的上边界按天输入的污染负荷不变,分别模拟3个支流河口及其组合时,污染物浓度在原始污染负荷的基础上进行增加和削减时,下游大顶子山出口断面COD、NH3-N浓度在枯水期、桃花汛期、丰水期和平水期四个水期的变化规律.具体见表2.

表2 干支流污染负荷输入情景设置Table 2 Input load scenarios for pollutant loads in tributaries

2.2 COD水质模拟

2.2.1 不同水期出口断面水质的响应 根据上述模拟情景,模拟单独改变一个支流河口和同时改变几个支流河口污染负荷时,大顶子山出口断面在不同水期的水质变化.由图5可以看出,在不改变污染负荷时,枯水期污染负荷最为严重.阿什河污染负荷的变化对大顶子山断面的影响最大,在单独改变阿什河与其他河流组合时,其模拟结果均成上升趋势;当阿什河削减负荷,呼兰河增加负荷时,整体水质有上升趋势.根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[22]中COD标准限值要求,情景①中,当阿什河污染负荷不断降低,枯水期水体达到23.52mg/L,属IV类水体时,大顶山断面的污染负荷浓度也随之降低为19.81mg/L,成为III类水体;平水期阿什河COD浓度降到30.16mg/L,属V类水体时,大顶子山断面水体降低为14.65mg/L,成为II类.当阿什河污染负荷升高时,桃花汛期和平水期水体达到劣V类时,大顶子山断面水体分别为20.12和20.4mg/L,达到了IV类.情景④阿什河和呼兰河同时改变的情景下,枯水期二者都为IV类水体时,出口断面为19.49mg/L,属于III类水体,二者都为I类时,出口断面为II类;丰水期时,二者都降为II类水体,大顶子山断面为14.86mg/L属于II类水体.平水期,当大顶子山断面的水体达到20.64mg/L为IV类水体时,阿什河与呼兰河水体已经是劣V类水.情景⑦三条河负荷同增同减时,在降低污染负荷的情况下,平水期阿什河降为II类、呼兰河为II类、何家沟为III类时,大顶子山断面COD浓度符合II类水质标准;桃花汛期,阿什河和何家沟水质降为II类,同时呼兰河为I类时,出口断面水质为II类.

图5 COD模拟结果Fig.5 COD simulation results

2.2.2 不同水期干流水质的响应 在枯水期、桃花汛期、平水期和丰水期,大顶子山断面处于III类水体时,不同水期COD在整个江面的分布状态如图6所示.阿什河口内与呼兰河口内断面污染负荷同时改变的条件下,若大顶子山断面水质保持在III类水质标准时,要求枯水期(a)阿什河口内断面COD浓度不能超过29.3mg/L,呼兰河口内断面不能超过22.3mg/L;桃花汛期(b)则不能超过41.82和32.13mg/L;平水期(c),阿什河口内断面COD浓度不超过47.75mg/L,呼兰河口内断面不超过36.27mg/L时,大顶子山断面保持在III类;丰水期(d),当阿什河口内与呼兰河口内断面COD浓度同时分别超过65.4和41.47mg/L时,大顶子山断面超出III类水体.

图6 不同水期COD在整个江面的分布情况Fig.6 The COD distribution of different water periods on the entire river

2.3 NH3-N水质模拟

2.3.1 不同水期出口断面的水质响应 针对NH3-N的模拟情景如图7,原始状态下大顶子山断面在枯水期水质为1.24mg/L,属于IV类水体;桃花汛期和平水期水质分别为0.8和0.62mg/L,为III类;丰水期0.36mg/L,为II类.阿什河的浓度较高,模拟后对出口断面的影响较大,情景①中,枯水期大顶子山断面由IV类变为II类时,此时阿什河的水质是由劣V类降到了III类;在阿什河NH3-N浓度降到0.48mg/L成为II类时,桃花汛期大顶子山断面达到0.47mg/L,是II类水体;平水时期阿什河水质降为III类时,出口断面水质则由III类降为II类.阿什河污染负荷增长时,出口断面的水质也逐渐恶化,当污染负荷在其原始浓度上增加80%时,出口断面水质在枯水期由IV类变成V类,桃花汛期由III类变成IV类.与阿什河相比,呼兰河和何家沟的改变对出口断面的影响相对较弱,情景②中,大顶子山断面NH3-N浓度均有所波动,但仍处于原始水质标准的范围内.由情景⑦可知,3条河流同时改变,对大顶子山断面的影响最大,阿什河与何家沟汇水口的污染负荷较高,在二者NH3-N浓度同时降低50%,并且呼兰河由III类降低为II类时,出口断面水质在枯水期由III类降为II类.桃花汛期,出口断面由III类变为II类时,此时阿什河处于III类,呼兰河处于I类,何家沟则降低到接近V类.平水时期,阿什河为IV类,呼兰河降为II类,何家沟减少60%负荷时,大顶子山出口断面水质由III类变为II类.

2.3.2 不同水期干流水质的响应 在模拟情景中,大顶子山断面NH3-N浓度分别在不同水期达到了不同的水质标准,此时整个江面的分布状况如图8所示.(a)为枯水期处于IV类时,整个江面的状况;(b)为桃花汛期处于III类江面的分布状况;(c)是平水时期,此时出口断面水质为II类;(d)所示为丰水期大顶子山断面NH3-N处于I类标准,浓度整体比较低.阿什河口内与呼兰河口内断面污染负荷同时改变的条件下,枯水期若大顶子山断面水质保持在III类,则要求阿什河口内断面和呼兰河口内断面水质不能超过8.73和2.92mg/L;桃花汛期若大顶子山保持在II类,则二者最高分别为6.3和2.23mg/L;大顶子山断面在丰水期保持在I类水体时,阿什河口内断面和呼兰河口内断面NH3-N浓度则不能超过7.57和1.79mg/L.

图7 NH3-N模拟结果Fig.7 NH3-N simulation results

图8 不同水期NH3-N在整个江面的分布情况Fig.8 The NH3-N distribution of different water periods on the entire river

3 结论

3.1 研究表明,水动力模块模拟水位和实测水位最大水位差为0.33m,水质指标模拟结果与实测数据的相对误差和相对均方根误差均在15%以内,显示了模型的可靠性.

3.2 选取COD、NH3-N两项水质指标,设置9个情景,研究分为4个水期,考虑到不同季节污染负荷的动态变化,模拟中上游支流河口污染负荷输入与出口断面污染负荷输出水质的响应关系,结论表明,严格控制每个支流汇水口的污染负荷排放有利于干流及下游的水污染防治和管理,可以减轻其水质压力.阿什河口下断面的改变对出口断面影响最大,为此应加强对一级支流阿什河的治理力度.

3.3 模拟给出了大顶子山COD保持在III类水质时、NH3-N保持在I、II、III类时,各个水期对阿什河及呼兰河的水质要求.模型结果可为松花江哈尔滨市段流域总量减排和水质改善提供科学依据,同时也为流域大尺度水质评估及预警提供定量化的参考.

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