里山取水口水質(zhì)達飲用水水質(zhì)的方案探討

里山取水口水質(zhì)達飲用水水質(zhì)的方案探討

杭州的自來水水源從池塘中提取85%，并將于每年7月至11月受到洪水的影響。如果河水中含有25010-6，則不能用作供水水源。隨著城市的發(fā)展,用水量日益增加。目前,作為主要水源的珊瑚沙水庫及其取水口的含氯度指標只有80%的保證率,將不能滿足日益增長的用水需求。為提高供水保證率,計劃將取水口再移至上游12km處的里山(圖1)。據(jù)調(diào)查,錢塘江兩岸均設(shè)有排污口,在規(guī)劃年(2010年)里山位置的水質(zhì)能否達到飲用水水質(zhì)的標準是公眾關(guān)心的問題。本文通過收集水文水質(zhì)資料,借助Mike21水質(zhì)模型,預(yù)測規(guī)劃期里山位置的水質(zhì)情況,并對上游徑流量、上游來水水質(zhì)、下游潮汐條件、污染負荷的改變等情況作敏感性分析。1枯水期總磷指標水質(zhì)監(jiān)測資料包括為取水工程專門所測的資料和常規(guī)測驗站的資料。從收集的資料來看,里山河段枯水期NH3-N為II-III類,劣于平水期(總體II類);枯水期總磷總體為II類,優(yōu)于平水期(II-III類);CODMn和CODCr在2個水期總體基本相當,為I-II類;平水期總氮指標較高,為V-劣V類。分析原因可能是平水期下泄流量大,水環(huán)境稀釋擴散作用優(yōu)于枯水期,因此平水期NH3-N水質(zhì)優(yōu)于枯水期,而平水期總氮和總磷指標較高,可能是徑流量增大,帶入農(nóng)業(yè)面源增加所造成。2最大連帶以6102q3.2xq為中心的內(nèi)部水網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)采用丹麥水力學(xué)研究所研制的平面二維數(shù)值模型Mike21研究工程區(qū)域的潮流和污染物對流擴散運動。該模型計算軟件具有算法可靠、計算穩(wěn)定、界面友好、前后處理方便等突出優(yōu)點,并在70多個國家得到應(yīng)用。潮流模型包括1個連續(xù)性方程和2個動量方程。基本方程為:?ζ?t+?p?x+?q?y=QsAs;(1)?ζ?t+?p?x+?q?y=QsAs;(1)?p?t+??x(p2h)+??y(pqh)+gh?ζ?x-Ωq+gp√p2+q2C′2h2=E(?2p?x2+?2p?y2);(2)?p?t+??x(p2h)+??y(pqh)+gh?ζ?x?Ωq+gpp2+q2√C′2h2=E(?2p?x2+?2p?y2);(2)?q?t+??x(pqh)+??y(q2h)+gh?ζ?y+Ωp+gq√p2+q2C′2h2=E(?2q?x2+?2q?y2)。(3)?q?t+??x(pqh)+??y(q2h)+gh?ζ?y+Ωp+gqp2+q2√C′2h2=E(?2q?x2+?2q?y2)。(3)對流擴散方程:??t(hC)+??x(uhC)+??y(vhC)=??x(hDx?C?x)+??y(hDy?C?y)+Qs?CsAs。(4)??t(hC)+??x(uhC)+??y(vhC)=??x(hDx?C?x)+??y(hDy?C?y)+Qs?CsAs。(4)式中:ζ為潮位,即水面到某一基準面的距離;p,q分別為x,y方向上的垂線平均流量分量;u,v分別為x,y方向上的垂線平均流速分量;h為水深;g為重力加速度;Ω為柯氏力參數(shù);C′為謝才系數(shù);E為渦動粘性系數(shù);t為時間;C為沿程平均污染物濃度;Dx,Dy分別為x,y方向上的擴散系數(shù);Qs為污水排放流量;Cs為污水排放濃度;As為排放口位置的流體微團面積,在數(shù)值計算中取x,y向網(wǎng)格寬度的乘積。上述方程組的初始條件:ζ(x,y)|t=0=ζ0(x,y);p(x,y)|t=0=p0(x,y);q(x,y)|t=0=q0(x,y);C(x,y)|t=0=C0(x,y)。ζ(x,y)|t=0=ζ0(x,y);p(x,y)|t=0=p0(x,y);q(x,y)|t=0=q0(x,y);C(x,y)|t=0=C0(x,y)。邊界條件:(1)水邊界。ξ(x,y,t)=ζ*(x,y,t),“*”表示已知值;C(x,y,t)=C*(x,y,t),流入計算域;?(hC)?t+?(uhC)?x+?(vhC)?y=0?(hC)?t+?(uhC)?x+?(vhC)?y=0,流出計算域。(2)陸邊界。Qn=0,法線方向流量為零;?C?n=0?C?n=0。根據(jù)上述定解條件,Mike21軟件采用交替方向隱格式(ADI)求解二維淺水潮波方程,方程矩陣采用雙向消除(DoubleSweep)算法求解。3水質(zhì)驗證結(jié)果二維上邊界取在上游窄溪,下邊界選在錢塘江閘口站。模型采用矩形網(wǎng)格,空間步長為50m×100m,時間步長5s,江道地形采用2004年實測地形?？菟隍炞C采用2004年1月的資料,平水期驗證采用2004年9月的資料?，F(xiàn)狀條件下,模型范圍內(nèi)污水總量為95萬t/d,CODCr排放量為95t/d,富陽漁山江段NH3-N排放量為1.73t/d。計算中,CODCr與CODMn的換算值取2.5。各監(jiān)測斷面的水質(zhì)驗證結(jié)果見表1。通過水流、水質(zhì)的數(shù)值模擬和驗證表明,本文所建立的數(shù)學(xué)模型基本能反映錢塘江河道的實際情況,驗證結(jié)果合理可靠,率定的參數(shù)可用于設(shè)計潮型下的水質(zhì)預(yù)測。4規(guī)劃期間的水質(zhì)和敏感分析4.1污染源污染物排放量按照國家規(guī)范,水環(huán)境評價必須要在上游流量85%～90%設(shè)計保證率的水文條件下,其水質(zhì)仍能滿足水質(zhì)標準。統(tǒng)計上游富春江電站多年徑流量,保證率在90%的徑流流量為300m3/s,但近兩年,水資源日趨緊張,小于200m3/s的流量頻頻出現(xiàn),針對具體情況,本著慎重的態(tài)度,認為對于杭州市的重要水源保護區(qū)宜采用保證率95%的流量為妥,其值為200m3/s。小潮稀釋水體較少,污染物排放口形成的混合區(qū)濃度高,影響較大。因此,取小潮汛作為下邊界是最不利的工況條件。規(guī)劃期,富陽至小沙江段南北岸的負荷之比約為8∶1。江北片污水總量為15.7萬t/d,CODCr排放量為9.5t/d,較現(xiàn)狀污染負荷增幅為25%;江南片污水總量為76萬t/d,CODCr排放量為75.2t/d,較現(xiàn)狀污染負荷增幅22%。江北片NH3-N排放量為2.35t/d,江南片NH3-N排放量為4t/d。對于污染物CODMn,模型范圍內(nèi)所有污染源都有其對應(yīng)的規(guī)劃期負荷,因此可以計算絕對值。對于污染物NH3-N,僅收集到富陽漁山江段的規(guī)劃期負荷,缺乏其他眾多污染源的NH3-N負荷,因此NH3-N的計算采用“增量法”,集中反映富陽城鎮(zhèn)污水排放對于杭州市飲用水源保護區(qū)的“貢獻值”。表2為上游枯水流量遭遇下游小潮時在里山取水口水源保護區(qū)的CODMn和NH3-N增量全潮平均值?？梢?規(guī)劃期保護區(qū)上游斷面(取水口上游4km)的污染物CODMn值為4.00mg/L,保護區(qū)下游斷面(取水口下游3km)的CODMn值為3.98mg/L,總體接近Ⅱ類水體的臨界值;NH3-N全潮濃度增量為0.12mg/L。4.2染負荷控制情況里山取水口的水質(zhì)與上游徑流量、上游來水水質(zhì)、下游潮汐條件、污染負荷控制情況有一定的關(guān)系,但具體的敏感性如何,需要方案計算進行確定。本文擬定了7種工況,以CODMn指標為例,分析不同條件下的水質(zhì)敏感性,具體的工況設(shè)置和計算的成果見表3。4.2.1南片和北片codn指標比較通過方案1,2,3的比較,分析污染負荷削減對取水口水質(zhì)的影響。方案1為規(guī)劃期負荷的工況,和現(xiàn)狀相比,江北片CODcr負荷增幅25%;江南片CODcr負荷增幅22%,在這種工況下,保護區(qū)CODMn指標已經(jīng)接近Ⅱ類水體臨界值。方案2將富陽南片的負荷維持在現(xiàn)狀水平,北片為規(guī)劃排污量,在這種工況下,保護區(qū)的CODMn平均值有所下降,基本保持在Ⅱ類水體的標準值內(nèi)。如果進一步削減南片的污染物,即方案3削減江南片污染負荷為現(xiàn)狀的75%,江北片為規(guī)劃排污量,則保護區(qū)的CODMn平均值將對應(yīng)下降,但幅度不是很大。4.2.2黃竹片與北片的污染負荷變化對取水口水質(zhì)的影響通過方案3,4的比較,分析上游來水水質(zhì)對保護區(qū)的影響。隨著上游城鎮(zhèn)和經(jīng)濟的發(fā)展,污染物排放量增加,使上游來水的水質(zhì)變差,其濃度的改變將對取水口水質(zhì)產(chǎn)生影響。在富陽南片污染負荷為現(xiàn)狀的75%,北片為規(guī)劃排污量的負荷下,方案4上游邊界濃度在方案3的基礎(chǔ)上,增加15%?？芍?盡管富陽南片的污染負荷在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上削減了25%,但只要其上游的污染物沒有加以控制,保護區(qū)的CODMn平均值仍滿足不了Ⅱ類水體的水質(zhì)要求。因此,應(yīng)嚴格控制上游的污染物排放,其總量應(yīng)保持現(xiàn)狀的水平。4.2.3現(xiàn)有兩種流速對保護區(qū)codn的影響通過方案1,5,6的比較,分析徑流量改變對保護區(qū)水質(zhì)的影響。在方案1富陽城鎮(zhèn)污染負荷規(guī)劃工況的基礎(chǔ)上,考慮將上游徑流量進一步削減為150m3/s(方案5)和抬升為300m3/s(方案6)2種工況。通過比較發(fā)現(xiàn),徑流量的改變直接影響保護區(qū)的CODMn平均值,在徑流量削減為150m3/s時,保護區(qū)CODMn平均值超過Ⅱ類水體的水質(zhì)要求;而將上游徑流量提高到300m3/s,則保護區(qū)CODMn平均值有較大幅度的下降,可滿足Ⅱ類水體的水質(zhì)要求。4.2.4邊界條件的確定通過方案1,7的比較,分析下游潮汐條件改變對保護區(qū)水質(zhì)的影響。一般情況下,小潮期污染物稀釋擴散條件差,而大潮期流速大,污染物遷移、擴散作用強于小潮,污染物推移上溯的距離會長一些。因此,在規(guī)劃工況的基礎(chǔ)上,考慮大潮的邊界條件(方案7)。通過比較發(fā)現(xiàn),大潮工況對于保護區(qū)CODMn平均值的改變量是明顯的,它并沒有將下游排放的污染物推移至影響保護區(qū),而是有效地稀釋了保護區(qū)的污染物濃度。5富寧縣范圍內(nèi)水質(zhì)分析(1)為了確保杭州市取水口的安全,必須設(shè)置一級保護區(qū)來加以保護,并嚴格遵守國家“飲用水水源保護區(qū)污染防治管理規(guī)定”中一級保護區(qū)有關(guān)禁止事項,嚴格加以保護。根據(jù)具體情況在里山取水口的上游4km、下游3km設(shè)定為一級保護區(qū)是必