（环境工程专业论文）长江下游滨江城市水污染治理方案研究——以太仓市为例.pdf

b a s e d0 1 1t h ep l a n n i n go fw a t e re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni np l a i nr i v e rn e t w o r k a r e a s ，t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e so nt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fw a t e re n v i r o n m e n t a l c a p a c i t ya n dp r o j e c t so f w a t e rq u a l i t yi m p r o v e m e n t t h i sp a p e rt a k e st a i c a n gc i t ya s 蛆e x a m p l e n e a rb yt h ec h a n g j i a n gr i v e r , t h i s a e r ah a sg o o dc o n d i t i o no ft r a n s f e r r i n gw a t e r b a s i n go nt h ed a t ao fe x p e r i m e n t , t a i c a n gc i t y sh y d r a u l i c sa n dw a t e rq u a l i t yn u m e r i c a lm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e da n d t h ei m p r o v i n gd e g r e eo fw a t e re n v i r o n m e n ti nt h ec i t yz o n ew a sa n a l y z e d a t m e a n w h i l e ，t h ei m p r o v i n ge f f e c t i v e n e s so fu r b a nw a t e re n v i r o n m e n tw a si n d i c a t e d u n d e rt h ed i f f e r e n tw a t e rd i v e r s i o np r o g r a ma n dt h ee n v i r o n m e n t a li m p a c to fc l e a t i n g s l u d g e a n d c u t t i n g d o w np o l l u t a n ts o u r c et ot h ew a t e re n v i r o n m e n tw e r e a n a l y z e d t h e nt h i sp a p e rs t u d i e sw a t e ri n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo ft h ea e r aa n dt h e m e t h o d st oi n c r e a s ei n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y t h i sr e s e a r c h p r o v i d er e a s o n s f o r o p t i m i z i n gp r o j e c t s o f t r a n s f e r r i n gw a t e ri nr i v e rn e t w o r ka r e a sa n ds t e p so f o b s t r u c t i n gc o n t a m i n a t i o n k e yw o r d s ：p l a i nr i v e rn e t w o r k ；f i e l ds c a l e 怔 a n s f a h n gw a t e re x p e r i n l e n t ；h y d r a u l i c sa n dw a t e r q u a l i t yn u m e r i c a lm o d e l s ；e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y ；, t a i c a n gc i t y 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ；多址工加7 年钼力日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) 缢碰2切7 年钼肜日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题提出及研究意义 水是一种极为宝贵的自然资源，它不仅是世界上一切生命赖以生存的源泉， 又是人类远古文明发展的摇篮。世界四大文明古国都依傍大河而生：中华文明发 祥于黄河流域；古埃及文明孕育于尼罗河流域：古印度文明开端于恒河流域；古 巴比伦文明渊源于底格里斯河和幼发拉底河两河流域。然而随着城市人口、经济 的发展，各种工业废水和生活污水大量排入河网，致使水环境质量日益恶化，成 为困扰城市环境和经济可持续发展的一个主要问题。人类对于自然资源、水环境 的破坏日益严重，甚至已经遭到大自然的报复和惩罚。优美的莱茵河由于沿岸各 国只顾经济发展忽视环境保护，使河流的生态系统遭到致命破坏，一度被人们称 为“欧洲的阴沟”叫啪。英国著名的母亲河泰晤士河，也曾因大量城市生 活污水和未经处理的工业废水排入而严重污染，终于饮用水的污染以及伦敦的大 雾使霍乱爆发，给人类以惨痛的教训“儿”嘲。我国的上海苏州河盯儿“、南京秦淮河 捌“”也一度因城市污水污染而呈现黑臭状态。 随着社会经济的发展，人们对水环境的保护意识和要求日趋强烈，水环境保 护的重要性也日益突显。太仓是一个典型的江南水乡城市，境内水网密布，湖荡 较多，河港纵横，集镇临河，村落傍水。所有这些水域组成了一个可供引、排、 调、蓄、航的水网，服务于工农业生产和人民生活，可以说，人们的生活、生产 环境，最重要的就是水环境。随着人民生活水平的不断提高，人们对水环境的要 求也越来越高。优美的水环境，不仅使城市品位得到提升，还人们的物质生活和 文化生活息息相关，同时良好的水环境是不少地方招商引资和旅游业、房地产业 发展的一个重要砝码“。 国内外对于水环境治理已经取得了一些成果“2 ”m 1 ，我国对于平原河网地区 的水流特性也进行了一些研究“。“6 儿”1 。太仓市地处经济发达的长江三角洲，是典 型的平原河网地区。利用物理模型和数学模型相结合方法，以太仓市为例，研究 平原河网地区的水力水质特性，提出改善水环境行之有效的措施，对于优化长三 角地区的人居和投资环境，实现水生态环境和经济协调平衡发展具有重要意义。 1 2 研究背景及进展 1 2 1 水资源保护规划 长江下游滨江城市水污染治理方案研究以太仓市为例 1 2 1 1 水资源保护规划的基础 水资源保护规划的根本目的是防治水污染，而防治水污染的总原则是水功能 区的划分和污染总量的控制。不同的功能对水类别有不同的要求，对水功能区的 科学划分，能减少污水处理量，并相应降低处理级别的要求。在水功能区划的基 础上，水资源主管部门根据水资源总量和流量确定污染物排放总量，并监测排污 量，以保证规划的环境用水可以具备自净能力，其中确保饮用水合格是保障水资 源供应的重中之重，不但要保证供水水源地不受污染，还要在经江河输送后，入 自来水厂之前进行监测，确保给自来水厂提供合格水源。如监测表明达不到自来 水厂要求，应由水资源主管部门考虑建立大流量的，集中的再处理设施，但该设 施应能经济自持运行，向香港和深圳供水的东深供水生物处理工程就提供了很好 的范例，既有良好的社会效益，又有可观的经济效益。 水功能区划分的一般原则： ( 1 ) 以流域为整体，结合使用要求和保护目标来确定。对支流，其功能不仅 要考虑本河流的使用要求和保护目标，而且要考虑对干流的污染和影响。 ( 2 ) 河流城区段应充分注意到混合过程段、充分混合段和自净过程段功能的 差异性。河流城区段的现状功能及使用要求的合理性要作科学分析，要用效益分 析和最优化方法加以综合分析，科学合理地确定水域功能分类。 ( 3 ) 水域功能的划分既要考虑到使用要求和发展规划，又必须考虑实现功能 标准的技术经济可能性，过严的功能分类，即难做到又制约本地区经济发展，但 水域功能的划分，一般不应低于现状功能。 ( 4 ) 水域功能的划分具有明显的时段性，应与本地区一定历史时期内的经济 发展水平相适应，并随着科技进步和环境保护的需求而逐渐严格。 1 2 1 2 水资源保护规划的进展 环境系统是一个复杂的大系统，水环境水资源保护规划又具有长期性、复杂 性、综合性，规划要对许多自然、经济、环境、社会因素做出定性定量的科学评 价，而且要对这些因素进行动态跟踪控制。我国水资源保护规划工作具体表现在 以下几个方面“： ( 1 ) 改革开放以来，国家级经济技术开发区已达到5 2 个，仅长江流域就达 2 0 余个，开发区产业集中，出现的环境问题多而集中。对环境的影响，首先要 做好水环境水资源保护规划工作。我国做水环境保护规划特点是：规划做到以经 2 第一章绪论 济为中心，环境综合整治为核心，编制可达性、可操作性较强结合开发区实际的 规划；着手先做环境质量与环境信息调查评价，在做环境影响预测，再做环境功 能分区确立环境目标，最后进行开发区环境污染控制规划，我国有的开发区还优 先编制有生态规划。 ( 2 ) 近1 0 余年来，我国水环境水资源保护、水质系统规划研究中应用系统 分析、最优化方法等取得了一定的进展，运用和提出了一些优化模型和求解技术， 如沱江水质规划、上海黄浦江水污染综合治理、丹东鸭绿江水污染系统规划，长 江武汉江段污染防治规划研究，淮河流域水资源保护规划等。 ( 3 ) 编制了河流梯级开发关键江段如长江中上游宜昌江段水环境水资源保 护规划( 1 9 9 3 2 0 1 0 年) ，从技术路线上做出了水环境功能区划分对水质目标实 现编制了在国内领先的可达性分析，对宜昌江段控制断面水质资料，采用了 d a n i e l 的趋势检验，使用了s p e a r m a n 秩相关系数测算监测断面污染物随时间变 化趋势规律。 ( 4 ) 编制具有城市特点和以城市为中心的“南通市城市水资源保护规划”， 突出提出了城市水资源保护规划的战略目标，在南通市市区濠河水环境容量分析 中提出，水体中磷的分析应用了狄龙模型，尤其是在规划中在全国率先提出了“城 市水环境保护规划实施与保证体系”，也提出了城市环境功能分区。 ( 5 ) 编制高原湖泊滇池流域水资源保护规划，提出水资源开发状况、 供需预测( 水的“量”与“质”并备) ，在水质污染预测中，c o d 年均预测用到 了“合田键”模型，规划中突出了费用效益分析，具有特色。 ( 6 ) 针对长江口的区位和资源优势、巨大开发价值和优越发展前景，编制 了“长江口综合开发整治规划要点报告( 1 9 9 6 年) ( 含长江口整治工程环境、 生态、旅游资源开发规划内容) ”，包括河水水环境如河势动乱、岸滩冲淤、水域 污染、盐水入侵等综合治理规划，在国内是居前列的。 从1 9 7 9 年开始，我国先后颁布了中华人民共和国环境保护法、中华人民 共和国水污染防治法、中华人民共和国水法，还颁布了工业废水排放标准、 地面水环境质量标准等。1 9 8 3 年开始，各流域机构会同省市的水利、环保 部门开展了长江、黄河、淮河、松花江、辽河、海河、珠江七大水系的流域水资 源保护规划，至1 9 8 8 年底，七大江河流域水资源保护规划先后制定完成。 随着水资源保护工作的开展和规划工作的深入，国内大专院校、科研、设计 3 长江下游滨江城市水污染治理方案研究以太仓市为侧 等单位开展了水资源保护综合性研究项目，取得了大量研究成果。如水科院水资 源的区域水环境规划方法研究，河海大学的太湖水系水质保护研究，还有 长江水资源保护的长江武汉江段水污染防治规划研究。这些研究是从流域或 地区社会、经济、环境大系统的实际情况出发，以应用研究为主。研究坚持治理 污染源和河流综合整治并重的原则，采用系统分析方法和生态观念相结合的技术 路线，应用物理、化学、生物学及系统工程学科的理论和方法，建立具有模拟计 算功能的水力模型和水质模型，合理确定环境目标，提出适合国情的水环境保护 措施，以求建立流域或区域新的稳定生态系统，为综合整治提供了科学依据。 1 2 2 河网水量水质模型 1 2 2 1 水力模拟研究动态 河网水动力数学模型大体可以分为节点一河道模型、单元划分模型、混合模 型以及人工神经网络模型4 类“”。目前，河网水动力模型仍然以节点一河道模型 为主，对s a i n t - v e n a n t 方程组离散求解，寻求一种更能真实有效反映平原河网水 动力特性的数学模型和高效的求解方法仍将是今后河网数值模拟的主要发展方 向。其基本思想是：将河网中的每一河道视为单一河道，其控制方程均为一维 s a i n t v e n a n t 方程组；河道连接处称为节点( 汉点) ，每个节点处均应满足水流 连续性方程和能量守恒方程。求解由边界条件、s a i n t - v e n a n t 方程组和汉点衔 接方程联立闭合方程组，即可得到各河段内部断面的未知水力要素。节点一河道 模型原则上可以求解任何水网的水力参数，但不同的求解方法各有优缺点 2 口】 2 i j 乜2 】 o s a i n t - v c n a n t 方程组是s a i n t - v e n a n t 在前人n 部v t o n ( 1 8 6 7 ) 、l a p l a c e ( 1 7 7 6 ) 等开创性研究的基础上建立的一维非恒定水流运动规律的理论基础。由于 s a i n t - v c n a n t 方程组属于二元一阶双曲型拟线性方程组，无法直接求得解析解， 只能求解各种简化形式的方程组，因此在实际应用中受到很大的限制。到了2 0 世纪中期，由于计算机技术的迅猛发展，对完整s a i n t v e n a n t 方程组的求解才变 为现实。目前对河网非恒定流水力计算方法通常有：直接解法、分级解法。 直接解法是早期河网计算中常用的方法。它的基本思想是直接求解由河道内 断面方程和边界方程组成的方程组，形成的线性方程组的系数矩阵为一不规则、 不对称的大型稀疏矩阵，占用内存大、计算量大。中山大学李岳生教授等从河网 矩阵的特点出发，提出了“网河隐格式的稀疏矩阵解法”，能够节省计算机内 4 第一章绪论 存，提高运算速度 分级解法是近期发展起来的计算方法，也是目前应用最为广泛的一种方法。 该方法是由荷兰水力专家d r o n k e r s 首先提出、后经许多专家、学者发展起来的 一种解法。该法的基本思想是先将未知数集中到节点上，待节点未知数求出后， 再将各河段作为单一河段求解。分级解法按方程组的连接形式，又可以分为：二 级解法、三级解法、四级解法、汉点分组解法等。二级解法的是将所有的边界方 程和河段方程一起构成一个封闭的方程组，求解这样的方程组，便可以求得河网 各河端的未知数，然后再利用微段方程求出全部内部计算断面的未知数。1 9 8 2 年张二骏等提出了河网非恒定流的三级联合解法。三级解法是在二级解法的基础 上，将所得到的河段方程自相消元，可以得到一对以水位或流量为隐函数的方程 组，将其代入相应的节点方程和边点方程，求得节点水位，然后再求得各断面的 流量及水位。1 9 8 5 年吴寿红提出了河网非恒定流的四级解法，即在三级解法的 基础上，分离出外边界方程和节点能量衔接方程，由剩下的方程构成四级连接方 程组结合节点水量平衡方程求解。汉点分组解法是李义天于1 9 9 7 年提出的，它 是在分级解法的基础上进一步降低线性方程组的阶数。分级解法较直接解法有较 大的优越性，但求解大型线性方程组是该法面临的一个难题。近年来，王船海、 李光炽等提出了节点的优化编码、g a u s s 列主元消去法、矩阵标识等方法，为这 类问题的解决开辟了蹊径陶。 1 2 2 1 水质模拟研究动态 水质模型是污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关系的数学 描述，它既是水环境科学研究的内容之一，又是水环境研究的重要工具。自1 9 2 5 年斯特里特一费尔普斯( s 吮c t e r 巾h e l p s ) 在对o h i o 河流污染源及其对生活污水造 成的可度量影响的研究中，第一次建立水质模型以来，水质模型的开发与研究经 历了五个阶段： 第一阶段( 1 9 2 5 1 9 6 0 年) ：这一阶段以s t r e e t e r - p h e l p s 水质模型( s - p 模型) 为代表，后来科学家在其基础上成功地发展了b o d d o 耦合模型，并应用于水 质预测等方面； 第二阶段( 1 9 6 0 1 9 6 5 年) ：在s - p 模型的基础上又有了新的发展，引进了 空间变量、物理的、动力学系数，温度作为状态变量也被引入到一维河流和水库 ( 湖泊) 模型，同时考虑了空气和水表面的热交换，并将其用于比较复杂的系统； 5 长江下游滨江城市水污染治理方案研究一以太仓市为例 第三阶段( 1 9 6 5 1 9 7 0 年) ：其他输入源和漏源包括氮化合物好氧( n o d ) 、 光合作用、藻类的呼吸以及沉降、再悬浮等等，计算机的成功应用使水质数学模 型的研究取得了突破性的进展； 第四阶段( 1 9 7 0 1 9 7 5 年) ：水质模型已发展成相互作用的线性化体系、生 态水质模型的研究初见端倪，有限元模型用于两维体系，有限差分技术应用于水 质模型的计算； 第五阶段( 近2 0 多年) ：科学家的注意力已逐渐地转移到改善模型的可靠性 和评价能力的研究上。 前人对水质模型数值模拟进行了很多开创性的工作，并且卓有成效。河网水 质模型的数值模拟需以水力计算为基础，并且需要与水力计算方法相匹配。水力 模拟中应用较为广泛的分级解法，即河道一节点法在水质模拟中也得到普遍应用， 其原理、求解思路大致相同；与单元划分法相对应，金忠青、韩龙喜等提出了组 合单元水质模型”1 ，其基本思想是按水力水质特性相似的原则，将河网划分成若 干单元，要求划分后的单元内部水位、流速变化均匀、水质浓度无悬殊变化、单 元间污染物质的交换通过随水体对流及交界面上的扩散而进行。单元污染物浓度 以形心处浓度代替，它随时间的变化取决于交界面上的对流扩散输运、单元内污 染物的降解及源项的加入。 目前开发较为成熟、运用较为广泛的水质模拟软件是美国国家环保局 ( u s e p a ) 于1 9 7 3 年开发的q u a l 2 e 模型及1 9 8 3 年开发、后经多次扩充与修 正的w a s p 系列模型。其他还有美国陆军工程兵团研究开发的c e q u a l - r i v l 。1 、 w q r r s “、h e c 一5 q 驯、s e l e c t 1 、c e q u a l - r 1 。2 1 等模型。 1 2 3 水环境容量 水环境容量的定义是一定水体在规定环境目标下所能容纳污染物的量。”。容 量大小与水体特征、水质目标及污染物特性有关，同时水环境容量还与污染物的 排放方式及排放的时空分布有密切的关系。由于河流具有对污染物质的稀释、输 移、降解能力，所以河流环境容量可分为以下三个组成部分：稀释容量、输移容 量和自净容量1 。 由于稀释和沉积作用，河流中的污染物逐渐分布于水和底泥中，当水体通过 物理稀释作用使污染物达到规定的水质目标时所容纳的污染物的量称为稀释容 量。稀释容量在数值上是输移能力与现状输移量之间的差值，因此也称为差值容 6 第一章绪论 量。水体流动输送到下游河道的污染物数量称为输移容量，它只与水力要素和水 质目标有关，因此输移容量是有限的不可再生的。较大的输移容量并不代表较大 的允许排放量。水体通过物理、化学、物理化学、生物作用等对污染物所具有的 降解或无害化能力表征为自净容量。自净容量是水环境容量中最重要的组成部 分，河流水环境容量的计算关键在于自净容量的计算，它是可不断再生的量。常 用的水环境容量计算模型有：一维模型、二维模型、非均匀混合模型和湖( 库) 均 匀混合模型。 水环境容量计算方法大致可分为三类：解析公式算法、模型试错法及系统最 优化分析方法。解析公式法是一种稳态方法，显然不能用于计算非稳态的水环 境容量；利用非稳态的水质数学模型，试错法可以用于计算非稳态的水环境容量， 但费时费事，计算效率太低；基于线性规划等理论的系统最优化分析方法，由于 自动化程度高、精度高、对边界条件及设计条件的设计能力强等优点，受到了越 来越多的推祟，已被引入河流水环境保护的专家系统啪1 1 2 4 国内外引水改善水环境工程应用进展 福州市内河共有4 2 条，纵横交错，水网平均密度在3 k i n k i n 2 以上。近年来 的工业废水和生活污水直接排入，导致污染加剧，常年黑臭。1 9 9 6 年福州市政 府下决心实施引水冲污”1 ，通过引入闽江水，加大内河径流量，提高流速，使大 部分河段水流呈单向流，当天污水当天排入闽江，做到一天换一次水，减少回荡。 引水后内河的复氧能力增强，其综合效应的结果达到了消除黑臭，同时大大降低 了闽江北港北岸边污染物浓度。该工程1 9 9 8 年8 月1 日竣工投入试机运行嘲伽1 。 目前，已较成功地解决了福州城区内涝问题，内河水环境也得到了很大的改善。 苏南地区经济发展迅速，废水排放量剧增，太湖受到严重污染“。温家 宝副总理在太湖水污染防治第三次工作会议上指出：“治理太湖要采取四个有效 措施，即大力实施生活污水截流、实现工业污水减排、加强农业污染控制、引水 清淤修复。”“引水是要加大区外引水规模，实施生态调水工程，把长江水引到太 湖，加速太湖水体转换速度，以动治静，以清释污，以丰补枯，改善水质”。计 划通过望虞河引长江水入太湖，即“引江济太“”1 。自2 0 0 2 年1 月3 0 日起 实施引江济太调水试验工程以来，截至2 0 0 4 年9 月3 0 日，常熟水利枢纽共引长 江水5 8 7 亿立方米，通过望亭水利枢纽入太湖2 8 4 亿立方米，太浦闸累计向下 7 长江下游滨江城市水污染治理方案研究以太仓市为倒 游供水4 3 0 亿立方米。引水期间，望虞河沿程c o 瑰血、t p 等主要指标维持在 类之间，n h 3 - n 指标基本在类之间；太湖贡湖湾水源地c o d m 。从类 改善至类，1 1 p 基本稳定为类。太湖及黄浦江上游各水厂水源地水质明显改 善。 温州市区段自身无清水补给，水体自净能力较差，通过引水冲污等综合整治 措施，短期内改善了温瑞塘河的水质，提高了河道的输水量和水体置换速度，改 善了河道的稀释自净能力m 1 。南京市玄武湖采用引清洁水入湖，改善玄武湖的水 质，从根本上降低了玄武湖的富营养化程度嘲。德国的鲁尔河、俄国的莫斯科河 等均试过引水修复水环境，效果良好。 1 3 研究区域概况 1 3 1 自然环境 太仓市位于江苏省东南部 长江口南岸，地处北纬 3 1 。2 2 ”3 l 。4 4 ，东经 1 2 0 。5 8 ”1 2 1 。2 0 。东濒长 江，南临上海市，西、北分别 与昆山、常熟市接壤。太仓市 地理位置图见图1 3 卜l 。全境 总面积8 2 2 9 2 6 平方公里，其 中长江水域面积1 7 3 8 9 平方公 里。 图1 3 1 卜l太仓市地理位置 1 3 1 1 地质地貌 太仓地质构造较为简单由于地处下扬子准台东部，除随其规模较大的海侵海 退丽外，地壳变动不大。岩浆活动贫乏，陆渡桥下1 0 1 至4 6 0 米处，有玄武岩。 地表为第四系浮土掩盖，以下有新生界、中生界、古生界等地层。太仓地貌变化 较大，浅海逐步形成古老的长江三角洲。太仓又是阳澄低洼区的东部碟缘，全境 地势平坦，自东北向西南略呈倾斜。 1 3 1 2 土壤植被 太仓地处亚热带，利于动植物繁育，种类较多。8 0 年代初，在长江水域尚 有白暨豚、中华鲟等珍稀动物。主要野生植物有树木6 3 种、花卉2 3 0 种、药材 第一章绪论 百余种以及杂草9 0 余种；主要野生动物有即脊椎类1 2 0 余种、节肢类6 6 种、软 体类1 1 种以及环节类5 种。目前大部分为人工栽培的植物和饲养的动物。 1 3 1 3 地质地貌 太仓属北亚热带南部湿润气候区，受季风环流支配。冬季受北方冷空气控制， 寒冷少雨；夏季受副热带高压控制，天气炎热；春、秋季是季风交替时期，天气 冷暖多变、干湿相间。年平均气温1 5 3 c ，最高温3 7 9 c ，最低温一1 1 5 。c 。年 日照2 0 1 3 小时，无霜期2 3 2 天。境内春夏季为东南风，冬季盛行东北风和西北 风，年平均风速3 6m s ，台风潮平均每年1 ，8 2 次。年平均雨量1 0 1 7 毫米，最大 年雨量1 5 6 4 毫米( 1 9 6 0 年) ，最小年雨量6 1 9 毫米( 1 9 7 8 年) 。汛期( 5 9 月) 雨量6 0 9 m m ，占全年雨量的6 0 。梅雨量( 6 月1 5 日一7 月1 0 日) 1 9 5 m m ， 占全年雨量的1 9 。干旱夏旱平均2 5 年一遇，秋旱平均2 年一遇，雨涝平均每 年2 1 次。 1 3 1 4 河流水系 太仓市属平原河网区，区内河道纵横交错，河道基本可以分为三级。 第一级是区域性河道，即浏河、杨林塘、七浦塘、盐铁塘4 条，是太仓市河 网中规模最大的河流，也是重要的骨干航道。 第二级是太仓市市管河道，包括钱泾、荡茜、鹿鸣泾、浪港、茜泾、吴塘、 半泾、十八港、石头塘、随塘河、白迷泾、新泾等1 2 条河道。新泾、钱泾、荡 茜、鹿鸣泾、浪港5 条河道为区域性通江河道，吴塘、半泾河、石头塘三条河道 纵贯太仓南北，连接浏河、杨林塘、七浦塘三大塘，为太仓的主要调蓄河道。十 八港、白米泾分别是浏河、七浦塘的支河，为太仓南、北部地区的引排、调蓄骨 干河道。茜泾河横贯大半个太仓，虽非通江河道，但对太仓东北部地区的引水灌 溉、防洪排涝等具有重要作用。 第三级是镇级河道，共1 4 3 条，总长约4 1 0 7 3 公里，主要分为四大类。第 一类是通江河道的支河，第二类是主要调蓄河道的支河，第三类是连接二个村以 上的骨干河道，第四类是西部圩区的中心河道。镇级河道的主要作用是起着区域 水系沟通和引排作用。 这些河道构成了太仓全境主要水系骨架，在引水灌溉、防洪排涝、交通运输 以及水环境改善等方面发挥着巨大的作用。 1 3 2 社会经济概况 9 长江下游滨江城市水污染治理方案研究以太仓市为例 1 3 2 1 行政分区 太仓市域内城镇总数7 个，4 9 个居民委员会，2 1 9 个村，3 7 9 6 个村民小组。 2 0 0 2 年末，全市总人口约4 5 1 l 万人，其中农业人口2 5 8 4 万人，非农业人口 1 9 2 7 万人。 全市辖7 个镇：城厢镇、浮桥镇、璜泾镇、浏河镇、陆渡镇、沙溪镇、双风 镇。境内有两个省级开发区：太仓港港口开发区( 沿江公路以东) 和太仓经济开 发区( 市区太平路以东) 。 1 3 2 2 社会经济 太仓市地处经济发达的长江三角洲，地理位置优越。东濒长江，南临上海， 处于江苏沿江城镇聚合轴的头部，是上海都市圈和苏锡常都市圈的重要组成部 分，区域由越明显。2 0 0 2 年完成工业总产值3 6 5 0 6 亿元，比上年增长1 7 0 。 完成工业产品销售收入3 2 4 0 9 亿元，比上年增长1 8 o 。工业企业经济效益综 合指数达1 4 1 6 3 ，比上年提高7 8 4 个百分点。实现利税总额2 9 7 4 亿元，比 上年增长3 2 2 ，实现利润总额1 5 9 7 亿元，比上年增长3 6 5 。农业总产值 2 7 3 1 亿元，比上年增长4 3 。 1 3 3 现状水环境 饮用水源为第二水厂长江取水口，全年共监测1 2 次，监测项目共3 6 项。各 项指标均达到生活饮用水卫生标准及地表水环境质量标准i i 类标准，水 质良好，各项指标均达标。 2 0 0 4 年太仓市环保局对1 9 个功能区进行监测，监测项目有：d 0 ，c o 阢、b o d 。、 n h 3 一n 和挥发酚，采用的评价标准是地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ，评 价方法为单因子评价法。监测的1 9 个功能区中，地表水水质达标的有6 个，占 3 1 6 。其中，类水有4 个，占1 4 3 ；类水有5 个，占1 7 9 ；v 类水 有5 个，占1 7 9 ；劣于v 类水有5 个，占5 0 o 。地表水水质不好。 1 4 主要内容及论文技术路线 1 4 1 主要内容 本论文拟从研究平原感潮河网区水环境容量和水环境改善的角度出发，以太 仓市为例，在原型试验基础上，建立太仓区域河网非稳态水量水质数学模型，并 进行参数率定，计算水环境容量，根据当地经济与人口的发展预测污水量，进行 污水处理系统规模及布局研究。通过引水，提出水质改善方案并计算改善效果， i o 第一章绪论 为该地区的水环境保护规划提出技术支持。 论文主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 依据太仓市2 0 0 4 年4 月2 1 日1 2 时2 4 时的通过浏河和杨林塘从长江 引水的原型调水试验的水量、水质实测数据，建立了太仓区域河网非稳态水量水 质数学模型，并根据同步实测资料对模型参数进行了率定。 ( 2 ) 对太仓市现状污染源进行调查，计算了太仓市各主要河道在近期( 2 0 1 0 年) 、远期( 2 0 2 0 年) 的水环境容量值，并计算了引水对研究区域水环境容量的 增大效果及对现有环境容量缺口需要的引水量。 ( 3 ) 通过调查水资源量、污染源、社会经济和人口发展，对太仓市的污水量 进行预测，计算污水处理系统规模，优化污水污水厂布局，并分析污水处理厂建 设对水环境改善的效果和尾水对长江的影响。 ( 4 ) 依据原型调水试验的水量、水质实测数据，对引水效率及引水改善太仓 城区水质效果进行分析，并对沙溪镇引水水质改善进行了研究。 1 4 2 技术路线 参看国内外在水资源保护规划、水环境容量计算方面的研究成果，充分借鉴 和利用已有的成果和经验，研究平原感潮河网区水环境容量和水质改善方案。本 论文技术路线如图1 4 2 - 1 。 图1 4 2 - 1 论文研究技术路线图 长江下游滨江城市水污染治理方案研究一以太仓市为例 第二章原型调水试验及水环境数学模型建立与率定 2 1 原型调水试验方案 本次监测是在一次涨落潮期间，闸门一次启闭、充分引潮情况下进行的，分 析长江引水改善太仓市区水环境效果。 2 1 1 监测时间及目的 于2 0 0 4 年4 月2 1 日1 2 时- - 2 4 时在太仓市浏河和杨林塘进行一次引长江水 改善市区水环境的野外试验，主要为了准确掌握这两条河道从长江一潮引水对城 区水环境改善的效果，判断两河道输水能力，观测主要交叉河道的分流比，并对 水环境模型进行科学的率定，较好地模拟太仓河网污染物迁移扩散规律，在此基 础上判断现有工程改善市区水环境的能力，为计算市区水环境容量，采取工程和 非工程措施提供依据。 2 1 2 监测方案 2 1 2 1 监测断面设定 本次野外监测范围为西城河以东，城北河以南，十八港以西，浏河以北的区 域。其中水位监测断面共有1 6 个，流量监测断面共有1 6 个，水质监测断面共有 1 9 个，观测点位置见图2 1 21l 。 图2 1 2 卜1水文水质监测断面图 1 2 第二章蜃型调本试验及水环境教学模型建立与率定 2 1 2 2 监测项目 ( 1 ) 水文：水位、流量； ( 2 ) 水质：c o 队、氨氮，1 0 、1 4 号增加c o d c r 、挥发酚、石油类、p h 值、 色度。 2 123 膝测频率 在开闸前测量一次各断面本底浓度和水位。自开闸引水后，每3 0 r a i n 观测一 次水位和流速，每1 h 取一次水样，进行水质分析。 2 124 监测方式 ( 1 ) 水位用水尺现场实测； ( 2 ) 用流速仪人工现场测量流速； ( 3 ) 采集水样实验室分析水质。 2 1 3 闸门调度方案 ( 1 ) 浏河闸、杨林闸2 1 日白天平水时( 1 2 ：3 0 左右) 闸门全部开启，先引 水后排水，充分引水至平水关闭，沿江其余各闸正常调度。 ( 2 ) 引排水期间，十八港沿线涵洞关闭；浏河段陆渡至浏河镇各支流闸门均 关闭。浏河沿线娄江河闸站、大半泾闸站、团结河闸站、西城河闸站开闸自引， 充分引排水；池塘河闸、大半泾北闸开启。 2 2 水环境数学模型的参数率定 一 2 2 1 水量数学模型阱ii 矧 2 2 1 1 研究区域河网概化呻1 踟 研究区域内河道众多，相互交织成网。为了便于计算，首先必须将内部河道 进行概化，形成一个有河道、有节点的概化河网。建立模型时由于工作量及资料 的限制，模拟计算时将天然河网进行合并、概化，概化河道为水平底坡、梯形断 面，概化断面用底高、底宽和边坡三要素来描述。概化时将主要的输水河道纳入 计算范围，将次要的河道和水体根据等效原理，归并为单一河道和节点，使概化 前后河道的输水能力相等、调蓄能力不变。当这些次要的平行河道具有断面资料， 且首末节点相同时，可以用水力学的方法，根据过水能力相同的原理，求得合并 概化河道的断面参数。但由于这些平行河道往往缺乏断面资料，且首末的节点并 不相同，往往先凭经验来确定概化河道的断面参数，然后若在模型率定阶段若发 现这些参数不合理，则可作适当的修改，使水流模拟更符合实际。对于水系内不 参加水流输送的一些小河、池塘等，其调蓄作用不可忽视，故采用调蓄不变原则 长江下游滨江城市水污染治理方案研究以太仓市为倒 模拟概化河网以外的调蓄作用，使概化前后河道的总调蓄容积不变一般来说， 在进行河网湖泊概化时，除了要满足输水能力与调蓄能力相似外，主要遵循以下 原则：主要河道不要合并；次要的起输水作用的小河道，可以几条河合并成一条 概化河道；更小的基本上不起输水作用的河道作为陆域上的调蓄水面处理；中小 型湖泊、塘坝可概化为调蓄节点。研究区域的河网概化图如图2 2 1 1 1 所示。 图2 2 1 卜1 研究区域河网概化图 2 2 12 基本方程 描述一维河道非恒定水流运动的s a i n t v e n a n t 方程组是建立在质量和能量守 恒基础上的，以水位和流量为研究对象，其基本方程为： f 署惕鲁渊- 1 ) 唔+ z “警+ c 鲥一砌2 ，瓦0 4 + g 喾= 。 式中：t 为时间坐标；x 为空间坐标；q 为流量；z 为水位；u 为断面平均流 速；n 为糙率；a 为过水断面面积：b 为主流断面宽度，b w 为水面宽度( 包括主 流宽度，仅仅起调节作用的附加宽度) ；r 为水力半径；q 为旁侧入流流量。 采用p r e i s s m a n 四点线性隐式差分格式对基本方程进行离散，形成如下线性 方程组： 1 4 第二章原壹调永试验及水环境数学模型建立与率定 ，q 妥照一嘤+ t ( i = l 1 ，l 1 + 1 ，l 2 - 1 ) ( 2 2 1 - 2 ) 1e a q + g i q 一e z 。+ e z 0 = 71、 其中：c i = ，：急 q = 字( 9 7 一q j + l ”c i ( z f ，+ z i + l i ) + g j 等 局= 盖也+ ，：，+ 喾f 裂1 j z = 幽一b u 2 ) j + l 2 7 g ，= 丽a x i 他。：，+ 出2 8f ，i _ 型r 4 3 ， = 急幺+ ，：j + u m z s ( q ，l q j + l s ) 一字( - - b u 2 k 馏吃协等妒一 式中下脚表为i + 1 2 的表示取i 及i + 1 处函数值的平均。由于系数是由均时 段初值及选定的时间步长、距离步长计算得到，故方程组2 2 1 - 2 对每一计算时 间步长而言均为线性方程组。 本文采用目前较为常用的河网三级联解法，思路为：单一河道一节点一单一 河道。将整个河网看成是由河道及节点组成，先将各单一河道划分为若干计算断 面，在计算断面上对s a i n t v e n a n t 方程组进行有限差分计算，得到以水位及流量 为自变量的单一河道差分方程组；然后根据节点连接条件及边界条件得到各节点 水位方程组；求解出各节点水位后，再利用追赶方程系数回代至单一河道，求出 各河道断面的水位及流量。 ( 1 ) 外河道计算2 1 外河道是指端是边界条件已知的外节点，另一端是水力要素未知的内节 点，内节点的变量必须通过河网的联解才能求出。编程时假定水流方向为外节点 流向内节点，若实际情况相反，则计算的流量和流速为负值。外河道的求解是， 通过边界条件确定首断面的递推关系，用追赶法求解各断面的水位与流量递推关 系，得到汇入基本河网的末断面流量与内节点水位的关系。待内节点水位求出后， 即可回代求出各断面的水位和流量。 1 5 长江下游滨江城市水污染治理方案研究一以太仓市为例 由于边界条件有两类，外河道分为两类，一类为具有水位型边界条件的河道， 一类为具有流量型边界条件的河道。对于任一外河道，设首断面号为l 1 ，末断 面号l 2 。 对于水位型边界条件，有如下追赶方程： z 厶= e l 一砭。q 工l( 昱。= z 厶，圪。= 0 ) 譬鹌：一奄 ( i = l 1 ，l 2 - 1 ) 【2 ：。= 兄一巧+ 。q f 。 7 对于流量型边界条件，有如下追赶方程： q 。= 最- 一圪t 乙，( 昱。= q 。o ) ，圪。= 0 ) 至2 麓一( i = l 1 ，l 2 - 1 ) 、，。1 ， b 2 “= 丑“一巧“z t “ 由以上的追赶方程可以看出，无论哪种类型的边界条件，其末断面的流量均 可表示为： 骁22f ( z , o = ( z 束) ( 2 2 1 3 ) z 末为外河道末节点水位，由河网联解求出节点水位z 址，回代可求出内河道 各断面的水位及流量。 ( 2 ) 内河道计算 内河道指首、末节点水力要素均为未知的河道。在河道离散方程组( 2 2 1 2 ) 中，有2 ( l 2 l i + i ) 个未知量，2 ( l 2 l i ) 个方程，方程个数比未知变量个数 少两个，无法直接求解。这里采用双追赶方程求解，即以首、末节点水位为基本 未知量，再由节点平衡方程建立只包含节点水位的方程组，求出各节点水位后， 再回代求出各河道各断面的水位、流量。 冬q = + 屈z j + 点z ：2 ( 2 2 1 - 4 ) 非啦= 塑气等笋型 虞：圣9 兰互 “ 墨互+ 艺 专：壹! ! 圣二兰9 2 “ x 最+ 五 墨= c ：+ “。 第二章原型调水试验及水环境教学模型建立与率定 1 22 q 岛+ i + q 其中i = l 2 2 ，l 2 3 ，l 1 x , l 于i = l 2 1 有： e e l 2 _ , 2 毪墨挚 肛- = 笼鬻 缸- = 笺幕箸 热瞑= 她半拦产 珥2 觜 以2 帮 x = c 。i + 珞一1 k = e 0 l r h _ l 一巧一i 其中i = l l + 2 ，l l + 3 ，l 2 。对于i = l l + l 有： ”等等 一一警等 一= 篆署 因此，由上述递推公式( 2 2 1 - 4 ) 、( 2 2 1 5 ) 可以得到： rq l = 吒1 + 尾l 互1 + 彘1 z 工2 ( 2 2 1 - 6 ) lq 2 = 皖2 + r l 2 乙2 + 凡2 乙l ( 2 2 1 7 ) 式( 2 2 1 - 4 ) 、( 2 215 ) 称为环状河网的河道追赶方程。对于每条内河道都 可以得到用节点水位表示的节点流量表达式( 2 2 1 6 ) 、( 2 2 1 7 ) ，将此关系代 入节点连接方程中形成节点以节点水位为未知量的方程组，从中解出节点水位， 再代入递推关系，进而求出内河道各断面的水位及流量。 1 7 长江下游滨江城市水污染治理方案研究以太仓市为例 ( 3 ) 内边界处理 河网内边界主要为闸门。根据过闸水流，有三种情况：关闸、自由出流和淹 没出流。 对于关闸的情况，上、下游没有直接的水力联系，闸上、闸下可作为两条单 一河道进行处理。 对于自由出流 q = m b h 、 2 碱 式中：为上游水深；b 为闸孔净宽；h 为计算过流水深；i n 为综合流量系 数。 对于淹没出流 q = 嘶2 9 ( 磊一互+ ) 式中：为淹没出流系数；z j ，磊+ 。分别为上下游水位：其余同上。 根据以上的水位流量关系，结合闸门所处的河道类型( 外河道或内河道) 求 出递推系数，然后按三级联解法的思想进行求解。 ( 4 ) 节点连接条件 河网上各节点应满足质量守恒和能量守恒条件。 质量守恒即流入某一节点的水量之和等于该节点蓄水量的变化。河网的节 点分为两类：一类是节点处有较大的蓄水面积，节点的水位变化产生的蓄水量的 变化不可忽略，为调蓄节点；另一类是节点处的水量调蓄面积较小，水位变化产 生的节点蓄水量变化可忽略，为无调蓄节点。 对于调蓄节点，可定