（环境工程专业论文）镇江市运粮河水质模型及污染控制措施的研究.pdf

江苏大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t t h ep o l l u t i o ni ns o m er i v e r sj o i n e dw i t hy a n g t s er i v ei sv e r ys e r i o u s ，e s p e c i a l l y i nl o ww a t e rt i m e i t st i m et ot a k ee f f e c t i v em e a s u r e sr i g h ta w a y n o n p o i n ts o u r o 七 p o l l u t i o no c c u p i e sm o r ea n dm o r ep r o p o r t i o n ，a m o n gm a n yp o l l u t i o nf a c t o r so fs o m e d r a i n a g ea r e a s i ti sd i f f i c u l tt oe v a l u a t et h eh a r mb r o u g h to u tb yn o n p o i n ts o u r c e p o l l u t i o nd u et ot h ec o m p l e x i t yo ft h en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n , t h ej u v e n i l i t yo ft h e c h a r g eo f n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o na n d t h el o c a l i z a t i o no f t h em o d e l s i n c e1 9 2 5 ，t h ew a t e rq u a l i t ym o d e lh a se x p e r i e n c e ds e v e r a lp h a s e sn a m e l y , f r o mo n e d i m e n s i o n a ls t a b l es t a t et ot h et h r e e d i m e n s i o n a lt r e n d s ，f r o mt h es i n g l e f i v e rt ot h en e tr i v e r s ，t h er e s e r v o i ra n dt h eg u l f , f r o ms i n g l ew a t e rq u a l i t yf a c t o rt o i n t e g r a t i o nw a t e rq u a l i t ym o d e la n df r o mt h ed e t e r m i n a t ew a t c rq u a l i t ym o d e lt ot h e u n c e r t a i nw a t e rq u a l i t ym o d e l t h ew a t e rq u a l i t ym o d e lc a ns a t i s f yg e n e r i cp r a c t i c a l i n s t a n c e b u tf u r t h e rs t u d yh a st ob ep u to nt h en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o na n dt h eu p a n dd o w nf l o w a g e t l l i sp a p e rt a k e st h ey u u l i a n gr i v e ri nz h e n j i a n g 嬲t h er e s e a r c ho b j e c t t h e w a t e re i r e t t m s t a n c e q u a l i t y i se v a l u a t e da n dt h ep r i m a r yc o n t a m i n a t i o n sa r e d e t e r m i n e db yt h ei n v e s t i g a t i o n sa n dr e s e a c h e sb a s e do nt h em o m t o rd a t e si np a s t y e a r s d i f f e r e n tc a l c u l a t i o n a lm o d e l sf o rd i f f e r e n tp o l l u t i o nl o a d so f t h ep o i n ts o l l r c e a n dt h en o n p o i n ts o u r c ea r eb u i l tb yi n v e s t i g a t i n ga n dr e s e a r c h i n gt h eg e o g r a p h i c a l c o n d i t i o n , s o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n ti ny u n l i a n gf i v e rd r a i n a g eu r e a t h e p a r a m e t e r so fh y d r o l o g y , w a t e r p o w e ra n dw a t e rq u a l i t ye q u a t i o na r cm a d ec e r t a i n t h r o u g he x p e r i m e n t a t i o n sa n dt h ee x p e r i e n t i a lf o r m u l a e a na p p r o p r i a t em o d e lo f b o di nl o ww a t e rt i m ei sb u i l tt os i m u l a t et h ec o n c e n t r a t i o ni nt h er i v e r s o m e e c o n o m i ca n de f f e c t i v em e a s u r e sa r eb r o u g h tf o r w a r d , a n dt h ee f f e c t sa l ef o r e c a s t e d t h r o u g ht h em o d e l sb a s e do nt h ec a t c u l a t i o n a lr e s u l t so ft h em o d e l 协l l y i n gw i t h m o n i t o rd a t a s t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h ep o l l u t i o ni nt h ey u n l i a n gr i v e ri so r g a n i cp o l l u t i o n t h ep o l l u t i o ni nl o ww a t e rt i m ei sg r e a t l ys e r i o u s i nt h ed r a i n a g ea r e a , t h en o n p o i n t s o u l x ：ep o l l u t i o no c c u p i e st h em o r ep r o p o r t i o na n di ta f f e c t st h ew a t e r q u a l i t yg r e a t l y t h e p o l l u t i o nr e s u l tb yt h es l u d g ei nt h eb o t t o mo ft h ef i v e ri st h em o s t t h er a i n f a l l r u n o f ff o l l o w si t t h es a n i t a r yw a s t e w a t e ri sr e l a t i v e l yl e s s b e c a u s eo n ee n do ft h e y u a l i a n gr i v e rc o n n e c t sy a n g t s er i v ea n dt h eo t h e re n dc o n n e c t si n n e ry a n g t s er i v e ， t h e0 c o 肌o rm o d e li sa d o p t e dt os i m u l a t et h ew a t e rq u a l i t yo fb a y o u sa n dt h es - p i i 江苏大学硕七研究生学位论文 m o d e lt os i m u l a t et h ew a t e rq u a l i t yi nt h em i d d l eo f t h er i v e r t h er e s u l t1 5c l o s et ot h e m o n i t o r e dd a t e s b a s e do nt h en o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，t h ep a p e ra d v i s e st ot a k e s f o l l o w i n gm e a s u r e s ：b i t i n go f fs e w a g ew a t e r , c h a n g i n gt h er u n o f fc o e f f i c i e n to ft h e r o a ds u r f a c e ，e c o s y s t e mr e h a b i l i t a t i o n , e l e a n n i n gu pt h es l u d g ei nt h eb o t t o mo ft h e r i v e r , c o n t r o l l i n ga g r i c u l t u r ep o l l u t i o n , a n ds oo n t h ef o r e c a s tr e s u l ts h o w st h a tt h e e c o n o m i ca n de f f e c t i v em e a s u r ei se c o s y s t e mr e h a b i l i t a t i o nc o m b i n i n gt oc l e a n i n gu p t h es l u d g ei nt h eb e di nt h ep r e c o n d i t i o no f b i t i n go f f t h es e w a g ew a t e r k e yw o r d s ：w a t e rq u a l i t ym o d e l ，n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n , p o l l u t i o nl o a d ，b a y o u , p o l l u t i o nc o n t r o l i l l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密囹 学位论文作者签名：夏助 歹w 华年占月多二目 指导教师签名：琊鼋 纱罅年易月砂日 独创性申明 y1 0 1 g 0 4 8 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：趸囱 刎年月抄日 江苏大学硕士研究生学位论文 第一章概述 水资源保护是水问题研究中非常重要的内容，近年来，随着我国水资源短缺 和水环境恶化的进一步加剧，水资源保护受到越来越多的重视。然而，在全国范 围内水环境不断恶化的事实表明，当前水资源保护的力度远远不够，永资源保护 的工作有待加强。 1 1 河流环境污染现状 河流的污染已经成为一个备受关注的水环境问题。近年来，国家已投入大量 的人力、物力来治理河流的环境污染问题，自治理工作开展以来，有所成效，但 是形势仍然严峻。 1 1 1 我国河流污染现状 二十世纪七十年代以来，我国在水污染治理方面做了大量的工作，但是水污 染的发展趋势仍未得到有效的控制，许多江、河、湖泊、水库的水质仍在下降。 水污染已经成为我国最严重的环境污染之一1 1 1 。1 9 9 3 1 9 9 5 年，水利部组织开展 了中国水资源质量评价，结果表明：在评价的7 0 0 余条河流、9 8 6 1 4 k m 河长中， 水质良好的( 符合地表水环境质量标准i i i 类) 河长为3 1 8 1 5 k m ，仅占评价河 长的3 2 2 ；受污染的( 相当于、v 和劣v 类) 河长为4 5 8 0 6 k m ，已占评价 河长的4 6 5 ，其中1 0 4 7 2 k m 的河长超过v 类水质，占评价河长的1 0 6 ，属 于严重污染，水体丧失使用价值。在全部评价河长中，有2 5 万k m 的河段水质 不符合渔业水质标准，其中2 8 0 0 k m 的河段鱼虾绝迹，9 0 以上城市水域污染严 重。而在1 9 8 4 年完成的第一次全国水资源质量评价中，在8 5 0 0 1 k m 评价河长中， 受污染河长为1 8 5 3 0 k m ，占2 1 8 。1 0 年间，污染河长增加了l 倍以上。从地 区分布来看，下游水质劣于上游，支流水质劣于干流，城市工矿区河段水质最差。 南方河流水质整体上优于北方河流，中西部地区水质优于东部发达地区，在全国 七大流域中，太湖、淮河、黄河水质最差，均有7 0 以上的河段受到污染；海河、 松辽流域污染也相当严重，污染河段占6 0 以上。 从上述数字可以看出，我国河流污染形势严峻，其发展趋势也令人担忧。对 全国1 5 8 条重要河流的6 5 8 个水质断面1 9 8 5 1 9 9 1 年主要水质参数的浓度趋势 进行分析，结果表明：呈上升趋势的断面远远多于呈下降趋势的断面，各断面水 质污染均呈加重趋势。海河流域1 9 9 4 年受污染河长比例为8 0 ，比1 9 8 6 年增长 了3 7 。淮河流域1 9 9 6 年枯水期v 类、劣v 类断面占总监测断面的8 0 以上， 均比上年同时期有较大增长。从全国情况来看，污染正从支流向干流延伸。从城 市向农村蔓延，从地表向地下渗透，从区域向流域扩散。 江苏大学硕士研究生学位论文 1 1 2 江苏省河流污染现状 江苏具有丰富的水资源，所在区域包括了长江、淮河、太湖、京杭运河等流 域。 我省城市河流有机污染十分严重，影响我省城市河流水质的主要项目为：溶 解氧、生化需氧量、非离子氨、石油类和高锰酸盐指数，属于有机污染。生化需 氧量、高锰酸盐指数和石油类等大多超过地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) v 类标准，不少河流的非离子氨污染也较严重。1 9 9 7 年在参加统计的1 2 条主要 城市河流中，劣v 类的河流占7 5 。扬州古运河、无锡锡澄运河和锡北运河水 质相对较好，前两者符合类标准，后者满足v 类标准1 2 l 。5 年间，城市河流 的污染程度有所好转，但是有机物污染仍旧是一个难题。 i 1 3 镇江市河流污染情况 镇江是长江三角洲典型的滨江城市，其位于长江与京杭运河两条黄金水道交 汇之处，北靠长江的镇扬河段，全长5 7 k m 。长江在镇江市区北部形成一个面积 8 8 k i n 2 的内江，内江不但面积最大，也是制约镇江其他几条城市河流水文、水质 条件的主要水体。与内江相通的河流有4 条：入内江的主要河流有运粮河、虹桥 港和试办引河，出内江的河流有古运河，古运河横穿镇江城市中心向长江下游延 伸。 多年来，由于对生态环境的保护和经济的综合开发没有进行统筹考虑，各行 各业对资源开发利用考虑的比较多，而对资源保护和环境的综合整治考虑的比较 少，特别是水资源的开发利用和保护不合理，致使镇江市水环境遭到了一定程度 的破坏，水功能降低，入河泥沙量逐年增加，河流水质污染也越来越严重，再加 上城区和非城区的地表径流、旅游污染以及生活废弃物带来的面源污染，已严重 影响了城市各主要河道的水质，进而影响河流两岸居民的生活和镇江市经济的发 展。 内江是镇江市水环境质量的核心问题，而内江的几条主要入江河道如运粮 河、虹桥港、试办引河的水质对内江的水质起着重要的作用，因此这几条河道水 质的优劣对内江水环境质量有着极其重要的影响。运粮河是内江的重要一段，常 年以来一直作为生活污水和农业污水、工业污水以及地表径流的受纳水体，这些 污水没有得到任何处理，再加上其受长江潮汐的影响，河水中的污染物在河道中 来回振荡，河水已经受到严重污染，甚至还影响到河岸居民的生活。运粮河靠近 旅游胜地金山，其水质的逐年变差也直接影响到镇江旅游业的发展。 因此，必需迅速扭转这种被动的局面，开展污染防治研究，积极治理和恢复 已破坏和污染的水污染环境，保持整个镇江市水生态系统的可持续发展。 2 江苏大学硕士研究生学位论文 1 2 课题研究的内容 本课题以运粮河为主要研究对象，依据镇江市监测站常年在永庆桥、镇扬桥 和新河桥三个断面上的的监测数据，对运粮河开展以下几个方面的研究： 1 依据镇江市环境监测站常年对运粮河的监测数据，对运粮河水环境的污 染现状进行评价与分析； 2 对五年来的监测数据进行详细分析，找出污染物质的变化趋势，确定其 主要污染物； 3 找出影响河流水质的因素，对流域的各种污染源进行详细的调查、分析， 建立非点源污染负荷的计算模型，计算运粮河两岸排入河中污染物的负荷量； 4 建立合适的水质模型来模拟污染物在运粮河中的浓度分布情况，用水质 监测数据来检验模型的准确性： 5 运用水质模型对采取的各种污染治理措施的效果进行预测、分析和比较； 6 提出经济、高效、切实可行的治理方案。 1 3 课题研究的目的 镇江市人民政府在镇江市环境保护“十五”计划和2 0 1 5 年远景规划中 总结了“九五”期间环境保护工作的主要成果，并且提出“十五”期间的主要环 境保护工作，尽快解决镇江市水环境的改善和生态修复问题，重点强调了镇江市 内江地表水的环境质量指标，要求增加科研和资金的投入，使得。十五”期间运 粮河、古运河等河道达到四类标准，恢复河流周围环境的农业生态和自然生态的 平衡f 3 】o 本课题的目的是为了配合镇江市污染防治工作，维持镇江市社会和经济的持 续、快速、健康发展，以及经济和环境的协调发展，为尽早解决运粮河环境污染 治理提供科学理论依据和切实可行的防治措施，并为相似的以非点源污染为主的 河流治理提供参考方法。 1 4 国内外非点源研究状况 在加大我国环保力度的情况下，城市中大部分点源污染已经得到了治理，于 是非点源污染变得越来越突出，越来越严重。对于我国大部分大、中城市来说， 非点源污染主要来自于降水( 或融雪) 的径流污染，当雨水( 或融雪) 发生径流 时就会溶入大量的污染物。 水环境的非点源污染是指在降雨径流的淋溶和冲刷作用下，大气、地面和土 壤中的污染物进入江河、湖泊、水库和海洋等水体而造成的水环境污染，如农田 养分与农药的流失、城区径流污染、大面积的水土流失及其携带的污染，这些都 江苏大学硕士研究生学伊论文 属于非点源污染，它们加剧了各类水体的污染，引起湖泊水库的加速富营养化。 这样不仅影响了居民的生活，还给城市建设发展带来了重大压力。以往的分析研 究与控制多侧重于点源污染( 集中排放废污水) ，而对非点源污染问题研究不多、 治理不力，造成许多流域的水污染控制效果不理想。因此，开展非点源污染负荷 定量化研究不仅对我国水环境污染的全面治理与系统控制具有重要意义，而且具 有明显的环境效益和社会效益1 4 。6 1 与点污染源相比，非点源污染尤其是农业非点源污染来源分散，区域边界和 发生位置难以确定。其特点主要有【7 - 9 1 ： 1 污染物的种类、排放时间、排放数量和排放途径具有不确定性； 2 形成过程复杂，机理模糊： 3 分布范围广、影响因素多； 4 潜伏周期不定且危害大； 5 污染负荷时空差异性显著等。 这些特点，使得非点源污染的研究与防治工作比点源污染更加困难。 1 4 1 国外非点源污染的研究状况 国外的非点源污染模型在2 0 世纪7 0 年代后期、8 0 年代以来，已由简单的 统计分析向机理模型、由平均负荷输出或单场暴雨分析向连续的时间响应分析、 由集总模型向分布式模型发展，模型的研究开始以过程为依据，并与管理、控制 措施相结合，强调普遍适用性和实际应用价值。2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代以来 g i s 开始与分布式模型和污染物负荷模型结合，对氮磷、农药的不同形态的迁移 过程进行模拟并估计负荷，为实现最佳管理提供依据，但是模拟中存在多种误差， 模拟结果常常是不确定的【1 0 - 1 剞。归纳起来有以下几种： 用于研究土地管理对水、泥沙、营养物和杀虫剂的影响的集总模型 如c r e a m s ( c h e m i c a l sr u n o f fa n de r o s i o nf o r ma 掣i e u l t u r a lm a n a g e m e n t s y s t e m s ) 模型；以及从c r e a m s 进化来的用于模拟地下水中的杀虫剂负荷的 g l e a m s ( g o r u n d w a t e rl o a d i n ge f f e c t so n a g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n ts y s t e m s ) ，和 计算侵蚀对农作物产量的影响的e p i c ( e r o s i o np r o d u c t i v i t yi m p a c tc a l c u l a t o r ) 模型【1 5 1 6 1 。 c r e a m s 主要用于估算农田对地表径流和耕作层以下土壤水的污染。模型 由3 个功能模块组成：水文模块、侵蚀或泥沙模块和化学污染物模块。水文模块 可以估算日径流量和洪峰流量、渗透、蒸发和土壤饱和含水量，在进行径流计算 时，c r e a m s 采用两种方法：c s c 曲线法和g - r e i n - a m p t 入渗方程。前者适用 日降雨资料，后者适用极点降雨资料。在非点源污染研究中，c r e a m s 广泛用 于计算农田污染物的流失，其中的水文模块也可以单独用于暴雨过程中径流计 算，如利用地上水流序列计算片蚀和细沟侵蚀，利用沟道水流序列计算沟蚀和沟 口沉积等，模型也考虑了不同覆被条件下的水道，但是由于模型参数比较单一， 4 江苏大学硕士研究生学位论文 而且没有考虑流域土壤、地形和土地利用状况的差异性，所以它只能用作粗略的 计算和预测预报。 e p i c 模型【io 】分为九部分：水文、天气、侵蚀、营养物、植物生长、土壤温 度、耕种、经济和耕种环境控制。营养物中介绍了氮的输移，硝酸盐氮随着地表 径流或下渗后随横向亚表面水流迁移，迁移量等于水流体积与n 0 3 一一n 浓度的 乘积，而有机氮则随泥沙一起迁移，迁移量用改进的复合方程计算。 用网格划分流域、可以模拟时空变异性的分布式模型 按模拟事件的时间连续性可分为单个事件模型和时间连续性模型：单个事件 模型出现较早，在模拟暴雨事件时，不考虑亚表面流、蒸散发、植物生长等水文 因素，a n a w e r s ( a r e a ln o n p o i n t s o u c ew a t e r s h e de n v i r o n m e n tr e s p o n s e s i m u l a t i o n ) 和a g n p s ( a g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c e ) 模型属于这一类；时间连续性 模型则考虑了亚表面流、蒸散发、植物生长等水文因素，h s p f ( h y d r o l o g i c a l s i m u l a t i o np r o g r a mf o r t r a n ) 、s w r r b ( s i m u l a t o rf o rw a t e rr e s o u r c e si nr u r a l b a s i n s ) 、s w a t ( s o i lw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ) 、w e p p ( w a t e rw a t e rw a t e re r o s i o n p r e d i c t i o np r o j e c t ) 属于这一类，还有既适用于单个事件又适用于连续事件的暴雨 管理模型，s w m m 属于这一类。 a n a w e r s 模型【1 7 1 是基于场次的分散物理模型，主要用于模拟流域管理措 施或b m p s ( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e s ) 对径流和泥沙产生的影响。最初的模型 只研究地表水文过程，后来b e a s l e y 等人又把侵蚀和泥沙运动等过程加入模型中， 模型中的泥沙输移计算进一步改进为不同粒径的产沙和输沙过程。a 1 啪r s 模型包括水文模型、泥沙分散一输送模型和几个描述坡面、亚表面、渠中的水流 路径的组件，采用概念模型模拟水文，用泥沙连续性方程模拟侵蚀，用方形网格 划分研究区域，可供水质规划者或其他用户模拟土地利用方式对水文和侵蚀响应 的影响，对控制非点源污染进行规划。 a g n p s 模型【慵。1 9 】采用方形网格划分单元，模型包含水文、侵蚀和泥沙输送、 氮磷和c o d 的输移等内容。该模型是由美国农业研究局和明尼苏达污染控制局 与2 0 世纪8 0 年代共同研制开发的农业非点源计算机模拟模型，是一种给予场次 的分散流域模型，主要用于估算流域的侵蚀速率、土壤流失量，以及从流域流失 的营养量，包括氮、磷、有机碳等。模型中侵蚀速率和侵蚀量的计算采用u s l e 的计算方法，径流计算主要采用s c s 曲线法，化学营养元素的运移计算则采用 c r e a m s 模型中计算方法。该模型最大优点就是采用了分散参数模拟方法，模 型在进行模拟时，把流域栅格化为多个小单元，对于任一单元，所模拟过程的参 数分布应该相同，模型中每个小单元应包含2 l 类参数，有些参数可以通过专业 数据库查取，有些可以利用模型提供的参数表获得。模拟结果可以通过这个流域 检验，也可以在用户自定义的地块中进行。 h s p f 模型 2 0 1 模拟了陆地表面、亚表面和地下水的水文路线以及污染物的输 江苏大学硕士研究生学位论文 移，主要分两部分：p e r l a n d 模型和r c h r e s 模型。p e r l a n d 模型模拟了发 生在前期的坡面流、亚表面水流、地下水流的运动和水质水量的变化过程； r c h r e s 模拟了径流汇入水渠或湖泊的过程。 h s p f 模型与s w r r b 模型虽然时间连续，但缺乏空间的详细描述，而s w a t 模型则弥补了这一不足。s w a t 水文模型 2 1 2 2 乜括：地表径流、横向流、地下水 流、蒸发、渠中水流路径等在内的水文平衡及相互作用，主要考虑了土地管理和 水质负荷，既可应用于土地利用以农业为主的集水区的模拟，也可帮助水资源管 理者评价水质、营养物和杀虫剂等非点源污染和管理措施、进行规划和决策，但 是不能模拟单个事件的洪水路径。该模型最早开发于1 9 9 6 年，属于集中参数流 域模型，包括s c s 水文模型，r u s l e 方程，适用于大流域内的n 、p 等复杂污 染物的平衡。 w e p p 模型l 估计了陆地和水渠的径流和侵蚀、保护措施的影响，是一种计 算山坡和集水区土壤侵蚀和泥沙输送的新技术，模型包括气候、表亟和亚表面的 水文、冬季冻融过程、灌溉、残余物的降解、沟渠和蓄水坑中泥沙的分散、输送 和沉积等部分。 s w m m 是最早提出来的，也是最为广泛应用在暴雨及城市排水系统中模拟 水量水质的模型之一。它对雨水管、合流制管道、自然排放系统都可以进行水量 水质模拟，它包括径流、输送、扩充输送、贮水处理、受纳水体五大计算模块以 及执行、联合、绘图、统计、运行等服务模块。各个模块之间相对独立。s w m m 模型中的径流、输送、贮水处理模块均可以模拟、预测排水系统中的水量和水质 变化问题径流模块可以对1 0 种物质的浓度变化进行模拟；输送模块可以对4 种 物质的浓度进行模拟：而贮水处理模块可以模拟3 种物质，但是扩充输送模块却 无法对水质进行模拟。它仅可以对更复杂的管道水流情况进行模拟，如：逆流、 溢流，环状管网的联结和水利结构、设备的多样性等 2 0 1 。 用于模拟营养物输移和估计营养物负荷的模型 h e n g 和n i k o l a i d i s ( 1 9 9 8 ) 提出的n ，r rw a t e r s h e d ( w a t e r s h e dn u m e mt r a n s p o r t a n dt r a 船如咖a t i o n ) 模型，是一种用来模拟水和营养物输移的分散机理模型， 采用方形网格划分单元，模拟了氮( n 0 3 一一n 、n h 4 + 、o r gn ) 的输移和最后的存 在形式，该模型可供集水区规划人员开发最佳的管理措施方案，以便最大程度地 减少氮的输出量，从而减少氮的污染。 t 硼f o r d 以土地利用和接近溪水区为基础，发展了一经验模型，模拟了非点 源污染引起的溪水中总磷和总氮的浓度，提出了管理水质的重点【2 ”。 l e o n 建立了一个模拟农业分水岭非点源污染的分布式水质模型，使用g r u 方法模拟水质，计算了每种土地覆盖类型的径流量、产沙量和营养物浓度，模拟 了流动路线，模型与g i s 相结合。利用g i s 技术提取数据，改善了非点源污染模 拟【2 6 1 。 6 江苏大学硕士研究生学位论文 1 4 2 国内非点源研究情况 从环境保护角度研究地表径流的历史在我国并不长，仅是7 0 年代以来的事 情。但是，土壤肥力径流损失的研究却有较长的历史。6 0 年代伴随着化学地理 学的发展，我国开展了化学侵蚀与化学径流研究，主要分析与河流、湖泊等水体 矿化度有关的盐类物质。这些研究的特点，与今天的非点源污染研究有许多相似 之处，可以认为是我国水环境非点源研究的先导。 我国真正意义上的非点源污染研究始于北京市径流污染研究，之后相继在上 海、杭州、长沙、南京、成都、苏州、涪陵等城市开展城市非点源污染研究，为 这一研究的深入开展奠定了基础。农村非点源污染研究始于8 0 年代初对湖泊、 水库富营养化调查和河流水质规划研究，先后在于桥水库、滇池、太湖、鄱阳湖、 巢湖、境泊湖、三峡库区等湖泊、水库流域及沱江内江段、晋江流域、北江浈水 流域、淮河淮南段、黄河兰州段、渭河宝鸡段、辽河铁岭段进行探索性的研究， 较好地把握了非点源污染负荷发生状况，为湖泊、河流的水质规划与流域规划提 供了可靠的依据，也为非点源污染研究积累了宝贵的经验1 2 7 1 。 国内研究非点源污染的最基本的方法为以实地监测降雨径流的水质、水量为 基础，应用水文模型或其他相关模型来模拟和估算非点源污染物质的负荷量。这 对于划定研究范围、辨识污染区及主要污染物，从而确定非点源污染对于水环境 污染的贡献率，提出管理和控制措施都是非常重要的。主要模型有1 2 8 ； ( 1 ) 四川沱江及涪陵地区，从1 9 8 3 年开始采用分散模型的方法进行降雨一 径流一污染物负荷采样的实验室和计算工作，这种方法就是将流域内或实验场内 分成若干个自然概况( 地质地貌、植被、土壤、坡度) 大致均匀的单元，利用产 流汇流模型以及污染物输出模型进行非点源污染物负荷的计算，探讨非点源污染 物流失的规律； ( 2 ) 1 9 8 5 年中科院王昕皓论文中提出了单元坡同模型，该模型是根据水文 学、水力学的基本原理，经过理论推导，计算暴雨径流过程中，污染物流失量与 径流量之间的关系，计算其负荷量： ( 3 ) 有的学者通过对四川沱江的非点源污染研究和实验，提出根据单位过 程线法进行降雨汇流的计算模型，用计算机对已有的水文资料，进行从小径流实 验场的资料外推，计算出流域径流污染负荷量； ( 4 ) 刘枫等在天津于桥水库建立了一套对非点源污染物负荷量的量化识别 方法和计算模式，用于认识非点源污染的发生规律； ( 5 ) 李怀恩、沈晋等 2 9 - 2 t l 的工作提出了暴雨径流污染负荷计算的响应函数 模型，既综合了一些机理研究型模型，又采用了一些经验性模型，使该模型对洪 水、泥沙以及多种污染物的产生和迁移有较好的适应性； ( 6 ) 中科院长春地理研究所采用源区分析法布设四种土地利用类型实验场， 采样分析降雨径流污染，用h a i t h 污染负荷函数的概化模型，进行了非点源污染 7 江苏大学硕士研究生学位论文 负荷与负荷比的估算； ( 7 ) 中科院南京土壤研究所1 9 9 0 年完成了国家环保局下达的农业厦源污染 及控制对策研究课题，对太湖流域的农田径流污染和渗漏污染作了详细研究l j 2 j ； ( 8 ) 上海农科院环保所和上海农学院园林环保系于1 9 9 5 年完成了对上海市 郊非点源污染的综合调查和防治对策研究课题，着重研究非点源污染源对水质的 影响【3 玎； ( 9 ) 温灼如等根据苏州的实际情况，建立了苏州暴雨径流污染所谓概念模 型。该模型是确定性集总模型，采用水量单位线和污染负荷单位线计算流量和污 染负荷。刘蔓蓉等用相同的方法建立了南京城北地区的暴雨径流污染概念模型， 并研究了输入径流模数与输出污染径流模数的相关关系，建立了统计相关模型； 陈克西在研究水网城市径流污染对河流水质影响时，根据建立的分散排放与总排 放口集中排放水量之间的表达式和径流浓度降解率方程式，模拟了成都城市污染 对河流水质的影响。朱宣等通过研究农田暴雨径流污染特征集污染物输出规律提 出了采用统计技术的区域径流一污染负荷模型；陈克西等通过对具有代表性的小 区资料进行统计分析，外推并建立了涪陵地区b o d s 、s s 、c o d 、t n 、t p 等五 种污染物的各次降雨冲刷预测方程。李定强、王继增等分析了扬子坑小流域主要 非点源污染物氮、磷随降雨径流过程的动态变化规律，建立了降雨量一径流量、 径流量一污染物负荷输出量之间的数学统计模型，并用该模型对流域的非点源污 染负荷总量进行了计算，得出了流域非点源污染物流失规钭l o 】； 另外，武汉市东湖流域山地和农田区域氮、磷流失、安徽巢湖流域氮磷流失、 江苏太湖农业面污染源及其控制对策研究0 4 1 等研究利用实验模拟及理论模型，揭 示了污染负荷发生的原因，结合土地利用等因素，对非点源污染防止进行了有益 的探讨。 从近年来的研究可以看出：我国的研究工作基本上是按照国外的经验，在实 地监测降雨径流水质、水量基础上，应用流域水文模型或与其相关的模型来模拟 和估算非点源污染负荷。估算方法有两种：一种是通过对非点源污染物输出的三 个重要环节降雨径流、水土流失、污染物迁移的模拟，估算其输出量；另一 种方法是抛开污染物在区域地表的实际迁移的过程，立足于受纳水体水质的分 析，计算汇水区域污染物输出量的经验统计模型。由于第一种方法要求基础数据、 技术手段较高，参数率定困难，在我国进展不大，应用不多。第二种方法比较适 合我国的国情，因此，应用较广，发展很快，并在改进模型、研究参数率定、模 拟区域自然环境、提高计算和预测的精度方面做了有益的尝试。 1 4 3 非点源模型研究存在的问题 欧美发达国家在非点源模型研究方面起步较早，已经取得了大量有价值的研 究成果，但也存在如下问题【”j ： 有明确水文基础和污染物的迁移转化机理的模型还处于研究状态，应用于 8 江苏大学硕士研究生学位论文 实践的很少； 大多数模型只能适用于较小的流域面积，对中大型流域模拟能力较差，不 便于推广应用； 大量经验性模型只能适用于局部地区，难以在大范围内应用； 现有的模型一般要求参数太多，率定困难； 由于非点源污染过程的复杂性，当前的模型不可能完全准确的把握非点源 污染的规律，使得模拟结果并不一定理想。 我国的非点源模型研究在近年来虽然得到较快发展，但就其受重视程度和人 力、物力投入来看，同我国菲点源污染现状和发展的趋势相比还显得很不够，主 要存在的问题有 3 6 l ： 非点源污染的基础调查工作只是在零散的城市或个别流域内展开了，还缺 乏全国性的系统普查分析，这就给建立适用性较强的模型造成了极大的困难： 非点源管理和控制措施零散，没有形成完整的体系，对各种控制措施的实 施效果评估工作也缺乏相应的法律法规约束，阻碍了非点源模型的广泛应用； 各类非点源模型均对实测资料( 降雨、径流、泥沙和水质同步监测数据等) 的依据程度高，很难用于无资料或资料条件较差的流域。 实用模型中，经验型模型多，考虑污染物迁移的机理类模型少。国外大多 数简单估计类模型的污染物部分过于简化，仅通过水质与水量( 流量) 相关的途 径来模拟污染负荷或浓度过程。 模型自身研究方面过多的机械模仿国外模型，没有针对模拟对象进行有效 的调整；而完全自主完成、适应我国条件、模拟效果良好的模型则更少。 1 4 3 非点源模型的发展趋势【3 7 1 1 非点源污染有关模型的研究将继续深入 在人们逐渐认识到各类非点源污染模型推广应用的局限性情况下，研究不同 气候水文条件下的非点源污染模型，而后统一集成开发为由专家系统控制、g i s 支撑的非点源污染模型软件将成为未来非点源污染模型和计算机软件开发的主 流。 2 新技术的应用将向广度和深度发展 g i s 的空间信息管理的综合分析能力、r s 的空间动态监测能力及g p s 的高 精度定位能力，为解决测什么、怎么测、在哪里测这些问题奠定了良好的技术基 础。目前国际上“3 s ”的研究和应用己走向集成，是生态环境科学等研究领域的 重要发展方向之一。“3 s ”整体集成技术也将是今后非点源污染研究中应用的主 要研究手段，而“3 s ”自身的融合技术仍将是当前和今后研究的重点。 3 ，理论研究与管理实践的接轨是必然趋势 以美国为例，这种接轨体现在三个层面：技术层面上，主要是完善城市污水 管理体系，建人工沉积塘，采用湿地处理以及水体生态修复工程等；经济层面上， 9 江苏大学硕士研究生学位论文 学术界以量化非点源污染为基础，结合微观经济学方法展开费用效益分析，从而 进行政策手段的设计和有效性评价；政策层面上，美国国会结合研究进展，积极 立法。 l o 江苏大学硕士研究生学位论文 第二章运粮河水环境现状评价与分析 2 1 河流及流域的自然概况【3 8 删 2 1 1 地理位置 运粮河位于城区西部，西起丹徒区高资镇九摆渡江口，向东流经八摆渡入市 区，由新河桥入内江，全长1 2 8 k m ，属古便发河东段。其中市区自西江口( 八 摆渡) 到东江口( 镇江港) 长9 9 5 k m 。运粮河为两头通江河道，顺江走向，与 沪宁铁路紧贴平行，承泄御桥河东、南、西三面汇水，集水面积5 4k m 2 。 汇入运粮河的河渠有御桥河、二道沟、头道沟，其中头道沟河网以运粮河为 二级受纳水体。御桥河是运粮河上的主要支流，自长山抽水站到运粮河全长 5 9 k m ，承泄长山、五洲山3 6 k m 2 的来水。运稂河地理位置图见2 - 1 。 2 1 2 气象 运粮河流域地处中纬度，属北亚热带南部季风气候区，日照充足，气候温和 湿润，雨量充沛，四季分明，无霜期长。 历年年平均气压 1 0 1 4 k p a 历年年平均气温 1 5 4 c 极端最高气温4 0 9 c 极端最低气温1 2 o 历年年平均相对湿度 7 8 历年年平均降水量 1 0 8 2 7 m m 历年一日最大降水量 2 6 2 5 m m 历年最大风速 2 3 o i f f s 历年平均风速 3 3 m s 常年主导风向东风、东北东风 夏季主导风向东南东风 冬季主导风向东北风、东北东风 2 1 3 水文特征 运粮河一端与长江相连，另一端与内江相连，属于感潮河段。涨潮时，该河 两端进水，一端从长江向运粮河内灌水，另一端从内江向运粮河内灌水，水流方 向相反，造成运粮河水面抬升；落潮时向内江方向退潮。 1 水位及潮差 历年最高洪水位： 历年最低枯水位： 平均洪水位； 6 3 3 m ( 黄海高程，下同) 一0 7 7 m 5 2 0 m 江苏大学硕士研究生学位论文 平均枯水位： 历年最大潮差： 历年最小潮差： 历年平均潮差： 2 水文参数 全长： 河底高程： 河宽： 边坡： 涨潮时间： 落潮时间： 平均流速： 流量： 2 1 4 地形地貌 0 0 6 m 2 1 0 r e o o l m 1 0 k m 1 - 2 m 1 0 5 0 m 1 ：2 3 小时 6 小时以上 o 1 1 0 6 0 m s 1 1 - - 6 4 m 3 s 运粮河所处区域为长江三角洲与宁镇丘陵交界处，属低丘地带。地质构造属 宁镇弧形褶隆起带的东段，以侵蚀、剥蚀作用为主，上更新纪中细砂质亚粘土广 泛分布于丘陵，全新纪的淤泥质亚粘土分布于