（环境工程专业论文）苕溪入湖口地区污染物通量的研究.pdf

浙江人学硕士学位论文 中文摘要 摘要 苕溪是太湖的主要入湖河流之一。本文根据苕溪入湖口的污普资料、水质和 水量监测资料，核定区域内的污染物排放量，分析苕溪入湖与太湖倒灌的水质、 水量现状，计算污染物通量；并利用苕溪流域水质水量耦合模型，模拟不同水文 年苕溪进出太湖的水质、水量及入湖口现有污染物减排措施对苕溪入湖水质改善 效果。研究结果表明了在入湖口地区开展污染物减排工作的重要性，可为苕溪水 污染控制和太湖综合治理提供数据支持。主要内容和结论如下： 1 、根据2 0 0 8 年污染物普查数据核定苕溪入湖口地区工业、城镇生活、畜禽 养殖、水产养殖、农村生活以及农田径流等污染源的c o d c r 、n h 3 n 、t p 、t n 排放量。结果表明，入湖口地区各污染物的年排放量为：c o d c r2 7 9 6 5 2 1 吨、氨 氮1 5 5 0 8 1 吨、总磷2 7 0 6 3 吨、总氮2 7 4 2 9 6 吨；近湖区单位面积排放量最高， 主要污染来自城镇生活，缓冲区主要污染源为农村生活和农田径流，滨湖区无污 染物排放。 2 、采用2 0 0 5 2 0 1 0 年苕溪入湖河流小梅港、长兜港和大钱港的水质监测资 料以及杨家埠和杭长桥两个水文基点站的径流量数据，分析苕溪入湖水质和水量 现状，计算c o d m 。、n h 3 - n 、t p 和t n 等污染物的入湖通量。结果显示，苕溪 的入湖河流水质总体为i i i 类，首要污染物为t n ；2 0 0 5 2 0 1 0 年苕溪入湖水量为 9 1 5 1 0 8 1 7 8 5 1 0 8 m 3 ，太湖倒灌水量为1 1 5 2 1 0 8 1 5 2 8 1 0 8 m 3 ；苕溪入湖的总 氮通量较高，年均值为3 4 0 0 t a 。 3 、采用苕溪流域水质水量耦合模型，模拟不同水文年苕溪进出太湖的通量， 并对入湖口污染物削减及水生态修复技术集成示范工程和依托工程进行水质改 善预测。数据表明，在不同降雨保证率条件下，模拟的污染物通量变化较大；污 染物削减及水生态修复技术集成示范工程对苕溪入湖水质改善尚不明显，而依托 工程可实现水质改善8 左右。 关键词：苕溪；太湖；污染物通量；水质模拟 浙江大学硕上学位论文英文摘要 a b s t r a c t r i a o 】( ir j v e ri so n e0 ft i l em a i ni n n o wr i v e r sa r o u n d i 撕h u b a s e do nt h ec e n s u s s o l u 呛e s o fp o l l u t i o 玛m o i l i t o r i n gd a t ao nt l l ew a t e rq u a l i 够砒l dw a t e rq u a i l t i t ) ， a b o u tt t l el a l ( ei i l l e to ft i a 0 ) 【i ，t h ep o l l l l t 醐td i s c h a 曙eq 啪t i 够w a sc a l c u l a t e da sw e l l 嬲t h ei n n o wa i l do u t n o ww a t e rq u a l i 够觚dw a l e rq m n t i 够o ft i a o x iw e r e 觚a l y z e dt o c a l c u la ：t em ep o l l 咄m tf l u x e s t i a o x ib a s i i l sc o u p l i n gm o d e lo f 眦l t e rq u a l 畸锄d w a t e rq 啪t i 够w 鹤a p p l i e dt 0s i i n u l a t et l l ei n f l o wa n do u t f l o ww a t e rq 砌i 锣a n dw a t e r q u a n t 时o ft i a o x ii i ld i 腩r e n th y d r o l o g i e a ly e a r s 觚dt h ee 虢c to fw a t e rm i a l 埘 n l r c l u g l lm e 嬲u r e sf o rn l el a k ei n l e to ft i a 0 ) 【i se m i s s i o nr e d u c t i o ni i lh 锄d n l er e s u n s s h o w e dt h ei m p o r t 鲫忧o fw 嬲t er e d u c t i o ni nt h i sa r e a 锄dc o u l dp r o v i d es u p p o r t i i l g d a _ t a 蠡) rb o mt i a o 菇粕d 陆h ub a s 妇w a i t e rp o l l u t i o nc o i l 仃0 1 皿em a i nc o n t e i i t 粕d c o n c l u s i o nw e r eg i v e nb e l o w 1 b 硒e d0 nn 把c e n s l l ss o u r c e sd a ：t ao fp o l l 嘶o ni n2 0 0 8 ，n l ep o l l l l t a l l td i s c h a 唱e q 啪嘶o fc o d ，n h 3 - n ，t pa n dt n 舶m i i l d u 嘶a ls o u r c e ，t o w nl i v 啦s o u r c e ， l i v e s t o c kb r e e d i n gs o u r c e ，a q 珑l c u l 眦s o u r c e ，r u r a l l i v i l l gs o u r c e 舡l df 姗l 孤dn m o f r s o u r c ei i lt h ei a l 【ei n j e to ft i a o ) 【iw c r ec a l c u l 删i ti ss h o w nt i l a t 也e 锄砌p o l l l n a n t d i s c i l a r g eq 啪n t i t i e si i lt h e l a k em l e to ft i a o ) 【iw e r ec o d c r2 7 9 6 5 2 1t 饥n h 3 - n 1 5 5 0 8 1 饥t p2 7 0 6 3 氓t n2 7 4 2 9 6 儿t h ee m i s s i o n sp e r 疵ta r e ai i ln e 舻l a k e p l a c ew e r el l i 曲e s t 、) 1 7 1 陆c hw e r ec l l i e f l y 丘o mt o w nl i v i n gs o 优t h ee i i l i s s i o n sp e r u i l i ta r c ai nb 证f e rz o n ew e r em a i l d yf r o m r u r 2 l l l i v i i l gs o u r c ea n df 踟l l 趾dr 眦l o f f s o u l c e t h e r ew 舔1 1 0p o l m o ns o u r c ei i lt l l el a k e s i d e 2 b a s e do nt l l em o i l i t o r i n gd a ：c ao n 也ew a t e rq u a l i 锣o ft h r c em a i nr i v e 璐r o u n d t a 曲ul a k e ( x i a o - m e ig 觚g ，c h a i l g d o ug a n g 锄dd a - q i a l lg 锄g ) a n do nn l ew 啦r q 啪t 毋o ft w os t a l j fg a u g e 似i o i l so ft i a 0 x i ( y 觚鲥i ab ua n dh a n g - c h a n gq i a 0 ) 蛐g 2 0 0 5 - 2 01o ，t l l ew a t e rq u a l i 够锄dw a t e rq 啪t i 哆o ft i a o 嫡w e r ea 1 1 a l y z e d 锄d t i a o 对砌o wr i v e r s p o l l 此m tf l u x e so fc o d ，n h 3 n ，t pa i l dt nw e r ec a l c u la _ t e d t h er e s u l t ss h o w e dn 埘t i 圮w a t e rs t a m d a r do fe a c hr i v c rw 嬲c l 雏s 强dn l ec l l i e f c o n t a m i l l a l l tw 淞t n d u r i n g2 0 0 5 2 0 1 0 ，廿l ew a t c rq 啪t i 哆劬mt i a 0 】( it 0 碱h u l a k e 、 ，嬲9 1 5 1 0 8 1 7 8 5 1 0 8 】皿3w l l i l ew h i c h 舶m1 w h ut 0t i a 0 ) 【iw 嬲 l1 5 2 1 0 8 1 5 2 8 1 0 8 m 3 n ep o l i l 删f l u 】【o f t nw 鹤r e l a t i v e l yk 曲，w h o s ea v e r a g e p o l l u t a n tf i u ) 【w 豳3 4 0 0 讹 3 t i a o x ib 嬲i l l sc o u p l i n gm o d e lo fw a t e fq u a l 毋觚d 咖q 岫n t i t ) rw 弱印p l i e d 浙江大学硕上学位论文英文摘要 t 0s 沛u l a t et i a o x i sp o l l u t a n tf l u x e so nd i 虢r e n th y d r o l o g i c a ly e a r sa sw e na sm e w a ：嘧q u a l 时i m p r o v e m e n tt h r o u g hp o l u u t i o nr e d u c t i o n 锄da q u a t i ce c o l o g i c m r e s t o m t i o np 删e c ta n de x p 面m e n t a lp r o j e c ti nt 1 1 el a l ( ei n l e to ft i a o x i i tw a ss h o 啪 t l l a tt l i es i m u l 曲e dp o l l u t a n tl o a d sv a r i e di i ld i f j f ；o r e n tr a i r 僦lp r o b a b i l i t y 锄dp o l u u t i o n r e d u c t i o na n da q u a t i ce c o l o g i c a lr e s t o r a t i o np r o j e c tm a d el i t t l ec o n t r i b u t i o nt o i i l f l o 谢n gw a t e rq u a l 姆m e n d ，w h e r e a se x p e 血n e n t a lp r o j e c tc o u l da c i l i e v ea b o u t8 o fw a t e rq u a l i t ) ，i m p m v i n ge 抒e c t k e y w o r d s ：t i a o x i ；碱h u ；p o l l l n a n tf l u 】【；w a 胁q 砌蚵s i i i l u l a t i o n 浙江大学硕上学位论文致谢 致谢 本论文是在浙江大学环境工程研究所史惠祥教授严格要求和精心指导之下 完成的。恩师敬业的态度、丰富的经验、渊博的学识和高尚的品德令我终生受益， 在此，向导师致以崇高的敬意和衷心的感谢! 实验室万先凯、次新波、王震、夏哲韬、骆沁沁、刘之浩、李遥、殷璐、张 萌、张敏、周国旺、戴鸿军等各位师兄、师弟、师妹给予了诸多帮助，在此向他 们表示诚挚的谢意! 感谢我亲爱的父母，你们殷切的希望，是我成长的动力。虽然前方的路布满 荆棘，但是我有信心去创造属于我的辉煌，女儿会永远是你们的骄傲! 感谢在读研期间给予我帮助和指导的浙江大学环境与资源学院的领导、老师 以及环工所0 9 级所有同仁! 感谢国家水体污染控制与治理科技重大专项“太湖流域苕溪农业面源污染河 流综合整治技术集成与示范”子课题“入湖口污染物削减及水生态修复技术与示 范”( 2 0 0 8 z x 0 7 1 0 1 0 0 6 0 9 ) 对本论文的资助! 杨哲 二。一二年一月于浙大紫金港农生环b 2 4 2 室 浙江大学硕f ：学位论文引言 第一章引言 太湖是我国第三大淡水湖泊，流域内湖泊星罗棋布、河网如织、人口稠密、 城市集中、经济发达。目前，太湖的水环境问题已十分严峻，水质总体为劣五类， 富营养化面积达8 0 以上，引发了严重的水质型缺水，己在较大程度上影响了流 域人民生活和社会经济的发展【1 1 。而太湖污染负荷的主要外源是环湖河道【2 】，因 此，控制环湖河道污染物入湖是当务之急。 苕溪是太湖的主要水源之一，东、西苕溪两大支流在湖州市白雀塘桥交汇， 经小梅港、长兜港和大钱港注入太湖，其入湖水量约占总入湖水量的5 0 【3 】，同 时也向太湖输入了大量的污染物，对太湖水质的好坏有着重要作用。 近年来，许多国家及地区在河流通量估算方面给予了许多关注，发展了较完 善的河流污染物通量估算技术体系，但国内河流通量研究起步较晚，苕溪水系也 尚未建立系统的通量估算方法。本文对2 0 0 5 2 0 1 0 年的苕溪污染物通量进行实测 研究，同时利用水质水量模型开展污染削减情景预测，可为入湖口地区的污染控 制和苕溪水质改善提供数据支持。 浙江人学硕上学位论文综述 第二章综述 2 1 苕溪入湖口概况 2 1 1 研究区域 苕溪流域位于浙江省北部，属长江水系的太湖流域，包括东苕溪、西苕溪两 大源流及汇合后的苕溪河段，总流域面积4 5 3 3 k m 2 【4 】。东苕溪在湖州市白雀塘桥 以上河长1 5 1 k m ，比降7 5 ；西苕溪在湖州市白雀塘桥以上河长1 3 9 k m ，比降 2 o ；苕溪是指东、西苕溪汇合后至入湖口的河段，长兜港、小梅口和大钱港 为苕溪水系入湖的主要河道。 根据苕溪入湖口地区的水环境特征和社会经济发展现状，本研究拟定的入湖 口区域西起长兴一吴兴交界，东与南浔区相接，南起吴兴- 德清交界，北至太湖 南岸，区域水系图见图2 1 。 图2 1 苕溪流域入湖口地区水系图 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 自然环境 苕溪入湖口地区地处亚热带季风气候区，四季分明，气候温和，年平均气温 1 5 8 ，年平均降雨日1 4 2 1 5 5 天，年平均降水量1 2 0 0 l 姗左右，无霜期2 2 4 2 4 6 天。据湖州市土地利用调查，区域内土地总面积8 6 0 万公顷，农用地( 耕地、 园地，林地、牧草地、其它农用地) 占土地总面积的7 6 1 ，构成了吴兴区土地 利用的主体，其中林地面积占土地总面积的3 0 1 ；耕地面积2 0 9 万公顷，占土 地总面积的2 4 3 。 2 1 3 社会经济 该区域在行政区划上隶属于吴兴区，总人口5 9 8 5 万，非农业人口2 8 6 万， 现辖织里、八里店、妙西、埭溪、东林、杨家埠六个镇和道场、环渚、白雀三个 乡，设月河、朝阳、爱山、飞英、龙泉、凤凰、康山七个街道。2 0 0 8 年，该区 域生产总值2 1 1 0 5 亿元，人均g d p 为4 5 0 9 9 元，三次产业比例为6 5 ：4 9 4 ：4 4 1 ， 工业经济占主导，实现工业总产值1 1 3 9 亿元，规模以上工业利润总额1 4 9 8 亿 元；农林牧渔业总产值2 1 5 8 亿元，农业、林业、牧业、渔业产值占农林牧渔总 产值的比例为4 3 7 ：9 0 ：2 5 6 ：2 1 7 【5 】 2 2 污染物通量研究进展 2 2 1 污染物通量定义 污染物通量指断面在一定时间内某种污染物的通过量。河流中的污染物通量 并不只受到人为点源排污影响，还有面源污染与河流本底以及河水流量的影响 【6 】。 污染物通量可分为瞬时通量和时段通量。瞬时通量指瞬时通过某一断面污染 物的量，通常用瞬时流量与浓度的乘积表示。时段通量指规定时段内流过河流指 定断面的污染物的量【6 】，按实际应用的要求可根据时段内物质通量的变动幅度、 强度、总量控制要求，污染控制时期时段，分成长时通量和短时通量；如对某一 河流的某一断面，长时通量包括：年通量、多年通量；短时通量包括：日通量、 浙江大学硕士学位论文综述 周通量，月通量、季通量，水期通量等。 2 2 2 河流时段通量计算方法 理论上污染物时段通量可用下面的数学模式计算： f 形= p ( ，) c ( f ) 班 ( 2 一1 ) o 式中，q ( t ) 为瞬时流量，m 3 s ，c ( t ) 为瞬时浓度，m g l 。 由于该模式需同步记录河流每个瞬间的流量与浓度值，操作难度较大。而在 实际监测中，只能获得离散分布的、时间跨度较大的数据，因此常采用估算的方 法【刀。 时段通量的估算方法大体可分为分时段通量和【8 - l l 】、时段平均浓度与平均水 量积【9 t 1 2 】、通量频率分布之和【1 3 】、对流一扩散模式【lo ，1 4 l 等四种类型，较为常用的 类型是分时段通量和以及时段平均浓度与平均水量之积。w e b bbw 【1 5 】基于这两 类方法构造了五种时段通量的估算式( 表2 1 ) ，同时结合英国一些河流的实测数 据对五种方法进行了评估。评估结果认为，不同方法的估算结果存在较大的差异， 需要对方法的适用性深入探讨。 表2 1 时段通量的估算方法及特点【1 5 】 注：式中，w 表示时段通量；n 代表估算时间段内的样品数量；k 为估算时间段转换系数。 4 浙江大学硕士学位论文 由于监测频次、监测时间与地点的代表性、分布概率和计算方法的不同，使 得时段平均流量，时段平均浓度、流量时间距平值、浓度时间距平值以及流量、 浓度时间距平值乘积的不同。从环境水力学角度对表2 1 中的估算方法做一个简 单的对比分析。将断面流量及平均浓度转化为时间平均的形式【1 6 】： q = 睾陋西+ q 纠= q 口+ q 协 ( 2 2 ) 1， c = 素i c 出+ c 例= e + c 例 ( 2 3 ) 式中，q 。为时段平均流量；c 。为时段平均浓度；t 为估算时段；q 。，c 。为 流量时均距平值与浓度时均距平值。代入时段通量公式为： 缈= p ( f ) c ( f ) 魂= q 。c 口r + 伫”c ”毋q 。c 。丁+ 羔c ”垃 ( 2 4 ) 对比表2 1 中各方法与式( 2 - 4 ) 可知：方法a 、b 仅包含了式( 2 4 ) 中的第一项 对流项，而忽略了第二项的时均离散项，两者的差别在于方法a 采用的是瞬时 流量的平均，方法b 采用的是时段平均流量；方法c ，d ，e 则是两项都包括， c ，d 两种方法的差别类似于方法a ，b ，而方法e 则是用时段通量平均浓度与 时段平均流量相乘得到时段通量【切。 河流时段通量的直接影响因子是径流量与污染物浓度，而污染物浓度与径流 量存在三种变化关系：正相关、负相关和无关，分别对应以下三种污染源排放情 况【1 8 】： 1 ) 点源类型：断面上游流域内某保守污染物质的排放量在年内恒定，即该 污染物有固定的排放工厂，且无非点源的来源，那么，径流量的变化，不会影响 断面该污染物的通量，只会改变污染物浓度。一般地，浓度与流量呈负相关。 2 ) 非点源类型：断面上游流域内某保守污染物质无点源排放，仅有非点源 来源，其排放量与径流量的大小成正比，那么，年内径流量的变化，会影响断面 的污染物通量；而污染物浓度变化趋势则有增加、减少、不变等多种可能性。一 般地，浓度与流量呈正相关趋势。 3 ) 点、非点源混合类型：断面上游流域内排放的某保守污染物质既有固定 的点源，也有非点源，那么，年内径流量的变化，会影响断面的污染物通量，也 会改变污染物浓度。浓度与流量的关系较为复杂，可能出现相关或无关的情况。 浙江大学硕 学位论文 污染源的类型判别可以通过实测日的流量与浓度相关分析( 一般数据大于 1 0 个较好) 确定。一般相关系数r 0 5 ，表示非点源占优；相关系数心o 5 ，表 示点源占优；相关系数为o 5 q 0 5 ，表示为点源非点源混合类型。 因此，要准确估算时段通量，在选择估算方法上就要对点源、非点源的处理 有一个主观或经验的判断。表2 2 为一个考虑点源、非点源和时均离散的应用取 向分析。 表2 2 时段通量估算方法的应用取向分析【1 7 1 综合以上分析可以看出，时段通量估算问题的关键在于如何选择正确的处理 方式对非点源进行合理估算。由于目前我国大多数河流的水质指标年内数据有限 且短期内较难改变，选择合适的时段通量估算方法以保证结果的定量准确就显得 十分重要。 2 2 3 国内重点水系、湖泊的污染物通量研究现状 1 、海河。海河是我国七大水系中污染最为严重的河流【1 9 1 ，刘国华等【1 2 】根据 1 9 9 3 1 9 9 7 年海河的水质监测资料，计算了c o d 、b o d 、n h 3 - n 、n 0 2 。- n 、n 0 3 。- n 、 挥发酚、c n 。、a s ，h g 、c ，、p b 、c d 等污染因子的污染指数和入海通量，通量 的计算采用水质年均值与当年径流量之积。结果显示，海河的污染较严重，各断 面的水质类别均在级和v 级的水平，主要的污染因子为n h 3 - n 、n 0 2 n 以 6 浙江大学硕士学位论文 综述 及有机物污染，污染物入海通量的变化主要受径流量影响。 2 、淮河。王晖等【2 0 l 有针对性地结合淮河流域水环境的实际情况，并根据通 量估算方法的适用范围，比较选取了较合理的方法对淮河干流水质断面污染物年 通量进行估算，并利用通量计算结果分析淮河近年的污染情况及源控效果。在计 算c o d m l l ，n h 3 - n 和b o d 5 、c o d 年适量时，发现两组参数年通量存在很高 的一元线性相关关系，而质量浓度之间则无关。 3 、太湖流域。太湖的环湖河道众多【2 i l ，河道的水流流向顺逆不定，因此采 用常规的数学物理方法难以进行正确估算。许朋柱等【2 2 】采用水文水环境同步监测 的方法，在明确环太湖河道的径流特征的基础上，综合考虑污染物在河流断面的 入出规律，对2 0 0 1 2 0 0 2 环太湖河道的水量和污染物通量进行了估算，这为往复 流河道的污染物通量估算提供了可资借鉴的方法。 2 3 水环境数学模型研究进展 2 3 1 水环境数学模型内涵 水环境数学模型是描述参加水循环的水体中各水质组分所发生的物理、化 学、生物和生态学等诸多方面变化规律和相互影响关系的数学方法。研究水质模 型的主要目的是为了描述污染物在水体中的迁移转化规律，为流域污染规划和水 资源管理服务【2 3 】。 国外研究主要采用包括b o d 5 、d o 、n 、p 等水质指标的量化技术预测水环 境的纳污能力【弘2 8 】，通过实施日最大负荷量进行河流纳污量控制和水质管理，建 立水环境纳污模型。 2 3 2 常用水环境数学模型 水环境数学模型主要分为两大类，一类是确定性水质模型，包括：q u a l 水 质模型、w a s p 模型、m i k e 模型、非点源污染模型、s w m m 模型、h s p f 模型、 s w a t 模型；另一类是不确定性水质模型，包括：马尔可夫模型、灰色模型、人 工神经网络模型、层次分析模型【2 9 】。确定性水质模型一般可以全面地反映水环境 系统变化的机理，研究也相对不确定性水质模型更加全面和深入，因此主要针对 浙江大学硕十学位论文 确定性水质模型的几种常用模型进行介绍。 l 、q u a l 2 e 。 q u a l 2 e 是一个通用的河流水质模型。模型的基本方程是一个平移一弥散 质量迁移方程，同时考虑了水质组分问的相互作用以及组分外部的源和汇对组分 含量的影响【3 0 1 。q u 札2 e 【3 1 3 3 】模型适用于混和的枝状河流系统，它假设主要的传 输机制为平流和离散作用，且仅沿干流流向的变化是显著的。模型中允许多种废 物的排放、回收，支流，流入量和流出量等变量的变化。q u a l 2 e 模型在北美、 欧洲和亚洲的水质管理中有广泛应用，但由于模型不包含随机变量，不符合英国 立法，在英国未被应用。 2 、w a s p w a s p 【蚓是由美国环保局的a m b r o s e 等人开发的水质分析模拟模型，较成 熟的w a s p 6 版本已可用于对河流、湖泊、河口、水库、海岸的水质进行模拟。 w a s p 6 是一动态箱式模型，可以是一维、二维、三维三种不同空间维数，包括 两个独立的计算程序：水动力学程序d y n h y d 和水质程序w a s p 。d y n h y d 是一个简单的网络水力动态模型，可以处理变化潮汐周期、风力和不稳定流动的 水力场，产生一个输出文件，为w a s p 提供流量和体积参数；w a s p 是一个水质 动态模拟体系，包含e u t r o ( 用于分析传统的水质指标项) 和t o ( 用于模 拟固体类物质和有毒物质的污染) 两个子模型，基于质量守恒原理，在时空上追 踪待研究水质组分的变化【3 ”6 】。 3 、m i k e 。 m i k e 模型【3 7 】由丹麦水力研究院( d h i ：d a i l i s hh y d r a u l i ci n s t i t u t e ) 开发，最 初的m i k e 1 l 系列产品于1 9 9 0 年发布，是一维水力学模型，可用于模拟河流或 小溪水体动力学。m i k e 1 l 水动力模型是基于垂向积分的物质和动量守恒方程， 即一维s a i n t v 醯a n t 方程，模拟结果为河道各个断面、各个时刻的水位和流量等 水文要素信息【3 8 1 ；并且可以增加平流一紊流、水质、底泥迁移转化、富营养化以 及降雨径流模块，可作为简单的水质模型使用。在m i l 江1 l 的基础上，d m 又 开发了二维m i k e 2 1 和三维m i l 江3 1 模型。它们都具有很好的界面，能处理许 多不同类型的水动力条件 4 、s w a t 。 浙江大学硕士学位论文 s w r a t ( s o i l 觚dw a 钯r 勰s e s s m e n tt 0 0 1 ) 模型是美国农业部( u s d a ) 的农业研究 局( a r s ，a g r i c u l t u r a lr e s e a r c hs e i c e ) 开发的以日为步长的流域尺度分布式水文 模型，可以模拟流域的径流、泥沙和营养物等的输移【3 9 1 。s w a t 模型采用模块化 结构，将流域划分成子流域，再根据土壤和土地利用类型划分为若干水文响应单 元h r u ( h y d r o l o g i c a lr e s p o i l s eu l l i t ) ，作为计算单元。并采用概念性模型来估算 h r u 上的净雨、计算产流量和泥沙、污染物质产生量；然后进行河道汇流演算， 最后求得出口断面流量、泥沙和污染负荷m 。s w a t 模型具有很强的物理基础， 适用于具有不同的土壤类型、不同的土地利用方式和管理条件下的复杂大流域， 并能在资料缺乏的地区建模，在加拿大和北美寒区具有广泛的应用【捌。 2 3 3 水环境模型在国内重点流域的应用现状 水环境数学模型已被引入国内用于流域的水质预测、水环境容量计算及水质 管理规划与评价，但模拟的流域规模有限。 l 、q u a l 2 e 模型在长江流域的应用。 长江三峡成库之后，主要河道的水文特性将发生重大变化，从而引起重庆主 城区段水环境的变化。张智等【4 l 】对比成库前后长江重庆主城区段水文特征，以长 江重庆主城区段平水期水质为原型，应用q u a l 2 e 模型对成库后的水质进行了 模拟和预测。选用水温、溶解氧、叶绿素a 作为模拟预测指标，模拟结果与实测 值的相关性较好。q u a l 2 e 模型在长江这类大型河流上的模拟尚不多见，该研 究为q u a l 2 e 模型在长江多参数水质模拟上的应用提供了技术参考。 2 、w a s p 模型在辽河流域的应用。 刘兰岚等【4 2 】以2 0 0 7 年辽河流域干流水质情况和污染源排放情况为基础，结 合2 0 0 8 2 0 0 9 年重点点源治理工程项目以及污水处理厂和管网工程的新建和运转 情况，采用w a s p 模型对辽河流域实施水质改善方案后辽河干流铁岭段水质 c o d 的变化进行模拟，并根据减排目标反算辽河干流铁岭段各河段每月的削减 量以满足消灭超v 类的水质目标。结果表明，根据不同季节灵活地分配减排任务 可取得较好的减排效果，铁岭段年削减c o d1 7 4 2 4 9 万吨可使其水质状况得到 明显改善，达到减排目标。 3 、m i k e 模型在太湖流域的应用 9 浙江大学硕士学位论文综述 太湖流域的污染控制与水质改善一直是国内研究的重点洪晓瑜【4 3 】以 m i k e 2 1 模型软件为基础，建立太湖二维水流水质模型，模拟了2 0 0 0 年太湖环 湖河道及湖区的水量和水质年变化过程，并结合污染带控制法，根据风向风速频 率取其权重，对太湖的水环境容量进行计算，分析风向风速对污染物迁移产生的 作用。结果表明，该模型能够较好地反映太湖水流水质的自然运动特性，风速风 向对太湖流场浓度场有较大影响，太湖c o d c r 的最大允许纳污量为9 1 1 1 0 钳a 。 4 、s w a t 模型在海河流域的应用。 s w a t 模型功能强大，可进行营养物，杀虫剂、非点源污染等方面的研究， 但模型的功能和参数是针对美国的流域特征定制的，在中国运用应针对我国国情 和流域特征进行适当的改进和完善。张永勇等1 4 4 】在详述s w a t 模拟流域污染物 运移过程的基础上，指出了模型水质模块在国内应用中的一些不足，以河水可生 化降解特性参数为依据对s w a t 水质模块进行改进，并在海河流域典型区进行 验证。鉴于s w a t 模型在国外水资源管理、水土流失等方面的成功应用，可以 根据流域的实际需求，对模型进行相应的改进，为流域的水资源管理和污染控制 提供技术支持和决策依据。 2 4 本课题的选题思路及研究内容 2 4 1 研究目的与意义 苕溪入湖口水质受上游来水、入湖口区域污染物排放及太湖倒灌等多重 因素影响，污染成因复杂。随着入湖口区域社会经济快速发展，污染负荷逐 年增加，加上入湖口区域河网堵塞严重、生态功能急剧退化，进一步加剧了 入湖口和南太湖水域的富营养态势，国控跨界断面水质难以得到保障。同时 因太湖蓝藻暴发、水体倒灌等因素，苕溪入湖口水质已严重危及到湖州饮用 水安全，制约了入湖口区域可持续发展。苕溪入湖口区域既面临着社会经济 快速发展带来的水污染负荷增加的趋势，更面临着污染物排放总量必须削减、 入湖口水质必须改善的需求，因此开展入湖口污染物削减及水质改善迫在眉 捷。 现阶段，针对太湖流域的污染物通量和水环境数学模型应用已有较宏观 l o 浙江大学硕上学位论文 综述 的研究，但是作为太湖重要的入湖河流苕溪，其相关研究尚未深入。本 研究旨在明确苕溪入湖的主要污染，采用水质水量模型开展污染削减情景预 测，并在此基础上初步构建苕溪入湖口地区的污染控制体系，具有一定的现 实意义和技术参考价值。 2 4 2 主要研究内容 针对苕溪入湖口区域富营养化程度较高、生态系统退化较严重等现象， 考察入湖口区域点源和面源污染对该区域水生态环境的影响；开展苕溪入湖 河流水质评价、苕溪与南太湖水体交换规律、苕溪入湖氮磷通量研究，揭示 苕溪入湖口区域污染现状和发展趋势；建立苕溪水质水量耦合模型，预测现 有减排措施的水质改善效果，为苕溪入湖口和南太湖区域的水污染控制提供 重要信息及决策依据。 ( 1 ) 苕溪入湖口地区污染源调查及评价 根据污染物普查数据核定苕溪入湖口地区工业、城镇生活、畜禽养殖、水产 养殖、农村生活以及农田径流等污染源的c o d c 卜n h 3 - n 、1 1 p 、t n 排放量和入 河量。对研究区域按照生产力发展状况进行功能分区，分析各分区的污染源结构， 确定各污染因子的主要来源。 ( 2 ) 苕溪入湖口地区污染物通量及影响因子 根据通量计算的水文水质断面布设原则，选择小梅港、长兜港和大钱港断面 进行水质监测，选择杨家埠和杭长桥水文站点进行水量监测，分析苕溪入湖水质 现状，探究苕溪与南太湖的水量交换规律，计算污染物通量。 ( 3 ) 苕溪污染物通量的模型预测 应用苕溪流域水质水量耦合模型，模拟设计典型年苕溪进出太湖的水质和水 量，并对入湖口污染物削减及水生态修复技术集成示范工程和依托工程进行水质 改善预测，构建入湖口地区污染控制体系 浙江大学硕：学位论文 2 4 3 技术路线 图2 2 课题研究的技术路线 浙江大学硕十学位论文苕溪入湖l 地区污染物调查及评价 第三章苕溪入湖口地区污染物调查及评价 3 1 研究方法 3 1 1 功能区划分 根据苕溪入湖口地区的地理位置和生态功能特点进行功能区划分：距离太湖 堤岸5 k m 外为近湖区，5 1 0 k m 以内为缓冲区，堤岸5 0 0 m 湖区为滨湖区。近湖 区是典型平原河网地区，经济社会全面发展，农业，工业、生活污染物排放量都 较大；缓冲区河网、荡漾、湿地密布，消纳污染物的功能退化，河网水质很差， 又因濒临太湖，属水环境敏感地区，主要发展亲水休闲度假和观光生态农业两大 产业，区域内污染物排放绝对量不大，但对太湖水质影响较大；滨湖区为南太湖 水域，主要受蓝藻上溯而影响上游饮用水安全。 3 1 2 污染负荷计算方法 流域污染源主要包括工业污染源、规模化养殖、中心城镇生活源( 城镇污水 集中处理厂) 等点源和一般城镇与农村生活源、畜禽分散养殖、城镇径流与农业 面源等面源。以2 0 0 8 年为基准年，对入湖口地区进行污染源分类调查。工业污 染源调查采用排污申报数据与现场调查相结合方法；生活污染源，畜禽养殖和农 业面源等通过调查其排污基本单位数据，结合不同污染源的排污当量系数和入河 系数，核定各污染源c o d c r 、n h 3 - n 、t p 和t n 污染负荷包括排放量和入河量。 不同污染源负荷计算系数和入河系数见表3 1 3 5 。 表3 1 a 工业企业及城镇污水集中处理厂入河系数 企业距污染物入河口的距离( l ) l s l o k m 1k m l s l o k m l ok m l 三2 0 k m 2 0k m 4 0 k m k 入河 1 0 0 9 o 8 0 7 o 6 浙江人学硕士学位论文苕溪入湖u 地区污染物调查及评价 类别生活污水量( 升人天) c o d c rt n t p n h 3 n k 入河 1 4 浙江人学硕上学位论文苕溪入湖u 地区污染物调查及评价 3 2 结果与讨论 3 2 1 苕溪入湖口污染负荷及主要来源 表3 6 为入湖口地区各污染物排放和入河状况，由表可知，入湖口地区各污 染物的年排放量为：c o d c ，2 7 9 6 5 2 1 吨、氨氮15 5 0 8 1 吨、总磷2 7 0 6 3 吨、总氮 2 7 4 2 9 6 吨；年入河量为：c o d c ，1 9 1 4 9 7 3 吨、氨氮1 1 2 4 6 2 吨、总磷1 5 8 6 1 吨、 总氮1 6 5 8 5 2 吨。 表3 6 入湖口区域各污染物排放和入河状况汇总 分析整个入湖口地区各污染源的c o d c ，、总氮、氨氮和总磷污染负荷比重， 见图3 1 ，可以得到如下结论： 1 入湖口地区c o d c ，主要来自于城镇生活与工业，比重分别为3 5 1 7 和 2 5 4 6 ： 2 氨氮和总磷主要来自城镇生活和农村生活，其中城镇生活源的排放比例 最高，分别达到6 8 8 0 和4 4 5 5 ； 3 总氮的主要来源为城镇生活和农田径流，排放比例为5 1 2 4 和2 1 2 0 。 ( a ) 浙江火学硕t 学位论文 苕溪入湖口地区污染物调查及评价 叮i i 生井 口膏葬 5 l ，躬 口求产彝_ 2 0 i ， d 袁村牛舌 瘕田任 ( c )( d ) 图3 1 入湖口各污染源的污染负荷贡献率 由于研究区域包含了吴兴区中心城区，人口集中，工业发达，对区域的c o d c r 污染贡献较大，而氮磷的主要来源仍然是农村生活和农田径流等面源污染。 3 2 2 各分区污染负荷及污染源结构解析 为了比较近湖区、缓冲区和滨湖区对区域的污染贡献，计算其污染物年单位 面积排放量，结果见表3 7 。由表可知，近湖区面积为6 8 7 - 3 7k m 2 ，其污染物单 位面积排放量最高，在整个研究区域的污染物排放量中占据最大的比重，缓冲区 面积为1 7 2 6 3m 2 ，其单位面积污染物排放量远低于区域的平均水平，滨湖区为 南太湖水域，不产生污染源的排放。 表3 7 入湖口各分区的污染物单位面积排放量 进一步解析近湖区和缓冲区这两个区块的污染源结构特征，见图3 2 、3 3 ， 由图可知： 1 近湖区污染负荷主要来自人口集聚度高的城区，以城镇生活源为主，其 氮磷的贡献率达到近湖区总排放量的5 0 以上，c o d c r 的比重也居于高位，工业 1 6 浙江人学硕士学位论文苕溪入湖口地区污染物调查及评价 源的c o d c ，负荷量仅次于城镇生活源，面源污染相对较少； 2 缓冲区的主要污染源为农村生活与农田径流，呈现典型的农业面源污染 特征，农村生活源的c o d c ，、氨氮和总磷负荷贡献率为缓冲区年排放量的一半以 上，农田径流源的总氮排放量最高，氨氮和总磷的贡献率为2 2 0 9 和2 9 5 0 ， 工业的c o d c r 和氨氮排放也占了一定的比重，畜禽养殖和水产养殖的污染排放 较小。 近湖区和缓冲区呈现了两种完全不同的污染源结构特征，近湖区以点源污染 为主，而缓冲区以面源污染为主。这是由于近湖区的社会经济比较发达，在城市 化的过程中已经将污染的收集方式转变为集中式的污水管网收集处理，且经济来 源主要依靠工业和服务业，农业的比重在逐渐减小；缓冲区仍以农村为主，其污 染排放较为分散，且主要依靠农业维持生计，因此面源污染较为集中。 逞 墨 筮 辎 盎 9 0 0 0广 8 0 o o 广 7 0 0 0卜 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 1 0 o o 0 0 0 囫c o d c r口n h 3 n圈t n口1 甲 7 8 0 7 r 业 幽甾 城镇生活畜禽养殖水产养殖 源类别 幽必 农村生活农径流 图3 2 近湖区各污染源排放比例图 浙江火学硕士学位论文苕溪入湖u 地区污染物调查及评价 7 0 0 0 6 0 o o 5 0 0 0 苓 蠢4 0 o o _ 翅3 0 0 0 辐 2 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 i 2 5 i q h 1 飘。，。黼谢雾 r l ： 家 工业 城镇尘活 畜禽养殖水产养殖农村生活农田径流 源类别 3 3 本章小结 图3 3 缓冲区各污染源排放比例图 ( 1 ) 入湖口地区年排放c o d c ，2 7 9 6 5 2 1 吨、氨氮1 5 5 0 8 1 吨、总磷2 7 0 6 3 吨、总氮2 7 4 2 9 6 吨，城镇生活源的污染物排放比重最大，工业源对c o d c ，有一 定的贡献，农村生活、农田径流等面源对氮磷排放也有一定的贡献。 ( 2 ) 入湖口三个分区中近湖区的污染物单位面积年排放量较大，以城镇生 活源为主，面源较少；缓冲区的污染物单位面积年排放量较小，但农业面源污染 较高；滨湖区为南太湖水域，不产生污染物排放。 浙江人学硕士学位论文苕溪入湖u 地区污染物通量实测计算 第四章苕溪入湖口地区污染物通量实测研究 4 1 苕溪入湖口地区水环境质量现状评价 4 1 1 研究方法 苕溪主要入太湖河道为小梅口、长兜港和大钱港，在三条河流上布设监测断 面，断面分布图见图4 1 。 图4 1 入湖河道水质监测断面分布图 水质监测指标包括高锰酸盐( c o d m 。) 、氨氮( n h 3 一n ) 、总磷( t p ) 、总氮( t n ) ， 监测频率为每周一次。其中，c o d m n 采用酸性法( g b1 1 8 9 2 - 8 9 ) 测定；n h 3 n 采 用纳氏试剂比色法( g b7 4 7 9 8 7 ) 测定；总磷采用过硫酸钾氧化磷钼蓝分光光度法 测定( g b1 1 8 9 3 8 9 ) ；总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法( g b 1 1 8 9 4 8 9 1 【4 8 】。 采用单因子指数法对入湖河道的水质进行评价，单因子污染指数( p i ) 表示污 染物实测含量与水质标准值的比值，可用式( 4 1 ) 计算；污染分担率( k i ) 为第i 项污