河道水环境容量及合理分配.doc

河道水环境容量及合理分配浙江省水利河口研究院 叶碎高 郑世宗摘 要:水环境治理是我省万里清水河道建设工程的重要内容，分析计算河道水环境容量是水环境保护和总量控制的理论依据。本文指出了环境容量计算过程中常见的问题，分析了影响环境容量的主要因子。认为在水环境保护措施中，应加强利用水利工程提高水环境容量和承载能力的研究。关键词:河道整治 水质 水环境容量 合理分配 水环境保护 1 水环境治理是河道整治建设的关键作为生态省建设工程重要组成部分的万里清水河道建设工程，其总体目标是“水清、流畅、岸绿、景美”。四个目标中，有三个是环境目标，体现水环境质量的“水清”更是位居第一。对水环境问题的高度重视，主要出于两个原因，第一，我省水环境污染严重，根据浙江省水资源质量报告（2003年7、8月）报导，全省参与评价的重点水域水质断面60个，其中水质符合、类及劣类标准的断面分别占1.7%、11.7%、26.7%、13.3%、15.0%、31.6%，即属于V类和劣于V类的水质断面占监测总断面的46.6。笔者工作涉及的不同地方的河道都有不同程度的污染，虽然缺乏监测资料，但从发黑、发臭的水体外观就不难判断，相当一部分河段的水质达不到工程区划目标的要求。第二，如果水质得不到改善，河道建设的任何努力，都将失去意义。为此水环境治理是万里清水河道建设的关键。要整治河道，必须治理水环境。2 水环境目标与水环境容量2.1 水功能区划与水质目标水质的好与不好是相对的，凡是达到水功能区水质目标的，即为达标，认为水质是好的；凡是污染程度超过功能区水质目标的，即为超标，认为水质是不好的。所以在河道整治规划过程中，首先要明确规划河段的水功能区划。我国水功能区划分采用两级体系，即一级区划和二级区划。水功能一级区划分保护区、缓冲区、开发利用区、保留区四类；水功能二级区划在一级区划的开发利用区内进行，分为饮用水源区、工业用水区、农业用水区、渔业用水区、景观娱乐用水区、过渡区、排污控制区七类。一级区划宏观上解决水资源开发利用与保护的问题，主要协调地区间关系，并考虑可持续发展的需求；二级区划主要协调用水部门之间的关系。区划中确定了各水域的主导功能及功能顺序，制定了水域功能不遭破坏的水资源保护目标，将水资源保护和管理的目标分解到各功能区单元，从而使管理和保护更有针对性，通过各功能区水资源保护目标的实现，保障水资源的可持续利用。水功能区划是全面贯彻水法，加强水资源保护的重要举措，是水资源保护措施实施和监督管理的依据。浙江省地面水功能区划确定了我省各主要河流的水功能区及其相应的水质要求。在万里清水河道建设工程的涵盖范围较大，往往超出水功能区划范围。如义乌市境内的义乌江、南江及大陈江等河段的水功能是明确的，而六都溪、东青溪等十余条纳入万里清水河道建设规划的河道在浙江省地面水功能区划中没有明确水功能区划，这种现象在其它市县也普遍存在。对于这些河道，其水质应根据河道功能并考虑下游受纳水体的功能区划要求确定，按照一维水质模型反推规划河道的水环境容量。2.2 水环境容量水环境容量或纳污能力是满足水功能区划确定的水环境质量标准要求的最大允许污染负荷量。水环境承载能力系指在一定的水域，其水体能够被继续使用并仍保持良好生态系统时，所能容纳的污水及污染物的最大能力。影响水环境承载能力的因子有：由水量和流动特性确定的水体自净稀释能力、由水功能区划确定的水环境质量目标、水体污染物背景浓度（现状水质）和污染源的类型和位置。在规划过程中遇到的主要问题是：（1）难以得到现状水质，即水体污染物背景浓度的资料。由于条块分割，水质、水环境、污染物排放等属于环保部门的管辖范围，跨行业部门收集水质资料难度很大。水利部门虽然也设立了一些水质监测断面，但数量及其有限，只能反映我省水质的总体情况，很难作为具体河段现状分析计算的依据。（2）水环境容量的合理分配问题。水环境容量是一种有价值的环境资源，如果上游河道水体被污染，同会导致下游某河段水质超标，理论上，下游河段就没有可以受纳污染物的水环境容量了。那么，是不是该河段沿岸就不允许排污了呢？人们要生活、社会经济要发展，排污是不可避免的，更何况不能因为上游污染而不允许下游的发展。因此，应分析计算各地的水环境容量，明确责任和权利，协调各地经济发展与环境保护之间的关系。某河段的水环境容量计算可以采用箱式模型进行近似计算，这一模型的理论基础是物质守恒定律：（Q1C1+qici）-Q2C2=K（Q1C1+qici）（1）据此可以推导出规划水体的水环境容量：W=Cs(Q1+qi)/(1-K)-Q1C1（2）式中Q1、C1、Q2、C2分别是计算河段上、下断面的水质和污染物浓度；K为污染物在水中的降解系数，可以采用分析借用、实测水质指标反淹推算、经验公式等方法取得，l/d；qi、ci分别是河段内排入污水的流量和浓度，mg/l。从式（2）可以看出，上游断面的背景浓度越大，河段的水环境容量越小。污染物的传播扩散可以采用一维水质模型表模拟：C(x)=C0exp(-kt)（3）式中：t=x/86 400u，为传播时间，以日计； x-为分析断面距参照断面的距离，m；u-为河流水体平均流速，若河面较宽，则为污染带的水流平均流速，m/s；k-为降解系数，l/d；C(x) -为分析断面的水质指标，mg/l；C0参照断面水质指标，mg/l。由于污染源比较复杂，为了计算某河段的纳污能力，往往需要同时采用上述两种方法进行计算分析。计算所得的水环境容量作为区域总量控制的数值依据。对于自然保护区、饮用水源保护地等敏感河段，要分析丰水、枯水和平水季节的水质。3 水环境保护措施3.1 总量控制与水环境承载力我国水污染防治的主要措施是达标排放与总量控制。污染物排放一般按照有关标准执行，包括行业标准、地方标准和通用标准。目前各地对排污的管理模式不尽相同，有的地方要求所有企业都进入园区，污水集中处理、达标排放。有的地方核发污水排放许可证后，要求企业自行处理。为了节约运行费用，未经处理直接排放或稀释排放的现象时有发生。现行的总量控制指标是国家环保总局根据1995年的排放总量确定的指令性指标。尽管从理论上看，不尽合理，但对保护环境、控制水环境恶化趋势起到了积极的作用。在建设生态省过程中，根据总体规划，应因地制宜地根据水环境承载能力，重新核定各流域、各河段水体的环境容量，并分配到各行政区域，逐步实现由指令性总量向容量总量的转变。3.2 水环境保护措施核算水环境容量的目的是在保护水环境的同时，充分发挥水环境容量的价值。经济发展的同时，水环境质量“持续”达到水功能区划对水质的要求。使经济发展与环境保护相协调，即实现社会经济的可持续发展。对于达标的河段，要制定切实可行的水环境保护方案和措施，控制排放总量，保护好水环境。对于已经超标的河段水体，要提出污染物削减目标，逐步达到水功能区划确定的水环境目标。对于已经超标的水体，在水环境治理措施中，要特别注意采用通过水工程提高水环境容量和水体自净能力的措施。例如通过水量调度、洪水资源化利用、引水减污、疏浚清淤等措施，加快污染物的稀释、降解，提高水体在枯水季节的环境容量等。这是人类认识自然、适应自然的过程和措施，体现人与自然和谐相处的治水理念。对于敏感河段，应提出枯水季节水质保护措施和特别干旱年份的应对预案。4 结 语(1) 水环境治理是我省万里清水河道建设工程的重要内容。(2) 水环境容量是具有经济价值的环境资源，在保护水环境的同时，应充分发挥环境资源的作用。(3) 在河道建设过程中，应分析计算各地水环境容量，作为总量控制的依据，实现资源的合理利用和优化配置。(4) 注意提高水环境容量和水体自净能力的工程措施的研究。参考文献1 汪恕诚.水环境承载力分析与调控.中国水利.2001(11).2 崔树彬.河流水环境承载能力及定量化问题探讨.见:水资源及水环境承载力学术讨论会论文集.北京：中国水利水电出版社，2002.3 浙江省水文水资源勘测局.浙江省水资源质量通报.浙江水文信息网.2003.78.4 浙江省水利厅.浙江省水资源综合规划技术细则.2003.河道整治工程水流影响数值计算分析研究浙江水利水电专科学校 李东风 摘 要:采用二维非恒定水流泥沙有限元数学模型对某河段在典型水沙条件下的冲淤、水位、流速大小等值线、流场分布、河势以及水流平面形态等物理量的进行了计算和分析,研究了现有河道整治工程对水沙条件的适应性。关键词:二维水沙数学模型 河道整治工程 数值模拟1 前 言由于江河湖泊水面宽阔水流散乱、沙洲多，河势主流多变，在一定的水流泥沙条件下，易形成“横河、斜河甚至滚河”造成严重塌滩，当塌滩至险工和堤防时就可能发生严重的险情，抢护不及时就有破堤决口的危险，一旦出险，将给江河防洪带来及其被动的局面，而且损失严重。因此，整治河道，控导主流，稳定河势，减少“横河、斜河甚至滚河”的发生，防止冲决，在确保防洪安全中具有重要意义。对于水运航道，它不仅承担着水上运输的任务，而且具有重大的防洪责任，水上运输要求具有足够的水深和较小的河宽，而航道防洪要求过水断面具有足够的过洪能力和较大的河宽。如何进行航道整治和航道规划意义非常重大；对于河口，由于河流动力和海洋动力的相互消长以及径流海洋泥沙的作用形成拦门沙，既影响江河洪水的排放，又影响大型集装箱的货轮的进出，因此，如何进行拦门沙整治工程的布置，研究拦门沙的形成原因，疏通拦门沙具有重大意义；同样，对于港口和海岸，由于海洋动力等因素作用下的泥沙输移，在一定的条件下，极易造成港口的淤积，要保证港口的正常运行，也要布设合适的港口整治工程，以防止泥沙对港口的淤积。对以上河口、港口、航道和河道等整治工程问题的解决，在八十年代末期以前主要靠实体模型解决，近十几年来，计算技术飞速发展，使得河口和河道数学模型以其自身的优势越来越多的应用到河海实际工程水沙运动的数值模拟中123，但是利用二维数学模型进行河道整治及其适应性研究特别是多沙河道整治的还不多见。为此，在以往二维数学模型的基础上，对某重点防洪河段花园口至夹河滩宽浅游荡性河道能否适应各种水沙条件进行了二维有限元数值模拟初步计算和分析研究。2 基本方程、定解条件、离散模式和方程的求解2.1 基本方程描述水流运动的基本方程为： (i, j=1, 2) 式中，Ui为垂线平均流速；H为水深；Z为水位；C为谢才系数。 (水力半径 RH)，g，r，e分别为重力加速度，水密度和粘滞系数。f为科氏力系数(f=2wsinf，w为地球自转角速度，f为地理纬度)。 为系数矩阵。泥沙运动方程为4悬移质河床变形方程其中，U为流速；为泥沙沉速；S和S* 分别为水流含沙量和挟沙力，为淤积物干容重，为泥沙扩散系数。泥沙非饱和系数；考虑紊流脉动在水平方向产生的扩散作用及泥沙存在产生的附加影响而引入的修正系数，简称为附加系数；平衡含沙量分布系数，详见4。水流挟沙力计算和河床糙率计算见5。2.2 定解条件对边界条件，对于入流边界，给出水流流速(或单宽流量)和含沙量过程；对出口边界，给出水位过程线；对河道整治控导工程等固壁边界给定流速为0，对河道边界设法向流速为0，水流沿切线方向流速非0；初始条件，给出在计算的初始时刻的地形、流速、水位和含沙量等物理量的初始值。3 方程的离散、求解以及模型的验证56选用三角形常应变单元类型离散研究区域，对水沙方程，用Galerkin加权余量法逼近；在离散区域的基础上，求出未知量在每个单元上的形函数；把形插值代入Galerkin积分表达式进行单元分析，建立局部有限元方程式；对所有局部有限元求和、总体合成建立总体有限元方程式，对总体方程加上本质边界条件，即可得到本问题的有限元方程式。对上述有限元方程在时间上对变量Z、U、V和S用向前差分格式离散，可得到一个I*I常微分方程组。用预估校正法迭代求解方程组，当求出、和i后代入河床变形方程，求出河床冲淤变形的河床高程，完成水沙方程的求解。在文献5和6中对大河的水位、流量、流速和河床冲淤等物理量进行验证，表明了数模计算结果与实测数据或物理模型试验结果符合较好，从而证明了模型的可靠性。河道整治二维数学模型的关键在于在河流二维模型的基础上，对大堤、坝垛、险工等控导护滩工程边界进行处理。4 河道整治工程适应性的初步分析和二维数学模型计算4.1 河道概况某河段花园口至夹河滩河段长约105km，工程总长度约123km，河道基本靠堤防和工程约束，堤距宽5-12km，河道比降1/50001/6000，两岸的工程间距在4-5km，河槽宽2-5km，河相系数1932。见图1计算区域边界图。图1 计算区域边界图4.2 计算条件计算区域见图1，整个计算区域划分成2640个三角网格单元，2793个结点。模型计算用初始地形根据2000年汛前1:10000河道地形图和2000汛前大断面制作，进口条件选用规划系列中的大水、中水和小水年的水沙条件，出口根据高村断面水位流量关系参照进口条件给定，分别计算河道整治对各种条件的适应性。4.3 计算结果及其初步分析图2给出了中水小沙水沙系列条件下，研究区域内的含沙量分布图，图3给出了中水小沙系列汛后河床冲刷厚度等值线分布图。由图可以看出，总的来看，在少沙条件的水沙系列下本段河道以冲刷为主。分析河道冲淤的过程可以看出，在冲刷初期，由于水流漫滩，河槽流速减小，河道冲刷较少，随着冲刷历时的增加，河槽流速增大，挟沙能力增大，河槽冲刷强度增大，河槽下切显著。图4和图5分别给出了中水系列冲刷前后3000m3/s水位等值线分布图，由图可以看出，在少沙条件的水沙系列作用下本段全河道同3000m3/s流量水位均有下降，也进一步说明河床全河段以冲刷为主。图2 典型含沙量分布图图3 汛后河床冲刷厚度等值线分布图图4 冲刷前3000 m3/s水位等值线分布图图5 冲刷后3000 m3/s水位等值线分布图图6给出了2000m3/s流量时全河段流速等值线分布图，图7给出了在70003/s流量时流场图。从这些图可以看出典型流量下整个河段的流速分布以及流速等值线分布，由此可以推出，多数按规划治导线布设的控导工程发挥了护滩和控制主流和河势的作用，有些控制效果差，要完全控制河势尚需进一步深入研究。图6 2000 m3/s流量时全河段流速等值线分布图图7 7000m3/s流量时流场图5 结 语针对计算河段，建立了相应的二维水沙数学模型，通过对计算结果的分析，提高了对本河段的水沙冲淤特性等方面的认识，并可以得出如下初步结论：（1）针对本河段的的河道特性，以往建立的二维水沙数学模型，基本能够反映计算河段水沙冲淤特性。（2）在少沙条件的水沙系列下本段河道以冲刷为主，（3）多数按规划治导线布设的控导工程发挥了护滩和控制主流和河势的作用，有些控制效果差，要完全控制河势尚需对控导工程布设进一步深入研究。（4）由于河床冲淤问题等的复杂性，本模型对于塌滩和主流摆动的模拟有待于改进和完善。（5）本模型可应用于江河河道航道、河口港口和海岸整治工程不同方案的辅助规划和设计，研究解决相关方面的工程问题。参考文献:1 Han Zengcui, Xu Youcheng,Lin Binyan,Xuan weili.2003, “Variationof Tides and