太湖梅梁湖湾水污染防治策略研究

太湖梅梁湖湾水污染防治策略研究

湖湾是一个相对封闭、独立于湖的水域，包括从太湖的梅梁湖、五里湖和云南草海。由于受地形地势的影响,湖湾的水流运动缓慢,动力掺混能力弱,湖湾内污染物不易向外湖转移,从而导致污染物在湖湾内积聚,加之水体自净能力差,一旦湖湾水体受到污染,它将成为湖泊水污染治理的难点。目前,太湖的梅梁湖、滇池的草海都成为湖泊内污染最严重的水域,因此,研究湖湾水污染治理对策是十分必要的。本文以太湖梅梁湖湾为例,探讨了梅梁湖水污染治理对策及相应的水环境改善效果,为太湖梅梁湖湾水污染治理提供科学依据,为其它湖泊及其湖湾水污染治理提供参考。1梅梁湖湾水污染成因梅梁湖是太湖北部的一个大湖湾,南北长14km,东西宽7km,湖水面积129km2,平均深度1.8m。西部有武进港、直湖港两条入湖河道,北部由梁溪河连接无锡城区河网,梅梁湖可通过梅梁湖泵站抽排水与五里湖或梁溪河进行水量交换,南部与大太湖连通,其局部区域水系概况见图1。目前梅梁湖湾水污染严重,是太湖污染最严重的湖湾之一。从近6年来梅梁湖湾实测浓度统计平均值(如图2)来看,CODMn、TP呈波动性下降趋势,TN和NH3-N呈上升趋势。湖区CODMn、TP、TN、NH3-N实测站点近年来年平均浓度分别为6.19、0.15、4.72、2.21mg/L。导致太湖梅梁湖湾水污染严重的成因可概括为以下4个方面:湖湾水流运动系风生湖流型,其水流缓慢、动力掺混能力弱;由于受地势影响,湖湾相对比较封闭,与大太湖水流交换不畅,湖湾水体自净能力差,纳污能力小1;由于承接无锡及常州主要排污河道武进港、直湖港及梁溪河等大量污水,其入湖污染负荷量大,远超过湖湾的纳污能力。2城市湖泊污染治理对策针对太湖梅梁湖湾严重的水污染问题及其成因,可针对不同成因采取相应的防治对策进行太湖梅梁湖湾水污染综合治理。首先,要从源头到湖湾水体进行全过程的污染防治(包括点源、面源及内源治理),以加强湖湾水污染综合治理,减少污水入湖,以改善湖湾水环境。湖湾及其汇水区域的水污染综合防治是其水污染治理的根本。其次,入湖湖滨带建设及湖湾水体生态修复等末端治理是补充,并以湖湾水体纳污能力作为其水污染治理后入湖污染物的总量控制目标。最后,在上述对策均无法在短期内有效实施的情况下,引水调控措施是短期内改善重污染型湖湾水体水环境的有效手段。近年来开展的引江济太调水试验表明,通过引水调控可有效改善河网及湖体受水区水体的水动力特性和水质,对于加快湖体水体流动,增加水环境容量,改善湖泊水环境具有重要意义。由于受湖泊地势的影响,梅梁湖湾与大太湖水流交换不畅,引江济太调水试验对梅梁湖湾水质改善效果不明显,因此,为满足梅梁湖湖湾水质改善的需要,应完善引水调控技术,解决目前引排水线路单一的问题,并根据需要完善梅梁湖湾的水利工程体系,使湖湾成为引江济太调水工程的受水区和水质改善区,加快湖湾水体流动,改善湖湾水质,以保障无锡市梅梁湖水源地供水水质安全。3通过引入引水管理，改善了湖泊和海湾水环境的影响预测3.1梅梁湖直接洪水调控方案引水调控的研究思路是基于太湖现有水利工程设施条件(通过梅梁湖泵站抽水入五里湖或梁溪河,调水线路见图3),在太湖引江济太工程调度的背景条件下,探讨梅梁湖泵站抽水对改善梅梁湖水环境效果及其对调水效果的主要影响因子,并在2003年引江济太期间,结合太湖流域水利工程调度原则和优化调度目标,拟定梅梁湖抽水调控方案并预测其水环境改善效果,为调水改善梅梁湖以及五里湖、无锡城区河网水环境提供决策依据。3.2水动力计算结果及分析太湖属大型宽浅型湖泊,水流运动主要受湖面风场影响,以风生流为主。其风生湖流运动及污染物质在水体中的运动可以分别用水深平均的平面二维水流运动基本方程和对流扩散的平面二维方程进行数学描述,1,其中主要水质指标包括CODMn、TP、TN、NH3-N。各污染物指标的生化反应项均作一级简化处理,CODMn考虑自净衰减,TP、TN、NH3-N考虑各种因素引起的释放与沉降,通过综合沉降和释放系数反映。该模型已成功应用于太湖、滇池、呼伦湖等大型浅水湖泊的水流水质模拟计算,效果较好。计算网格划分采用变量交错布置的方式,在正方形网格(1km×1km)上对上述方程进行离散,其中对流项采用迎风格式,扩散项采用中心差分,用迭代法求解离散方程组。梅梁湖地处湖湾,水流缓慢,流速为mm~cm量级,现场观测难度极大,可用的实测资料很少。因此,二维水动力模型的验证是通过对不同风向下太湖的总体湖流形态、梅梁湖湖湾环流特征的合理性分析,结合以往实测的及前人研究成果,以及通过水质计算成果的合理性对比间接加以验证的。本次选择2002~2003年太湖逐月实测的水位、出入湖流量和水质浓度资料及相应的水文气象资料,对水流、水质模型进行参数率定与验证,其模型参数值见表1。3.3单因子敏感性分析分析梅梁湖水流水质演变规律,在图3总体调水流程下,影响梅梁湖水质改善效果的自然影响因子归纳起来主要包括梅梁湖泵站抽水历时、抽水量、望虞河调水水质、太湖湖区风场、湖水位、湖区不同区域调水改善效果差异等6个方面。通过对梅梁湖泵站抽水历时(30、60、90、120d)、抽水量(20、30、50m3/s)、望虞河调水水质(较好、一般、较差)、湖区风场(风向为东南风、东北风、西北风,风速为静风、1、2、3m/s)、湖区水位(高、中、低)、湖湾不同区域(南、中、北)等单因子变化敏感分析,在各类影响因子的可能变化范围内,梅梁湖水质改善效果差异性显著的敏感因子包括梅梁湖泵站抽水量、抽水历时(抽水90d后梅梁湖区水质基本达到稳定状态)、望虞河调水水质、湖区风场。在太湖水位正常变化幅度内,梅梁湖抽水呈现了低水位抽水效果略好于高水位的情景,但差别不大。3.4梅梁湖湾和大太湖水量交换影响分析在2003年引江济太期间(8~10月),数值模拟引水调控(梅梁湖泵站抽水0、20、30、50m3/s)对梅梁湖湾水流、水质及梅梁湖与大太湖水量交换的影响,并预测分析大流量(50m3/s)集中调水(30d)和小流量(20m3/s)维持性调水(60d)的水环境效果,为引水调控改善太湖局部湖湾水环境提供科学依据。3.4.1抽水量对湖湾水流变学特性的影响大量宽浅型湖泊水流运动机理观测研究表明,风是湖泊水流运动的主要动力,其次是环湖河道进出水量形成的吞吐流,湖流运动形成以风生流为主、吞吐流为辅的混合流动特性。虽然太湖湖流流态主要受湖面风场影响,环湖河道出入水量对其影响较小,但吞吐流将对河道出入口所在湖区的局部流态产生较为显著的影响,尤其是对较为封闭的湖湾水流影响明显,因为吞吐流将加快湖湾小水体流动及与大太湖水体的循环与交换,改善湖湾水动力条件,有利于湖湾水环境改善。2003年引江济太期间梅梁湖泵站抽水量从0m3/s逐步增加到50m3/s时,梅梁湖区水流平均流速将随泵站抽水量的增加而增加,由现状(没有抽水)的1.53cm/s逐步增加到1.58cm/s,即泵站抽水量每增加10m3/s,梅梁湖区流速就增加0.01cm/s。同时泵站抽水量变化也将改变梅梁湖与大太湖的水量交换特性,对抽水口附近局部水流特性有较为显著的影响,如梅梁湖湖湾与大太湖交界面的交换水量会随着抽水量的增加而呈现由大太湖入梅梁湖的水量越来越多、从梅梁湖入大太湖的水量越来越少的趋势(从大太湖进入梅梁湖区为正,而从梅梁湖进入大太湖为负),见图4。由此可见,泵站抽水量增加有利于加快湖湾水体的循环及梅梁湖湾与大太湖水量交换,缩短湖湾水体的换水周期。3.4.2抽水量对tp指标的影响随着梅梁湖泵站抽水量的增加,梅梁湖区各水质指标平均浓度值不断下降。以TP为例,当抽水量由0逐渐增加到20、30、50m3/s时,梅梁湖区TP指标浓度改善率分别为19.9%、24.8%和30.7%,说明抽水量增加所带来的水质改善效果是比较明显的(见图5)。由于各指标在大太湖及梅梁湖区本底浓度差异程度不同,所以四指标中以NH3-N的改善效果最为显著,CODMn指标相对最小。3.4.3典型水环境分析持续的大流量调水(梅梁湖泵站抽水50m3/s)将给梅梁湖带来较好的水环境改善效果,但却需要大量的经费投入,如果不持续调水,湖区的水环境将随时间推移迅速反弹。因此,为保持大流量调水的水环境改善效果,并从减少经费投入的角度出发,设计了大流量(50m3/s)集中调水和小流量(20m3/s)维持性调水方案,其中大流量集中调水时间为30d,小流量维持性调水时间为60d。利用数值模拟预测梅梁湖水质变化过程如图6所示。由图6可知,梅梁湖在泵站大流量集中抽水后小流量维持性调水可以保持大流量集中调水带来的水质改善效果,水质在调水期间不会反弹。4引江济太期间调整洪水调控对梅梁湖湾水质的改善效果为充分发挥引江济太工程的综合效益,实施引水调控(梅梁湖泵站抽水)对太湖局部水域梅梁湖湾水环境的改善是比较显著的。本文以改善梅梁湖水环境为目标,重点分析了调水的敏感影响因子对梅梁湖水环境改善效果的影响;并结合2003年引江济太工程运行的实际情况和现有水利工程可能的调度方式,预测2003年引江济太期间实施引水调控对梅梁湖湾水质的改善效果,为调水改善梅梁湖湾水环境提供了科学决策依据。通过系统的水量水质调