基于二维水质模型的城市河段纳污能力计算和分析

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1、基于二维水质模型的城市河段纳污能力计算和分析姜欣1许士国1曹成立2(1大连理工大学水利工程学院，辽宁大连1160242哈尔滨市水务局水资源处，黑龙江哈尔滨150076)摘要：随着城市的发展，城市河流纳污能力日益成为制约城市发展的重要因素．本文根据松花江干流哈尔滨市区段水文水质资料，按照水功能区划导则计算了水功能区纳污能力．利用丹麦DHIMIKE21软件，建立了二维水动力(HD)埘流扩散(AD)模型，模拟得到了松花江双城市与哈尔滨市交界至大顶子山哈尔滨市区段江面水质二维空间分布图，进一步分析和讨论了该江段不同水功能区纳污特点．总体来看，多数河段纳污能力很少，随

2、着三沟三河环境整治工程完成，整个河段纳污能力会得到根本性改善．关键词：二维模型；纳污能力；MIKE21；城市河流；哈尔滨市城市的发展离不开水资源，自然水体在满足工业生产和居民生活需要的同时，也在提供着容纳工业废水和生活污水的功能。许多快速发展的城市受到工业废水和居民生活污水的双重污染。长江流域在2009年接纳的污水量达到了333亿吨，这相当于黄河的多年平均径流量【l】。河流纳污能力分心是判断水质状况，提高水环境管理水平的有效手段，很多河流根据其本身的特点进行了纳污能力计算。柳林安等采用零维水质模型对拉萨河拉萨市河段水环境容量进行了计算【2】。胡锋平等利用二维

3、水质模型测算赣江南昌段水环境容量并确定了主要污染源【3】。李宏明等按一维水质模型计算出淮河蚌埠段景观娱乐用水区的水环境容量及污染物削减量【4】。本文针对哈尔滨市区段受大项子山航电枢纽的影响，河流形态发生较大变化的实际情况，采用二维水质模型对松花江双城市与哈尔滨市交界至大项子山航电枢纽的哈尔滨市区段各功能区进行了纳污能力计算，计算采用用丹麦DHIMIKE21软件，建立了二维水动力(HD)+对流扩散(AD)模型，得到在90％保证流量下的COD、氨氮、总氮和总磷的二维空间分布图，根据该分布图分析了该江段不同水功能区纳污特点。1水质模型建立松花江哈尔滨段属平原河道，

4、是哈尔滨市接纳工业废水和城市生活污水的主要载体，河床平均坡降为0．08960，正常水位116m时宽深比约500：1，且有较大河床横向变化，滩岛河曲分布众多。对于大型河流城市段，水面宽阔，流速较慢，而且排污口较多，采用一维水质模型和二维水质模型得到的水环境容量结果差异较大【5】。为较好地反映松花江哈尔滨段的污染物空间分布状况，选用MIKE二维水动力(HD)+对流扩散(AD)模型来对水质状况进行模拟。在纳污能力计算中，参数的确定和取值是否符合客观实际，直接关系到计算结果是否准确合理。因此，参数的确定和取值是纳污能力计算的关键。本文利用实际观测资料对MIKE21二

5、维模型计算需要对模型基本参数、水动力参数和对流扩散参数进行率定选择。—27(卜1．1基本方程MIKE21软件的计算原理是求解描述水流运动的二维非恒定流方程组．这个方程组共包括三个方程：水流连续性力i程、水流沿，方向的动量方程及水流沿Y方向的动量方程，形式如下：水流连续方程：丝⋯aM塑：0ataxev水流运动方程：Ou．Ou8ua￡”√“2+v2fa2“a2Ⅳ]百”瓦”面+gY；x+g—矿”·l萨+酽Javovapazv√“3+v2fa2va2v1瓦”i“万+8万+2—孑j厂～tl矿+矿J式中⋯y．t分别为空间、时间坐标；z为水位，m：h为水深，m；“、v分别

6、为垂线平均流速在j、Y方向的分量，m／s：M，N分别为单宽流量在x，Y方向的分量，m2／s，Mhu．N=hv；月为曼宁糙翠系数：c为姑才系数，c=Zh“6；％螽蕞动粘性系数tg知重办缸逮爱，1．2术功能区盈控制因子松花扛十流哈尔滨市开发利用区从双城哈尔滨交界处至大顶子山航电枢纽共计968km，其中包括哈尔滨市太平镇过渡区，哈尔滨市朱顺屯饮用水源区、哈尔滨市景观娱乐用水区、哈尔滨市东江桥排污控制区和阿城市过渡区五个二级功能区。在水环境质量现状和污染源调查评价的基础上．根据研究江段以往污染源调查和水质评价结果，选定COD和NH，-N作为梧花江哈尔滨市区段纳污能力

7、分析计算控制园子．另外考虑到大顶子山航电枢纽工程运行后对松花扛干流晴尔滨市区河段河道内水文投水环境要素产生较大的影响，形成平原河道型水库．水流停滞时间增大．流速减缓．复氧条件降低．藻类爆发可能性增大，因此增加TN、TP亦作为松牲江哈尔滨市区段纳污能力分析计算的控制园子。即以COD、NH3-N、"IN、TP四项指标为控制禹子。1．3地形文件由梧花江哈尔滨段地形圈，提取高程点数据．生成50x50m网格地形文件，所建地形如图1所示：模型中对地形要求严格的进口和桥粱等阻水建筑物采用修改局部地形商程的方法进行处理。1．4计算流量和下游水位应用1980年至2006年”年

8、的月均流量资进行频率分析．得到圈I模型地形文件90％