河道水环境容量及合理分配jup.docx
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:河河道整治治水质水环环境容量量合理分分配水环环境保护护1水环境治治理是河河道整治治建设的的关键作为生态省省建设工工程重要要组成部部分的万万里清水水河道建建设工程程，其总总体目标标是“水清、流流畅、岸岸绿、景景美”。四个个目标中中，有三三个是环环境目标标，体现现水环境境质量的的“水清”更是位位居第一一。对水水环境问问题的高高度重视视，主要要出于两两个原因因，第一一，我省省水环境境污染严严重，根根据浙浙江省水水资源质质量报告告（220033年7、88月）报报导，全全省参与与评价的的重点水水域水质质断面660个，其其中水质质符合、类及劣劣类标准准的断面面分别占占1.77%、111.77%、226.77%、113.33%、115.00%、331.66%，即即属于VV类和劣劣于V类类的水质质断面占占监测总总断面的的46.6。笔笔者工作作涉及的的不同地地方的河河道都有有不同程程度的污污染，虽虽然缺乏乏监测资资料，但但从发黑黑、发臭臭的水体体外观就就不难判判断，相相当一部部分河段段的水质质达不到到工程区区划目标标的要求求。第二二，如果果水质得得不到改改善，河河道建设设的任何何努力，都都将失去去意义。为为此水环环境治理理是万里里清水河河道建设设的关键键。要整整治河道道，必须须治理水水环境。2 水环境境目标与与水环境境容量2.1 水水功能区区划与水水质目标标水质的好与与不好是是相对的的，凡是是达到水水功能区区水质目目标的，即即为达标标，认为为水质是是好的；凡是污污染程度度超过功功能区水水质目标标的，即即为超标标，认为为水质是是不好的的。所以以在河道道整治规规划过程程中，首首先要明明确规划划河段的的水功能能区划。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。浙江省地地面水功功能区划划确定定了我省省各主要要河流的的水功能能区及其其相应的的水质要要求。在在万里清清水河道道建设工工程的涵涵盖范围围较大，往往往超出出水功能能区划范范围。如如义乌市市境内的的义乌江江、南江江及大陈陈江等河河段的水水功能是是明确的的，而六六都溪、东东青溪等等十余条条纳入万万里清水水河道建建设规划划的河道道在浙浙江省地地面水功功能区划划中没没有明确确水功能能区划，这这种现象象在其它它市县也也普遍存存在。对对于这些些河道，其其水质应应根据河河道功能能并考虑虑下游受受纳水体体的功能能区划要要求确定定，按照照一维水水质模型型反推规规划河道道的水环环境容量量。2.2水环环境容量量水环境容量量或纳污污能力是是满足水水功能区区划确定定的水环环境质量量标准要要求的最最大允许许污染负负荷量。水水环境承承载能力力系指在在一定的的水域，其其水体能能够被继继续使用用并仍保保持良好好生态系系统时，所所能容纳纳的污水水及污染染物的最最大能力力。影响响水环境境承载能能力的因因子有：由水量量和流动动特性确确定的水水体自净净稀释能能力、由由水功能能区划确确定的水水环境质质量目标标、水体体污染物物背景浓浓度（现现状水质质）和污污染源的的类型和和位置。在规划过程程中遇到到的主要要问题是是：（11）难以以得到现现状水质质，即水水体污染染物背景景浓度的的资料。由由于条块块分割，水水质、水水环境、污污染物排排放等属属于环保保部门的的管辖范范围，跨跨行业部部门收集集水质资资料难度度很大。水水利部门门虽然也也设立了了一些水水质监测测断面，但但数量及及其有限限，只能能反映我我省水质质的总体体情况，很很难作为为具体河河段现状状分析计计算的依依据。（22）水环环境容量量的合理理分配问问题。水水环境容容量是一一种有价价值的环环境资源源，如果果上游河河道水体体被污染染，同会会导致下下游某河河段水质质超标，理理论上，下下游河段段就没有有可以受受纳污染染物的水水环境容容量了。那那么，是是不是该该河段沿岸岸就不允允许排污污了呢？人们要要生活、社社会经济济要发展展，排污污是不可可避免的的，更何何况不能能因为上上游污染染而不允允许下游游的发展展。因此此，应分分析计算算各地的的水环境境容量，明明确责任任和权利利，协调调各地经经济发展展与环境境保护之之间的关关系。某河段的水水环境容容量计算算可以采采用箱式式模型进进行近似似计算，这这一模型型的理论论基础是是物质守守恒定律律：（Q1C11+qici）-Q2C2=K（Q1C1+qici）（11）据此可以推推导出规规划水体体的水环环境容量量：W=Cs(Q1+qi)/(1-KK)-Q1C1（22）式中Q1、C1、Q2、C2分别是是计算河河段上、下下断面的的水质和和污染物物浓度；K为污染染物在水水中的降降解系数数，可以以采用分分析借用用、实测测水质指指标反淹淹推算、经经验公式式等方法法取得，ll/d；qi、ci分别是是河段内内排入污污水的流流量和浓浓度，mmg/ll。从式式（2）可可以看出出，上游游断面的的背景浓浓度越大大，河段段的水环环境容量量越小。污染物的传传播扩散散可以采采用一维维水质模模型表模模拟：C(x)=C0expp(-kkt)（3）式中：t=x/8664000u，为传传播时间间，以日日计； x-为分分析断面面距参照照断面的的距离，mm；u-为河河流水体体平均流流速，若若河面较较宽，则则为污染染带的水水流平均均流速，mm/s；k-为为降解系系数，ll/d；C(x) -为为分析断断面的水水质指标标，mgg/l；C0参照照断面水水质指标标，mgg/l。由于污染源源比较复复杂，为为了计算算某河段段的纳污污能力，往往往需要要同时采采用上述述两种方方法进行行计算分分析。计计算所得得的水环环境容量量作为区区域总量量控制的的数值依依据。对于自然保保护区、饮饮用水源源保护地地等敏感感河段，要要分析丰丰水、枯枯水和平平水季节节的水质质。3水环境保保护措施施3.1总量量控制与与水环境境承载力力我国水污染染防治的的主要措措施是达达标排放放与总量量控制。污污染物排排放一般般按照有有关标准准执行，包包括行业业标准、地地方标准准和通用用标准。目目前各地地对排污污的管理理模式不不尽相同同，有的的地方要要求所有有企业都都进入园园区，污污水集中中处理、达达标排放放。有的的地方核核发污水水排放许许可证后后，要求求企业自自行处理理。为了了节约运运行费用用，未经经处理直直接排放放或稀释释排放的的现象时时有发生生。现行的总量量控制指指标是国国家环保保总局根根据19995年年的排放放总量确确定的指指令性指指标。尽尽管从理理论上看看，不尽尽合理，但但对保护护环境、控控制水环环境恶化化趋势起起到了积积极的作作用。在在建设生生态省过过程中，根根据总体体规划，应应因地制制宜地根根据水环环境承载载能力，重重新核定定各流域域、各河河段水体体的环境境容量，并并分配到到各行政政区域，逐逐步实现现由指令令性总量量向容量量总量的的转变。3.2 水环境境保护措措施核算水环境境容量的的目的是是在保护护水环境境的同时时，充分分发挥水水环境容容量的价价值。经经济发展展的同时时，水环环境质量量“持续”达到水水功能区区划对水水质的要要求。使使经济发发展与环环境保护护相协调调，即实实现社会会经济的的可持续续发展。对对于达标标的河段段，要制制定切实实可行的的水环境境保护方方案和措措施，控控制排放放总量，保保护好水水环境。对对于已经经超标的的河段水水体，要要提出污污染物削削减目标标，逐步步达到水水功能区区划确定定的水环环境目标标。对于已经超超标的水水体，在在水环境境治理措措施中，要要特别注注意采用用通过水水工程提提高水环环境容量量和水体体自净能能力的措措施。例例如通过过水量调调度、洪洪水资源源化利用用、引水水减污、疏疏浚清淤淤等措施施，加快快污染物物的稀释释、降解解，提高高水体在在枯水季季节的环环境容量量等。这这是人类类认识自自然、适适应自然然的过程程和措施施，体现现人与自自然和谐谐相处的的治水理理念。对于敏感河河段，应应提出枯枯水季节节水质保保护措施施和特别别干旱年年份的应应对预案案。4 结语(1) 水水环境治治理是我我省万里里清水河河道建设设工程的的重要内内容。(2) 水水环境容容量是具具有经济济价值的的环境资资源，在在保护水水环境的的同时，应应充分发发挥环境境资源的的作用。(3) 在在河道建建设过程程中，应应分析计计算各地地水环境境容量，作作为总量量控制的的依据，实实现资源源的合理理利用和和优化配配置。(4) 注注意提高高水环境境容量和和水体自自净能力力的工程程措施的的研究。参考文献1 汪汪恕诚.水环境境承载力力分析与与调控.中国水水利.220011(111).2崔树树彬.河河流水环环境承载载能力及及定量化化问题探探讨.见:水资源源及水环环境承载载力学术术讨论会会论文集集.北京京：中国国水利水水电出版版社，220022.3浙江江省水文文水资源源勘测局局.浙江江省水资资源质量量通报.浙江水水文信息息网.220033.78.4 浙浙江省水水利厅.浙江省省水资源源综合规规划技术术细则.20003.河道整治工工程水流流影响数数值计算算分析研研究浙江水利水水电专科科学校 李李东风 摘要:采用用二维非非恒定水水流泥沙沙有限元元数学模模型对某某河段在在典型水水沙条件件下的冲冲淤、水水位、流流速大小小等值线线、流场场分布、河河势以及及水流平平面形态态等物理理量的进进行了计计算和分分析,研研究了现现有河道道整治工工程对水水沙条件件的适应应性。关键词:二二维水沙沙数学模模型 河河道整治治工程 数值模模拟1 前言由于江河湖湖泊水面面宽阔水水流散乱乱、沙洲洲多，河河势主流流多变，在在一定的的水流泥泥沙条件件下，易易形成“横河、斜斜河甚至至滚河”造成严严重塌滩滩，当塌塌滩至险险工和堤堤防时就就可能发发生严重重的险情情，抢护护不及时时就有破破堤决口口的危险险，一旦旦出险，将将给江河河防洪带带来及其其被动的的局面，而而且损失失严重。因因此，整整治河道道，控导导主流，稳稳定河势势，减少少“横河、斜斜河甚至至滚河”的发生生，防止止冲决，在在确保防防洪安全全中具有有重要意意义。对对于水运运航道，它它不仅承承担着水水上运输输的任务务，而且且具有重重大的防防洪责任任，水上上运输要要求具有有足够的的水深和和较小的的河宽，而而航道防防洪要求求过水断断面具有有足够的的过洪能能力和较较大的河河宽。如如何进行行航道整整治和航航道规划划意义非非常重大大；对于于河口，由由于河流流动力和和海洋动动力的相相互消长长以及径径流海洋洋泥沙的的作用形形成拦门门沙，既既影响江江河洪水水的排放放，又影影响大型型集装箱箱的货轮轮的进出出，因此此，如何何进行拦拦门沙整整治工程程的布置置，研究究拦门沙沙的形成成原因，疏疏通拦门门沙具有有重大意意义；同同样，对对于港口口和海岸岸，由于于海洋动动力等因因素作用用下的泥泥沙输移移，在一一定的条条件下，极极易造成成港口的的淤积，要要保证港港口的正正常运行行，也要要布设合合适的港港口整治治工程，以以防止泥泥沙对港港口的淤淤积。对对以上河河口、港港口、航航道和河河道等整整治工程程问题的的解决，在在八十年年代末期期以前主主要靠实实体模型型解决，近近十几年年来，计计算技术术飞速发发展，使使得河口口和河道道数学模模型以其其自身的的优势越越来越多多的应用用到河海海实际工工程水沙沙运动的的数值模模拟中123，但但是利用用二维数数学模型型进行河河道整治治及其适适应性研研究特别别是多沙沙河道整整治的还还不多见见。为此此，在以以往二维维数学模模型的基基础上，对对某重点点防洪河河段花园园口至夹夹河滩宽宽浅游荡荡性河道道能否适适应各种种水沙条条件进行行了二维维有限元元数值模模拟初步步计算和和分析研研究。2 基本方方程、定定解条件件、离散散模式和和方程的的求解2.1基本本方程描述水流运运动的基基本方程程为：(i, jj=1, 2) 式中，Uii为垂线线平均流流速；HH为水深深；Z为水位位；C为谢才才系数。 (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。泥沙运动方方程为4悬移质河床床变形方方程其中，U为为流速；为泥沙沙沉速；S和S*分别为为水流含含沙量和和挟沙力力，为淤淤积物干干容重，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 定解条条件对边界条件件，对于于入流边边界，给给出水流流流速(或单宽宽流量)和含沙沙量过程程；对出出口边界界，给出出水位过过程线；对河道道整治控控导工程程等固壁壁边界给给定流速速为0，对河河道边界界设法向向流速为为0，水流流沿切线线方向流流速非00；初始始条件，给给出在计计算的初初始时刻刻的地形形、流速速、水位位和含沙沙量等物物理量的的初始值值。3 方方程的离离散、求求解以及及模型的的验证56选用三角形形常应变变单元类类型离散散研究区区域，对对水沙方方程，用用Gallerkkin加加权余量量法逼近近；在离离散区域域的基础础上，求求出未知知量在每每个单元元上的形形函数；把形插插值代入入Gallerkkin积积分表达达式进行行单元分分析，建建立局部部有限元元方程式式；对所所有局部部有限元元求和、总总体合成成建立总总体有限限元方程程式，对对总体方方程加上上本质边边界条件件，即可可得到本本问题的的有限元元方程式式。对上上述有限限元方程程在时间间上对变变量Z、UU、V和和S用向向前差分分格式离离散，可可得到一一个I*I常微微分方程程组。用用预估校校正法迭迭代求解解方程组组，当求求出、和i后代入入河床变变形方程程，求出出河床冲冲淤变形形的河床床高程，完完成水沙沙方程的的求解。在文献55和6中中对大河河的水位位、流量量、流速速和河床床冲淤等等物理量量进行验验证，表表明了数数模计算算结果与与实测数数据或物物理模型型试验结结果符合合较好，从从而证明明了模型型的可靠靠性。河道整治二二维数学学模型的的关键在在于在河河流二维维模型的的基础上上，对大大堤、坝坝垛、险险工等控控导护滩滩工程边边界进行行处理。4 河河道整治治工程适适应性的的初步分分析和二二维数学学模型计计算4.1 河道概概况某河段花园园口至夹夹河滩河河段长约约1055km，工工程总长长度约1123kkm，河河道基本本靠堤防防和工程程约束，堤堤距宽55-122km，河河道比降降1/5500001/60000，两两岸的工工程间距距在4-5kmm，河槽槽宽2-5kmm，河相相系数119332。见见图1计计算区域域边界图图。图1 计算算区域边边界图4.2计算算条件计算区域见见图1，整整个计算算区域划划分成226400个三角角网格单单元，227933个结点点。模型型计算用用初始地地形根据据20000年汛汛前1:100000河河道地形形图和220000汛前大大断面制制作，进进口条件件选用规规划系列列中的大大水、中中水和小小水年的的水沙条条件，出出口根据据高村断断面水位位流量关关系参照照进口条条件给定定，分别别计算河河道整治治对各种种条件的的适应性性。4.3 计算结结果及其其初步分分析图2给出了了中水小小沙水沙沙系列条条件下，研研究区域域内的含含沙量分分布图，图图3给出出了中水水小沙系系列汛后后河床冲冲刷厚度度等值线线分布图图。由图图可以看看出，总总的来看看，在少少沙条件件的水沙沙系列下下本段河河道以冲冲刷为主主。分析析河道冲冲淤的过过程可以以看出，在在冲刷初初期，由由于水流流漫滩，河河槽流速速减小，河河道冲刷刷较少，随随着冲刷刷历时的的增加，河河槽流速速增大，挟挟沙能力力增大，河河槽冲刷刷强度增增大，河河槽下切切显著。图图4和图图5分别别给出了了中水系系列冲刷刷前后330000m3/s水位位等值线线分布图图，由图图可以看看出，在在少沙条条件的水水沙系列列作用下下本段全全河道同同30000m3/s流量量水位均均有下降降，也进进一步说说明河床床全河段段以冲刷刷为主。图2 典典型含沙沙量分布布图图3 汛后后河床冲冲刷厚度度等值线线分布图图图4 冲刷刷前30000 m3/s水位位等值线线分布图图图5 冲刷后后30000 mm3/s水位位等值线线分布图图图6给出了了20000m3/s流量量时全河河段流速速等值线线分布图图，图77给出了了在7000033/s流量量时流场场图。从从这些图图可以看看出典型型流量下下整个河河段的流流速分布布以及流流速等值值线分布布，由此此可以推推出，多多数按规规划治导导线布设设的控导导工程发发挥了护护滩和控控制主流流和河势势的作用用，有些些控制效效果差，要要完全控控制河势势尚需进进一步深深入研究究。图6 220000 m3/s流量量时全河河段流速速等值线线分布图图图7 70000m3/s流量量时流场场图5 结结 语语针对计算河河段，建建立了相相应的二二维水沙沙数学模模型，通通过对计计算结果果的分析析，提高高了对本本河段的的水沙冲冲淤特性性等方面面的认识识，并可可以得出出如下初初步结论论：（1）针对对本河段段的的河河道特性性，以往往建立的的二维水水沙数学学模型，基基本能够够反映计计算河段段水沙冲冲淤特性性。（22）在少少沙条件件的水沙沙系列下下本段河河道以冲冲刷为主主，（33）多数数按规划划治导线线布设的的控导工工程发挥挥了护滩滩和控制制主流和和河势的的作用，有有些控制制效果差差，要完完全控制制河势尚尚需对控控导工程程布设进进一步深深入研究究。（44）由于于河床冲冲淤问题题等的复复杂性，本本模型对对于塌滩滩和主流流摆动的的模拟有有待于改改进和完完善。（55）本模模型可应应用于江江河河道道航道、河河口港口口和海岸岸整治工工程不同同方案的的辅助规规划和设设计，研研究解决决相关方方面的工工程问题题。参考文献:1 Hann Zeengccui, Xuu Yoouchhengg,Liin BBinyyan,Xuaan wweilli.220033, “Varriattionnof Tiddes andd Riiverr Reegimme AAfteer RRiveer TTraiininng iin TThe Qiaantaang Esttuarry”.Prroceeediingss off ICCEC-20003,HHanggzhoou,ZZhejjianngUnniveersiity Preess,Chiina,pp666-880.2 Li Donngfeeng etcc.20003, Nuumerricaal SSimuulattionn annd 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