河道水环境容量及合理分配11300.docx

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1、河道水环境容量及合理分配浙江省水利利河口研究究院叶碎高高 郑世宗宗摘要:水环环境治理是是我省万里里清水河道道建设工程程的重要内内容，分析析计算河道道水环境容容量是水环环境保护和和总量控制制的理论依依据。本文文指出了环环境容量计计算过程中中常见的问问题，分析析了影响环环境容量的的主要因子子。认为在在水环境保保护措施中中，应加强强利用水利利工程提高高水环境容容量和承载载能力的研研究。关键词:河河道整治水水质水环境境容量合理理分配水环环境保护1水环境治治理是河道道整治建设设的关键作为生态省省建设工程程重要组成成部分的万万里清水河河道建设工工程，其总总体目标是是“水清、流流畅、岸绿绿、景美”。四个目目

2、标中，有有三个是环环境目标，体体现水环境境质量的“水清”更是位居居第一。对对水环境问问题的高度度重视，主主要出于两两个原因，第第一，我省省水环境污污染严重，根根据浙江江省水资源源质量报告告（20003年77、8月）报报导，全省省参与评价价的重点水水域水质断断面60个个，其中水水质符合、类及劣类标准的的断面分别别占1.77%、111.7%、226.7%、13.3%、115.0%、31.6%，即即属于V类类和劣于VV类的水质质断面占监监测总断面面的46.6。笔笔者工作涉涉及的不同同地方的河河道都有不不同程度的的污染，虽虽然缺乏监监测资料，但但从发黑、发发臭的水体体外观就不不难判断，相相当一部分分河

3、段的水水质达不到到工程区划划目标的要要求。第二二，如果水水质得不到到改善，河河道建设的的任何努力力，都将失失去意义。为为此水环境境治理是万万里清水河河道建设的的关键。要要整治河道道，必须治治理水环境境。2 水环境境目标与水水环境容量量2.1 水水功能区划划与水质目目标水质的好与与不好是相相对的，凡凡是达到水水功能区水水质目标的的，即为达达标，认为为水质是好好的；凡是是污染程度度超过功能能区水质目目标的，即即为超标，认认为水质是是不好的。所所以在河道道整治规划划过程中，首首先要明确确规划河段段的水功能能区划。我我国水功能能区划分采采用两级体体系，即一一级区划和和二级区划划。水功能能一级区划划分保

4、护区区、缓冲区区、开发利利用区、保保留区四类类；水功能能二级区划划在一级区区划的开发发利用区内内进行，分分为饮用水水源区、工工业用水区区、农业用用水区、渔渔业用水区区、景观娱娱乐用水区区、过渡区区、排污控控制区七类类。一级区区划宏观上上解决水资资源开发利利用与保护护的问题，主主要协调地地区间关系系，并考虑虑可持续发发展的需求求；二级区区划主要协协调用水部部门之间的的关系。区区划中确定定了各水域域的主导功功能及功能能顺序，制制定了水域域功能不遭遭破坏的水水资源保护护目标，将将水资源保保护和管理理的目标分分解到各功功能区单元元，从而使使管理和保保护更有针针对性，通通过各功能能区水资源源保护目标标的

5、实现，保保障水资源源的可持续续利用。水水功能区划划是全面贯贯彻水法，加加强水资源源保护的重重要举措，是是水资源保保护措施实实施和监督督管理的依依据。浙江省地地面水功能能区划确确定了我省省各主要河河流的水功功能区及其其相应的水水质要求。在在万里清水水河道建设设工程的涵涵盖范围较较大，往往往超出水功功能区划范范围。如义义乌市境内内的义乌江江、南江及及大陈江等等河段的水水功能是明明确的，而而六都溪、东东青溪等十十余条纳入入万里清水水河道建设设规划的河河道在浙浙江省地面面水功能区区划中没没有明确水水功能区划划，这种现现象在其它它市县也普普遍存在。对对于这些河河道，其水水质应根据据河道功能能并考虑下下游

6、受纳水水体的功能能区划要求求确定，按按照一维水水质模型反反推规划河河道的水环环境容量。2.2水环环境容量水环境容量量或纳污能能力是满足足水功能区区划确定的的水环境质质量标准要要求的最大大允许污染染负荷量。水水环境承载载能力系指指在一定的的水域，其其水体能够够被继续使使用并仍保保持良好生生态系统时时，所能容容纳的污水水及污染物物的最大能能力。影响响水环境承承载能力的的因子有：由水量和和流动特性性确定的水水体自净稀稀释能力、由由水功能区区划确定的的水环境质质量目标、水水体污染物物背景浓度度（现状水水质）和污污染源的类类型和位置置。在规划过程程中遇到的的主要问题题是：（11）难以得得到现状水水质，即

7、水水体污染物物背景浓度度的资料。由由于条块分分割，水质质、水环境境、污染物物排放等属属于环保部部门的管辖辖范围，跨跨行业部门门收集水质质资料难度度很大。水水利部门虽虽然也设立立了一些水水质监测断断面，但数数量及其有有限，只能能反映我省省水质的总总体情况，很很难作为具具体河段现现状分析计计算的依据据。（2）水水环境容量量的合理分分配问题。水水环境容量量是一种有有价值的环环境资源，如如果上游河河道水体被被污染，同同会导致下下游某河段段水质超标标，理论上上，下游河河段就没有有可以受纳纳污染物的的水环境容容量了。那那么，是不不是该河段段沿岸就不不允许排污污了呢？人人们要生活活、社会经经济要发展展，排污

8、是是不可避免免的，更何何况不能因因为上游污污染而不允允许下游的的发展。因因此，应分分析计算各各地的水环环境容量，明明确责任和和权利，协协调各地经经济发展与与环境保护护之间的关关系。某河段的水水环境容量量计算可以以采用箱式式模型进行行近似计算算，这一模模型的理论论基础是物物质守恒定定律：（Q1C11+qici）-Q2C2=K（Q1C1+qici）（11）据此可以推推导出规划划水体的水水环境容量量：W=Cs(Q1+qi)/(11-K)-Q1C1（22）式中Q1、C1、Q2、C2分别是计计算河段上上、下断面面的水质和和污染物浓浓度；K为污染物物在水中的的降解系数数，可以采采用分析借借用、实测测水质指

9、标标反淹推算算、经验公公式等方法法取得，ll/d；qi、ci分别是河河段内排入入污水的流流量和浓度度，mg/l。从式式（2）可可以看出，上上游断面的的背景浓度度越大，河河段的水环环境容量越越小。污染物的传传播扩散可可以采用一一维水质模模型表模拟拟：C(x)=C0exp(-kt)（33）式中：t=x/864000u，为传播播时间，以以日计； xx-为分析析断面距参参照断面的的距离，mm；u-为河流流水体平均均流速，若若河面较宽宽，则为污污染带的水水流平均流流速，m/s；k-为降解系系数，l/d；C(x) -为分分析断面的的水质指标标，mg/l；C0参照断断面水质指指标，mgg/l。由于污染源源比

10、较复杂杂，为了计计算某河段段的纳污能能力，往往往需要同时时采用上述述两种方法法进行计算算分析。计计算所得的的水环境容容量作为区区域总量控控制的数值值依据。对于自然保保护区、饮饮用水源保保护地等敏敏感河段，要要分析丰水水、枯水和和平水季节节的水质。3水环境保保护措施3.1总量量控制与水水环境承载载力我国水污染染防治的主主要措施是是达标排放放与总量控控制。污染染物排放一一般按照有有关标准执执行，包括括行业标准准、地方标标准和通用用标准。目目前各地对对排污的管管理模式不不尽相同，有有的地方要要求所有企企业都进入入园区，污污水集中处处理、达标标排放。有有的地方核核发污水排排放许可证证后，要求求企业自行

11、行处理。为为了节约运运行费用，未未经处理直直接排放或或稀释排放放的现象时时有发生。现行的总量量控制指标标是国家环环保总局根根据19995年的排排放总量确确定的指令令性指标。尽尽管从理论论上看，不不尽合理，但但对保护环环境、控制制水环境恶恶化趋势起起到了积极极的作用。在在建设生态态省过程中中，根据总总体规划，应应因地制宜宜地根据水水环境承载载能力，重重新核定各各流域、各各河段水体体的环境容容量，并分分配到各行行政区域，逐逐步实现由由指令性总总量向容量量总量的转转变。3.2 水环境保保护措施核算水环境境容量的目目的是在保保护水环境境的同时，充充分发挥水水环境容量量的价值。经经济发展的的同时，水水环

12、境质量量“持续”达到水功功能区划对对水质的要要求。使经经济发展与与环境保护护相协调，即即实现社会会经济的可可持续发展展。对于达达标的河段段，要制定定切实可行行的水环境境保护方案案和措施，控控制排放总总量，保护护好水环境境。对于已已经超标的的河段水体体，要提出出污染物削削减目标，逐逐步达到水水功能区划划确定的水水环境目标标。对于已经超超标的水体体，在水环环境治理措措施中，要要特别注意意采用通过过水工程提提高水环境境容量和水水体自净能能力的措施施。例如通通过水量调调度、洪水水资源化利利用、引水水减污、疏疏浚清淤等等措施，加加快污染物物的稀释、降降解，提高高水体在枯枯水季节的的环境容量量等。这是是人

13、类认识识自然、适适应自然的的过程和措措施，体现现人与自然然和谐相处处的治水理理念。对于敏感河河段，应提提出枯水季季节水质保保护措施和和特别干旱旱年份的应应对预案。4 结语(1) 水水环境治理理是我省万万里清水河河道建设工工程的重要要内容。(2) 水水环境容量量是具有经经济价值的的环境资源源，在保护护水环境的的同时，应应充分发挥挥环境资源源的作用。(3) 在在河道建设设过程中，应应分析计算算各地水环环境容量，作作为总量控控制的依据据，实现资资源的合理理利用和优优化配置。(4) 注注意提高水水环境容量量和水体自自净能力的的工程措施施的研究。参考文献1 汪汪恕诚.水水环境承载载力分析与与调控.中中国

14、水利.20011(11).2崔树树彬.河流流水环境承承载能力及及定量化问问题探讨.见:水资源及及水环境承承载力学术术讨论会论论文集.北北京：中国国水利水电电出版社，22002.3浙江江省水文水水资源勘测测局.浙江江省水资源源质量通报报.浙江水水文信息网网.20003.78.4 浙浙江省水利利厅.浙江江省水资源源综合规划划技术细则则.20003.河道整治工工程水流影影响数值计计算分析研研究浙江水利水水电专科学学校 李东风 摘要:采用用二维非恒恒定水流泥泥沙有限元元数学模型型对某河段段在典型水水沙条件下下的冲淤、水水位、流速速大小等值值线、流场场分布、河河势以及水水流平面形形态等物理理量的进行行了

15、计算和和分析,研研究了现有有河道整治治工程对水水沙条件的的适应性。关键词:二二维水沙数数学模型 河道整治治工程 数数值模拟1 前言由于江河湖湖泊水面宽宽阔水流散散乱、沙洲洲多，河势势主流多变变，在一定定的水流泥泥沙条件下下，易形成成“横河、斜斜河甚至滚滚河”造成严重重塌滩，当当塌滩至险险工和堤防防时就可能能发生严重重的险情，抢抢护不及时时就有破堤堤决口的危危险，一旦旦出险，将将给江河防防洪带来及及其被动的的局面，而而且损失严严重。因此此，整治河河道，控导导主流，稳稳定河势，减减少“横河、斜斜河甚至滚滚河”的发生，防防止冲决，在在确保防洪洪安全中具具有重要意意义。对于于水运航道道，它不仅仅承担着

16、水水上运输的的任务，而而且具有重重大的防洪洪责任，水水上运输要要求具有足足够的水深深和较小的的河宽，而而航道防洪洪要求过水水断面具有有足够的过过洪能力和和较大的河河宽。如何何进行航道道整治和航航道规划意意义非常重重大；对于于河口，由由于河流动动力和海洋洋动力的相相互消长以以及径流海海洋泥沙的的作用形成成拦门沙，既既影响江河河洪水的排排放，又影影响大型集集装箱的货货轮的进出出，因此，如如何进行拦拦门沙整治治工程的布布置，研究究拦门沙的的形成原因因，疏通拦拦门沙具有有重大意义义；同样，对对于港口和和海岸，由由于海洋动动力等因素素作用下的的泥沙输移移，在一定定的条件下下，极易造造成港口的的淤积，要要

17、保证港口口的正常运运行，也要要布设合适适的港口整整治工程，以以防止泥沙沙对港口的的淤积。对对以上河口口、港口、航航道和河道道等整治工工程问题的的解决，在在八十年代代末期以前前主要靠实实体模型解解决，近十十几年来，计计算技术飞飞速发展，使使得河口和和河道数学学模型以其其自身的优优势越来越越多的应用用到河海实实际工程水水沙运动的的数值模拟拟中123，但但是利用二二维数学模模型进行河河道整治及及其适应性性研究特别别是多沙河河道整治的的还不多见见。为此，在在以往二维维数学模型型的基础上上，对某重重点防洪河河段花园口口至夹河滩滩宽浅游荡荡性河道能能否适应各各种水沙条条件进行了了二维有限限元数值模模拟初步

18、计计算和分析析研究。2 基本方方程、定解解条件、离离散模式和和方程的求求解2.1基本本方程描述水流运运动的基本本方程为：(i, jj=1, 2) 式中，Uii为垂线平平均流速；H为水深；Z为水位；C为谢才系系数。 (水力半径径 RH)，g，r，e分别为重重力加速度度，水密度度和粘滞系系数。f为科氏力力系数(f=2wsiinf，w为地球自自转角速度度，f为地理理纬度)。为系数矩矩阵。泥沙运动方方程为4悬移质河床床变形方程程其中，U为为流速；为为泥沙沉速速；S和S*分别为水水流含沙量量和挟沙力力，为淤积积物干容重重，为泥沙沙扩散系数数。泥沙非饱饱和系数；考虑紊流流脉动在水水平方向产产生的扩散散作用

19、及泥泥沙存在产产生的附加加影响而引引入的修正正系数，简简称为附加加系数；平衡含沙沙量分布系系数，详见见4。水流挟挟沙力计算算和河床糙糙率计算见见5。2.2 定解条件件对边界条件件，对于入入流边界，给给出水流流流速(或单宽流流量)和含沙量量过程；对对出口边界界，给出水水位过程线线；对河道道整治控导导工程等固固壁边界给给定流速为为0，对河道道边界设法法向流速为为0，水流沿沿切线方向向流速非00；初始条条件，给出出在计算的的初始时刻刻的地形、流流速、水位位和含沙量量等物理量量的初始值值。3 方方程的离散散、求解以以及模型的的验证556选用三角形形常应变单单元类型离离散研究区区域，对水水沙方程，用用G

20、aleerkinn加权余量量法逼近；在离散区区域的基础础上，求出出未知量在在每个单元元上的形函函数；把形形插值代入入Galeerkinn积分表达达式进行单单元分析，建建立局部有有限元方程程式；对所所有局部有有限元求和和、总体合合成建立总总体有限元元方程式，对对总体方程程加上本质质边界条件件，即可得得到本问题题的有限元元方程式。对对上述有限限元方程在在时间上对对变量Z、UU、V和SS用向前差差分格式离离散，可得得到一个II*I常微微分方程组组。用预估估校正法迭迭代求解方方程组，当当求出、和i后代入河河床变形方方程，求出出河床冲淤淤变形的河河床高程，完完成水沙方方程的求解解。在文献55和66中对大

21、大河的水位位、流量、流流速和河床床冲淤等物物理量进行行验证，表表明了数模模计算结果果与实测数数据或物理理模型试验验结果符合合较好，从从而证明了了模型的可可靠性。河道整治二二维数学模模型的关键键在于在河河流二维模模型的基础础上，对大大堤、坝垛垛、险工等等控导护滩滩工程边界界进行处理理。4 河河道整治工工程适应性性的初步分分析和二维维数学模型型计算4.1 河道概况况某河段花园园口至夹河河滩河段长长约1055km，工程程总长度约约123kkm，河道道基本靠堤堤防和工程程约束，堤堤距宽5-12kmm，河道比比降1/550001/60000，两两岸的工程程间距在44-5kmm，河槽宽宽2-5kkm，河相

22、相系数19932。见见图1计算算区域边界界图。图1 计算算区域边界界图4.2计算算条件计算区域见见图1，整整个计算区区域划分成成26400个三角网网格单元，22793个个结点。模模型计算用用初始地形形根据20000年汛汛前1:1100000河道地形形图和20000汛前前大断面制制作，进口口条件选用用规划系列列中的大水水、中水和和小水年的的水沙条件件，出口根根据高村断断面水位流流量关系参参照进口条条件给定，分分别计算河河道整治对对各种条件件的适应性性。4.3 计算结果果及其初步步分析图2给出了了中水小沙沙水沙系列列条件下，研研究区域内内的含沙量量分布图，图图3给出了了中水小沙沙系列汛后后河床冲刷

23、刷厚度等值值线分布图图。由图可可以看出，总总的来看，在在少沙条件件的水沙系系列下本段段河道以冲冲刷为主。分分析河道冲冲淤的过程程可以看出出，在冲刷刷初期，由由于水流漫漫滩，河槽槽流速减小小，河道冲冲刷较少，随随着冲刷历历时的增加加，河槽流流速增大，挟挟沙能力增增大，河槽槽冲刷强度度增大，河河槽下切显显著。图44和图5分分别给出了了中水系列列冲刷前后后30000m3/s水位等等值线分布布图，由图图可以看出出，在少沙沙条件的水水沙系列作作用下本段段全河道同同30000m3/s流量水水位均有下下降，也进进一步说明明河床全河河段以冲刷刷为主。图2 典典型含沙量量分布图图3 汛后河河床冲刷厚厚度等值线线

24、分布图图4 冲刷前前30000 m3/s水位等等值线分布布图图5 冲刷后33000 m3/s水位等等值线分布布图图6给出了了20000m3/s流量时时全河段流流速等值线线分布图，图图7给出了了在700003/s流量时时流场图。从从这些图可可以看出典典型流量下下整个河段段的流速分分布以及流流速等值线线分布，由由此可以推推出，多数数按规划治治导线布设设的控导工工程发挥了了护滩和控控制主流和和河势的作作用，有些些控制效果果差，要完完全控制河河势尚需进进一步深入入研究。图6 22000 m3/s流量时时全河段流流速等值线线分布图图7 70000m3/s流量时时流场图5 结结 语针对计算河河段，建立立了

25、相应的的二维水沙沙数学模型型，通过对对计算结果果的分析，提提高了对本本河段的水水沙冲淤特特性等方面面的认识，并并可以得出出如下初步步结论：（1）针对对本河段的的的河道特特性，以往往建立的二二维水沙数数学模型，基基本能够反反映计算河河段水沙冲冲淤特性。（22）在少沙沙条件的水水沙系列下下本段河道道以冲刷为为主，（33）多数按按规划治导导线布设的的控导工程程发挥了护护滩和控制制主流和河河势的作用用，有些控控制效果差差，要完全全控制河势势尚需对控控导工程布布设进一步步深入研究究。（4）由由于河床冲冲淤问题等等的复杂性性，本模型型对于塌滩滩和主流摆摆动的模拟拟有待于改改进和完善善。（5）本本模型可应应

26、用于江河河河道航道道、河口港港口和海岸岸整治工程程不同方案案的辅助规规划和设计计，研究解解决相关方方面的工程程问题。参考文献:1 Han Zenggcui, Xu Youcchengg,Linn Binnyan,Xuann weiili.22003, “Variiatioonof Tidees annd Riiver Regiime AAfterr Rivver TTrainning in TThe QQianttang Estuuary”.Prooceeddingss of ICECC-20003,Haangzhhou,ZZhejiiangUUniveersitty Prress,Chinn

27、a,ppp66-880.2 Li DDongffeng etc.20033, Nuumeriical Simuulatiion aand AAnalyysis of TThe YYelloow Riiver Estuuary Sedimment Moveementt, .PProceeedinngs oof ICCEC-22003,Hanggzhouu, ZhhejiaangUnniverrsityy Preess,CChinaa,pp9903-99083 Han Zenggcui,Fu NNingpping,Xu YYouchheng.20011,“Estuuarinne Hyydrauul

28、ic Geommetryy & IImpaccts oof Huuman Actiivitiies”，Hyddro-SSciennce aand EEnginneeinng Vool 1.No.114 张红武,吕昕.弯道水力力学.北京:水利电力力出版社,19933.5 李东风,张红武,等.黄河河下游平面面二维水流流泥沙运动动模拟的有有限元方法法.泥沙研究究.19999,（4）.6 Zhanng Hoongwuu, Lii Donngfenng ettc.Two Dimeensioonal Sediimentt Matthemaaticaal moodel for Unstteadyy floow inn thee Lowwer YYelloow Riiver.J.off Seddimennt Reesearrch,Vol.14,19999, (2)