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城市河道水环境改善研究现状及发展

时间:2016-11-28来源: 作者: 点击: 117次


孙甲岚,杜乔乔

( 天津市防汛抗旱管理处,300074;天津水文水资源勘测管理中心,天津300061)

 

摘要:城市河道水环境日益受到关注,首先阐述城市河道水环境现状及存在问题,通过总结国内外河道水环境改善方面的研究成果,结合河道水环境的数学模型发展现状,深入分析有限水源条件下城市河道水量水质改善的工程措施和非工程措施研究进展,最后提出今后水环境改善优化调度的方向。

关键词:水环境;改善研究;数学模型;

Present Status and Perspective of Improvement Research on Urban River Water Environment

Sun Jialan 1, Du Qiaoqiao 2

1. Tianjin Flood Control and Drought Relief Administrative OfficeTianjin,300074,

 2. Tianjin Survey and Management Center of Hydrology and Water Resources,Tianjin 300061)

Abstract: As urban river environment gained more attention, this paper first elaborated the situation and existing problems of urban river water environment. By summarizing the research results in improving river water environment at home and abroad, analysis in-depth is explored on engineering measures and non engineering measures under limited water resources according to mathematical model. Finally, the future direction of water environment improvement optimal scheduling is also analyzed.

Keywords: Water environment; improve research; mathematical model;

 

1.前言

城市水系在提高城市品质和形象,推动城市社会、经济、文化发展方面担负着日趋重要作用。对于城市水系,合理的水体及其流动状态和良好的水质条件是保障水系水生态稳定、提高水系景观效果,提升景观节点价值,维持水系可持续性的关键。2013年起,天津市加大了中心城区及环城四区环境补水力度,城市水环境进一步提升,但现状水循环调度主要依靠感官水质及经验,缺乏合理性、科学性。上海、武汉等经济发达城市也越来越关注城市水生态环境建设,从最初的关注自然水循环转变为关注社会经济系统中水环境发展和变化[1]

2.城市河道水环境现状及存在问题

有天然来水且水量较充沛的河道一般具有一定的自净能力[2-3],但随着城市经济快速发展,城市水生态系统中的水资源量成为限制城市发展的重要因素之一,长久以来工业废水排放比例显著升高,城市河道水环境受污染比例不断增加,主要表现为:

1)水质型河道水环境问题

主要出现在南方水量充足的城市,经济加速发展使得排向河道的污染物总量不断增加,导致城市景观河道水体水体富营养化严重甚至黑臭[4]

2)水量型河道水环境问题

主要出现在北方等较干旱城市,河道上游常年不来水或几近断流,河道荒草丛生,水生态系统受到严重威胁。

3.国内外研究概况

3.1河道水环境改善研究概况

早期研究城市水环境相关问题时,国内外专家学者所提出的城市水环境一般指向城市河流、湖泊、水库、近岸海域等城市水系[5]。高宗军等[6]提出水环境是指自然界中水所处的物理、化学及生物等周边环境条件的总和,进而将水环境分为两大类:一是水力环境,即水动力条件;二是水质环境,即通常所说的水环境。随着人类活动的日益增加,对水环境影响逐渐加深,郝俊国等[7]提出“水环境”是以水体为载体,城市水系参与整个流域的水循环过程,应包括自然、人工两部分属性。

1992年联合国在里约热内卢召开全球首脑会议,才因为水质问题开始关注水资源的相关问题[8]。因此以改善环境为目标的水资源调度也伴随着区域水质的保护应运而生。日本是最早利用水资源调度改善河道水质的国家,日本东京为改善隅田川水质1964年从利根川和荒川引入16.6m3/s的清洁水(相当于隅田川原流量的3-5)1975年日本继续开展河流间的调度,引入其他河流的清洁水净化了中川、新盯川、和歌川等10条河流,开始了国际上引清调度改善水质的工作[9]。然而国际上更多地是通过控制河道流量的方法来确保河道的水质目标,如美国、日本、欧洲、俄罗斯等国家在相关法案中均提出维持河道最小流量的生态环境要求[10]

目前国内外常见的城市河道水体水质改善技术主要有:物理修复、化学修复和生物—生态修复等方法[11-13]。其中物理修复可分为外源控制、底泥疏浚和水动力循环技术。20世纪60年代后期,水体动力循环技术开始逐渐用于控制水体富营氧化和改善水体水质。通过对水体进行置换和修复,水体的交换频次和强度增加,交换时间缩短,河道水质得到迅速改善[14];同时通过水位控制、流量控制等水力调度手段,形成动态水网,建设涨落有序的河道水环境条件的生态调度方式。

上世纪90年代末,我国开始各地根据水资源特点,探索通过应急调水的方法恢复急剧退化的河流生态系统并取的成功,包括塔里木河、黑河和扎龙湿地等。近年来,以生态补水为主的水力调度措施得到了广泛的应用。国内通过调水改善城市河道水环境的城市大多集中在南方水量充沛,补水水源较稳定地区[15,16]。上海从20世纪80年代中期开始利用水利工程进行引清调度的实践[17],开始我国进行水利工程调度改善水质的先例,随后福州、苏州、南京、杭州、昆明和太湖流域等地则陆续开展了各类利用水资源调度改善水质的区域性试验研究和实践[18-20]。黄娟[21]等利用物理模型和数学模型相结合方法,以常熟市为例,研究平原河网地区的水力水质特性,提出改善水环境行之有效的措施。邵军荣[22]等以COD为水质参数指标,分析不同调水流量对水环境质量变化的影响。

河道水环境改善的总体思路都是基于以水治水,增加水量同时加快水体净化速度,提高换水效果。对于北方等水量型缺水城市,通过调水改善城市河道水环境需要付出较大的环境水量,如何利用有限的水资源量达到满意的改善效果,优化补水调度方式是今后研究的热点问题。

3.2水环境数学模型研究概况

水环境数学模型可以描述水环境中物质混合、输移和转换规律,它是在分析水环境中发生的物理、生物、化学现象的基础上,依据质量、能量和动量守恒的基本原理,应用数学方法建立起来的模型,通过水环境数学模型的求解计算,可以预报水体在时间和空间上的变化,为水资源管理提供服务。

水环境数学模型可分为以下主要类型:

1)水动力模型:主要研究水体中发生的环流、水体分层、沉积、水流运动过程;

2)地表水水质模型:主要研究地表水中污染物迁移转化过程;

3)地下水水质模型:主要研究土壤次表面、多孔介质、地下含水层中污染物质的迁移转化过程;

4)化学物质迁移转化模型:主要研究毒性化学物质迁移转化过程。

水动力模型和地表水水质模型,按时间变化可分为稳态模型、准态模型和动态模型;按空间变化可分为零维模型、一维模型、二维模型和三维模型。

水动力学模型的应用起于20世纪50年代以前,数学模拟的基本理论已经建立,随着计算机的诞生,1952年至1954IsaacsonTwesch首次建立了俄亥俄河和密西西比河的部分河段数学模型,并模拟了洪水过程。到60年代中期,计算机性能进一步增强,水动力模型模拟水体动力学性能的能力也有所增强,可以对流域、洪泛区等水利工程进行模拟。HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center's River Analysis System)是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水面线计算软件包,适用于河道稳定和非稳定流一维水力计算。HEC-RAS功能强大,可进行各种涉水建筑物(如桥梁、涵洞、防洪堤、堰、水库、块状阻水建筑物等)的水面线分析计算,提供各种分析图表例如横断面形态图、流量及水位过程曲线、复式河道三维断面图等。

国内对于水环境数学模型开发方面的也做了很多工作,河海大学、太湖流域管理局、同济大学等单位先后针对潮汐地区开展数学模型研究,国家环保局华南环境保护研究所等单位以珠江三角洲潮汐地区为例进行的研究等。还有学者利用水质模型进行分析并提出污染物排放控制总量,如邢巧等[23]计算分析海南省南渡江流域需要削减的污染物量,孙辰[24]以汉江襄阳段为例分析水环境容量,提出污染物负荷控制目标。李古[25]等利用水质模型分析湖南省岳阳市新墙河纳污能力。

4.水环境改善研究发展方向

河道水环境改善的研究方向以及逐渐从单纯的水量调度进行水体置换发展为水量、水质统筹考虑,截污治污双管齐下,闸坝泵站优化调度,并与生产实际紧密结合[26],主要概括为:

1)闸坝联合优化调度

以选定的水质指标为目标,利用闸坝联合调度,优化水环境循环路线、循环流量等非工程措施,配合关键循环节点的闸、泵站等工程建设措施,实现水清、水流动的人水和谐景观带,改善城市河道水环境,打造宜居城市。

2)多水源统筹调度

一方面积极争取可用于改善水环境的外调水源,另一方面提高污水处理厂出厂水标准,充分利用中水补充景观需水水源,结合上游河道来水,在河网发达、水系连通性较好的城市,发挥重要的景观提升作用。

3)多学科交叉促进水环境改善

水生态环境不仅建立在水资源调度基础上,综合水文学、水力学、环境科学及生物学等诸多学科,细化改善目标及约束条件,从而得到统筹角度下的调度原则、调度方法、调度技术等。

参考文献

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作者简介:孙甲岚,女,1987-,工程师,主要从事城市供水调度、城市水环境调水等工作。

 

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