強(qiáng)潮河段船閘下游排污口污染物擴(kuò)散規(guī)律研究

汪彥 余杰 吳騰

摘 要：強(qiáng)潮河段潮流動(dòng)力作用明顯，污染物的擴(kuò)散規(guī)律復(fù)雜。以錢塘江口八堡船閘為研究對(duì)象，建立二維污染物擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，研究典型不利條件下船閘下游污水處理廠排污口污染物擴(kuò)散規(guī)律。研究結(jié)果表明，事故濃度下，枯水小潮時(shí)，污染物上溯的最遠(yuǎn)距離為排污口上游4.7km范圍;枯水中潮時(shí)，污染物最上溯至排污口上游12.5km范圍;枯水大潮時(shí)，污染物最上溯至排污口上游12.5km范圍。不同條件下，污染物均能上溯至八堡船閘。該研究可為八堡船閘后期運(yùn)行管理提供參考。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)潮河段;數(shù)學(xué)模型;污染物;應(yīng)急處理

中圖分類號(hào)：U641.1? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）03-0133-03

1概述

根據(jù)貨運(yùn)量發(fā)展趨勢(shì)以及城市環(huán)境保護(hù)的要求，開辟京杭運(yùn)河錢塘江溝通工程第二通道，新建八堡船閘已成為必然趨勢(shì)。八堡船閘位于錢塘江S型彎道段的凹岸。八堡船閘下游 1500m有七格污水處理廠排污口，對(duì)于錢塘江河口而言，潮動(dòng)力占絕對(duì)主要的地位。感潮河段因受潮汐影響，水流流態(tài)和水質(zhì)狀況非常復(fù)雜：水流在下泄過程中既受上游來流的影響，又受下游潮水的頂托作用;河流中的污水因潮汐漲落作用沿河道來回回蕩，滯留時(shí)間增加，加重了對(duì)沿途的水質(zhì)影響[1-3]。因此該河段水流流場(chǎng)、污染物濃度場(chǎng)的變化較為復(fù)雜，排污口上下游會(huì)形成一定范圍的污染帶[4]。該排污口的污染物在潮流作用下能夠擴(kuò)散至上游八堡船閘引航道，并可能經(jīng)過船閘進(jìn)一步擴(kuò)散至上游河段。有學(xué)者采用Delft 3D水力水質(zhì)數(shù)值模擬軟件對(duì)青義涪江特大橋施工過程中懸浮物濃度進(jìn)行模擬，得到不同施工方案下該區(qū)域的濃度場(chǎng)，為施工方式選擇提供了參考依據(jù)[5]。類似的研究也在京滬高鐵雙排筑壩圍堰施工和鋼棧橋施工兩種施工方案中進(jìn)行了開展，研究結(jié)果工程圍堰施工起到很好的指導(dǎo)作用[6]。

八堡船閘為新建船閘，該區(qū)域?yàn)閺?qiáng)潮河口區(qū)，為了使水污染事故造成的環(huán)境災(zāi)害減小到最低程度，有必要對(duì)水污染事故造成的污染水體的遷移進(jìn)行時(shí)空預(yù)測(cè)與模擬分析[7]，為行政主管部門制定管理應(yīng)變決策提供科學(xué)依據(jù)。開展下游七格污水處理廠排污口污染物擴(kuò)散研究顯得尤為迫切。對(duì)于此類典型強(qiáng)潮河口中潮動(dòng)力對(duì)于污染物稀釋擴(kuò)散作用的探討，不僅豐富了潮汐河口的相關(guān)研究理論，也可為潮汐河口水環(huán)境治理和水資源利用提供科學(xué)依據(jù)。研究感潮河段的水動(dòng)力和污染物輸移轉(zhuǎn)化規(guī)律具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

2模型的建立與驗(yàn)證

2.1基本方程

守恒型二維淺水方程與對(duì)流擴(kuò)散方程耦合的矢量表達(dá)式為[8]：

2.2 模擬區(qū)域

錢塘江聞家堰以上為近口段，河流徑流作用為主，聞家堰至澉浦間為河口段，徑流、潮流互相作用。澉浦以下為口外海濱。在本研究中，平面二維大范圍數(shù)學(xué)模型的上邊界在聞家堰，下邊界在澉浦，網(wǎng)格采用曲線正交網(wǎng)格，網(wǎng)格布置如圖1所示。圖2為排污口和八堡船閘位置圖。計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格布設(shè)考慮水流、地形梯度的差異，對(duì)船閘口門區(qū)域的計(jì)算網(wǎng)格作進(jìn)一步加密，以便更好地反映該區(qū)域水流特征，保證流場(chǎng)模擬精度。

2.3模型的驗(yàn)證

模型驗(yàn)證資料為2009年5月21日至5月31日實(shí)測(cè)潮位站點(diǎn)資料，驗(yàn)證站點(diǎn)包括七堡、倉前、鹽官潮位資料。潮位驗(yàn)證過程如圖3所示。給出了倉前、七堡、鹽官的實(shí)測(cè)潮位資料與模型模擬計(jì)算值的對(duì)比結(jié)果，模擬值與實(shí)測(cè)值符合良好，可為水質(zhì)模型提供良好的水動(dòng)力學(xué)條件。

3污染物擴(kuò)散條件的選取

3.1典型水動(dòng)力條件

模型工況主要考慮在不同流量情況下，下游不同潮位過程的工況組合。本研究主要關(guān)注在于污染物上溯到八堡船閘的可能性。因此，這里并不考慮極端洪水情況，例如五十年一遇或是一百年一遇這樣的極端洪水。因?yàn)樵谶@些極端洪水情況下，污染物上溯的可能性很小。模擬區(qū)域上下游邊界均為2009年實(shí)測(cè)水位邊界。針對(duì)不同上游流量，這里選取了洪季（5月）、平季（8月）、枯季（12月）三個(gè)月份，分別對(duì)這三個(gè)月份進(jìn)行模擬，每個(gè)月份包括了大、中、小潮。分別提取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.2污染物排放條件

參考浙江省人民政府批準(zhǔn)發(fā)布DB33/2169-2018《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》省級(jí)強(qiáng)制性地方標(biāo)準(zhǔn)。其中，現(xiàn)有污水處理廠的排放限制為不超過40mg/L，將來新建污水處理廠不超過30mg/L。這里的COD是指重鉻酸鉀指數(shù)，而非高錳酸鉀指數(shù)，重鉻酸鉀指數(shù)一般大于高錳酸鉀指數(shù)。七格污水處理廠為已建工程，故取不超過40mg/L為排污口COD 濃度。七格污水處理廠已有污水處理能力（包括一、二、三期）為日處理污水120萬噸，目前已建成四期處理能力為30萬噸，合計(jì)150萬噸每天，換算成流量為17.36m3/s。上述為本模型七格污水處理廠排污口COD排放流量和濃度設(shè)置參數(shù)。

4八堡船閘下游排污口污染物擴(kuò)散規(guī)律

圖4、5、6分別顯示了枯水小潮、中潮、大潮條件下完整潮周期污染物最大濃度增量分布。最大濃度增量分布顯示了在模擬空間一個(gè)完整潮周期內(nèi)污染物濃度最大變化范圍。最大污染物濃度增量分布顯示了污染物濃度分布隨時(shí)間變化的特征，其空間分布范圍要比平均濃度分布范圍要更廣。圖4顯示了枯水小潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布。相比枯水小潮完整潮周期污染物平均濃度分布，污染物最大濃度增量分布的上游范圍上溯至排污口上游4.7km范圍?？拷盼劭谖廴疚镒畲鬂舛仍隽孔畲?，隨著距離排污口越遠(yuǎn)，污染物最大濃度增量減小。同時(shí)在下游15.5km至22.2km范圍的污染物最大濃度增量出現(xiàn)一個(gè)高峰，顯示出污染物的外移過程。圖4中一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是在排污口附近的污染物最大濃度增量存在向上游擴(kuò)散的趨勢(shì)。這一現(xiàn)象在局部放大圖中看得更為清晰。在該圖中，八堡船閘附近的COD濃度達(dá)到2.1mg/L，該區(qū)域比八堡船閘對(duì)岸以及上游丁壩群的污染物最大濃度增量要高，顯示了在枯水期潮動(dòng)力作用使得污染物上溯的可能性。

圖5顯示了枯水中潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布。相比枯水中潮完整潮周期污染物平均濃度分布和枯水小潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布，枯水中潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布的上游范圍上溯至排污口上游12.5km范圍?？拷盼劭谖廴疚镒畲鬂舛仍隽孔畲?，隨著距離排污口越遠(yuǎn)污染物最大濃度增量減小。同時(shí)在下游10.7km至18.4km范圍的污染物最大濃度增量出現(xiàn)一個(gè)極低值區(qū)域，其值在0附近，而在對(duì)應(yīng)的枯水中潮完整潮周期污染物平均濃度分布中，該區(qū)域值在1.8mg/L附近。這兩者的不同顯示出在該區(qū)域的污染物濃度分布較為穩(wěn)定，污染物濃度分布在潮周期內(nèi)基本不隨時(shí)間變化。在該區(qū)域下游，污染物最大濃度增量開始增加，顯示出污染物的外移過程。相比枯水小潮，圖5中完整潮周期污染物最大濃度增量分布，隨著潮動(dòng)力作用的增強(qiáng)，污染物最大濃度增加范圍也進(jìn)一步上溯。其中，八堡船閘以及上游附近的COD 濃度達(dá)到2.2mg/L，相比枯水小潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布上溯范圍和濃度都相應(yīng)增加，顯示了潮動(dòng)力作用使得污染物上溯的可能性增加。

圖6顯示了枯水大潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布。相比枯水大潮完整潮周期污染物平均濃度分布和枯水中潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布，枯水大潮污染物最大濃度增量分布的上游范圍上溯至排污口上游12.5km范圍。靠近排污口污染物最大濃度增量最大。與枯水中潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布類似之處在于，在下游10.5km至17.4km范圍的污染物最大濃度增量出現(xiàn)一個(gè)極低值區(qū)域，其值在0附近，對(duì)應(yīng)的枯水大潮完整潮周期污染物平均濃度分布中，該區(qū)域值在2.7mg/L附近。其原因與枯水中潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布類似，在于該區(qū)域的污染物濃度分布較為穩(wěn)定，污染物濃度分布在潮周期內(nèi)基本不隨時(shí)間變化。在該區(qū)域下游，污染物最大濃度增量開始增加，顯示出污染物的外移過程，該區(qū)域在大缺口附近出現(xiàn)局部最大值。相比枯水小潮和中潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布，圖中污染物上溯現(xiàn)象更為顯著。此時(shí)，污染物的最大濃度增加在排污口上游比下游還大。說明隨著潮動(dòng)力作用的增強(qiáng)，污染物最大濃度增加范圍上溯更為顯著。其中，八堡船閘以及上游整體丁壩群附近的COD濃度達(dá)到2.5mg/L，相比枯水小潮和中潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布上溯范圍和濃度都相應(yīng)增加，突出顯示了潮動(dòng)力在污染物上溯過程中的重要作用。

5結(jié)論

在枯水條件下八堡船閘下游排污口污染物具有上溯的可能性。事故濃度下，枯水小潮時(shí)，污染物上溯的最遠(yuǎn)距離為排污口上游4.7 km范圍，下游15.5km至22.2km范圍的污染物最大濃度增量出現(xiàn)一個(gè)高峰;枯水中潮時(shí)，污染物最上溯至排污口上游12.5km范圍，下游10.7km至18.4km范圍的污染物出現(xiàn)峰值;枯水大潮時(shí)，污染物最上溯至排污口上游12.5km范圍，在下游10.5km至17.4km范圍的污染物最大濃度。八堡船閘后期管理運(yùn)行過程中，應(yīng)考慮下游排污口污染物上溯的影響，制定對(duì)應(yīng)的應(yīng)急處理措施。

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