一維水動(dòng)力水質(zhì)模型在入河排污口設(shè)置中的應(yīng)用

王亞芹，仇茂龍，陸一奇

(1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231；2.浙江省錢塘江管理局勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310016；3. 杭州市河道與農(nóng)村水利管理服務(wù)中心，浙江 杭州 310000)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)村城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，污水處理廠的建設(shè)已駛?cè)肓丝燔嚨?，入河排污口設(shè)置的論證工作也顯得愈加重要[1-4]。筆者采用MIKE11軟件中的水動(dòng)力模塊和對(duì)流擴(kuò)散模塊，搭建杭嘉湖區(qū)域及舊館污水處理廠局部河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型，模擬分析舊館污水處理廠入河排污口建設(shè)對(duì)周邊河網(wǎng)水環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)的影響，為排污口設(shè)置論證提供合理的評(píng)價(jià)依據(jù)[5-6]。

1 項(xiàng)目概況

1.1 污水處理廠基本情況

舊館污水處理廠位于湖州市南潯區(qū)舊館鎮(zhèn)三橋村舊館路北側(cè)、織舊路東側(cè)，污水處理總規(guī)模2.5×104m3/d，其中一期規(guī)模1.5×104m3/d，本次論證分析一期規(guī)模。污水預(yù)處理采用格柵+旋流沉砂池+混凝沉淀的工藝，生化處理采用水解酸化-A/A/O+MBR的工藝，深度處理采用次氯酸鈉消毒方案。

1.2 出水標(biāo)準(zhǔn)

水質(zhì)指標(biāo)中COD,NH3-N,TN和TP執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 33/2169—2018)標(biāo)準(zhǔn)限值[7]，其他指標(biāo)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)[8]。

1.3 入河排污口概況

入河排污口設(shè)在頔塘右岸，排污口下游為頔塘與長兜港匯合口。入河排污口尾水排放管采用重力流，排放方式為岸邊排放，排污口排放管底標(biāo)高1.84 m，可防止河水倒灌。

1.4 排入水體概況

入河排污口排入河道為頔塘，根據(jù)采樣檢測(cè),現(xiàn)狀水質(zhì)為Ⅲ類，根據(jù)《浙江省水功能區(qū)水環(huán)境功能區(qū)劃分方案(2015)》，所在水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)為Ⅲ類。

2 入河排污口設(shè)置論證

2.1 論證范圍

入河排污口位于杭嘉湖平原河網(wǎng)區(qū)域，所在區(qū)域全年水流自西向東為主，洪水期自南向北，枯水期太湖回水自北向南。平原河道水流流速較低，污水處理廠排放污水對(duì)周邊河道水質(zhì)影響較大，論證區(qū)域考慮污水處理廠附近可能產(chǎn)生影響的河流水系。確定論證范圍涵蓋舊館鎮(zhèn)及南潯城區(qū)的主要河道，包括頔塘、羅溇和幻溇等河道(圖1)，頔塘南北約4.5 km，總面積約70 km2。

圖1 入河排污口設(shè)置論證范圍示意圖

2.2 區(qū)域納污能力分析

區(qū)域納污能力計(jì)算選取控制指標(biāo)COD,NH3-N和TP。概化排污口在水功能區(qū)的分布，認(rèn)為污染物排放沿河均勻分布，對(duì)某一河流小范圍內(nèi)存在偏差，但綜合反映了區(qū)域河網(wǎng)污染物排放的平均狀態(tài)[9-10]。計(jì)算公式[11]為

式中：W河網(wǎng)為整個(gè)河網(wǎng)的剩余納污能力，t/年；W功能區(qū)為功能區(qū)納污能力，t/年；V河網(wǎng)為功能區(qū)河段槽蓄量，m3；Q0為進(jìn)口斷面的入流流量，m3/s；Cs為水體目標(biāo)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L；C0為進(jìn)口斷面水質(zhì)濃度，mg/L；q為旁側(cè)入流流量，m3/s；V河網(wǎng)為設(shè)計(jì)水文條件下整個(gè)河網(wǎng)槽蓄量，m3；k為污染物綜合衰減系數(shù)，d-1；l為功能區(qū)河長，m；L河網(wǎng)為河網(wǎng)總河長，m。

2.2.1 污染物綜合衰減系數(shù)

本次論證污染物綜合衰減系數(shù)借鑒杭嘉湖平原地區(qū)以往的工作和研究成果[12-13]，在《浙江省太湖流域水環(huán)境綜合治理引排工程對(duì)改善杭嘉湖水環(huán)境作用分析》中COD，NH3-N和TP的綜合衰減系數(shù)取值0.072 d-1，作為論證借用成果。

2.2.2 計(jì)算水位確定

頔塘河流設(shè)有三里橋、南潯水文站，根據(jù)兩站1991—2016年實(shí)測(cè)水位系列，得到該區(qū)多年平均水位為1.27 m。對(duì)三里橋站、南潯站歷年最低水位排頻，得到90%年最低水位分別為0.66，0.58 m。入河排污口位于兩站中間，故多年平均水位為1.27 m，90%年最低水位為0.62 m。

2.2.3 河網(wǎng)計(jì)算容積的確定

水體容積計(jì)算河道斷面采用區(qū)域最新水域調(diào)查實(shí)測(cè)成果，計(jì)算方法為

式中：V為設(shè)計(jì)水位下的河網(wǎng)水體容積，m3；Vi為第i河段水體容積m3；DLi為上下游斷面間距，m；Ai為上下游平均過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Dxi,j為斷面測(cè)點(diǎn)距，m；hi,j為設(shè)計(jì)水位下的斷面各測(cè)點(diǎn)水深，m。

2.2.4 納污能力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，論證區(qū)域在90%保證率水位條件下，COD現(xiàn)狀納污能力為4 675.37 t/年，NH3-N現(xiàn)狀納污能力為385.28 t/年，TP現(xiàn)狀納污能力為16.36 t/年。根據(jù)調(diào)查，論證區(qū)域現(xiàn)狀COD，NH3-N和TP入河總量分別為2926.79，292.71，10.15 t/年，包括湖州南潯振潯污水處理有限公司入河排污口、湖州中環(huán)水務(wù)有限責(zé)任公司入河排污口、湖州金潔水務(wù)股份有限公司入河排污口、湖州巨力鋁型材料有限公司入河排污口、湖州恒溢食品加工有限公司入河排污口、湖州尼邦鋁業(yè)有限公司入河排污口6個(gè)主要排污口。

舊館污水處理廠建成后，污水排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 33/2169—2018)，本次設(shè)計(jì)污水排放量為1.5×104t/d，各污染物新增排放量分別為164.25，11.61，1.64 t/年。因此，在90%保證率的水位條件下，論證區(qū)域各指標(biāo)現(xiàn)狀剩余納污能力COD為1 584.33 t/年，NH3-N為80.96 t/年，TP為4.57 t/年。

2.3 對(duì)水質(zhì)影響分析

2.3.1 計(jì)算方法和模型

采用MIKE11軟件搭建南潯區(qū)及周邊河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型，模擬分析舊館污水處理廠工程建設(shè)對(duì)周邊水質(zhì)的影響[14-21]。

一維水動(dòng)力學(xué)模型控制方程為Saint-Venant方程組，即

式中：x為空間坐標(biāo)，m；t為時(shí)間坐標(biāo)，s；Q為斷面流量，m3/s；A為過流斷面面積，m2；q為旁側(cè)入流單寬流量，m2/s；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；α為動(dòng)量校正系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；Z為對(duì)應(yīng)河流斷面位置的水位，m。

水質(zhì)控制方程為一維對(duì)流擴(kuò)散方程：

式中：C為物質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L；C2為源/匯質(zhì)量濃度，mg/L；K為衰減系數(shù)，d-1；D為縱向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

2.3.2 河網(wǎng)概化

本次局部一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型涵蓋了舊館污水處理廠周邊的主要河道。模擬的河道主要有頔塘、羅溇港、南橫塘、幻溇港、湯溇港和雙林塘等74條。模型計(jì)算采用斷面426個(gè)，涉及水閘、泵站36座。

2.3.3 邊界條件

本次一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型考慮了水位、流量和水質(zhì)3種邊界屬性。模型驗(yàn)證計(jì)算選擇2014年該地區(qū)的實(shí)測(cè)水文條件。

1) 水動(dòng)力邊界

西面為湖州船閘2014年實(shí)測(cè)逐日流量過程；西南面為雙林站和烏鎮(zhèn)站2014年實(shí)測(cè)逐日水位過程；東面為平望站2014年實(shí)測(cè)逐日水位過程。平原產(chǎn)水量根據(jù)2014年的降雨、蒸發(fā)資料及不同地類面積(水面、水田、旱地、其他)，采用不同方法推求。

2) 水質(zhì)邊界

水質(zhì)分析指標(biāo)選取COD和NH3-N，分別采用三里橋站、平望站、重兆大橋站和練市站4個(gè)站點(diǎn)，2014年實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)。

2.3.4 污染源概化

污染源考慮點(diǎn)源和面源污染。點(diǎn)源污染包括6個(gè)排污口，其中3個(gè)為污水處理廠，3個(gè)為生產(chǎn)企業(yè)。面源污染通過降雨徑流聚集的污染物匯入水系，覆蓋范圍包括整個(gè)計(jì)算區(qū)域的河網(wǎng)，降雨資料通過當(dāng)?shù)氐乃臏y(cè)站獲取。

2.3.5 水動(dòng)力模型驗(yàn)證

選取頔塘上的南潯站水位過程作為驗(yàn)證對(duì)象，局部河網(wǎng)水動(dòng)力模型驗(yàn)證結(jié)果見圖2。由圖2可見:模型計(jì)算的水位過程和峰值均與實(shí)測(cè)值相符，表明建立的局部河網(wǎng)模型概化和參數(shù)選取基本合理。

圖2 2014年南潯站水位過程驗(yàn)證

2.3.6 水質(zhì)模型驗(yàn)證

以COD和NH3-N為分析指標(biāo)，模擬南潯河網(wǎng)2014年全年COD和NH3-N質(zhì)量濃度的變化情況。選取舊館斷面實(shí)測(cè)污染物濃度數(shù)據(jù)，與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見圖3—圖4。模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，說明模型參數(shù)設(shè)置基本合理。

圖3 舊館斷面COD實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

圖4 舊館斷面NH3-N實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

2.3.7 水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)確定3個(gè)計(jì)算方案，分別是工程實(shí)施前正常排放、工程實(shí)施后正常排放、工程實(shí)施后事故排放。

模型計(jì)算邊界考慮如下：水質(zhì)考慮頔塘現(xiàn)狀水質(zhì)為Ⅲ類，確定COD為17.5 mg/L，NH3-N為0.75 mg/L；流量根據(jù)潯溪大橋站2001—2017年長系列流量資料，歷年月最小流量，采用P-Ⅲ型頻率曲線適線得到頻率90%的年最小流量為17.6 m3/s；水位采用1991—2016年雙林站、菱湖站、烏鎮(zhèn)站和南潯站4個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)水位系列，適線得到90%年最低水位分別為0.62，0.65，0.55 m和0.58 m。

根據(jù)計(jì)算得出頔塘各斷面污染物濃度，最終得到頔塘在工程建設(shè)前后的水質(zhì)變化，見圖5—圖6。

圖5 頔塘沿線COD質(zhì)量濃度變化情況

圖6 頔塘沿線NH3-N質(zhì)量濃度變化情況

根據(jù)分析，入河排污口正常排放工況下，頔塘沿程COD質(zhì)量濃度增加影響至排污口上游3 317 m，增加0.01 mg/L；COD增量最大在排污口下游2 396 m，質(zhì)量濃度增加1.94 mg/L，增幅15.41%。頔塘沿程N(yùn)H3-N質(zhì)量濃度增加影響至排污口上游2 812 m，增加0.02 mg/L；NH3-N增量最大在排污口下游1 237 m，濃度增加0.05 mg/L，增幅7.35%。入河排污口排放存在事故排放，即管道破損或污水處理系統(tǒng)未能正常運(yùn)行導(dǎo)致超標(biāo)排放的情況。在事故工況下，污水處理廠的污水排放濃度高于正常工況。事故排放與工程實(shí)施前相比，頔塘沿程COD質(zhì)量濃度增加影響至排污口上游3 317 m，增加0.01 mg/L；COD增量最大在排污口下游390 m，濃度增加20.49 mg/L，增幅達(dá)到1.12倍。頔塘沿程N(yùn)H3-N質(zhì)量濃度增加影響至排污口上游2 812 m，增加0.85 mg/L；NH3-N增量最大在排污口下游390 m，增加1.91 mg/L，增幅達(dá)到2.25倍。

綜上，在現(xiàn)舊館鎮(zhèn)污水處理廠未建時(shí)，由于中環(huán)水務(wù)排污口的設(shè)置,頔塘(羅溇至幻溇段)水質(zhì)指標(biāo)值相對(duì)處于較高的狀態(tài)。本次工程建成后，入河排污口正常排放對(duì)頔塘沿程水質(zhì)影響較小，事故工況下，由于排放水質(zhì)明顯高于排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)頔塘(羅溇至幻溇段)沿程水質(zhì)影響較為明顯。

3 結(jié) 論

筆者采用MIKE11水動(dòng)力水質(zhì)模型，模擬舊館污水處理廠入河排污口排放污水中COD和NH3-N典型污染物在河網(wǎng)中的擴(kuò)散演變情況，分析入河污染物對(duì)論證范圍內(nèi)水質(zhì)的影響程度和范圍。計(jì)算模型驗(yàn)證和率定均采用實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)和水位數(shù)據(jù)，保證模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。得到結(jié)果顯示在正常排放工況下，入河排污口對(duì)河道沿線水質(zhì)的影響有限，水質(zhì)保持在Ⅲ類；事故工況下，對(duì)河道沿線水質(zhì)影響較大，建議加強(qiáng)工程運(yùn)行管理，建立應(yīng)急預(yù)案，避免事故工況的發(fā)生。本次應(yīng)用表明；MIKE11水動(dòng)力水質(zhì)模型對(duì)污染物在河道水體中的擴(kuò)散模擬具有較強(qiáng)的適用性，能夠較為準(zhǔn)確地反映水體中污染物的擴(kuò)散和演變趨勢(shì)，可以作為入河排污口設(shè)置論證中水質(zhì)影響分析的依據(jù)。