劉祥棟 ，李吉學(xué) ，王立萍 ，焦 慶

（1.山東省水文水資源勘測局，山東 濟南250014；2.濟寧水文水資源勘測局 ，山東 濟寧 272019）

1 問題的提出

開展排污口設(shè)置及環(huán)境影響的技術(shù)研究是為更好的保護水資源，改善水環(huán)境，促進水資源可持續(xù)利用提供技術(shù)支撐。也是貫徹落實水利部22號令《入河排污口監(jiān)督管理辦法》和水利部水資源〔2005〕79號文《關(guān)于加強入河排污口監(jiān)督管理工作的通知》精神的重要體現(xiàn)。要按照水功能區(qū)的需求確定保護目標，再核定水域納污能力，提出限制排污總量的意見，管理入河排污口，逐步使水域達標。

以王樓礦井項目區(qū)為例，利用丹麥DHI公司的水環(huán)境數(shù)值模擬軟件MIKE11建立了模擬河段的水流水質(zhì)數(shù)值模擬系統(tǒng)，開展排污口設(shè)置及環(huán)境影響的技術(shù)研究。為各級水行政主管部門審批入河排污口設(shè)置方案以及建設(shè)單位合理設(shè)置入河排污口提供科學(xué)依據(jù)。

2 水質(zhì)模型 （MIKE11）的建立

水質(zhì)模型提供一種預(yù)測自然過程和人類活動對河流水庫系統(tǒng)中水的物理特性、化學(xué)特性和生物特性影響的手段，廣泛應(yīng)用于評價來自廢水處理的廢水負荷的影響?；蛘邅碜云渌鞣N點源和非點源污染物負荷的影響。

通過深入分析研究區(qū)域水文氣象、自然地理、河道和水流特性以及水污染的特點，應(yīng)用DHI公司的水環(huán)境數(shù)值模擬軟件MIKE11來建立模擬河段的一維水流水質(zhì)數(shù)值模擬系統(tǒng)。結(jié)合實測河道大斷面資料、2004年和2005年實測水文、水質(zhì)數(shù)據(jù)。應(yīng)用模型參數(shù)自動優(yōu)選方法率定水動力模型和水質(zhì)模型的參數(shù)值，進行模型的率定和驗證工作。

2.1 建立模型

目前，在世界上處理地表水問題的專業(yè)軟件中，Mike11是最受歡迎的一個河流模擬系統(tǒng)。它是DHI20多年經(jīng)驗與開發(fā)的結(jié)晶。以求解圣維南方程組作為理論基礎(chǔ)，并帶有對流擴散，水質(zhì)生態(tài)，泥沙傳輸，降雨徑流，洪水預(yù)報，實時操作及潰壩模擬等多種模塊。主要用于河口、河流、灌溉系統(tǒng)和其他內(nèi)陸水域的水文學(xué)、水力學(xué)、水質(zhì)和泥沙傳輸模擬，在防汛洪水預(yù)報、水資源、水量、水質(zhì)管理、水利工程規(guī)劃設(shè)計論證等方面均可得到廣泛應(yīng)用。

2.1.1 水動力模型

水動力模型所用的描述一維非恒定水流運動規(guī)律的基本方程為圣維南方程組，其數(shù)學(xué)表達式為：

式中：Q為流量；A為斷面面積；q為旁側(cè)入流；h為水深；C為謝才阻力系數(shù)；R為水力半徑；α為動量系數(shù)，一般取值為1。

糙率n也是水流數(shù)學(xué)模型中唯一需要確定的參數(shù)，它主要反應(yīng)了水流、泥沙、河道特性等多種因素的綜合阻力作用。

2.1.2 水質(zhì)模擬

描述物質(zhì)在水體中輸運的一維非恒定流對流擴散基本方程為：

式中：C為模擬水質(zhì)指標濃度；D為擴散系數(shù)；Q為流量；A為斷面面積；K為綜合衰減系數(shù)；C2為源匯項濃度；q為旁側(cè)入流。

水質(zhì)方程中需要確定的參數(shù)有兩個：擴散系數(shù)D和綜合衰減系數(shù)K。擴散系數(shù)是反應(yīng)河流縱向混合特性的重要參數(shù)，它主要受水流條件、斷面特征及河道形態(tài)等因素的影響。污染物綜合衰減系數(shù)是對污染物在水體中物理、化學(xué)和生化反應(yīng)過程的一個綜合描述，包括了河道自凈、沉降、吸附等復(fù)雜的反應(yīng)過程。

2.2 水流水質(zhì)模擬模型計算單元概化和模型輸入

一維水流、水質(zhì)基本方程加上實際河流的邊界情況，即構(gòu)成了研究河段的數(shù)值模擬系統(tǒng)。對于此次研究的洙趙新河梁山閘以下至南陽湖入口河段，總長度為24km，考慮到在入湖口上游500m處建有劉官屯控制閘，人為調(diào)控著洙趙新河與南陽湖的水流連通關(guān)系，建立的一維水流水質(zhì)數(shù)值模擬模型的模擬范圍為梁山閘下至劉官屯閘位置，總模擬河段長23.5km。利用收集到的26個實測大斷面資料，對模擬河段進行水下地形的數(shù)值概化，河道縱向空間計算步長為500m；采用有限差分法，對水流、水質(zhì)基本方程進行離散求解。

上邊界：采用梁山閘處實測水質(zhì)數(shù)據(jù)和梁山閘下泄流量。

下邊界：水質(zhì)下邊界設(shè)定與劉官屯閘運用情e況有關(guān)。劉官屯閘關(guān)閉時，流量為0，水質(zhì)濃度處理為劉官屯閘開啟時，采用南陽湖南陽站水位作為邊界條件，受南陽湖水位頂托作用，水流為雙向流e動，當(dāng)水從洙趙新河流向南陽湖時，水質(zhì)濃度處理為；當(dāng)水從南陽湖流向洙趙新河時，將進入模擬河段的物質(zhì)量加入到下邊界計算斷面上，水質(zhì)濃度處理為C=Cbf+（Cout-Cbf）e-tmix， 式中，Cbf為南陽湖進入洙趙新河的入流濃度，Cout為流向改變前洙趙新河的出流濃度，tmix為流向改變時間。

3 模型參數(shù)率定與驗證

3.1 模型參數(shù)率定

使用2005年3月1日至11月30日實測水流資料和實測水質(zhì)資料進行模型參數(shù)的率定。

通過模型試算，對實測數(shù)據(jù)和模型中的計算值進行對比分析，來率定水質(zhì)模型中的參數(shù)，使兩者擬合最好（見圖1～4）。通過參數(shù)率定，最終確定整個模擬河段內(nèi)糙率取值為n=0.028。擴散系數(shù) D=525m2/s，BOD5綜合衰減系數(shù)K=0.003/h，CODCr綜合衰減系數(shù) K=0.0082/h。

3.2 模型驗證

驗證計算是模型應(yīng)用前必須做的工作，它是驗證模型可用性的重要環(huán)節(jié)。利用率定好的水流、水質(zhì)模型參數(shù)，進行2004年水流、水質(zhì)的數(shù)值模擬，并對比分析模型計算值與實測值。圖2為梁山閘下實測水位與模型計算水位的對比圖，模型計算值較好的擬合了實測值，水流模型參數(shù)取值比較合理，建立的一維水流模型可以應(yīng)用于預(yù)測計算。結(jié)合模型率定成果和驗證情況，在現(xiàn)有資料基礎(chǔ)上，可以認為水質(zhì)模型的參數(shù)取值還是比較合理，可以應(yīng)用于水質(zhì)預(yù)測計算。

圖1 2005年梁山閘下實測水位與計算水位對比圖

圖2 2004年梁山閘下實測水位與計算水位對比圖

圖3 2005年洙趙新河入湖口實測BOD5與計算值對比圖

圖4 2005年洙趙新河入湖口實測CODcr與計算值對比圖

4 水功能區(qū)水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬分析

4.1 水質(zhì)預(yù)測設(shè)定條件

預(yù)測河段上邊界來水流量受梁山閘調(diào)度控制，采用梁山閘1980～2005年26年實測資料進行頻率計算，求得頻率90%的枯水年放水量3535萬m3，并選用最不利典型年1989年的泄流過程。

分別按洙趙新河現(xiàn)狀水質(zhì)條件下和規(guī)劃水質(zhì)條件下的水質(zhì)，進行預(yù)測分析，現(xiàn)狀水質(zhì)采用2004年和2005年實測水質(zhì)的平均值，規(guī)劃水質(zhì)為地表水Ⅲ類水質(zhì)標準限值。

4.2 水質(zhì)預(yù)測方法

考慮南水北調(diào)工程要求，分為調(diào)水期11月～翌年5月和汛期6～10月兩個水期。預(yù)測河段受梁山閘和劉官屯閘兩個節(jié)制閘運用的影響，為受人控制河道，閘門調(diào)度使用對該河段水量影響較大。

在頻率90%枯水年中11月、12月和3月出現(xiàn)了上游梁山閘關(guān)閉沒有下泄水量的情況，同時考慮到冬季1～2月份存在的河道封冰情況，對調(diào)水期間11月～翌年3月采用完全混合水質(zhì)模型來進行水質(zhì)預(yù)測計算，從偏安全角度出發(fā)，不考慮污染物降解作用。

調(diào)水期4～5月份，頻率90%枯水年中梁山閘有少量放水，同時存在農(nóng)業(yè)灌溉用水，模擬河段呈現(xiàn)一定流動狀態(tài)，采用一維非恒定流水質(zhì)模型進行水質(zhì)預(yù)測計算。

汛期6～10月劉官屯閘開啟泄洪放水，洙趙新河與南陽湖連通，一維流動特征比較明顯，采用一維非恒定流水質(zhì)模型進行水質(zhì)預(yù)測計算。

排污條件：排污口作為源項處理，考慮排污口布設(shè)在 距 離 入 湖 口 1km、2km、3km、5km、10km、15km 和20km7種情況；廢污水為連續(xù)均勻排放，排放濃度考慮經(jīng)處理后正常排放濃度和異常未處理污水濃度兩種情況。

4.3 計算工況

根據(jù)南水北調(diào)工程要求，水質(zhì)預(yù)測計算中分為調(diào)水期和汛期兩個水期。按照采用的水質(zhì)預(yù)測計算方法不同，將調(diào)水期分為11月～翌年3月、4～5月兩個時期。在不同計算水期水質(zhì)預(yù)測中，分別考慮河道本底水質(zhì)為現(xiàn)狀水質(zhì)和規(guī)劃水質(zhì)兩種狀態(tài)，排污口布設(shè)在距離入湖口 1、2、3、5、10、15、20km 位置，排污水平為正常排放和事故排放兩種情況，水質(zhì)預(yù)測計算工況組合見表1，共有58種計算工況。

表1 水質(zhì)預(yù)測計算工況組合表

4.4 預(yù)測結(jié)果及分析

根據(jù)上述58種計算工況下，王樓礦井入河排污口設(shè)置從不同水期模擬計算結(jié)果分析，排污口設(shè)置后對洙趙新河水質(zhì)沒有明顯的影響。在正常排污條件下，污染物濃度貢獻率BOD5為0.03mg/L左右，CODcr為0.06mg/L左右。在上游來水符合功能區(qū)地表水Ⅲ類水質(zhì)目標時，在正常排污和事故排污條件下，洙趙新河CODcr和BOD5濃度值均不超過Ⅲ類水標準值，對洙趙新河水功能區(qū)（水域）水質(zhì)、生態(tài)環(huán)境和第三者權(quán)益不會造成影響。

5 結(jié) 語

水污染防治是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及面廣，治理難度大，為確保南水北調(diào)東線工程水質(zhì)達到Ⅲ類水標準，必須加強入河排污口的監(jiān)督管理。要通過法律、行政、經(jīng)濟、技術(shù)和工程等綜合措施，實施以節(jié)水為本，清潔生產(chǎn)，治污為先，配套截污導(dǎo)流、污水資源化和流域綜合整治工程，形成“治理、截流、導(dǎo)流、回用、整治”一體化的治污工程體系，實現(xiàn)污水資源化。

通過首次對排污口設(shè)置及環(huán)境影響的技術(shù)研究解決了南四湖湖西河道長期由于地形復(fù)雜，無法率定參數(shù)，建立水流水質(zhì)模型的難題。解決了投資2.635億元、設(shè)計年生產(chǎn)能力45萬t的王樓礦井入河排污口設(shè)置的難題，既滿足了生產(chǎn)急需，又保護了南四湖的水環(huán)境，并促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟與社會發(fā)展，為山東省排污口設(shè)置管理提供了科學(xué)的技術(shù)方法，促進了入河排污口設(shè)置的規(guī)范化管理，為水資源的可持續(xù)利用提供了科學(xué)依據(jù)。

[1]建設(shè)項目水資源論證導(dǎo)則〔S〕.北京：中國水利水電出版社，2005.

[2]張炎齋,黃永生,賴曉珍等.蚌埠市楊臺子污水處理廠排污口論證報告〔R〕.安徽省蚌埠:淮河水資源保護科學(xué)研究所,2004.