趙 海,王志平,顧?？?/p>

(1.富陽市水利水電局,浙江 富陽 311400;2.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

江南新城位于富陽市富春江南岸,杭千高速公路以北,包括春江街道、大源鎮(zhèn)和靈橋鎮(zhèn)3個鎮(zhèn)(街道)部分行政范圍區(qū)域,面積為38.2 km2。影響江南新城水環(huán)境的水系有富春江、洋浦江、大源溪、小源溪和中心渠、紅渠等排水渠道。近年來由于江南新城的造紙業(yè)快速發(fā)展,水質趨于惡化,再加上規(guī)劃的截污納管和污水處理廠未全部實施到位,現(xiàn)狀一部分未截污納管的工業(yè)廢水、污水處理廠排放的尾水及生活污水通過管渠分別排入永濟浦、中心渠、紅渠、洋浦江、大源溪及小源溪等河流,最終流入富春江(見圖1)。為了改善江南新城的水環(huán)境,擬采用MIKE11 AD模型對江南新城片水環(huán)境進行分析研究,確定合理的引水方案。

圖1 江南新城水系圖

2 現(xiàn)狀水系水質

江南新城區(qū)域內水系——富春江、洋浦江和大源溪均有水質監(jiān)測站點,監(jiān)測項目有pH、總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、生化需氧量等,監(jiān)測周期為每年的豐水期、平水期和枯水期。

富春江富陽段年過境水量為336億m3,自凈能力較強,現(xiàn)狀水質較好,每年水質監(jiān)測各項指標年均值均達到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》II類水質標準。

大源溪監(jiān)測斷面位于靈橋鎮(zhèn),主要監(jiān)測項目為高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、總磷、溶解氧。監(jiān)測結果表明,近幾年大源溪的常年水質污染較重,屬于V類水質。

中心渠水質監(jiān)測項目為pH、氨氮、CODcr和五日生化需氧量,逢單月監(jiān)測。中心渠水質非常差,歷次監(jiān)測結果均為劣V類水質,CODcr和BOD5超標嚴重,其中BOD5的超標準污染系數(shù)最高。

本文的MIKE11 AD模型采用污染系數(shù)最高的2010年BOD5污染物年平均值進行分析計算。2010年各水系BOD5污染物年均值監(jiān)測結果見表1。

表1 2010年水系BOD5污染物監(jiān)測年平均值表

3 污水規(guī)模及濃度

江南新城現(xiàn)狀污水來源主要為未截污納管的生活污水、造紙企業(yè)的工業(yè)污水、農(nóng)業(yè)面源污染、底泥污染和污水處理廠的尾水等。

江南新城范圍內現(xiàn)有3座污水處理廠,其中春南污水處理廠規(guī)模為25.0萬m3/d,八一污水處理廠規(guī)模為15.0萬m3/d,新盈嘉水務有限公司規(guī)模為15.0萬m3/d。大源污水處理廠目前正在建設中,規(guī)模為10.0萬m3/d。

現(xiàn)狀截污納管率,除八一污水處理廠處理范圍的截污納管率為95%,其余區(qū)塊只有80%,遠期規(guī)劃整個江南新城截污納管率達100%。近期污水總量79.4萬m3/d,遠期由于富陽市造紙產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的優(yōu)化調整,污水排放總量減少到65.0萬m3/d。污水處理規(guī)模匯總見表2。

表2 污水處理規(guī)模表 萬m3/d

對本文模型計算起主要作用的BOD5污染物濃度:未截污納管的生活污水220 mg/L,未經(jīng)過污水處理廠的工業(yè)污水300 mg/L,污水處理廠出來的尾水20 mg/L。模型中初始BOD5污染物濃度分近、遠期考慮(見表3)。

表3 近、遠期模型中初始BOD5污染物濃度表mg/L

4 MIKE11 AD(Advention-Dispersion)模型簡介

MIKE11河流模型采用的是水動力數(shù)學模型 (HD),該模型可以根據(jù)不同地區(qū)的水流條件及亞臨界水流,對從陡峭山區(qū)性河流到感潮河口的各種垂向均質水流條件進行模擬。MIKE11 AD模塊是基于MIKE11 HD對物質在水體中對流擴散過程的模擬,該模型考慮污染物的對流擴散與線性降解,是一種簡單的水質模型。其基本方程為:

式中:C為污染物濃度,mg/L;D為污染物彌散系數(shù);A為斷面過水面積,m2;Q為流量,m3/s;K為降解系數(shù),s-1;C2為污染物的點源濃度,mg/L;q為污染物的點源流量,m3/s;x為空間步長,m;t為時間步長,s[1-2]。

5 MIKE11 AD模型計算

5.1 模型的建立

影響江南新城水環(huán)境的主要水系有富春江、洋浦江、大源溪和中心渠等排水渠道,由于中心渠作為附近各造紙廠集中輸往春南污水處理廠的排污渠,水質很差,BOD5污染物濃度是大源溪的33倍。故現(xiàn)狀在連通大源溪的溝渠上設有水閘(模型矩形框表示水閘)。江南新城MIKE11 AD模型水系概化見圖2[3]。

圖2 江南新城MIKE11 AD模型水系概化圖

5.2 水質改善方案計算分析

為改善江南新城的水環(huán)境,在截污納管、清除底泥和減少面源污染等工程措施的基礎上,不引水方案,用模型計算分析水環(huán)境改善效果;引水方案,用模型計算分析改善水環(huán)境達到目標水質所需的最佳引水流量。

5.2.1 引水路線

江南新城地勢平坦,各水系相互連通,使得從江南新城西側富春江上游引優(yōu)質水,經(jīng)江南新城,沖淡、稀釋和凈化江南新城范圍內水環(huán)境惡化的水體,再排入江南新城東側富春江下游,最終經(jīng)富春江使江水稀釋和凈化成為可能。具體線路是從富春江抽水入洋浦,向東輸水,進入中心渠、新震龍浦、南浦、新縱浦、永濟浦和沙田浦,向東經(jīng)西閘排澇站和震龍排澇站入大源溪,再匯入富春江,向北經(jīng)永濟排澇站和南浦排澇站入富春江。

5.2.2 改善水質目標

現(xiàn)狀江南新城片內水系水質不符合其水環(huán)境功能要求,根據(jù)江南新城各水系功能區(qū)的劃分及現(xiàn)狀水質條件,本文改善江南新城大源溪片水環(huán)境的水質目標為Ⅲ類,BOD5濃度為4.00 mg/L;改善中心渠片水環(huán)境的水質目標分2步:近期Ⅴ類,BOD5濃度為10.00 mg/L;遠期Ⅲ類,BOD5濃度為4.00 mg/L。

5.2.3 水質改善分析方案

根據(jù)是否引水,分為引水和不引水。引水方案,根據(jù)時間分為近期引水、遠期引水。分析各方案對江南新城水環(huán)境的改善效果,確定最優(yōu)的引水方案。BOD5綜合衰減系數(shù) K1=0.65/d。各方案見表4。

5.2.4 水環(huán)境改善效果分析

根據(jù)上述方案,采用MIKE11 AD模型計算,選取2條江南新城最長且比較重要的水系——中心渠、大源溪,并在其沿程選取代表點,以其水質濃度變化分析該片區(qū)的水環(huán)境改善效果。

5.2.4.1 不引水方案

模型計算首先分析在不引水的條件下,近、遠期水質改善效果。模型計算各代表點水質濃度見表5。

表4 水質改善分析方案

表5 不引水方案各代表點BOD5濃度表 mg/L

由表5可見,在不引水情況下,近期采用消減面源污染、清除底泥等工程措施,各渠道、河流水質有一定的改善,但由于污染物排放量的削減力度不夠,各渠道、河流水質遠未能達標,需在此基礎上繼續(xù)加大消減污染物力度和采取工程引水措施;遠期江南新城100%全部截污納管情況下,各渠道、河流水質都能得到明顯改善,大源溪水質甚至可以保持Ⅱ類水質標準,達到功能區(qū)要求。對中心渠的水質改善最明顯,污染物濃度降低至現(xiàn)狀的約1/8,但中心渠因為沒有新鮮水補充,水質很難從根本上改善,且渠道沿岸仍有一些面源污染流入,導致中心渠水質仍未能達到城市景觀Ⅴ類的水質標準。

5.2.4.2 引水方案

不引水情況下,大源溪近期不能滿足水質目標,還是必須采取引水措施,遠期通過100%截污納管、消減40%面源污染和清除底泥,同時有大源溪上游山區(qū)來的溪流,可以保障大源溪的水質達到目標水質。中心渠不論近期、遠期都需要引水。下面采用MIKE11 AD模型計算各種引水流量條件下的關注點水質,確定合理的引水流量。

近期引水,考慮中心渠和大源溪,現(xiàn)狀和目標水質相差較大,計算開始水閘關閉,主要改善中心渠水質,各代表點水質濃度見表6;打開水閘,連通整個江南新城片區(qū),改善整個江南新城的水環(huán)境,各代表點水質濃度見表7。

表6 近期中心渠引水方案各代表點BOD5濃度表(水閘關閉)

由表6可知,水閘關閉,引水對中心渠的改善作用很大,引水流量10 m3/s時,能明顯改善中心渠的水質,將中心渠的BOD5濃度從約120 mg/L降低至約9.20 mg/L,幅度很大,并且達到了中心渠Ⅴ類的目標水質,繼續(xù)加大引水流量至40m3/s時,中心渠水質就能達到Ⅲ類。由于水閘的隔斷,引水對大源溪沒有任何改善。

表7 近期引水方案各代表點BOD5濃度表 (水閘開啟)

由表7可知,近期水閘開啟后,引水流量10 m3/s,中心渠達到Ⅴ類目標水質,水閘的開啟,連通了各水系,使得大源溪的水質反而惡化到Ⅴ類,繼續(xù)加大引水流量至40 m3/s時,整個江南新城片水環(huán)境則全部改善至Ⅲ類目標水質;遠期大源溪靠上游溪流可以達到目標水質,引水主要改善中心渠水質,模型中水閘關閉,模型計算各代表點水質濃度見表8。

表8 遠期中心渠引水方案各代表點BOD5濃度表

由表8可知,從富春江引水流量只需5 m3/s即可將江南新城水質改善至Ⅲ類目標水質,若引水流量加大至10 m3/s,還可以開閘改善大源溪片水環(huán)境。

綜上所述,近期引水,若要將整個江南新城片全部改善至Ⅲ類水質目標,則從富春江引水流量需40 m3/s,顯然不現(xiàn)實,所以采取近期合理引水流量10 m3/s,水閘關閉,只改善中心渠水質,中心渠水質能夠達到Ⅴ類目標水質。遠期引水在100%截污納管的情況下,合理引水流量5 m3/s即可將江南新城水質改善至Ⅲ類目標水質。

6 結語及建議

為改善江南新城片水環(huán)境,采取截污納管、底泥清除、減少面源污染、工程引水等措施都是必須的,而且當截污納管率達到100%時,不需引水,大源溪基本可以維持Ⅲ類水質目標,由此可見截污納管是改善水環(huán)境的根本。

不引水的情況下,大源溪因有上游溪流的補充,近期上游震龍排澇站和遠期整個大源溪水質可達到Ⅲ類水質目標。

通過近期合理引水流量、水閘關閉,先改善中心渠水質,使其達到Ⅴ類目標水質;大源溪水質則維持上游段Ⅲ類,下游Ⅳ類。

模型計算時,對富春江、大源溪和中心渠水質BOD5含量均取年平均值,當水質劣于平均值時,引水效果略差。因此,建議引水流量適當大于計算結果。

[1]王領元.丹麥MIKE11水動力模塊在河網(wǎng)模擬計算中的應用研究 [J].中國水運,2007,7(2):106-107.

[2]伍遠康,盧衛(wèi),應聰惠,等.數(shù)值模擬在配水改善河道水質中的應用 [J].水文,2006,31(3):56-59.

[3]吳益.富陽市江南新城生態(tài)水系規(guī)劃[R].杭州:浙江廣川工程咨詢有限公司,2011.