錢小娟，肖玉兵，陳 艷

(江蘇省水文水資源勘測局南通分局，江蘇南通 226006)

長江南通段為感潮河段，受上游地表徑流和潮汐的雙重影響，使得水流流場、污染物濃度場的變化較復(fù)雜，該河段的排污口上下游經(jīng)常形成一定范圍的污染帶，因此對該段水流水質(zhì)的研究只能利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬［1-2］。

筆者運(yùn)用二維非恒定水流水質(zhì)耦合模型，對典型水文條件下長江南通段觀音山污水處理廠、開發(fā)區(qū)第一污水處理廠大型尾水入江整合排污口大小潮期間污染物COD 的濃度場變化規(guī)律進(jìn)行研究，為該江段的退水影響預(yù)測提供技術(shù)依據(jù)。

1 水量、水質(zhì)模型的建立

1.1 控制方程組

長江南通段江面開闊，水面寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其水深，根據(jù)水環(huán)境特征選用平面二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，描述平面二維水深平均非恒定淺水方程組如下［3］:

a. 連續(xù)性方程

b. 動(dòng)量方程

c. 水質(zhì)輸運(yùn)方程

式中:h 為水深;u，v 分別x，y 向垂線平均水平流速分量;ρi為i 處污染物質(zhì)量濃度;g 為重力加速度;s0x，s0y分別為x，y 向的河底底坡;sfx，sfy分別為x，y 向的摩阻底坡;Dix，Diy分別為x，y 向污染物擴(kuò)散系數(shù);K 為污染物降解系數(shù);Si為污染物源匯項(xiàng)。

1.2 初始條件及邊界條件

1.2.1 初始條件

初始條件為u = u0，v = v0，z = z0(z 為水面高程)，ρ=ρ0。

1.2.2 邊界條件

流量及水位邊界條件:上邊界給定為流量過程，下邊界給定為水位過程。

1.3 模型參數(shù)的選擇

模型參數(shù)的選擇參照長江南通段的參數(shù)率定驗(yàn)證結(jié)果，模型糙率選值范圍為0.018 ～0.025［4］，深槽糙率小于淺灘糙率。COD 降解系數(shù)為KCOD=0.2/d［5］，縱向及橫向擴(kuò)散系數(shù)分別取為Dix=60 m2/s，Diy=0.6 m2/s［6］。

1.4 模型的建立與驗(yàn)證

模型采用有限體積法離散微分方程進(jìn)行數(shù)值模擬［7-8］。為了驗(yàn)證模型的可靠性，筆者對長江南通段自2009 年9 月3—5 日大潮和2009 年9 月10—12日小潮過程進(jìn)行了模擬。該段屬非穩(wěn)態(tài)強(qiáng)潮汐河段，模型的上邊界選于天生港附近，下邊界選于新江海河河口附近，計(jì)算區(qū)域長約44 km，概化為9 152個(gè)網(wǎng)格，9 471 節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格單元的邊長一般為120 m，時(shí)間步長為2 s，利用實(shí)測潮位資料作為邊界條件。

圖1 長江南通段大潮漲、落急流場分布

圖2 徐六涇潮位驗(yàn)證結(jié)果

圖3 流速驗(yàn)證結(jié)果

文中分別對大小潮漲急、落急2 個(gè)時(shí)刻特征進(jìn)行水流模擬，大潮模擬流場見圖1，潮位和流速驗(yàn)證分別為圖2 和圖3 所示。由圖2 可以看出:水位率定誤差小于0.1 m 的占80%，僅個(gè)別誤差超過0.25 m;由圖3 可以看出:流速驗(yàn)證的誤差小于0.1 m/s 的占70%，除個(gè)別點(diǎn)和時(shí)刻外，其平均誤差小于20%。驗(yàn)證結(jié)果表明，流場空間分布基本合理，潮位過程線及流速驗(yàn)證精度較高，說明該模型能夠較好地模擬實(shí)際水流情況。

2 整合排污口概況

由于南通市給水和排水規(guī)劃缺乏銜接并且規(guī)劃相對滯后，使得長江南通段的取水口和排水口布局不合理，最突出的問題表現(xiàn)在長江南通狼山—老洪港飲用水水源、景觀娛樂用水區(qū)內(nèi)既有狼山水廠、洪港水廠兩區(qū)域水廠取水口，還分布著觀音山污水處理廠和開發(fā)區(qū)第一污水處理廠兩個(gè)大型入江排污口，影響了水源地的供水水質(zhì)。狼山水廠、洪港水廠現(xiàn)狀供水規(guī)模為120 萬t/d，近期2015 年總?cè)∷?guī)模為200 萬t/d，是南通市的主要供水水源;而觀音山污水處理廠近期尾水排放規(guī)模為5.5 萬t/d，距離下游洪港水廠取水口4.2 km，位于洪港水廠取水口的準(zhǔn)保護(hù)區(qū)內(nèi)。另一個(gè)開發(fā)區(qū)污水處理廠近期尾水排放規(guī)模為10.3 萬t/d，距離下游洪港水廠取水口2.5 km，并在其取水口二級(jí)保護(hù)區(qū)的范圍內(nèi)。針對這一不合理情況，為加強(qiáng)飲用水水源地保護(hù)，保障供水安全，南通市人民政府決定將上述兩大排污口整合搬遷至下游長江南通第二開發(fā)區(qū)工業(yè)用水區(qū)內(nèi)。觀音山污水處理廠、開發(fā)區(qū)第一污水處理廠整合排污口位置示意圖見圖4。

3 整合排污口尾水排放的影響分析

3.1 尾水排放源強(qiáng)的確定

觀音山污水處理廠、開發(fā)區(qū)第一污水處理廠整合排污口設(shè)置于南通開發(fā)區(qū)的水山碼頭下游附近，排放口距岸邊約1300 m，-8 m 等深線(85 高程)。正常排放工況下，污染物排放初始源強(qiáng)為15.8 萬t/d，ρ(COD)排放質(zhì)量濃度為50 mg/L。

假設(shè)事故工況時(shí)，由于觀音山污水處理廠和開發(fā)區(qū)第一污水處理廠分開運(yùn)行，一般不會(huì)同時(shí)造成事故，因此典型事故排放源強(qiáng)按照設(shè)計(jì)進(jìn)水質(zhì)量濃度和進(jìn)水量計(jì)算，選擇兩個(gè)污水處理廠中污染物排放量大的源強(qiáng)計(jì)算。開發(fā)區(qū)第一污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模比觀音山污水處理廠要大，因此事故排放源強(qiáng)以開發(fā)區(qū)第一污水處理廠的事故排放量來計(jì)，即事故排放工況下，污染物初始排放源強(qiáng)為10.3 萬t/d，ρ(COD)排放質(zhì)量濃度為500 mg/L。

3.2 設(shè)計(jì)水文條件的確定

典型年的選取根據(jù)大通站多年實(shí)測最小月平均流量系列，經(jīng)頻率分析計(jì)算得90%保證率的最小月平均流量為7870 m3/s，大通水文站1979 年1 月的平均流量為7 220 m3/s，接近于該流量值。因此確定以1979 年1 月為典型月。選用下游同步潮位過程作為下邊界條件。應(yīng)用一維水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)水文條件的計(jì)算，得到評(píng)價(jià)區(qū)域上、下邊界的水位過程，并以此作為計(jì)算區(qū)域二維水動(dòng)力模擬的邊界條件。

3.3 正常工況時(shí)污染物濃度增量模擬分析

圖4 擬建排污口位置示意圖

計(jì)算區(qū)域由于受上游徑流和下游潮汐的共同作用，水流漲落交替出現(xiàn)，呈明顯的雙向流特征。污染物排入水體后，受到水流的對流和紊動(dòng)擴(kuò)散作用，一方面順著水流方向縱向輸送，一方面向四周橫向擴(kuò)散，在排污口附近形成一擴(kuò)散混合帶，該混合帶隨著流程的增加，經(jīng)過擴(kuò)散和自凈的共同作用，污染物濃度不斷減小。小潮時(shí)由于潮汐動(dòng)力的減弱，河流擴(kuò)散能力變小，污染物較大潮的時(shí)候不易擴(kuò)散。

預(yù)測結(jié)果表明，大潮期間整合排污口COD 質(zhì)量濃度增量大于0.5 mg/L 的分布范圍約為縱向3.94 km、橫向660 m;COD 質(zhì)量濃度增量大于6 mg/L 的混合區(qū)分布范圍約為縱向330 m，橫向120 m。小潮期間COD 質(zhì)量濃度增量大于0.5 mg/L 的分布范圍約為縱向2.97 km，橫向740 m;COD 質(zhì)量濃度增量大于6 mg/L 的混合區(qū)分布范圍約為縱向760 m，橫向350 m?；旌蠀^(qū)內(nèi)COD 的質(zhì)量濃度增量疊加本底值后超出了Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)。

整合排污口距離上游江山農(nóng)化企業(yè)取水口為5.8 km，距離下游蘇通大橋?yàn)?.3 km，正常工況下對江山農(nóng)化取水口的最大質(zhì)量濃度增量為0.03 mg/L，疊加本底值后COD 質(zhì)量濃度為16.03 mg/L，符合Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)要求;對蘇通大橋的最大質(zhì)量濃度增量為0.14 mg/L，疊加本底值后COD 質(zhì)量濃度為12.14 mg/L，符合Ⅱ類水質(zhì)目標(biāo)要求。整合排污口搬遷至下游后距離上游老洪港水廠較遠(yuǎn)，約為9 km，因此在正常情況下不會(huì)對老洪港水廠飲用水水源地的水質(zhì)造成影響。觀音山污水處理廠、開發(fā)區(qū)第一污水處理廠的排污口從長江南通狼山—老洪港飲用水水源、景觀娛樂用水區(qū)內(nèi)整合后搬遷至下游長江南通第二開發(fā)區(qū)工業(yè)用水區(qū)，這將有效改善洪港水廠、狼山水廠取水口的水質(zhì)狀況，符合水功能區(qū)管理要求，具體見表1、圖5。

表1 正常工況下污染因子COD 質(zhì)量濃度增量及擴(kuò)散范圍

3.4 事故工況時(shí)水環(huán)境影響分析

預(yù)測結(jié)果表明，大潮期間整合排污口COD 質(zhì)量濃度增量大于0.5 mg/L 的最大面積為6.23 km2，具體范圍在下游3.53 km 左右，上游影響至2.64 km 左右，縱向跨度約6.17 km，橫向影響范圍在1.58 km以內(nèi);COD 質(zhì)量濃度增量大于10 mg/L 的高濃度區(qū)分布范圍:大潮期間最大為0.95 km2，具體跨度縱向約2.33 km，橫向約540 m。

圖5 大潮期間正常排放時(shí)COD 質(zhì)量濃度增量等值線分布

小潮時(shí)COD 質(zhì)量濃度增量大于0.5 mg/L 的最大面積為4.93 km2，縱向總跨度約5.45 km，橫向影響范圍在1.5 km 以內(nèi)。小潮時(shí)由于水力條件不利于污染物擴(kuò)散，雖然總的污染物擴(kuò)散范圍小于大潮，但在排口附近形成高濃度污染物中心，COD 質(zhì)量濃度增量大于10 mg/L 的高濃度區(qū)分布范圍:小潮期間最大為1.18 km2，具體跨度縱向約2.41 km，橫向約650 m。

事故排放將會(huì)導(dǎo)致大量高濃度污水排入長江，從而嚴(yán)重影響排口上下游水環(huán)境，破壞水生態(tài)系統(tǒng)。因此污水處理廠應(yīng)加強(qiáng)管理，杜絕事故排放，保證污水處理設(shè)施正常運(yùn)行。

4 結(jié) 語

筆者根據(jù)長江南通段的水動(dòng)力、污染物輸移特征，建立了平面二維非穩(wěn)態(tài)水流水質(zhì)耦合模型。模型應(yīng)用無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分計(jì)算區(qū)域，采用有限體積法及黎曼近似解離散控制方程，將二維模擬轉(zhuǎn)化為求解一系列局部一維問題，從而模擬出計(jì)算江段典型水文條件下的水流過程和相應(yīng)的排污口退水污染物輸運(yùn)擴(kuò)散過程。利用實(shí)測資料驗(yàn)證結(jié)果表明，無論是流場的整體形態(tài)，還是驗(yàn)證點(diǎn)的水位、流速都與實(shí)際情況符合較好，模型計(jì)算精度較高。利用該模型可進(jìn)一步預(yù)測排污口退水對環(huán)境影響范圍和程度，為排污口設(shè)置論證、環(huán)境影響評(píng)價(jià)，提供技術(shù)依據(jù)。

采用的四邊形網(wǎng)格適合于淺水方程的計(jì)算，但該網(wǎng)格在河岸附近邊界的貼合不是很好，比較理想網(wǎng)格劃分方案的是在河道主槽應(yīng)用四邊形網(wǎng)格，在河岸附近用三角形網(wǎng)格擬合邊界，因此在今后的計(jì)算研究中可考慮采用四邊形-三角形混合網(wǎng)格。

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