楊倩何磊喻懷義郭濤

（1廣州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 廣東廣州 510620 2廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東廣州 510510）

1 前言

1.1 肇慶高新區(qū)發(fā)展?fàn)顩r

肇慶國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)（以下簡(jiǎn)稱“高新區(qū)”）設(shè)立于1998年，2010年9月，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)成功升級(jí)為國(guó)家級(jí)高新區(qū)?！笆晃濉逼陂g，高新區(qū)實(shí)現(xiàn)從省級(jí)產(chǎn)業(yè)園區(qū)到國(guó)家級(jí)高新區(qū)的升級(jí)轉(zhuǎn)型，園區(qū)經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷增強(qiáng)，切實(shí)建設(shè)有效的污染治理設(shè)施、提高水體自凈能力、做好環(huán)境管理工作十分必要。

1.2 高新區(qū)納污水體狀況

高新區(qū)處于東面北江與南面綏江交匯處，區(qū)內(nèi)河網(wǎng)水系包括區(qū)內(nèi)唯一一條河流獨(dú)水河，以及人工建造的北主排渠、北二支排渠、東排渠、長(zhǎng)岸排渠等，均是自北呈放射狀流向轄區(qū)南端，注入北江和綏江匯合處，其中東排渠是高新區(qū)內(nèi)最主要的納污水體。

目前，東排渠水質(zhì)僅為劣Ⅴ類，COD和氨氮是主要污染物，水質(zhì)較差的主要原因是：①區(qū)內(nèi)污水集中處理系統(tǒng)建設(shè)相對(duì)滯后，污水管網(wǎng)不能正常運(yùn)行，長(zhǎng)期的生活污水、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等污水缺乏集中有效的處理。②北江正常水位較低，江水不能自然流入?yún)^(qū)內(nèi)排渠，加上龍湖水庫(kù)庫(kù)容近年縮減明顯，水量不足，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)排渠常年處于少水或無(wú)水狀態(tài)，排渠水環(huán)境容量小，水體自凈功能下降。

1.3 高新區(qū)未來(lái)排污格局

根據(jù)高新區(qū)總體規(guī)劃，區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)產(chǎn)值比例將逐步下降，農(nóng)業(yè)源污染將大大將少，隨著人口和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)和生活污染產(chǎn)生隨之增長(zhǎng)，因此工業(yè)源和生活源是高新區(qū)水污染主要來(lái)源。到2020年，高新區(qū)擬建成南北污水處理系統(tǒng)，主要收集處理全區(qū)工業(yè)與生活污水，主要以將軍大街為界，南部第一污水處理廠與北部第二污水處理廠分別收集處理南部和北部地區(qū)的污水，如圖1。兩污水處理廠尾水排至東排渠。

根據(jù)高新區(qū)未來(lái)人口增長(zhǎng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，推算出第一和第二污水處理廠到2020年污水處理規(guī)模分別為7萬(wàn)t/天和5萬(wàn)t/天。由于未來(lái)高新區(qū)污水處理系統(tǒng)覆蓋全區(qū)，排水系統(tǒng)完善，面源污染大大減少，因此本研究在排污格局上主要考慮兩污水廠的污染排放。

圖1 高新區(qū)污水處理廠分布圖

1.4 研究意義

為改善水環(huán)境質(zhì)量，高新區(qū)著力加快污水處理設(shè)施建設(shè)并規(guī)劃開(kāi)展必要的補(bǔ)水調(diào)水工程，在污水能集中處理并達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上，擬以北江水作引水補(bǔ)水水源，提高東排渠納污能力，對(duì)高新區(qū)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展有著重大意義。因此，本文擬對(duì)東排渠需要的補(bǔ)水量進(jìn)行初步探索和研究，為開(kāi)展補(bǔ)水工程建設(shè)和相關(guān)管理、決策工作提供參考建議。

在工作實(shí)踐中，對(duì)于較為細(xì)小或偏遠(yuǎn)的河流，往往缺乏水文監(jiān)測(cè)站，也缺乏完整歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，只了解部分水文情況，而重新開(kāi)展監(jiān)測(cè)在時(shí)間上或經(jīng)費(fèi)上不允許，在此條件下要精確建模計(jì)算則非常困難。本文采用了基于excel的河道需水量初步試算法，該方法適用于日常管理中需要初步或粗略而快速地了解河道大概需水量的情況，尤其對(duì)河網(wǎng)關(guān)系相對(duì)簡(jiǎn)單的非感潮河流，在缺乏水文、地形數(shù)據(jù)資料且暫沒(méi)有條件開(kāi)展相關(guān)監(jiān)測(cè)工作，未能建立精確的水環(huán)境模型的條件下，該方法顯得較為簡(jiǎn)便、快捷。

2 東排渠水環(huán)境容量計(jì)算

水環(huán)境容量是指某一水環(huán)境單元在特定的環(huán)境目標(biāo)下所能容納的污染物的最大負(fù)荷，其大小與水體特征、水質(zhì)目標(biāo)及污染物特性有關(guān)[1,2]。本文通過(guò)東排渠水環(huán)境容量計(jì)算，初步分析東排渠水環(huán)境容量特點(diǎn)和補(bǔ)水的必要性。

2.1 計(jì)算模式

東排渠為細(xì)長(zhǎng)單向河流，可采用結(jié)合不均勻系數(shù)的流量法對(duì)水環(huán)境容量進(jìn)行簡(jiǎn)單估算，計(jì)算公式如下：

式中：α——不均勻系數(shù)，東排渠較窄，河寬15～30m，本文參考于雷等[3]研究結(jié)果，對(duì)河寬小于55m的河流不均勻系數(shù)取1，即不進(jìn)行不均勻系數(shù)修正；W——水環(huán)境容量，t/a；Cs——控制斷面水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L，水質(zhì)目標(biāo)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)；Q——河水流量，m3/s，采用 90%保證率最枯月平均流量（東排渠通過(guò)龍王廟水庫(kù)的興利調(diào)節(jié)，可以達(dá)到1.55 m3/s）；CR——上游斷面污染物濃度，mg/L，上游來(lái)水濃度執(zhí)行Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)；k——污染物降解系數(shù)，1/d，COD和氨氮分別取0.15和0.08；u——斷面平均流速，m/s，根據(jù)流速與流量的關(guān)系進(jìn)行估算；x——上、下斷面間的距離，m，本文主要考慮東排渠上游至匯入獨(dú)水河閘口處長(zhǎng)約12公里的河段。

2.2 流速與流量關(guān)系響應(yīng)推導(dǎo)

在實(shí)際應(yīng)用中，模型計(jì)算往往缺乏研究所采用流量對(duì)應(yīng)的流速數(shù)據(jù)，而本實(shí)例同樣是水文數(shù)據(jù)缺乏，且僅已知流量一項(xiàng)，數(shù)據(jù)條件不足，本文就現(xiàn)有條件推導(dǎo)流速與流量的近似關(guān)系以作流速近似估算。根據(jù)謝才公式其中c是謝才系數(shù)為水力半徑，n是糙率，i是坡降），以及在一定條件下，流速是流量的函數(shù)，因此可根據(jù)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行流速的近似估算，簡(jiǎn)單推導(dǎo)如下：

2.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上模式計(jì)算東排渠水環(huán)境容量：COD是933.73噸/年，氨氮是55.42噸/年。根據(jù)兩個(gè)污水廠的處理規(guī)模和設(shè)計(jì)出水濃度，估計(jì)2020年污水處理廠滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)COD和氨氮總排污量每年分別可達(dá)約1500噸和200噸?？梢?jiàn)，東排渠現(xiàn)狀水環(huán)境容量較少，雖然污水廠排水將對(duì)河道有一定補(bǔ)水作用，但第二污水處理廠排水未能達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，污染物濃度較高，東排渠要消納兩大污水廠排污量有一定難度，因此需要進(jìn)一步開(kāi)展河道需水量研究，以考慮是否需要對(duì)河道開(kāi)展補(bǔ)水工程措施。

3 東排渠需水量計(jì)算

未來(lái)東排渠主要受納高新區(qū)兩大污水廠排出的污水，其中第一污水處理廠出水口處于距離下游控制斷面1000米處，其出水經(jīng)過(guò)深度處理，COD和氨氮將達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)；而第二污水處理廠出水口處于距離下游控制斷面8500米處，COD和氨氮設(shè)計(jì)出水濃度分別為40毫克/升和8毫克/升。

本文通過(guò)一維水質(zhì)模型，采用試算法計(jì)算使控制斷面達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)（Ⅳ類）時(shí)需要增加的水體流量，由于東排渠擬考慮引取北江水，其補(bǔ)水水質(zhì)參考北江水質(zhì)（Ⅱ類）。本研究中河流流速隨著補(bǔ)水流量的變化而變化，無(wú)法通過(guò)監(jiān)測(cè)獲取，若模型中采用定值流速進(jìn)行計(jì)算，則會(huì)忽視河流流量補(bǔ)給后相應(yīng)流速變化，因此本文利用excel建立流量-流速動(dòng)態(tài)變化模式，考慮流速隨流量變化而變化的情況，并采用試算法進(jìn)行河流需水量初步計(jì)算。

3.1 計(jì)算模式

采用一維水質(zhì)模型計(jì)算[4]，公式如下：

式中，c—排放口下游x處的污染物濃度，mg/L；x—計(jì)算點(diǎn)離開(kāi)始點(diǎn)(排放口)的距離，m；u—河水流速，m/s；k—降解系數(shù)，1/d；Qp—廢水排放量，m3/s；cp—污染物濃度，mg/L；Qh—河水流量，m3/s；ch—排放口上游污染物濃度，mg/L。

以上公式適用于只有1個(gè)排口的情況，但由于本實(shí)例有2個(gè)排口，所以根據(jù)上述一維水質(zhì)模型原理對(duì)公式進(jìn)行調(diào)整，實(shí)際計(jì)算中應(yīng)用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，x1—兩污水廠排口距離，m；x2—計(jì)算點(diǎn)離處于下游的第一污水處理廠排口的距離，m；u—河水流速，m/s，本次計(jì)算根據(jù)前述流速和河流流量的數(shù)量關(guān)系，建立動(dòng)態(tài)響應(yīng)模式，即流速隨流量試算值的變化而變化；Q1、Q2—污水廠廢水排放量，m3/s，采用第一、第二污水廠設(shè)計(jì)規(guī)模；c1、c2—污水廠污染物濃度，mg/L，采用污水廠設(shè)計(jì)出水濃度；k——同上，取值同前；Qh——河水流量，m3/s，為所求之量；ch—按照上游來(lái)水水質(zhì)目標(biāo)要求。

3.2 模擬計(jì)算方法

利用excel編輯相應(yīng)的公式，采用試算法對(duì)河流需要的流量Qh進(jìn)行計(jì)算。具體步驟為：1）對(duì)所有相關(guān)變量選定相應(yīng)單元格，根據(jù)各變量的函數(shù)關(guān)系在單元格內(nèi)編輯相應(yīng)計(jì)算式；2）輸入公式中相關(guān)已知量及參數(shù)定值；3）選取一流量值開(kāi)始進(jìn)行試算，本實(shí)例中可知該流量值大于現(xiàn)狀流量才需補(bǔ)水，可從小到大進(jìn)行試算，當(dāng)選取的流量值對(duì)應(yīng)的控制斷面污染物濃度接近而小于標(biāo)準(zhǔn)值，則該流量為所需流量；4）計(jì)算此流量與現(xiàn)狀流量之差便是河流需要增加的流量值。

3.3 計(jì)算結(jié)果

本文研究的污染物主要是COD和氨氮，經(jīng)計(jì)算可知，對(duì)于COD，河道已有水量已經(jīng)能滿足河道需水要求，但對(duì)于氨氮，由于污水中氨氮濃度較高，需要增加相應(yīng)的流量，以增加河道水環(huán)境容量，經(jīng)計(jì)算，相對(duì)于現(xiàn)狀，2020年?yáng)|排渠需要增加流量2.01 m3/s。

在本實(shí)例中有兩個(gè)排口，較一個(gè)排口的情況復(fù)雜。實(shí)際上由于第一污水處理廠出水已經(jīng)達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)，其污染排放對(duì)控制斷面達(dá)標(biāo)影響可以忽略，甚至由于污染物衰減作用，其排水有一定的補(bǔ)水作用，但又由于排口距離控制斷面比較近，污染物衰減效果較小，所以補(bǔ)水作用極微，基本可以忽略。因此，若基于本實(shí)例的特殊性不考慮第一污水處理廠，對(duì)需水量計(jì)算影響并不大，對(duì)問(wèn)題的研究可以更為簡(jiǎn)化。為使本文計(jì)算方法更具普遍性和科學(xué)性，本文仍按照兩個(gè)排口的實(shí)際情況考慮和研究。

4 結(jié)語(yǔ)

得增加多少水體流量才標(biāo)準(zhǔn)，第二污水處理：由于第一污水處理4.1通過(guò)對(duì)東排渠需水量的初步研究，現(xiàn)在東排渠到2020年需要增加水流量約2 m3/s。本文應(yīng)就補(bǔ)水調(diào)水工程方案做更深入的研究，進(jìn)一步研究和核算河道需水量以核定工程方案補(bǔ)水量。

4.2 本文采用了一維水質(zhì)模型對(duì)東排渠需水量進(jìn)行計(jì)算，且利用流量和流速的關(guān)系建立了動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型，利用excel軟件采用試算法進(jìn)行了計(jì)算，方法簡(jiǎn)便快捷，易于掌握，較為適用于日常環(huán)保管理工作，尤其在對(duì)結(jié)果精確度要求不高、工作時(shí)間緊迫以及數(shù)據(jù)資料較缺的情況下，不失為一種簡(jiǎn)易、便捷的方法。

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[3]于雷,吳舜澤,范麗麗,徐毅.水環(huán)境容量一維計(jì)算中不均勻系數(shù)研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2008.31(1).

[4]馬歡,李亞強(qiáng).松花江哈爾濱江段水環(huán)境容量計(jì)算對(duì)比研究[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2007,23(4).