潘煒

(江蘇省環(huán)境保護(hù)廳，江蘇 南京 210036)

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·環(huán)境預(yù)警·

基于EFDC的長(zhǎng)江常州段污水排江濃度場(chǎng)數(shù)值模擬

潘煒

(江蘇省環(huán)境保護(hù)廳，江蘇 南京 210036)

長(zhǎng)江感潮河段水流與污染排放引起的濃度場(chǎng)復(fù)雜多變，基于EFDC(Environmental Fluid Dynamic Code)模型，采用正交曲線網(wǎng)格擬合自然河道邊界，建立了長(zhǎng)江常州段的水動(dòng)力和水質(zhì)模型。采用現(xiàn)場(chǎng)同步實(shí)測(cè)資料，與計(jì)算結(jié)果比對(duì)，證明該模型在水動(dòng)力和水質(zhì)兩個(gè)方面都與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，滿足了實(shí)際工程的需要；同時(shí)由于長(zhǎng)江水流運(yùn)動(dòng)較快，一階降解動(dòng)力學(xué)已經(jīng)滿足了化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)濃度計(jì)算要求，可以不考慮它們復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程。

EFDC；感潮河段；水流；污水排放；濃度

常州市北枕長(zhǎng)江，東扼太湖，地處太湖流域，是中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的地區(qū)之一。由于太湖地區(qū)排污的嚴(yán)格限制和太湖流域河網(wǎng)納污能力有限，常州產(chǎn)生的部分污水不得不排入長(zhǎng)江常州段。

長(zhǎng)江常州段屬長(zhǎng)江下游感潮河段，潮汐為非正規(guī)半日淺海潮，每天2次漲潮和落潮，平均潮周期為12 h 26 min，潮波明顯變形，落潮歷時(shí)大大超過(guò)漲潮歷時(shí)，平均漲潮歷時(shí)約3 h 41 min，落潮平均歷時(shí)約8 h 45 min，該江段在部分時(shí)間會(huì)發(fā)生雙向流動(dòng)，因此污水排放后濃度變化規(guī)律極為復(fù)雜。

雖然國(guó)內(nèi)對(duì)部分情況下中、小型河道的污染物濃度計(jì)算規(guī)定了解析公式[1]，但這些計(jì)算公式顯然不能運(yùn)用于長(zhǎng)江常州段這種河道自然岸邊界曲折，水面寬闊，水流往復(fù)，水底地形變化不定，且伴有潮汐作用的河道污染物濃度場(chǎng)計(jì)算。同時(shí)長(zhǎng)江常州段區(qū)域中有多個(gè)重要的居民生活用水取水口，在這一區(qū)域設(shè)置城市污水處理廠尾水排放口必須非常慎重，保證其不會(huì)對(duì)這些取水口水質(zhì)產(chǎn)生影響。因此，必須采用數(shù)值模擬的方法對(duì)尾水排江產(chǎn)生的污染物濃度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。

EFDC(Environmental Fluid Dynamic Code)是由美國(guó)環(huán)保署資助開發(fā)的地表水?dāng)?shù)值模型，EFDC是綜合水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，其包括水動(dòng)力、水質(zhì)、拉格朗日粒子、波浪和毒物等多種計(jì)算模塊，可以計(jì)算鹽度、溫度、營(yíng)養(yǎng)物、泥沙和重金屬等各種水環(huán)境因子。其中EFDC的水質(zhì)模塊可以計(jì)算C、N、P、O和Si等各元素不同形態(tài)的物質(zhì)在不同水動(dòng)力條件下的分布。它可以用于模擬河流、河口、湖泊、水庫(kù)以及近海多種地表水體。它在美國(guó)、歐洲得到了廣泛的運(yùn)用[2-3]，在中國(guó)的珠江、長(zhǎng)江武漢段、巢湖等水體也有一定運(yùn)用[4-8]，但是，較少見(jiàn)到EFDC模型在長(zhǎng)江感潮河段下水質(zhì)的計(jì)算模擬。筆者基于EFDC模型，對(duì)長(zhǎng)江常州段的流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算模擬，與實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比吻合較好，該模型反映了該江段潮汐流場(chǎng)和濃度場(chǎng)的實(shí)際變化情況。

1 數(shù)學(xué)模型

為了適應(yīng)復(fù)雜的長(zhǎng)江常州段自然河道岸邊界，以得到更好的計(jì)算結(jié)果，EFDC計(jì)算的網(wǎng)格使用正交曲線網(wǎng)格。

1.1 控制方程

在正交曲線坐標(biāo)下，二維水深平均方程如下。

連續(xù)方程：

(1)

式中：H——水位；u、v——正交曲線坐標(biāo)下ξ、η2個(gè)方向的水深平均流速的分量；m1、m2——2個(gè)方向正交曲線坐標(biāo)的拉梅系數(shù)，m=m1·m2；χ——水位。

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

式中：H——總水深；g——重力加速度；f——科里奧力系數(shù)；C——謝才系數(shù)；τηξ、τξη、τξξ和τηη——粘滯應(yīng)力項(xiàng)，它們?cè)谡磺€網(wǎng)格下由下式計(jì)算。

(4)

式中：υt——平面渦粘性系數(shù)，在EFDC中可以選擇為常數(shù)或者用Smagorinsky湍流理論計(jì)算[9]。為了計(jì)算污水處理廠尾水排放造成的影響，還必須考慮污染物的輸運(yùn)和降解過(guò)程，其計(jì)算方程如下。

(5)

式中：C——污染物濃度；K——污染物降解系數(shù)；S——污染物的源項(xiàng)；Aξ、Aη——污染物在ξ、η2個(gè)方向的污染物混合系數(shù)。

1.2 定解條件

由于該段長(zhǎng)江是潮汐河道，所以上、下游的水流邊界條件采用水位邊界條件。同時(shí)在這2個(gè)邊界上的污染物濃度都給定濃度隨時(shí)間變化的值，即：

χ(ξ,η,t)|Γ1=χ1(ξ,η,t)

χ(ξ,η,t)|Γ2=χ2(ξ,η,t)

C(ξ,η,t)|Γ1=C1(ξ,η,t)

C(ξ,η,t)|Γ2=C2(ξ,η,t)

(6)

式中：Γ1、Γ2——上、下游的邊界。在固壁上采用無(wú)滑移條件及物質(zhì)通量為零的條件。初始條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不會(huì)很大，采用實(shí)測(cè)值給定即可。EFDC中的模型采用交錯(cuò)網(wǎng)格，算子分裂法求解，具體可見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。

2 計(jì)算條件設(shè)置

2.1 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格劃分

該研究范圍上起于常州魏村閘，下止于江陰水文站，總長(zhǎng)約34.5 km，基本包括了長(zhǎng)江常州段的全部區(qū)域。其中重點(diǎn)區(qū)域是常州錄安州下游，常州城市污水處理廠尾水排放口附近。圖1是計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格圖與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置概況。其中S1、S2是水質(zhì)監(jiān)測(cè)站位；T1是24h潮位監(jiān)測(cè)站，污水處理廠的尾水排放口也在這個(gè)位置；P1、P2和P3是定點(diǎn)水流監(jiān)測(cè)點(diǎn)，P2和P3還同步監(jiān)測(cè)了水質(zhì)。

整個(gè)計(jì)算區(qū)域共有網(wǎng)格29 700個(gè)，網(wǎng)格尺度范圍為10～200 m。從圖1可以看到，正交曲線計(jì)算網(wǎng)格貼合地非常好。在排污口位置附近，T1點(diǎn)的附近進(jìn)行了加密以獲得更精確的結(jié)果。所有數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)都為2014年2月23日8時(shí)—2014年2月24日13時(shí)。

圖1 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格圖與監(jiān)測(cè)點(diǎn)

2.2 邊界條件與參數(shù)

計(jì)算用的潮位邊界采用常州魏村閘潮位站和江陰水文站的長(zhǎng)江小潮實(shí)測(cè)資料；上、下游的水質(zhì)分別采用S1、S2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；污水排放口的流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

該研究主要計(jì)算高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)。雖然NH3-N和TP的生物化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，但是，考慮到長(zhǎng)江水流運(yùn)動(dòng)速度比較大，水質(zhì)點(diǎn)從上游到下游所經(jīng)歷的時(shí)間不超過(guò)24 h，絕大多數(shù)的生物化學(xué)反應(yīng)在如此短時(shí)間內(nèi)難以產(chǎn)生實(shí)際效果，因此，用一階反應(yīng)動(dòng)力學(xué)去模擬CODMn、NH3-N和TP是適當(dāng)?shù)摹８鶕?jù)前人在相關(guān)區(qū)域的研究成果，并用該次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，這3種物質(zhì)在本區(qū)域的降解系數(shù)分別為：KCODMn=0.15 d-1，KNH3-N=0.1 d-1，KTP=0.06 d-1；糙率取值為0.020～0.025；計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為10 s[10-12]。

3 計(jì)算結(jié)果比較與討論

3.1 流速潮位比較

圖2是T1點(diǎn)24 h潮位比較的結(jié)果，其潮位實(shí)測(cè)頻率為2次/h，每5 min輸出一個(gè)結(jié)果。

如圖2所示，潮位的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好，平均誤差僅為5 mm，最大誤差也僅為8 mm，誤差較大區(qū)域出現(xiàn)在潮位最低處，該區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的非正規(guī)半日潮特征，其漲潮時(shí)間比落潮時(shí)間短很多，這與江陰潮位站實(shí)測(cè)結(jié)果相符。

圖3—5是P1、P2和P3點(diǎn)的垂向平均流速和流向的比較結(jié)果。

如圖3—5所示，P1、P2和P3點(diǎn)流速、流向計(jì)算值與實(shí)際觀測(cè)值總體吻合良好，其中流速的最大相對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分別為12.8%和8.3%。

圖2 T1點(diǎn)潮位比較

圖3 P1點(diǎn)流速與流向結(jié)果的比較

圖4 P2點(diǎn)流速與流向結(jié)果的比較

從上面的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，EFDC的計(jì)算結(jié)果無(wú)論是在潮位還是在流速與流向上，其與實(shí)測(cè)值都吻合良好。這證明了EFDC所使用的二維正交曲線網(wǎng)格下的平均水深模型能夠很好地模擬長(zhǎng)江常州段在潮汐作用下的水動(dòng)力情況。

圖5 P3點(diǎn)流速與流向結(jié)果的比較

3.2 水質(zhì)比較

為了研究EFDC的水質(zhì)模型對(duì)潮汐河段的適用性，該研究在該計(jì)算區(qū)域設(shè)置了P2和P3兩個(gè)水流水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)點(diǎn)。圖6—8是這兩個(gè)點(diǎn)的COD、NH3-N和TP的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的比較結(jié)果。

圖6 CODMn計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

從圖6—8中可以看出，雖然CODMn、NH3-N和TP的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果都很接近，但是，相較而言，CODMn和TP的精度較好，其平均誤差分別為8.1%和8.5%，而NH3-N的精度稍差，平均誤差為13.1%。

圖9-11分別是尾水排入長(zhǎng)江常州段后，在漲憩和落憩時(shí)刻CODMn、NH3-N和TP的濃度增量圖。

圖7 NH3-N計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

圖8 TP計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

從圖9—11中可以看到，長(zhǎng)江常州段感潮河段，有明顯的漲落潮運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，雖然不同污染物的源強(qiáng)不同，但是，受到同樣的水動(dòng)力的影響，它們的濃度增量分布的區(qū)域和形狀是類似的。在漲潮時(shí)，污染物主要沿夾江向上游輸運(yùn)，對(duì)外江區(qū)域基本不產(chǎn)生影響；落潮時(shí)，污染帶橫向分布的尺度明顯寬于漲潮情況，但其平均濃度則相對(duì)較低。

從上述計(jì)算結(jié)果的精度可以知道，EFDC采用二維水深平均模型不但能夠成功地計(jì)算長(zhǎng)江潮汐河段的水流運(yùn)動(dòng)與污染物濃度范圍分布，而且 CODMn、NH3-N和TP濃度的模擬采用一階降解動(dòng)力學(xué)計(jì)算的已經(jīng)能得到能夠滿足精度要求的結(jié)果。這主要是因?yàn)殚L(zhǎng)江的流速非常大，污染物經(jīng)過(guò)整個(gè)計(jì)算區(qū)域的時(shí)間很短，因此，在如此短的停留時(shí)間內(nèi)，多數(shù)復(fù)雜的生化反應(yīng)的效應(yīng)是很小的，可以不需要考慮這些反應(yīng)。

圖9 漲落潮CODMn濃度增量

圖10 漲落潮NH3-N濃度增量

圖11 漲落潮TP濃度增量

4 結(jié)論

筆者使用EFDC模型建立長(zhǎng)江常州感潮河段的二維水深平均模型，對(duì)常州的城市污水處理廠尾水排放的情況進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，二維模型的精度令人滿意，能夠滿足感潮河段實(shí)際工程流場(chǎng)與濃度場(chǎng)模擬計(jì)算的要求。

對(duì)CODMn、NH3-N和TP的生化過(guò)程采用一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行簡(jiǎn)化。與實(shí)測(cè)資料的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于江段流速較快，對(duì)于長(zhǎng)江常州段而言，簡(jiǎn)單的一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)已經(jīng)足夠滿足工程的需求，可以不考慮它們復(fù)雜的生化反應(yīng)。

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Numerical Simulation on Pollutants Concentration Field in Changzhou Reach of Yangtze River by EFDC Model

PAN Wei

(JiangsuEnvironmentalProtectionDepartment,Nanjing,Jiangsu210036,China)

The concentration field caused by discharged pollutant were complex in the tidal reach of the Yangtze River.By the use of orthogonal curvilinear grid fitting river natural border, the hydrodynamics and water quality model on Changzhou Reach of Yangtze River was built based on EFDC model. The comparison between observations and the results of calculation showed that both the hydrodynamics model and the water quality model agreed with the observations well, and the model could satisfied practical engineering. Because of the large velocity of Yangtze River, the first order decrease mechanics was good enough to calculate the concentrations of COD, NH3-N and TP, and the more complex ecological reaction would not be considered.

EFDC; Tidal river; Water flow; Wastewater discharge; Concentration

2014-09-22；

2014-11-03

潘煒(1976—)，女，工程師，碩士，從事環(huán)境管理研究工作。

X522

A

1674-6732(2015)01-0005-05