包子云，李 冰，王向華，傅銀銀

(江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術研究院股份公司，南京 210000)

引 言

隨著長三角城市工業(yè)的迅猛發(fā)展和城市化的快速推進，太湖流域污水排放量日益增加，環(huán)境風險也隨之上升[1]。論證入河排污口設置對水環(huán)境的影響，優(yōu)化排污口設置方案，對預防流域水污染、保護水生態(tài)環(huán)境具有重要意義[2～4]。

水質(zhì)數(shù)學模型描述了污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化，用于研究水體的污染、自凈過程并進行水質(zhì)的模擬預測，是水體污染防治以及水環(huán)境管理的重要工具[5]。水動力模型的建立是進行污染預測的根基。流動動力學模型可以分為一維、二維以及三維模型。一維模型主要用于大流域情形下繁雜河網(wǎng)的數(shù)值模擬[6-7]，二維模型主要適用于可以忽略成層作用的湖泊、河流、河口等的數(shù)值模擬[8]，三維模型用于模擬復雜流體動力條件下沉積物的狀態(tài)[9]。太湖流域河網(wǎng)密布，水系縱橫交錯，故本文采用一維河網(wǎng)非恒定流水動力模型，預測排污口對水環(huán)境的影響，以期為太湖流域環(huán)境風險分析與評價提供依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

宜興市工業(yè)污水處理廠建設規(guī)模為2.5萬t/d(中水回用30%)，位于武宜運河以東，荊溪北路以西。本項目污水排放口設置在燒香河與武宜運河交匯處下游約500m處，燒香河南岸，地理坐標為北緯31°27′26.04″ 東經(jīng)119°52′52.19″。根據(jù)省政府批準的《江蘇省地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃》，本項目尾水受納河道燒香河為“燒香河宜興緩沖區(qū)”(水功能區(qū)2020年水質(zhì)目標為Ⅲ類)。

1.2 模型基本原理

1.2.1 水量模型基本方程

水量計算的微分方程是建立在質(zhì)量和動量守恒定律基礎上的圣維南方程組，以流量和水位為未知變量，并補充考慮漫灘和旁側(cè)入流的完全形式圣維南方程組為：

(1)

式中：Z為水位；Q為流量；x為沿水流方向距離；t為時間；BW為調(diào)蓄寬度，包括灘地在內(nèi)的全部河寬；q為單位河長旁側(cè)入流；u為斷面平均流速；g為重力加速度；A為主槽過水斷面面積；B為主流斷面寬度；n為糙率；R為水力半徑。采用Abbott-Ionescu六點隱式有限差分格式離散控制方程組。

1.2.2 水質(zhì)模型基本方程

河網(wǎng)對流傳輸移動問題的基本方程為：

(2)

(3)

式(2)是河道方程，式(3)是河道叉點方程。式中：Q，Z是流量計水位；A是河道面積；Ex是縱向分散系數(shù)；C是水流輸送的物質(zhì)濃度；Ω是河道叉點—節(jié)點的水面面積；j是節(jié)點編號；I是與節(jié)點j相聯(lián)接的河道編號；Sc是與輸送物質(zhì)濃度有關的衰減項，Sc=Kd·A·C；Kd是衰減因子；S是外部的源或匯項。對時間項采用向前差分，對流項則采用上風格式，擴散項采用中心差分格式[10]。

1.3 模型參數(shù)率定及驗證

本次將利用太湖流域江蘇段和宜興市耦合模型進行宜興市工業(yè)污水廠的水環(huán)境影響預測分析。水環(huán)境預測分析采用套網(wǎng)格方法，太湖河網(wǎng)模型給宜興河網(wǎng)模型提供水文邊界條件，本項目影響預測工作采用宜興河網(wǎng)模型進行計算。

1.3.1 太湖河網(wǎng)模型構(gòu)建及率定

1.3.1.1 模型概化

太湖河網(wǎng)模型構(gòu)建范圍北至長江，東至望虞河，西至宜溧山區(qū)，南至宜興。根據(jù)概化后的河網(wǎng)、湖泊在輸水能力和調(diào)蓄能力兩個方面必須與實際河網(wǎng)、湖泊相近或基本一致的基本原則，將太湖流域望虞西岸地區(qū)的一級至五級一級部分六級河道進行概化，共概化125條河流。綜合考慮流域平原區(qū)和山丘區(qū)的降雨、蒸發(fā)、下滲等水文過程、地下水中物質(zhì)的變遷過程、地表徑流的物質(zhì)移動擴散、污染源排放等流域范圍內(nèi)水與物質(zhì)的主要遷移途徑，分別設置了降雨徑流及沿江水利樞紐、入湖河流節(jié)制閘相關模塊。概化結(jié)果見圖1。

圖1 太湖河網(wǎng)模型河網(wǎng)概化圖Fig.1 River network generalization of Taihu River network model

1.3.1.2 水量模型參數(shù)率定

太湖河網(wǎng)水量模型選取了2017年太湖流域17個地區(qū)代表站實測水位，對模型水位進行率定驗證，率定結(jié)果表明：水動力模型計算結(jié)果與實測值模擬較好，水位與流量相對誤差均在30%以內(nèi)，模型計算結(jié)果的水位絕對誤差最大為12cm，河道糙率為0.01～0.02之間，太湖河網(wǎng)模型較好的模擬了太湖流域河網(wǎng)的水動力變化情況，可以為本次宜興河網(wǎng)模型的計算提供水動力邊界條件，部分實測計算水位對比見圖2。

圖2 部分實測計算水位對比圖Fig.2 Comparison of some measured and calculated water levels

1.3.2 宜興河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學模型構(gòu)建

1.3.2.1 河網(wǎng)概化

評價區(qū)域內(nèi)河道眾多，相互交織成網(wǎng)，模擬計算時將天然河網(wǎng)進行合并、概化，河道采用設計坡降、梯形斷面進行概化，概化斷面用底高、底寬和邊坡三要素來描述。根據(jù)上述河網(wǎng)數(shù)學模型構(gòu)建基本原則，對研究區(qū)域水系進行概化，概化共40條河流。概化結(jié)果見圖3。

圖3 研究區(qū)域及河網(wǎng)概化圖Fig.3 Study area and river network generalization map

1.3.2.2 水量模型參數(shù)率定

模型糙率采用太湖河網(wǎng)模型率定結(jié)果，率定得到模型糙率值為0.01～0.02。

1.3.2.3 水質(zhì)模型參數(shù)率定

以2017年1～3月每月一次的實測水質(zhì)資料為基礎，選取世紀大橋、西氿大橋、東氿、王婆橋、漕橋5個斷面進行水質(zhì)降解系數(shù)率定。各率定斷面的相對誤差均在30%以內(nèi)，濃度值吻合較好，各斷面水質(zhì)計算結(jié)果和實測值對比見表1～表3。率定得到COD降解系數(shù)為0.08～0.15d-1，氨氮降解系數(shù)為0.05～0.10d-1，TP降解系數(shù)為0.05～0.10d-1。在進行氟化物預測時，從保守角度考慮，選取氟化物的降解系數(shù)為0進行預測。

表1 各水環(huán)境質(zhì)量率定斷面COD計算值和實測值相對的誤差表Tab.1 Relative error between calculated value and measured value of COD (%)

表2 各水環(huán)境質(zhì)量率定斷面氨氮計算值和實測值相對的誤差表Tab.2 Relative error between calculated value and measured value of ammonia nitrogen (%)

表3 各水環(huán)境質(zhì)量率定斷面TP計算值和實測值相對的誤差表Tab.3 Relative error between calculated value and measured value of TP (%)

1.4 預測方案

考慮最不利情況(水體自凈能力最差，水環(huán)境容量最小)，在枯水期分別對污水廠正常排放工況(中水回用30%)(工況1)、非正常情況(未回用排放)(工況2)及事故排放工況(尾水全部直排)(工況3)進行水環(huán)境影響預測。各工況下的污染物源強信息見表4。

表4 預測方案污染物排放源強Tab.4 Pollutant emission concentrations of the prediction scheme

計算的控制斷面為：沙塘港橋、靜堂大橋、武宜運河與燒香港交匯處下游500 m、世紀大橋、社瀆港橋、東氿，共6個控制斷面，其中世紀大橋東氿、沙塘港橋、社瀆港橋、靜堂大橋為江蘇省考斷面。靜堂大橋、武宜運河與燒香港交匯處下游500 m兩個輸出斷面是考慮燒香港逆流的最不利情況下，分析對于燒香港宜興工業(yè)污水廠上游和對武宜運河的影響，其余斷面考慮正向流情況進行分析計算。通過計算以上6個控制斷面在不同方案下的污染物濃度變化，分析工業(yè)污水廠運行對研究區(qū)域水環(huán)境的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 工況1(枯水期正常排放)結(jié)果預測

根據(jù)上述預測方案，得到各個控制斷面在污水廠正常運行情況下的枯水期平均預測濃度，如表5所示。為反映污水廠運行后控制斷面水質(zhì)隨時間變化情況，輸出各控制斷面在枯水期不利情況下1個月的水質(zhì)濃度，由于模型運行的前幾天值未穩(wěn)定，被視為無效值，因此舍棄掉一個月中前五天的計算值，輸出其余26天的計算值，污水廠正常排放情況下控制斷面水質(zhì)濃度隨時間變化結(jié)果見圖4～圖6。

表5 方案1排污口下游污染物濃度預測結(jié)果表Tab.5 Prediction results of pollutant concentration downstream of sewage outfall in scheme 1 (mg/L)

圖4 靜堂大橋斷面(方案1)各污染物濃度變化Fig.4 Variation of pollutant concentrations in Jingtang bridge section (scheme 1)

圖5 武宜運河與燒香港交匯處下游500m斷面(方案1)各污染物濃度變化Fig.5 Variation of pollutant concentrations at 500m section downstream of the intersection of Wuyi canal and Shaoxiang gong (scheme 1)

圖6 沙塘港橋斷面(方案1)各污染物濃度變化Fig.6 Variation of pollutant concentrations in Shatang gang bridge section (scheme 1)

正常工況下，靜堂大橋、沙塘港橋斷面的COD、氨氮、氟化物濃度均滿足地表水Ⅲ類標準。靜堂大橋斷面的COD、氨氮、總磷、氟化物濃度分別為17.6、0.32、0.12、0.42mg/L，能滿足10%安全余量要求。該斷面污水廠尾水貢獻值分別為0.1、0.09、0.01、0.03mg/L，分別占預測值的0.57%、28.13%、8.33%、7.14%；沙塘港橋斷面的COD、氨氮、總磷、氟化物濃度分別為17.11、0.88、0.17、0.72mg/L，能滿足10%安全余量要求。該斷面污水廠尾水貢獻值分別為0.46、0.05、0.01、0.02mg/L，分別占預測值的2.69%、5.68%、5.88%、2.78%。對世紀大橋、社瀆港橋、東氿控制斷面幾乎無影響。

2.2 工況2(枯水期非正常排放)結(jié)果預測

根據(jù)上述預測方案，得到各個控制斷面在污水廠正常運行情況下的枯水期平均預測濃度，如表6所示。污水廠非正常排放情況下控制斷面水質(zhì)濃度隨時間變化結(jié)果見圖7～圖9。

表6 方案2排污口下游污染物濃度預測結(jié)果表Tab.6 Prediction results of pollutant concentrations downstream of sewage outfall in scheme 2 (mg/L)

圖7 靜堂大橋斷面(方案2)各污染物濃度變化Fig.7 Variation of pollutant concentrations in Jingtang bridge section (scheme 2)

圖8 武宜運河與燒香港交匯處下游500m斷面(方案2)各污染物濃度變化Fig.8 Variation of pollutant concentrations at 500m section downstream of the intersection of Wuyi canal and Shaoxiang gong (scheme 2)

圖9 沙塘港橋斷面(方案2)各污染物濃度變化Fig.9 Variation of pollutant concentrations in Shatang gang bridge section (scheme 2)

非正常工況下，靜堂大橋、沙塘港橋斷面的COD、氨氮、氟化物濃度均滿足地表水Ⅲ類標準。靜堂大橋斷面的COD、氨氮、總磷、氟化物濃度分別為17.69、0.33、0.12、0.43mg/L；沙塘港橋斷面的COD、氨氮、總磷、氟化物濃度分別為17.3、0.9、0.17、0.73mg/L。相比有中水回用(方案1)的情況下，無中水回用(方案2)情況下的污染物濃度增加更大一些，并且這一現(xiàn)象在靜堂大橋、沙塘港橋、武宜運河與燒香港交匯處下游500 m控制斷面較為明顯，對世紀大橋、社瀆港橋、東氿控制斷面幾乎無影響。

2.3 工況3(枯水期事故排放)結(jié)果預測

根據(jù)預測方案，得到各個控制斷面在污水廠正常運行情況下的枯水期平均預測濃度，如表7所示。污水廠非正常排放情況下控制斷面水質(zhì)濃度隨時間變化結(jié)果見圖10～圖12。

表7 方案3排污口下游污染物濃度預測結(jié)果表Tab.7 Prediction results of pollutant concentrations downstream of sewage outfall in scheme 3 (mg/L)

圖10 靜堂大橋斷面(方案3)各污染物濃度變化圖Fig.10 Variation of pollutant concentrations in Jingtang bridge section (scheme 3)

圖11 武宜運河與燒香港交匯處下游500m斷面(方案3)各污染物濃度變化圖Fig.11 Variation of pollutant concentrations at 500m section downstream of the intersection of Wuyi canal and Shaoxiang gong (scheme 3)

圖12 沙塘港橋斷面(方案3)各污染物濃度變化圖Fig.12 Variation of pollutant concentrations in Shatang gang bridge section (scheme 3)

事故工況下，將對下游造成不同程度的水質(zhì)超標影響，污水流入燒香港、武宜運河，會對燒香港、武宜運河及太湖水環(huán)境造成較大影響，因此為了保持燒香港、武宜運河及太湖的水質(zhì)現(xiàn)狀，應杜絕污水事故排放，并提出防止風險事故的措施對策及發(fā)生風險污染事故后的應急措施，避免對水環(huán)境造成污染。

3 結(jié) 論

3.1 本文以宜興市工業(yè)污水處理廠為例，分析了3種工況下排污口尾水排放對水環(huán)境的影響。在正常工況下，污水處理廠的運行削減了大量污染物，顯著降低入河的污染負荷，各控制斷面均能滿足10%安全余量要求，對水質(zhì)目標影響較小。非正常工況下，污染物濃度增加更大一些，但各斷面仍可滿足水質(zhì)目標要求。事故工況下，將對下游造成不同程度的水質(zhì)超標影響，對水環(huán)境影響較大，因此應嚴格杜絕污水事故排放。

3.2 本文通過建立一維河網(wǎng)非恒定流水動力模型，預測入河排污口污染物在水體中的變化情況。研究成果可為太湖流域環(huán)境風險預測分析與評價提供依據(jù)，亦對優(yōu)化排污口設置起到參考借鑒作用。