王亞芹，仇茂龍，陸一奇

（1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江杭州 311231；2.浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計(jì)院，浙江杭州 310016；3.杭州市河道與農(nóng)村水利管理服務(wù)中心，浙江杭州 310000）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)村城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，污水處理廠的建設(shè)已駛?cè)肓丝燔嚨溃牒优盼劭谠O(shè)置的論證工作也顯得愈加重要[1-2]。本文采用MIKE 11軟件中的水動(dòng)力模塊和對流擴(kuò)散模塊，搭建杭嘉湖區(qū)域及振潯污水處理廠局部河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型，模擬振潯污水處理廠入河排污口建設(shè)對周邊河網(wǎng)水環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)的影響，為排污口設(shè)置論證提供評價(jià)依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 污水處理廠基本情況

振潯污水處理有限公司位于湖州市南潯城區(qū)西北側(cè)，巨王木業(yè)南側(cè)，工程污水處理總規(guī)模5萬m3/d，其中一期規(guī)模3萬m3/d已建，本次論證分析總規(guī)模。

1.2 出水標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)“浙江省人民政府關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)太湖流域杭嘉湖地區(qū)水污染防治工作的通知”，振潯污水處理廠出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 入河排污口概況

工程入河排污口位于廠區(qū)西側(cè)，排入九里橋港（與頔塘連通），排污口經(jīng)度120°23′75″、緯度30°52′02″，改擴(kuò)建后不再修建新的尾水排放工程。根據(jù)采樣檢測排入水體現(xiàn)狀水質(zhì)Ⅲ類，目標(biāo)水質(zhì)為Ⅲ類。

2 入河排污口設(shè)置論證

2.1 論證范圍

入河排污口位于杭嘉湖平原河網(wǎng)區(qū)域，所在區(qū)域全年水流自西向東為主，洪水期自南向北，枯水期太湖回水自北向南。平原河道水流流速較低，污水處理廠排放污水對周邊河道水質(zhì)影響較大，論證區(qū)域考慮污水處理廠附近可能產(chǎn)生影響的河流水系。確定論證范圍涵蓋南潯城區(qū)主要河道，包括：頔塘、息塘、九里橋港、丁涇塘、白米塘、橫古塘、陽安塘等河道，區(qū)域總面積約109km2。

2.2 區(qū)域納污能力分析

區(qū)域納污能力計(jì)算選取指標(biāo)COD、NH3-N、TP。概化排污口在水功能區(qū)的分布，認(rèn)為污染物排放沿河均勻分布，對某一河流小范圍內(nèi)存在偏差，但綜合反映了區(qū)域河網(wǎng)污染物排放的平均狀態(tài)[3]。計(jì)算公式如下：

式中：W河網(wǎng)為整個(gè)河網(wǎng)的剩余納污能力（t/a）；W功能區(qū)為功能區(qū)納污能力（t/a）；V為功能區(qū)河段槽蓄量（m3）；Q0為進(jìn)口斷面的入流流量（m3/s）；Cs為水體目標(biāo)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值（mg/L）；C0為進(jìn)口斷面水質(zhì)濃度（mg/L）；q為旁側(cè)入流流量（m3/s）；V河網(wǎng)為設(shè)計(jì)水文條件下整個(gè)河網(wǎng)槽蓄量（m3）；k為污染物綜合衰減系數(shù)（d-1）；l為功能區(qū)河長（m）；L河網(wǎng)為河網(wǎng)總河長（m）。

2.2.1 污染物綜合衰減系數(shù)

本次論證污染物綜合衰減系數(shù)借鑒杭嘉湖平原地區(qū)以往的工作和研究成果[4]，在《浙江省太湖流域水環(huán)境綜合治理引排工程對改善杭嘉湖水環(huán)境作用分析》中COD、NH3-N、TP的綜合衰減系數(shù)取值0.072d-1，作為論證借用成果。

2.2.2 河網(wǎng)計(jì)算容積的確定

頔塘上設(shè)有南潯站國家基本水文站，根據(jù)南潯站1991—2016年實(shí)測水位系列，得到多年平均水位為1.22m。對南潯站歷年最低水位排頻，得到90%年最低水位為0.58m，南潯站位于振潯污水處理廠下游約3.5km，論證區(qū)域河網(wǎng)處于枯水期，水位較低，且水流交換作用較弱，河網(wǎng)水位趨于相同，因此以南潯站水位作為論證區(qū)域的代表水位，即0.58m。根據(jù)實(shí)測斷面與計(jì)算水位確定河網(wǎng)計(jì)算容積。

2.2.3 納污能力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，論證區(qū)域在90%保證率的水位條件下，COD、NH3-N、TP現(xiàn)狀納污能力分別為3 756.47t/a、529.10t/a、75.13t/a，現(xiàn)狀入河總量分別為2 015.71t/a、201.96t/a、1.15t/a。包括湖州中環(huán)水務(wù)有限責(zé)任公司、湖州金潔水務(wù)股份有限公司等6個(gè)主要排污口。因此，論證區(qū)域內(nèi)水域各指標(biāo)現(xiàn)狀剩余納污能力分別為827.76t/a、236.14t/a、64.98t/a。

2.3 對水質(zhì)影響分析

2.3.1 計(jì)算方法和模型

采用MIKE 11軟件搭建南潯區(qū)及周邊河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型，模擬分析振潯污水處理廠工程擴(kuò)建對周邊水質(zhì)的影響[5-6]。

水動(dòng)力控制方程為Saint-Venant方程組：

式中：x和t分別為空間坐標(biāo)（m）和時(shí)間坐標(biāo)（s）；Q為斷面流量（m3/s）；A為過流面積（m2）；q為旁側(cè)入流單寬流量（m2/s）；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；α為動(dòng)量校正系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）。

水質(zhì)控制方程是一維對流擴(kuò)散方程：

式中：C為物質(zhì)濃度（mg/L）；C2為源/匯濃度（mg/L）；K為污染物綜合衰減系數(shù)（d-1）；D為縱向擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）。

2.3.2 河網(wǎng)概化

本次一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型涵蓋了振潯污水處理廠周邊的主要河道，包括頔塘、息塘、九里橋港、丁涇塘、白米塘等32條河道。模型計(jì)算采用實(shí)測斷面297個(gè)，考慮水閘、泵站32座。

2.3.3 邊界條件

模型考慮了水位、流量、水質(zhì)三種邊界屬性。模型驗(yàn)證計(jì)算選擇2014年該地區(qū)的實(shí)測水文條件。

水動(dòng)力邊界：西面為湖州船閘2014年實(shí)測逐日流量過程；西南面為雙林站和烏鎮(zhèn)站2014年實(shí)測逐日水位過程；東面為平望站2014年實(shí)測逐日水位過程。平原產(chǎn)水量根據(jù)2014年的降雨、蒸發(fā)資料及不同地類面積（水面、水田、旱地、其他），采用不同方法推求。

水質(zhì)邊界：分別采用三里橋站、平望站、重兆大橋站、練市站4個(gè)站點(diǎn)2014年實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)。

2.3.4 污染源概化

污染源考慮點(diǎn)源和面源污染。點(diǎn)源污染包括7個(gè)排污口，其中3個(gè)為污水處理廠，4個(gè)為生產(chǎn)企業(yè)。面源污染通過降雨徑流聚集的污染物匯入水系，覆蓋范圍包括整個(gè)計(jì)算區(qū)域的河網(wǎng)，降雨資料通過當(dāng)?shù)氐乃臏y站獲取。

2.3.5 水動(dòng)力模型驗(yàn)證

選取南潯站水位過程作為驗(yàn)證對象，河網(wǎng)水動(dòng)力模型驗(yàn)證結(jié)果顯示，模型計(jì)算的水位與實(shí)測值相符，表明建立的局部河網(wǎng)模型概化和參數(shù)選取基本合理。

2.3.6 水質(zhì)模型驗(yàn)證

以COD、NH3-N為驗(yàn)證指標(biāo)，模擬河網(wǎng)2014年全年COD、NH3-N濃度的變化情況。選取舊館斷面實(shí)測污染物濃度數(shù)據(jù)，與計(jì)算結(jié)果對比。驗(yàn)證計(jì)算得到COD指標(biāo)前3個(gè)月計(jì)算值與實(shí)測值誤差較大，分別為18%、19%、21%，后9個(gè)月均在3%以內(nèi)；NH3-N指標(biāo)前3個(gè)月計(jì)算值與實(shí)測值誤差分別為12%、18%、11%，后9個(gè)月均在5%以內(nèi)。計(jì)算值與實(shí)測值吻合較好，說明模型參數(shù)設(shè)置基本合理。

2.3.7 水質(zhì)預(yù)測評價(jià)

水質(zhì)預(yù)測評價(jià)確定3個(gè)計(jì)算方案，分別是技改前正常排放，技改后正常排放，技改后事故排放。

模型計(jì)算邊界如下：水質(zhì)考慮頔塘現(xiàn)狀水質(zhì)為Ⅲ類，確定COD為17.5mg/L、NH3-N為0.75mg/L；流量根據(jù)潯溪大橋站2001–2017年長系列流量資料，采用P-III型頻率曲線適線得到90%年最小流量17.6m3/s；水位采用1991–2016年雙林站、烏鎮(zhèn)站和南潯站3個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測水位系列，適線得到90%年最低水位分別為0.58m、0.62m、0.55m。

根據(jù)計(jì)算得出頔塘各斷面污染物濃度，最終得到頔塘在工程建設(shè)前后的水質(zhì)變化（見圖1~圖2）。

圖1 頔塘COD濃度沿程變化

圖2 頔塘NH3-N濃度沿程變化

分析圖1~圖2，在技改工程完成后污水處理廠正常排放的工況下，頔塘河道沿程COD濃度增幅較小，排污口上游影響至650m處，COD濃度增加0.02mg/L，增量最大的是排污口下游1 335m處，濃度增加0.67mg/L。頔塘河道沿程N(yùn)H3-N濃度的變化較COD敏感，排污口上游影響至650m處，NH3-N濃度增加0.01mg/L，增量最大的是排污口下游1 335m處，濃度增加0.09mg/L。在事故工況下，污水處理廠的廢水排放濃度高于正常工況，頔塘河道沿程COD濃度增幅較大，排污口上游影響至650m處，COD增加0.42mg/L，增量最大的是排污口下游1 335m處，增加15.08mg/L。頔塘河道沿程N(yùn)H3-N濃度增幅較大，排污口上游影響至650m處，NH3-N增加0.05mg/L，增量最大為排污口下游1 335m處，增加1.49mg/L。

振潯污水處理廠技改后正常排放情況下，雖然排放廢水量增加，但對頔塘沿程水質(zhì)影響較小，在可控范圍內(nèi)；事故排放工況下，由于排放水體水質(zhì)明顯較差，遠(yuǎn)超出規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，對頔塘沿程水質(zhì)影響較大。

3 結(jié)論

采用MIKE 11水動(dòng)力水質(zhì)模型，模擬振潯污水處理廠入河排污口排放污水中COD、NH3-N污染指標(biāo)在河網(wǎng)中的擴(kuò)散演變情況，分析入河污染物對論證范圍內(nèi)水質(zhì)的影響程度和范圍。采用實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)和水位數(shù)據(jù)，保證模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，得到結(jié)果顯示在正常排放工況下，入河排污口對河道沿線水質(zhì)的影響有限，水質(zhì)保持在Ⅲ類，事故工況下，對河道沿線水質(zhì)影響較大，建議加強(qiáng)工程運(yùn)行管理，建立應(yīng)急預(yù)案，避免事故工況的發(fā)生。本次應(yīng)用表明MIKE 11水動(dòng)力水質(zhì)模型對污染物在河道水體中的擴(kuò)散模擬具有較強(qiáng)的適用性，能夠較為準(zhǔn)確地反映水體中污染物的擴(kuò)散和演變趨勢，可以作為入河排污口設(shè)置論證中水質(zhì)影響分析的依據(jù)。