橙志（上海）環(huán)保技術(shù)有限公司 韓曉冉

一、引言

隨著城市建設(shè)的不斷完善，國家政策的要求與推進(jìn)，污水納管率攀升，各污水處理廠逐漸滿負(fù)荷運行，需考慮擴建以解決新增水量的出路問題。根據(jù)《入河排污口監(jiān)督管理辦法》的相關(guān)規(guī)定，擬擴建的排污口需進(jìn)行入河排污口設(shè)置論證。

文章以上海市某污水處理廠擴建工程為例，根據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》，采用河流一維模型進(jìn)行水質(zhì)模擬，對排污口設(shè)置論證中模型模擬遇到的問題及排污口設(shè)置合理性分析關(guān)注的因素進(jìn)行了探討。

二、實例基本情況

（一）污水處理廠情況

某城市工業(yè)區(qū)擬擴建一座污水處理廠，污水廠現(xiàn)有處理規(guī)模為10萬m3/d，擴建后處理總規(guī)模為14萬m3/d。設(shè)計高峰系數(shù)1.50，故高峰過流流量為：140000/24/3600×1.5=2.43m3/s。擴建排污口位置和前期是一樣的，位置不發(fā)生變化。本工程項目論證范圍水功能區(qū)內(nèi)無規(guī)?；∷凇?/p>

項目污水廠設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 污水廠設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo) 單位：mg/L

（二）排入水體情況

排口納污河道的河道長度19.76km，河口面積0.63km2，底高程-1.0 - -2m，控制河口寬度為26-40m，陸域控制寬度為46-80m，總體河流方向是由南向北，下游主干河道上無取水口。

根據(jù)納污河道上四個監(jiān)測斷面的監(jiān)測結(jié)果，其水質(zhì)因子大部分均可達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，存在少數(shù)因子超標(biāo)現(xiàn)象，枯水期集中在總氮、鎘、糞大腸菌群，豐水期除枯水期因子外，超標(biāo)因子還包括化學(xué)需氧量、生化需氧量。地表水總氮、化學(xué)需氧量、生化需氧量出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象主要為農(nóng)業(yè)面源污染以及上游水質(zhì)影響，雨水泵站存在放江情況等原因?qū)е?。重金屬因子鎘在對照斷面豐水期和枯水期均存在超標(biāo)現(xiàn)象，控制斷面和關(guān)心斷面僅在枯水期存在超標(biāo)，在豐水期均未超標(biāo)，且根據(jù)現(xiàn)有工程驗收監(jiān)測報告，鎘在進(jìn)、出口均未檢出，企業(yè)日常監(jiān)測數(shù)據(jù)中鎘均未發(fā)生過超標(biāo)現(xiàn)象，說明不是因為本項目尾水排放造成的納污河道超標(biāo)現(xiàn)象。

（三）水功能區(qū)情況

1.水環(huán)境功能區(qū)劃要求

根據(jù)該城市對納污河流水功能區(qū)的區(qū)劃結(jié)果，排污口所在水功能區(qū)執(zhí)行《地表水環(huán)境》（GB3838-2002）中IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.水功能區(qū)（區(qū)域）納污能力及限值排放總量

工程所在區(qū)域涉及黃浦江上游準(zhǔn)水源保護(hù)區(qū)和緩沖區(qū)，污水廠的提標(biāo)建設(shè)，能提高污水處理能力，進(jìn)一步減小污水廠尾水對區(qū)域河道的污染負(fù)荷，從而切實保護(hù)黃浦江上游水源。一般來說，不同水質(zhì)功能分區(qū)的交界線（如環(huán)境功能區(qū)交界線和行政交界線）或者邊界線的數(shù)量不多，且往往離排污口很遠(yuǎn)，此種情況下容易出現(xiàn)排污口與控制邊界之間的濃度超標(biāo)，而在控制邊界處達(dá)標(biāo)的情況。因此，為達(dá)到較好的水環(huán)境管理效果，需要細(xì)化以及改善水環(huán)境管理方式，即在排污口和控制邊界之間設(shè)置稀釋混合區(qū)。在稀釋混合區(qū)內(nèi)，允許各類污染物濃度出現(xiàn)超標(biāo)情況，但在混合區(qū)與交界線之間的水域，則必須達(dá)到相應(yīng)的地表水水質(zhì)管理標(biāo)準(zhǔn)，即位于水質(zhì)功能區(qū)要求低的區(qū)域納污能力強。本案例排口位于IV類水環(huán)境功能區(qū)，且下游均位于IV類及低于IV類，總體對污染物的納污能力較強。

三、計算模型建立

（一）感潮河網(wǎng)水動力模型

水動力模型選取河網(wǎng)一維水動力模型，其控制方程為Saint-Venant方程組:

式中：x-距離坐標(biāo),t-時間坐標(biāo)；A-過水?dāng)嗝婷娣e；Q-流量；h-水位；q-旁側(cè)入流流量；C-謝才系數(shù)；R-水力半徑；α-動量校正系數(shù)；g-重力加速度。

利用Abbott六點隱式格式對上述控制方程組離散、求解，經(jīng)堰閘的模擬、河網(wǎng)的概化，建立項目水動力模型。根據(jù)模型的率定結(jié)果可知，主要河流的水位和流量計算結(jié)果與實測值吻合較好，水位平均誤差＜5%，干流流量平均誤差＜15%。水動力模擬結(jié)果能夠為水質(zhì)模型提供較準(zhǔn)確的流量條件。

（二）感潮河網(wǎng)水質(zhì)模型

水質(zhì)模型選取一維對流擴散方程，其基本假定是：物質(zhì)在斷面上完全混合；物質(zhì)守恒或符合一級反應(yīng)動力學(xué)（即線性衰減）；符合Fick擴散定律，即擴散與濃度梯度成正比。一維對流擴散方程寫為:

式中：x-空間坐標(biāo)（m）；t-時間坐標(biāo)（s）；C-物質(zhì)濃度（mg/L）；D-縱向擴散系數(shù)（m2/s）；A-橫斷面面積（m2）；q-旁側(cè)入流流量（m3/s）；C2-源/匯濃度（mg/L）；K-線性衰減系數(shù)（1/d）。

經(jīng)對流擴散方程的離散和求解、水質(zhì)過程與對流擴散過程耦合計算、模型河網(wǎng)概化、污染負(fù)荷計算建立項目河網(wǎng)水質(zhì)模型。根據(jù)模型的率定結(jié)果可知，水質(zhì)計算結(jié)果與實測值吻合較好，平均誤差在20%以內(nèi),能滿足工程模擬方案要求。

四、水質(zhì)模擬

（一）背景濃度的確定

背景濃度參照項目附近斷面2019年水質(zhì)情況綜合給出，具體為 CODcr：15mg/L，NH3-N：冬季1.2mg/L、夏季0.8mg/L，TP：0.15mg/L，TN：4.5mg/L。

（二）計算工況

根據(jù)納污河流的水文條件及污水處理廠的進(jìn)出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，按如下工況進(jìn)行模擬計算（見表2）。

表2 模擬方案出水濃度(mg/L)

（三）區(qū)域水質(zhì)模擬結(jié)果與分析

基于模型計算結(jié)果，以CODcr為例，其增量濃度空間分布如圖1-圖4。

圖1 方案1CODcr最大濃度增量分布圖

圖2 方案1CODcr平均濃度增量分布圖

圖3 方案2CODcr最大濃度增量分布圖

圖4 方案2CODcr平均濃度增量分布圖

由圖1-圖4可知，冬季方案比夏季方案影響大。冬季納污河道出現(xiàn)約100-200m河段CODcr最大增量濃度超過25mg/L，平均濃度增量超過10mg/L。

基于模型模擬結(jié)果，各污染物指標(biāo)的增量濃度沿程分布結(jié)果如下：各方案尾水排放主要對排口上游下游約2km-3km河段增量濃度較高。各方案在該影響較大河段中 CODcr最大增量濃度總體介于11mg/L-26mg/L、平均增量濃度總體介于4mg/L-12mg/L，NH3-N最大增量濃度總體介于0.2mg/L-1.4mg/L、平均增量濃度總體介于0.1mg/L-0.6mg/L，TP最大增量濃度總體介于0.05mg/L-0.11mg/L、平均增量濃度總體介 于 0.015mg/L-0.05mg/L，TN最大增量濃度總體介于3.3mg/L-7.7mg/L、平均增量濃度總體介于1.2mg/L-3.5mg/L。

此外，針對尾水排放對河道超標(biāo)影響，兩個方案中CODcr、NH3-N最大濃度均會出現(xiàn)超標(biāo)，冬季NH3-N平均濃度也會出現(xiàn)超標(biāo)，TP最大濃度、平均濃度均不會出現(xiàn)超標(biāo)。超標(biāo)河段長度統(tǒng)計見表3。

表3 納污河流污染物超標(biāo)河段長度統(tǒng)計表（單位：km）

基于模型計算結(jié)果，統(tǒng)計了工程周邊區(qū)域4個關(guān)心斷面的污染物增量濃度，分析了增量濃度疊加背景濃度是否引起斷面水質(zhì)超標(biāo)，詳見圖5-圖7。TN無限值要求，故不對其進(jìn)行分析。

圖5 關(guān)心斷面CODcr疊加背景濃度后濃度統(tǒng)計圖

圖6 關(guān)心斷面NH3-N疊加背景濃度后濃度統(tǒng)計圖

圖7 關(guān)心斷面TP疊加背景濃度后濃度統(tǒng)計圖

總體上，四個關(guān)心斷面中，③斷面影響最大，其次為④，②斷面影響很小，對①斷面幾乎沒有影響。就最大增量濃度而言，疊加背景濃度后，②、④斷面CODcr和NH3-N指標(biāo)有所超標(biāo)，①、③斷面不會出現(xiàn)超標(biāo)，TP指標(biāo)均不會出現(xiàn)超標(biāo)；就平均增量濃度而言，疊加背景濃度后，僅③斷面NH3-N水質(zhì)指標(biāo)有所超標(biāo)，其余斷面其余指標(biāo)均不會超標(biāo)。

但經(jīng)過分析，本次擴建排口對局部河道的影響比較大，但不會改變排口所在水功能區(qū)，且在IV類水質(zhì)內(nèi)完成混合段達(dá)標(biāo)。

五、合理性分析

（一）擴建排口對水域水質(zhì)影響

各類污染物在河道沿程的濃度增量峰值均出現(xiàn)在排口附近位置，但均不會改變排污口所在水環(huán)境功能區(qū)，且在IV類水質(zhì)內(nèi)完成混合段達(dá)標(biāo)。

（二）擴建排口對第三者影響

工程對水源地取水口、下游水源地均不產(chǎn)生影響，尾水排放對影響范圍水域內(nèi)水生生態(tài)環(huán)境不會產(chǎn)生顯著影響，對地下水環(huán)境影響輕微。

（三）擴建排口對區(qū)域河道防汛和通航影響

排水口工程選址不影響所處航段的航道條件，且與相鄰涉水設(shè)置的距離滿足安全要求。

（四）工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性分析

本次擴建使用原有排污口，不會新增管道長度，僅在排污口處新增箱涵減緩水流，工程技術(shù)可行性最高。且不需要對河道進(jìn)行疏浚工作，經(jīng)濟(jì)角度性價比最高。

六、結(jié)論

本文分析了入河排污口設(shè)置論證報告中模型預(yù)測的常見參數(shù)設(shè)置，舉工程實例進(jìn)行了演算評價，并從排污口合理性分析所關(guān)心對水域水質(zhì)影響、對第三者影響、對區(qū)域河道防汛和通航影響、工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性幾個方面進(jìn)行了實例評價。

注釋

①水域納污能力計算規(guī)程（GBT25173-2010）.

②入河排污口監(jiān)督管理辦法,中華人民共和國水利部令第22號.