郭 振 湯新武

(1.中電建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518101；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

1 概 述

近年來，我國(guó)黑臭水體治理理念和技術(shù)不斷發(fā)展，以水質(zhì)改善為核心，逐漸形成了“源—遷—匯”全過程治理的主要思路[1]。東莞市作為全國(guó)首批水生態(tài)文明建設(shè)試點(diǎn)城市之一，牢固樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念，全面推進(jìn)內(nèi)河涌水環(huán)境綜合整治。黃沙河作為東莞市東江流域的重要支流，是東江生態(tài)帶的重要組成部分，更是東莞市對(duì)接珠三角城市群、粵港澳大灣區(qū)的紐帶[2]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，黃沙河流域水環(huán)境不斷惡化，2016—2018年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，國(guó)考斷面水質(zhì)類別為劣Ⅴ類，部分支流水體水質(zhì)處于黑臭狀態(tài)。黃沙河流域水體污染問題已嚴(yán)重影響周邊居民的生活質(zhì)量與城市形象，不利于城市的發(fā)展，水環(huán)境治理迫在眉睫[3]。

水環(huán)境數(shù)學(xué)模型經(jīng)過長(zhǎng)期發(fā)展，在城市水環(huán)境治理和流域水務(wù)管理中得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。水環(huán)境模型的研究成果也層出不窮[6-9]，為系統(tǒng)解決黃沙河流域水環(huán)境問題，踐行“流域統(tǒng)籌、綜合治理”的設(shè)計(jì)理念，本文在對(duì)流域現(xiàn)狀進(jìn)行研判的基礎(chǔ)上，提出系統(tǒng)治理方案，并根據(jù)市各部門、鎮(zhèn)(街)治理工作總體安排，以水質(zhì)達(dá)標(biāo)Ⅴ類為目標(biāo)，采用MIKE模型建立黃沙河流域水環(huán)境模型，評(píng)估不同治理方案下流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)效果，為工程組織設(shè)計(jì)工作提供指導(dǎo)。

2 研究區(qū)域

黃沙河為寒溪河左岸一級(jí)支流，發(fā)源于大嶺山，流域內(nèi)有大嶺山、茶山、東城、寮步4個(gè)鎮(zhèn)(街)，全長(zhǎng)34.90km，總集雨面積197.6km2，兩岸大部分有堤防或河岸防護(hù)。黃沙河中游現(xiàn)建有同沙水庫(kù)，總庫(kù)容6355萬m3，水庫(kù)壩址控制流域面積98.8km2；同沙水庫(kù)以下黃沙河干流長(zhǎng)12.45km，流經(jīng)東城街道、寮步鎮(zhèn)和茶山鎮(zhèn)，主要支流有筷子河、西南河和橫竹河，流域水系分布見圖1。本次研究范圍主要為同沙水庫(kù)以下至匯入寒溪河口部分。

圖1 黃沙河流域水系圖

3 水環(huán)境模型構(gòu)建

3.1 模型范圍

黃沙河流域橫跨4個(gè)鎮(zhèn)(街)，有大小河涌34條。為簡(jiǎn)化建模計(jì)算，根據(jù)實(shí)測(cè)黃沙河流域河涌水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果及調(diào)查的流域內(nèi)排污口分布情況，對(duì)黃沙河河網(wǎng)進(jìn)行概化分析，構(gòu)建黃沙河流域干流及主要支流數(shù)學(xué)模型，其余支渠及排污口概化為點(diǎn)源加入模型，黃沙河干支流均采用最新的實(shí)測(cè)河道斷面數(shù)據(jù)，見圖2。

圖2 黃沙河流域水質(zhì)模型

3.2 水動(dòng)力-水質(zhì)方程

采用MIKE系列軟件中的模塊MIKE11 AD進(jìn)行黃沙河流域水動(dòng)力水質(zhì)模型計(jì)算。

3.2.1 水動(dòng)力控制方程組

河網(wǎng)地區(qū)水體流動(dòng)具有明顯的一維特征，因此大多采用一維Saint-Venant方程組對(duì)河道水流情況進(jìn)行模擬計(jì)算，水動(dòng)力控制方程組為

式中：Q為流量，m3/s；A為過水面積，m2；q為單位長(zhǎng)度側(cè)向入流量，m3/s；R為水力半徑，m；α為動(dòng)量校正系數(shù)；h為過水?dāng)嗝嫔疃?，m；g為重力加速度，m/s2；x為距離變量；t為時(shí)間變量；C為謝才系數(shù)。

3.2.2 水質(zhì)輸運(yùn)方程

與水流數(shù)學(xué)模型一致，當(dāng)污染物在橫斷面上混合比較均勻時(shí)，其在水體中的輸移轉(zhuǎn)化過程符合一維運(yùn)動(dòng)特征，一維水質(zhì)輸運(yùn)方程為

式中：C為模擬物質(zhì)的濃度，mg/L；u為河流平均流速，m/s；Ex為對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)；K為模擬物質(zhì)的一級(jí)衰減系數(shù)；x為空間坐標(biāo)；t為時(shí)間坐標(biāo)。

3.3 邊界概化

依據(jù)黃沙河流域污染源特點(diǎn)，造成流域黑臭的污染負(fù)荷主要來自區(qū)間內(nèi)工業(yè)點(diǎn)源和城鎮(zhèn)生活點(diǎn)源、地表徑流與農(nóng)田面源以及底泥內(nèi)源釋放。根據(jù)收集的污染源資料，經(jīng)過整理核對(duì)，對(duì)黃沙河流域干流污染源進(jìn)行概化處理。

a.點(diǎn)源概化。根據(jù)調(diào)查資料，流域內(nèi)4個(gè)鎮(zhèn)(街)共有819個(gè)排口，總排污量31.9萬t/d。對(duì)于相對(duì)集中分布的直排排污口，為了方便模型計(jì)算，概化為一個(gè)點(diǎn)源加入模型中，點(diǎn)源輸入位置通過負(fù)荷量加權(quán)平均得到。

b.面源概化。流域面源污染主要發(fā)生在雨季，地面污染物隨降雨徑流進(jìn)入管網(wǎng)中，研究表明，面源污染負(fù)荷主要發(fā)生在初雨過程中。依據(jù)黃沙河流域面源污染分布特點(diǎn)，面源污染主要分為農(nóng)田面源污染和城市地表徑流污染兩大類。地表污染負(fù)荷主要隨降雨進(jìn)入管網(wǎng)再排入黃沙河流域。農(nóng)田面源污染和城市徑流污染參照《全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》中推薦的“標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田法”和“標(biāo)準(zhǔn)城市法”進(jìn)行估算。黃沙河流域涉及的4個(gè)鎮(zhèn)(街)的面源污染入河量統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 面源污染統(tǒng)計(jì)情況

c.支渠概化。黃沙河流域干支渠眾多，共計(jì)34條。對(duì)于流域面積較小的支渠在入干流端口處概化為點(diǎn)源加入到黃沙河流域模型中。

d.內(nèi)源概化。考慮到黃沙河流域沿程不同位置底泥厚度及污染狀況不同，根據(jù)對(duì)黃沙河流域沿程布點(diǎn)處底泥的取樣厚度及相關(guān)報(bào)告的結(jié)果，初步給定底泥污染物釋放速率，最終以線源的形式沿河概化到模型中參與計(jì)算。

經(jīng)過對(duì)污染源排口、支渠進(jìn)行概化，流域入流邊界共有64個(gè)，現(xiàn)狀情況下概化后的模型輸入界面見圖2。

e.參數(shù)選取。污染物綜合衰減系數(shù)與河流的水文條件、污染物特征等因素有關(guān)，模型計(jì)算參數(shù)選取見表2?？紤]水動(dòng)力迭代要求和CFL條件，水動(dòng)力水質(zhì)模擬的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為10s。根據(jù)流域歷史洪水水面線率定的糙率成果，并參考黃沙河流域干支流的防洪規(guī)劃及河道整治規(guī)劃的成果分析，黃沙河計(jì)算模型區(qū)域內(nèi)河道糙率取值為0.026～0.032。

表2 模型計(jì)算參數(shù)取值

3.4 模型計(jì)算及率定

根據(jù)設(shè)置的邊界條件和模型計(jì)算的參數(shù)值構(gòu)建黃沙河流域一維水質(zhì)模型(晴天工況下)，同時(shí)，利用2017年7月對(duì)黃沙河流域干流進(jìn)行的水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)成果，對(duì)構(gòu)建的水環(huán)境模型進(jìn)行率定，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，模擬曲線和實(shí)測(cè)值除了個(gè)別點(diǎn)誤差較大外，其余基本相當(dāng)，均在允許的誤差范圍內(nèi)。因流域內(nèi)缺少實(shí)測(cè)河涌流量系列資料，會(huì)對(duì)污染負(fù)荷、河道水質(zhì)的模擬產(chǎn)生一定的影響；另外，各類污染源實(shí)際排放過程的不確定性也會(huì)造成模擬值結(jié)果和實(shí)測(cè)值之間的偏差，總體來說，模擬結(jié)果能夠基本反映河道斷面的水質(zhì)變化趨勢(shì)。黃沙河流域模型經(jīng)過率定后的參數(shù)取值為：NH3-N衰減系數(shù)0.06/d，TP衰減系數(shù)0.013/d，擴(kuò)散系數(shù)10m2/s，糙率取值0.03。

圖3 實(shí)測(cè)值及模擬值對(duì)比情況

4 水質(zhì)改善關(guān)系研究

4.1 工程設(shè)計(jì)方案

在滿足黃沙河流域目標(biāo)水質(zhì)的條件下，水體能接受的污染物最大負(fù)荷總量的確定，不僅需要對(duì)包括點(diǎn)源和非點(diǎn)源的污染負(fù)荷進(jìn)行分配，同時(shí)要考慮預(yù)留安全值和季節(jié)性變化，采取適當(dāng)?shù)奈廴究刂拼胧﹣肀ＷC目標(biāo)水體達(dá)到相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。因此在現(xiàn)狀水質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，依次對(duì)工程逐步實(shí)施后的水質(zhì)進(jìn)行模擬，查看各個(gè)河涌的水質(zhì)濃度值，評(píng)估工程措施對(duì)整個(gè)黃沙河流域水質(zhì)目標(biāo)的可達(dá)性。

在進(jìn)行工程措施削減量效果分析時(shí)分別考慮了晴天和雨天時(shí)的削減效果，因此在進(jìn)行水質(zhì)模擬時(shí)分晴天和雨天兩種情景來考慮，雨天主要考慮初雨徑流對(duì)河涌水質(zhì)的影響。不同情景的工程效果方案見表3。

表3 不同情景的工程效果方案

4.2 晴天情景下水質(zhì)達(dá)標(biāo)分析

對(duì)在黃沙河全流域水質(zhì)“Ⅴ類水”的目標(biāo)下所采取的工程措施效果情況進(jìn)行分析，晴天情景下各工況NH3-N和TP的治理效果見圖4和圖5。

圖4 晴天情景下黃沙河流域各工況NH3-N改善情況

圖5 晴天情景下黃沙河流域各工況TP改善情況

從模擬結(jié)果來看，對(duì)于NH3-N，在工況1工程實(shí)施后，整個(gè)黃沙河流域均消除黑臭水體，黃沙河上游至西南河入口段達(dá)到了Ⅴ類水質(zhì)，平均濃度為0.89mg/L，筷子河和獅子河源頭河段達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)，其余河涌均為劣Ⅴ類水質(zhì)，水質(zhì)濃度范圍為2.21～4.96mg/L；對(duì)于TP，黃沙河上游至西南河入口段達(dá)到了Ⅴ類水質(zhì)，平均濃度為0.20mg/L，西南河及黃沙河中下游段濃度范圍為0.40～0.96mg/L，橫竹河與獅子河交匯口段TP的濃度較高，平均濃度為1.33mg/L。

繼續(xù)實(shí)施工況2工程措施后，NH3-N以及TP濃度值進(jìn)一步下降，除了橫竹河河口段以及從河口段至黃沙河河口段、筷子河河口、沙墩渠河口等水質(zhì)為劣Ⅴ類外，其余河涌3項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到了Ⅴ類水質(zhì)，主要原因是在橫竹河河口處有竹園污水處理廠以及計(jì)劃建設(shè)的溫塘污水處理廠，其出水標(biāo)準(zhǔn)分別為一級(jí)B和一級(jí)A，對(duì)水體負(fù)荷較大。

繼續(xù)對(duì)污水處理廠采取提標(biāo)工程措施(工況3)，依據(jù)《東莞市2018年度水污染防治工作方案》中對(duì)竹園污水處理廠的提標(biāo)要求，出水標(biāo)準(zhǔn)符合一級(jí)A和廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《水污染物排放限值》(DB 44/26—2001)中較嚴(yán)值，其中NH3-N和TP符合地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此，在經(jīng)過污水處理廠提標(biāo)處理后，劣Ⅴ類水質(zhì)的河段均變?yōu)棰躅愃?/p>

4.3 雨天情景下水質(zhì)達(dá)標(biāo)分析

對(duì)雨天情景下的水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)性進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6和圖7。面源污染負(fù)荷中，污染物主要隨降雨進(jìn)入管網(wǎng)、河網(wǎng)，此類污染負(fù)荷以汛期為主。

由圖6和圖7可知，在初期雨水徑流情況下(工況4)，雨水附帶污染物進(jìn)入雨水管網(wǎng)排入河道，部分進(jìn)入CSO調(diào)蓄池后進(jìn)入污水處理廠，對(duì)于NH3-N，除了黃沙河中游部分河段為Ⅴ類水外，其余河涌幾乎均為劣Ⅴ類水，其中西南河平均濃度范圍為3.6～4.0mg/L，橫竹河平均濃度為43.5mg/L；對(duì)于TP，除了同沙水庫(kù)下泄約100m處為Ⅴ類水外，其余河涌均為劣Ⅴ類水。由此可知，初期雨水對(duì)黃沙河流域數(shù)值影響較大，直接影響水質(zhì)達(dá)標(biāo)目標(biāo)考核要求。

圖6 雨天情景下黃沙河流域NH3-N改善情況

圖7 雨天情景下黃沙河流域TP改善情況

在工況5方案中，考慮到初期雨水對(duì)黃沙河流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)的影響，需要對(duì)初期雨水引起的面源污染進(jìn)行工程措施削減。工程措施包括CSO調(diào)蓄、興建生態(tài)濕地、鋪設(shè)濱岸緩沖帶、提高農(nóng)業(yè)化肥的使用效率等。工程措施后的水質(zhì)模擬濃度見圖6(b)和圖7(b)，從圖6(b)和圖7(b)中可以看出，經(jīng)過工程措施后，NH3-N和TP濃度均為Ⅴ類水，目標(biāo)可達(dá)。

5 結(jié) 語

水環(huán)境模型作為環(huán)境治理的輔助工具，在統(tǒng)籌工程組織設(shè)計(jì)方面的作用越來越重要，本文針對(duì)黃沙河流域面臨的水污染突出問題，通過模型演算對(duì)流域提出治理思路及治理需求，科學(xué)有效評(píng)估不同工程治理方案在黃沙河流域水質(zhì)改善中的作用，從而為有效治理黃沙河、科學(xué)制定施工時(shí)序提供技術(shù)支持。