段志強(qiáng)，逄 勇，徐心彤，胡祉冰，徐若詩(shī)

（1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.浙江省環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶作為新時(shí)期國(guó)家區(qū)域發(fā)展格局的重中之重，依托長(zhǎng)江黃金水道，是我國(guó)涵蓋面最廣、影響最大、與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)的黃金經(jīng)濟(jì)帶[1-2]。改革開(kāi)放以來(lái)，長(zhǎng)江流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，以經(jīng)濟(jì)發(fā)展為導(dǎo)向的資源過(guò)度利用型開(kāi)發(fā)模式忽視了資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要性，區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展受到嚴(yán)重制約[3-5]。 長(zhǎng)江三角洲為典型的平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，受潮汐和徑流的影響，水流狀態(tài)復(fù)雜[6]，且周圍沿江城市密集，污染物入河量大而集中，城市河道水動(dòng)力條件較弱、水環(huán)境容量較小[7]，區(qū)域資源環(huán)境的壓力進(jìn)一步增大。 而入河排污口是陸源污染負(fù)荷從岸上到河里的關(guān)鍵樞紐，通過(guò)數(shù)值模擬分析論證排污口設(shè)置，預(yù)測(cè)尾水中污染物的遷移轉(zhuǎn)化及擴(kuò)散趨勢(shì)，對(duì)于流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義[8]。

目前針對(duì)入河污染物排放水環(huán)境影響的研究一般采用數(shù)值模擬軟件，主要包括QUAL，EFDC，WASP，SWAT，MIKE 模型等[9-14]。 其中MIKE 系列模型因其模擬精度高且綜合性強(qiáng)，在水環(huán)境數(shù)值模擬中得到廣泛應(yīng)用。王天澤等[15]將MIKE11 與MIKE21通過(guò)MIKE FLOOD 進(jìn)行耦合，建立了城市暴雨洪水模型，模擬了現(xiàn)狀河道和規(guī)劃河道在不同條件下的洪水演進(jìn)過(guò)程和淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)；王淺寧等[16]利用MIKE耦合一維管網(wǎng)模型和地表漫流二維模型，對(duì)洪澇災(zāi)害和超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對(duì)進(jìn)行分析；陳平等[17]建立MIKE一維及二維耦合的南澧河及兩岸保護(hù)區(qū)的水動(dòng)力模型，并對(duì)100 a 一遇的洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)要素分析；欒震宇等[18]利用MIKE URBAN-MIKE21 耦合模型對(duì)湖南省新化縣的城市內(nèi)澇情景進(jìn)行模擬，并對(duì)地表漫流、城市易澇點(diǎn)和管道排水能力進(jìn)行分析；李明等[19]基于MIKE11，ECO Lab 模塊及MIKE SHE構(gòu)建了沙河水庫(kù)流域水動(dòng)力及水質(zhì)耦合模型，模擬污染物的遷移轉(zhuǎn)化，進(jìn)而探究河道水質(zhì)的改善方案。目前，MIKE 耦合模型在城市內(nèi)澇和洪水演進(jìn)的水動(dòng)力模擬中應(yīng)用廣泛，但是對(duì)于感潮河網(wǎng)地區(qū)的水質(zhì)模擬研究較少。

本文以COD，NH3-N 和TP 為目標(biāo)污染物，應(yīng)用MIKE11 及MIKE21 模型的水動(dòng)力模塊及對(duì)流擴(kuò)散模塊，構(gòu)建了泰興市感潮河網(wǎng)地區(qū)一維及長(zhǎng)江泰興段二維耦合的水動(dòng)力-水質(zhì)模型，模擬泰興市某工業(yè)園區(qū)擬建入河排污口在不同工況下尾水中多元污染物在長(zhǎng)江中的遷移轉(zhuǎn)化，計(jì)算不同潮汐狀況下污染帶的擴(kuò)散范圍，分析污染物排放對(duì)長(zhǎng)江水環(huán)境的影響。

1 研究區(qū)域概況

泰興市地處長(zhǎng)三角洲沖積平原，南臨長(zhǎng)江，受季風(fēng)和潮汐的影響顯著，屬典型的平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，河流縱橫交織，水網(wǎng)密布，以人工河渠為主，河流水位、流向、流速大多受到節(jié)制閘控制，另有部分天然洼地積水成條形或不規(guī)則水面，與人工河道溝通。區(qū)內(nèi)及周邊主要河道包括長(zhǎng)江（泰興段）、靖泰界河、天星港、焦土港、六圩港等。

泰興市某工業(yè)園區(qū)擬建排放規(guī)模為2 萬(wàn)t/d 污水處理廠，擬設(shè)置入河排污口在六圩港，尾水經(jīng)五圩港、六圩港后最終匯入長(zhǎng)江，研究區(qū)域概況見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域概況

2 研究方法

2.1 模型方程

2.1.1 河網(wǎng)模型

水動(dòng)力基本方程是基于流量和水位交替網(wǎng)格的六點(diǎn)Abbott-Ionescu 隱式有限差分法求解的建立在質(zhì)量和動(dòng)量守恒定律基礎(chǔ)上的一維非恒定Saint-Venant 方程組，以流量Q(x,t)和水位Z(x,t)為未知變量，方程組為：

式中：Q 為流量；x 為沿水流方向空間坐標(biāo)；Bw為調(diào)蓄寬度，包括灘地在內(nèi)的全部河寬；z 為水位；t 為時(shí)間；q 為旁側(cè)入流流量，入流為正，出流為負(fù)；u 為斷面平均流速；g 為重力加速度；A 為主槽過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；B 為主流斷面寬度；n 為糙率；R 為水力半徑。

河網(wǎng)對(duì)流傳輸?shù)幕痉匠虨椋?/p>

式中：Ex為x 方向擴(kuò)散系數(shù)；C 為模擬物質(zhì)的濃度；Sc為與模擬物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項(xiàng)，Sc=Kd·A·C；Kd為衰減因子；S 為源項(xiàng)。

2.1.2 長(zhǎng)江模型

二維水動(dòng)力控制方程是基于三向不可壓縮和雷諾值均布的Navier-Stokes 平均方程沿水深方向積分的連續(xù)方程和動(dòng)量方程，服從Boussinesq 及靜水壓力假定，其二維非恒定淺水方程組如下[20]：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

式中：x，y 為Cartesian 坐標(biāo)；h=η+d，h 為總水深，η為水位，d 為靜水深；ρ 為水體密度；u 和v 為x，y 方向上速度分量；f=2 ωsinφ；表示Coriolis 因子（ω 是地球自轉(zhuǎn)的角速度，φ 是地理緯度）；Sxx，Sxy和Syy為輻射應(yīng)力分量；Pa為大氣壓；us和vs為點(diǎn)源速度分量；Tij為橫向應(yīng)力，包括粘滯力、紊流應(yīng)力及水平對(duì)流摩擦力。

污染物在二維非均勻流中的對(duì)流擴(kuò)散基本方程可以表示為：

式中：Ey為y 方向的擴(kuò)散系數(shù)；Sk為動(dòng)力轉(zhuǎn)換項(xiàng)。

2.2 耦合模型構(gòu)建

一維河網(wǎng)模型計(jì)算范圍包括六圩港、五圩港、連復(fù)港、涌興港。 根據(jù)典型年研究區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)江漲、落潮水利工程的調(diào)度資料及邊界處在90%枯水保證率條件下的水位和流量確定邊界水文條件。 以安浩[21]建立的里下河腹部區(qū)一維河網(wǎng)模型水動(dòng)力率定結(jié)果為基礎(chǔ)，設(shè)置河道糙率為0.026。 根據(jù)長(zhǎng)江實(shí)測(cè)水下地形數(shù)據(jù)，建立二維長(zhǎng)江馬鞍山～高橋段及泰興段模型。 其中長(zhǎng)江泰興段模型平均網(wǎng)格邊長(zhǎng)約300 m，網(wǎng)格總數(shù)為1 545 個(gè)，局部加密段網(wǎng)格邊長(zhǎng)約為50 m，二維模型計(jì)算范圍及水下地形見(jiàn)圖2。 初始水位取水文年鑒資料平均水位2.5 m，起始時(shí)刻流速設(shè)為0。 設(shè)置長(zhǎng)江下游段主槽糙率的取值范圍為0.01～0.02，風(fēng)拖曳系數(shù)為0.001 ～0.001 5，橫、縱向擴(kuò)散系數(shù)分別為0.6 m2/s，60 ～120 m2/s，研究區(qū)域內(nèi)COD，NH3-N，TP 等污染物降解系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)域污染物綜合降解系數(shù)

圖2 長(zhǎng)江模型計(jì)算范圍及水下地形

根據(jù)一、 二維模型連接處動(dòng)量守恒的原理采用標(biāo)準(zhǔn)連接，對(duì)河網(wǎng)模型及長(zhǎng)江模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合。一、 二維的耦合根據(jù)流量與水位在連接斷面處相同的條件，由一維河網(wǎng)計(jì)算出連接河道末端的流量及水質(zhì)濃度數(shù)值作為二維連接網(wǎng)格處的源項(xiàng)，二維模型計(jì)算的網(wǎng)格點(diǎn)水位及水質(zhì)濃度數(shù)值以入流邊界的形式提供給一維河網(wǎng)模型的銜接點(diǎn)。 在銜接處的河網(wǎng)端點(diǎn)處給定一個(gè)虛擬的水位邊界，并且用作耦合模型的啟動(dòng)邊界[21-22]，耦合模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

圖3 一、二維耦合模型網(wǎng)格劃分示意

2.3計(jì)算方案

根據(jù)建立的區(qū)域河網(wǎng)-長(zhǎng)江泰興段水環(huán)境耦合模型，結(jié)合長(zhǎng)江口潮汐特征，在設(shè)計(jì)水文條件下，泰興市某工業(yè)園區(qū)污水處理廠建成投運(yùn)后，分別以正常、 事故工況下尾水排放后五圩港及六圩港入江口水質(zhì)濃度作為長(zhǎng)江模型污染源，分析尾水中COD，NH3-N 和TP 在漲急、 落急時(shí)刻釋放對(duì)長(zhǎng)江水環(huán)境的影響，預(yù)測(cè)方案見(jiàn)表2。

表2 預(yù)測(cè)方案及污染物源強(qiáng)信息

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬結(jié)果評(píng)價(jià)

根據(jù)2015年10月15日～22日南京站、 鎮(zhèn)江（二）站、江陰站、營(yíng)船港站感潮水位數(shù)據(jù)對(duì)耦合模型水位模擬結(jié)果進(jìn)行率定，各水文站的水位模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4。 根據(jù)Nash-Sutcliffe 效率系數(shù)Ens、 相對(duì)誤差RE 和判定系數(shù)R2驗(yàn)證模型精度，計(jì)算得出Ens為0.910，RE 為5.8%，R2達(dá)到0.903，且一般認(rèn)為，Ens≥0.5，R2≥0.6 時(shí)模擬結(jié)果較可靠[19,24]，故本次建立的耦合模型可較好的適用于研究區(qū)域的水動(dòng)力模擬。

圖4 各站點(diǎn)水位模擬值與觀測(cè)值對(duì)比

研究選擇2015年10月17日～19日長(zhǎng)江鎮(zhèn)江（二） 站至徐六涇站之間各水源地COD，NH3-N 和TP 的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)水質(zhì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行率定。 根據(jù)百分比偏差PBIAS 對(duì)水質(zhì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)[19,25,26]，其中COD 平均偏差為3.86%，NH3-N 平均偏差為20.06%，TP 平均偏差為18.15%，模擬誤差PBIAS ≤25%，模擬結(jié)果優(yōu)秀。各斷面水質(zhì)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖5。

3.2 入江口水質(zhì)濃度預(yù)測(cè)

不同工況下六圩港、 五圩港入江口水質(zhì)濃度見(jiàn)表3。 由表3 可以看出，正常工況條件下，污水處理廠尾水經(jīng)五圩港、六圩港匯入長(zhǎng)江，各污染物濃度增量疊加水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，排污口下游2 條入江河流入江口處斷面水質(zhì)均達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，其中六圩港入江口COD，NH3-N，TP 質(zhì)量濃度增量分別為0.9，0.05，0.005 mg/L； 五圩港入江口處污染物質(zhì)量濃度增量分別為0.7，0.05，0.005 mg/L。 事故工況條件下，污水廠尾水進(jìn)入受納水體六圩港，2 條入江河流入江口斷面水質(zhì)均超過(guò)GB 3838—2002 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中相應(yīng)限值，其中六圩港COD，NH3-N，TP 質(zhì)量濃度增量為13.5，1.01，0.17 mg/L，超標(biāo)倍數(shù)分別為0.575，0.69，0.75； 五圩港質(zhì)量濃度增量分別為12.8，0.91，0.133 mg/L，超標(biāo)倍數(shù)分別為0.495，0.77，0.6。 模擬結(jié)果表明，相同工況下，同種污染物對(duì)2 條入江河流入江口斷面產(chǎn)生的質(zhì)量濃度增量相近，這主要是因?yàn)? 條入江河道流量及流速幾乎相同；事故工況時(shí)污染負(fù)荷較高的尾水導(dǎo)致入江口處污染物濃度增量增大，入江污染物通量顯著增加。

表3 各工況下六圩港、五圩港入江口污染物濃度mg·L-1

3.3 潮汐作用下的污染物影響范圍

為研究不同潮汐條件下各類污染物擴(kuò)散對(duì)長(zhǎng)江水環(huán)境的影響，通過(guò)耦合模型計(jì)算得到不同工況下污水廠尾水中多元污染物在長(zhǎng)江漲急、 落急時(shí)刻的濃度增量擴(kuò)散范圍。預(yù)測(cè)影響范圍見(jiàn)圖6 和圖7。由圖6 和圖7 可以看出，不同工況下的污染帶范圍存在明顯差異。

圖6 正常工況TCOD，NH3-N，TP 濃度增量影響范圍

圖7 事故工況下COD，NH3-N，TP 濃度增量影響范圍

正常工況時(shí)，COD，NH3-N，TP 超過(guò)背景濃度的橫向擴(kuò)散影響距離分別為150，100，111 m，漲急時(shí)縱向擴(kuò)散影響距離分別為2 100，2 105，1 778 m，落急時(shí)縱向擴(kuò)散影響距離分別為1 864，2 167，2 160 m。其中，漲急時(shí)，COD 質(zhì)量濃度增量超0.3 mg/L 的面積為4 508 m2，占比1.74%，入江口處污染物質(zhì)量濃度增量最高，在潮水向上頂托的作用下向上游遷移擴(kuò)散，六圩港入江口形成的污染帶中COD 質(zhì)量濃度增量由入江口0.34 mg/L 下降至0.052 mg/L，其他污染物濃度分布規(guī)律相似；落急時(shí)，污染帶中COD 質(zhì)量濃度增量均未超過(guò)0.3 mg/L，六圩港入江口COD質(zhì)量濃度增量由0.12 mg/L 下降至0.056 mg/L。 可見(jiàn)，污水廠正常排放后形成的污染帶范圍較小，漲潮期間水流向上流動(dòng)不利于污染物輸移擴(kuò)散，污染物濃度較高的區(qū)域相對(duì)于落潮時(shí)增大。

事故工況時(shí)，隨著污水廠排污負(fù)荷增大，入江口污染物濃度相應(yīng)升高，五圩港、六圩港入江口污染物擴(kuò)散疊加后的復(fù)合污染帶縱向影響范圍有所增大，而橫向擴(kuò)散距離略有減小。漲急時(shí)，COD，NH3-N，TP超過(guò)背景濃度的縱向擴(kuò)散影響距離分別增長(zhǎng)122，673，440 m，其中COD 質(zhì)量濃度增量基本超過(guò)0.3 mg/L，超1.0 mg/L 的面積為85 964 m2，在污染帶中占比35.7%； 落急時(shí)超過(guò)背景濃度的縱向擴(kuò)散影響距離分別增長(zhǎng)136，7，129 m，其中COD 質(zhì)量濃度增量超1.0 mg/L 的面積在污染帶中占比為32.6%?？梢?jiàn)，污水廠尾水事故排放后，入江污染物通量的增加使污染物濃度較大的區(qū)域占比增大，對(duì)污染物擴(kuò)散范圍影響較大，污染帶隨排污量的增加而持續(xù)伸長(zhǎng)，對(duì)長(zhǎng)江水環(huán)境有一定程度的影響，應(yīng)加強(qiáng)污水廠運(yùn)行管理，避免事故的發(fā)生。

對(duì)比2 種方案下污染物在漲、 落潮的擴(kuò)散情況可知，泰興市某工業(yè)園區(qū)污水廠擬設(shè)排污口尾水正常排放時(shí)，污染物排放濃度最低，污染帶范圍較小，對(duì)長(zhǎng)江水生態(tài)環(huán)境影響范圍、 影響程度最??； 漲急時(shí)，污染物隨潮水向上游遷移擴(kuò)散，五圩港、六圩港入江口處形成的復(fù)合污染帶有明顯上溯趨勢(shì)，上游污染帶長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，污染物擴(kuò)散對(duì)上游水環(huán)境影響較大；落急時(shí)，污染物擴(kuò)散帶向下游延伸，最遠(yuǎn)可至六圩港入江口下游1.05 km；對(duì)于同一入江口處形成的污染帶，各污染物濃度隨縱向距離增加而逐漸削減，污染物高濃度區(qū)域比例隨入江污染物通量的增加而增大。

4 結(jié)論

本文以長(zhǎng)江三角洲典型平原感潮河網(wǎng)地區(qū)泰興市為例，分析了長(zhǎng)江感潮河段在污水處理廠正常、事故工況下尾水排放對(duì)長(zhǎng)江水生態(tài)環(huán)境的影響。

（1）建立泰興市感潮河網(wǎng)-長(zhǎng)江的水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，并用2015年水文水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行率定驗(yàn)證，水動(dòng)力模擬Ens，RE，R2分別為0.910，5.8%，0.903，水質(zhì)模擬誤差PBIAS 小于25%，耦合模型精度較高，可較好的適用于計(jì)算區(qū)域內(nèi)COD，NH3-N，TP 等污染物的遷移轉(zhuǎn)化模擬。

（2）新建排污口對(duì)入江口斷面產(chǎn)生濃度增量，六圩港入江口COD，NH3-N，TP 質(zhì)量濃度正常排放時(shí)分別新增0.9，0.05，0.005 mg/L，事故排放時(shí)分別新增13.5，1.01，0.17 mg/L，污染物入江通量隨污水廠排污負(fù)荷的增加而增大。

（3）漲、落潮等水流情勢(shì)及污染物入江負(fù)荷的變化均會(huì)對(duì)長(zhǎng)江污染帶擴(kuò)散產(chǎn)生一定影響。 污染帶擴(kuò)散趨勢(shì)與水流方向相一致。污水廠尾水正常排放時(shí)，污染帶范圍較小；事故排放時(shí)，隨著入江污染物通量的增加，污染物高濃度區(qū)域范圍增大，對(duì)長(zhǎng)江水質(zhì)影響較大，因此應(yīng)加強(qiáng)污水處理廠的運(yùn)行管理，各類污水達(dá)標(biāo)排放，杜絕引入污染負(fù)荷較高的尾水。