江雨蒙， 逄 勇， 馬秋霞， 羅 縉

（1.河海大學環(huán)境學院， 江蘇 南京 210098；2.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210098）

0 引言

淮河入海水道是中國東部地區(qū)水運交通的重要通道，其開發(fā)利用既可滿足淮河沿線地區(qū)的水需求，增大流域內(nèi)排澇能力， 同時對沿岸城市的社會發(fā)展和區(qū)域間經(jīng)濟的緊密聯(lián)系具有重要意義[1]。隨著淮河入海水道兩岸工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展， 其在供應(yīng)地方用水和排水需求的同時，也不可避免帶來環(huán)境破壞，導(dǎo)致周圍生態(tài)水環(huán)境壓力劇增。 而控制污染物的排放總量是改善水環(huán)境質(zhì)量， 提高水功能區(qū)達標率的關(guān)鍵手段[2]。在滿足水（環(huán)境）功能區(qū)限排總量要求的前提下， 論證入河排污口設(shè)置是分析排污口對水環(huán)境保護目標影響的重要環(huán)節(jié)。 該論證可為流域內(nèi)環(huán)境管理與規(guī)劃及水環(huán)境綜合治理提供科學依據(jù)， 為同類企業(yè)建設(shè)入河排污口設(shè)置論證工作提供建設(shè)性指導(dǎo)[3]。因此，依法開展排污口設(shè)置論證具有重要意義。

隨著區(qū)域水環(huán)境的水文水力模型發(fā)展， 水環(huán)境質(zhì)量模型于21 世紀初開始逐漸成熟[4]。 可采用數(shù)值模擬方法分析入河污染物排放影響， 目前較流行的水環(huán)境模型主要包括Mike 系列模型、Delft-3D 模型和EFDC 等[5-7]。 EFDC 由美國弗吉尼亞海洋研究所發(fā)明，是美國國家環(huán)境保護局（EPA）推薦使用的水質(zhì)水動力模型之一[8-9]。 該模型模塊主要包括水動力模塊、 水質(zhì)模塊、 泥沙運輸模塊和污染物運輸模塊等，可用于模擬河流、湖泊和水庫中的一維、二維和三維物理化學過程[10]，已廣泛應(yīng)用于水庫和河流的水動力、水質(zhì)模擬研究。 董建武等[11]通過建立二維EFDC 耦合SWMM 模型，模擬城市內(nèi)澇時水流溢出地面后的積水分布、積水水深及增長消退過程，為其他城市模擬暴雨內(nèi)澇提供了建設(shè)性意見；李亞峰等[12]通過建立湯河水庫EFDC 模型， 對不同污染物在典型年的擴散影響情況進行研究， 為水庫對城市供水管理提供理論指導(dǎo)；謝培等[13]以三峽水庫為研究對象， 采用EFDC 模型模擬對水齡的影響因素進行研究分析；鄢碧鵬等[14]利用三維EFDC 模型計算不同補水方案對蠡湖水體SD 的改善效果， 為工程補水規(guī)模和運行方式提供依據(jù)；賈洪濤[15]通過建立烏江渡水庫EFDC 水溫模型， 對下泄低溫水對烏江渡壩前斷面和庫表水溫的分布情況進行模擬研究。

基于EFDC 模型中的水動力和水質(zhì)模塊， 建立淮河入海水道二維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學模型， 模擬明通污水處理廠尾水中污染物在淮河入海水道的遷移擴散、分布情況，對不同工況下污染物濃度增量進行計算，并分析其對入海水道水生態(tài)環(huán)境的影響，為周邊水環(huán)境管理提供有效依據(jù)。

1 研究概況

淮河入海水道淮安段位于淮河下游， 與蘇北灌溉總渠平行。 目前，入海水道分南偏泓與北偏泓，因其二期工程是在現(xiàn)狀工程基礎(chǔ)上進行擴挖河道、加固堤防，故入海水道河道將加寬，南、北泓將合并。為滿足園區(qū)內(nèi)規(guī)劃需求， 明通污水處理廠擬將擴建污水處理廠排放規(guī)模設(shè)置為2.1 萬t/d。 目前其入河排污口位于淮河入海水道南泓北岸， 由于淮河入海水道二期工程的施工及運行需要，排污口改建后，尾水經(jīng)調(diào)度河最終匯入淮河入海水道，水質(zhì)目標執(zhí)行GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類水標準。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建模型

2.1.1 EFDC 模型

（1）動量方程：

（2）連續(xù)方程：

（3）狀態(tài)方程：

（4）水質(zhì)方程：

（5）溫度和鹽度輸移方程：

式中：u，v，w 分別是邊界擬合正交曲線坐標x，y，z方向上的速度分量；mx，my分別為水平坐標變換因子，m 為度量張量行列式的平方根，m=mxmy；Av 為垂向紊動黏滯系數(shù)；Kv 為垂向紊動擴散系數(shù)；f 為科里奧利系數(shù)；ρ 為混合質(zhì)量密度，kg/m3；ρ0是參考質(zhì)量密度，kg/m3；H 為總水深，m；h 為未擾動的z 坐標原點以下水深，m；p 為壓力，Pa；C 為因子質(zhì)量濃度，mg/L；Sa 為鹽度，‰；T 為溫度，℃；ξ 為自由的勢能，J；Qu 和Qv 分別為動量在x 和y 方向的源匯項；QT是溫度的源匯項[16]。

2.1.2 一維穩(wěn)態(tài)模型

由于調(diào)度河河段寬深比小， 污染物濃度在橫向上變化不大， 污染物可在較短河道內(nèi)的斷面上均勻混合， 故采用一維穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學模型模擬污染物沿調(diào)度河、十四中溝縱向的輸移過程。

河流一維穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學模型計算公式[17-18]：

式中：ρ 為控制斷面水體污染物質(zhì)量濃度，mg/L；W為污染源排污口的排污量，g/s；Q0=Bhu，Q0為河流流量，m3/s；B 為河寬，m；h 為河道平均深度，m；u 為水體的流速，m/s；C0為邊界水質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L；k為河流中水質(zhì)降解系數(shù)，d-1；x 為污染源與控制斷面之間的縱向距離，m。

2.2 模型范圍

研究采用笛卡爾直角坐標系建立淮河入海水道淮安河段模型， 以總渠北閘、 淮阜控制調(diào)度閘為邊界，總長約42 km，概化出河道的網(wǎng)格系統(tǒng)見圖1。

圖1 淮河入海水道二期工程施工前、后的模型計算網(wǎng)格

淮河入海水道二期施工前， 每個網(wǎng)格邊長為117 m，寬為20 m，共劃分1 800 個網(wǎng)格；淮河入海水道二期工程施工后，入海水道河道加寬至300 m，每個網(wǎng)格邊長為140 m，寬為30 m，共劃分3 000 個網(wǎng)格。 計算時間設(shè)為20 d，時間步長設(shè)為60 s，研究中Z0粗糙度取值為0.02[19-20]。

2.3 模擬方案

為分析COD，NH3-N，TP 在入海水道施工前、后對淮河入海水道水環(huán)境的影響， 根據(jù)水文資料及現(xiàn)場勘察情況，同時考慮豐水期、枯水期水位的變化情況及明通污水處理廠排水事故的發(fā)生情況， 制訂淮河入海水道的水質(zhì)模擬方案見表1。 當污水處理廠排污口正常排放，尾水出水水質(zhì)均執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A 污染物排放標準；若發(fā)生排污口事故排放，尾水出水水質(zhì)應(yīng)綜合考慮明通污水處理廠廢水量、 進水水質(zhì)和處理效果、應(yīng)急事故池的調(diào)節(jié)能力。

表1 淮河入海水道二期施工前、后模擬方案

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗證

研究利用2021 年5 月～9 月淮河入海水道蘇嘴斷面水質(zhì)COD，NH3-N，TP 濃度實測資料進行率定驗證，模型的邊界條件主要包括上游邊界流量（為入海水道南泓總渠北閘處逐日平均流量值）、下游邊界水位（同期淮阜控制調(diào)度閘站逐日平均水位值）、污水處理廠排污口處排放監(jiān)測因子濃度（為該廠現(xiàn)狀排污口COD，NH3-N，TP 的排放濃度）及溫度（為淮安市內(nèi)實測溫度）。

運用以上參數(shù)模擬計算出率定斷面（率定斷面位置見圖1）COD，NH3-N，TP 濃度，并將計算值與實測值進行對比，具體結(jié)果見圖2。

以百分比偏差系數(shù)PBIAS 和擬合優(yōu)度R2評價模型的可靠性與有效性[21-22]，COD，NH3-N，TP 平均百分比偏差分別為3.17%，10.01%和17.42%， 擬合優(yōu)度R2分別達到0.94，0.86，0.68。 在模擬水質(zhì)污染物時，正常PBIAS ≤20%表示模擬結(jié)果優(yōu)秀，R2≥0.6表示模擬結(jié)果達良好水平， 可見蘇嘴斷面水質(zhì)模擬濃度與監(jiān)測數(shù)據(jù)較為吻合，模型各參數(shù)取值合理，該模型可較為準確地模擬淮河入海水道污染物的遷移擴散情況。

3.2 水質(zhì)模擬分析

利用上述邊界條件建立淮河入海水道淮安河段EFDC 模型，模擬計算入海水道二期工程施工前、后正常排放時預(yù)測因子COD，NH3-N 和TP 濃度增量，并疊加2021 年～2022 年淮河入海水道蘇嘴斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出蘇嘴斷面水質(zhì)均可達《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類水標準。 入海水道二期工程啟用后，明通污水處理廠排污口尾水排入調(diào)度河后經(jīng)十四中溝最終匯入淮河入海水道， 故施工后排污口至淮河入海水道斷面先采用一維穩(wěn)態(tài)模型進行水質(zhì)模擬。 考慮最不利情況，擬設(shè)調(diào)度河和十四中溝流量為0，計算尾水正常排放時調(diào)度河入十四中溝、 十四中溝入入海水道斷面處的水質(zhì)預(yù)測因子濃度值， 具體見表2和表3。 當污水處理廠正常排放時，二期工程施工前COD，NH3-N 和TP 因子質(zhì)量濃度在豐水期增量分別為0.910，0.094 和0.010 mg/L，其在枯水期增量分別為1.211，0.129 和0.014 mg/L； 二期工程施工后COD，NH3-N 和TP 質(zhì)量濃度在豐水期增量分別為0.116，0.015 和0.003 mg/L， 其在枯水期增量分別為0.204，0.026 和0.002 mg/L。模擬結(jié)果表明，預(yù)測因子在相同排放濃度下， 流量越大污染物混合后的濃度越低，污染物擴散至蘇嘴斷面時其濃度增量越小，因此，斷面污染物增量與河道流量呈負相關(guān)關(guān)系。相較于枯水期，豐水期的各污染物濃度增量較小，原因是因為豐水期的流量比枯水期的流量大。 在二期工程施工加寬河道后， 水流速度變慢而污染物自身降解量增多， 故施工后蘇嘴斷面的污染物濃度增量低于施工前的濃度增量。

表2 二期工程施工后調(diào)度河及十四中溝水質(zhì)指標預(yù)測mg·L-1

表3 正常排放工況下蘇嘴斷面各污染物濃度預(yù)測結(jié)果mg·L-1

入海水道二期工程施工后， 尾水排入調(diào)度河后經(jīng)十四中溝最終匯入淮河入海水道的相關(guān)斷面預(yù)測結(jié)果見表4。

表4 二期工程施工后調(diào)度河及十四中溝水質(zhì)預(yù)測結(jié)果mg·L-1

當發(fā)生事故排放時，在入海水道二期施工前、后蘇嘴斷面的水質(zhì)指標濃度預(yù)測結(jié)果見表5。 由表5可以看出， 蘇嘴斷面水質(zhì)可達《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類水標準。 當污水處理廠發(fā)生事故排放時，二期工程施工前COD，NH3-N 和TP 因子質(zhì)量濃度在豐水期增量分別為3.277，0.234 和0.028 mg/L，其在枯水期增量分別為4.296，0.320 和0.039 mg/L；二期工程施工后COD，NH3-N 和TP 因子質(zhì)量濃度在豐水期增量分別為0.409，0.037 和0.006 mg/L，其在枯水期增量分別為0.714，0.063 和0.009 mg/L。 模擬結(jié)果顯示，預(yù)測因子在相同排放濃度下，蘇嘴斷面污染物負荷與正常排放工況下有類似規(guī)律， 污染物濃度增量與河道流量也呈負相關(guān)關(guān)系。 通過對比正常排放與事故排放工況可知， 當發(fā)生事故排放時入河污染負荷增加， 蘇嘴斷面各污染物濃度增量均顯著增大，高達尾水正常排放時的2.5～3.5 倍。

表5 事故排放工況下蘇嘴斷面各污染物濃度預(yù)測結(jié)果mg·L-1

綜上可知， 在污染物排放負荷及預(yù)測水期相同時， 淮河入海水道二期工程施工后蘇嘴斷面污染物濃度增量均有所降低。由表3 和表5 可以看出，在河道地形及污染物排放負荷相同時， 蘇嘴斷面枯水期污染物濃度增量均較豐水期高， 但由于枯水期污染物本底值均較豐水期濃度低， 因此表現(xiàn)出枯水期污染物預(yù)測濃度均低于豐水期。 各模擬方案在入海水道二期工程實施后發(fā)現(xiàn)， 當明通污水處理廠豐水期正常排放時（方案5）， 蘇嘴斷面中COD，NH3-N 和TP 濃度增量均最低，對蘇嘴斷面的水質(zhì)影響程度均最小。

3.3 二期啟用后污染物的擴散影響

為評估污水處理廠尾水中污染物排放對淮河入海水道水環(huán)境的影響， 利用水動力水質(zhì)模型模擬計算不同工況下COD 濃度增量的影響范圍，分析其遷移擴散規(guī)律。 由于污水處理廠擴建后的運行時間大多在入海水道二期啟用之后，因此，僅討論二期工程啟用后不同水期下COD 濃度增量的影響范圍，正常排放時COD 濃度增量等值線和事故排放時COD 濃度增量等值線分別見圖3 和圖4。

圖3 正常排放時COD 濃度增量等值線

圖4 事故排放時COD 濃度增量等值線

由圖3 和圖4 可以看出，不同工況條件下COD濃度增量的擴散范圍均存在明顯差別。正常排放時，豐水期和枯水期COD 質(zhì)量濃度增量超過1.5 mg/L的影響面積分別為256，671 m2。 在河道地形和COD排放濃度相同時， 豐水期污染物遷移擴散后濃度較高的水域面積與枯水期相比有所減小， 原因是由于豐水期流量大于枯水期， 較大流量更有利于COD的稀釋擴散[23-24]。當發(fā)生事故排放時，豐水期和枯水期COD 質(zhì)量濃度增量超過1.5 mg/L 的影響面積分別為1 253，3 251 m2，COD 濃度增量較高的水域面積的變化規(guī)律與正常排放工況相似。 比較可知，在相同預(yù)測水期下，尾水中污染負荷均增大，發(fā)生事故排放后COD 濃度較高的水域面積均顯著增加，約為正常排放后的5 倍。 由此看出，明通污水處理廠發(fā)生事故排放后尾水在淮河入海水道的擴散影響遠超于正常排放，故企業(yè)應(yīng)加強日常管理，當事故發(fā)生時應(yīng)立即采取防控措施，防止事故尾水進一步擴散。

4 結(jié)論

通過構(gòu)建淮河入海水道EFDC 水環(huán)境數(shù)學模型， 對淮安明通污水處理廠尾水中COD，NH3-N 和TP 等污染物對蘇嘴斷面的水質(zhì)影響進行預(yù)測，并對二期工程啟用后COD 在淮河入海水道淮安河段中的遷移擴散情況進行分析。

（1）利用淮河入海水道蘇嘴斷面水質(zhì)實測數(shù)據(jù)對淮河入海水道EFDC 模型進行參數(shù)率定， 得出COD，NH3-N，TP 平均百分比偏差分別為3.17%，10.01%和17.42%，擬合優(yōu)度R2分別為0.94，0.86，0.68， 表明該模型模擬污染物在淮河入海水道周邊水域的遷移擴散情況準確度較好。

（2）明通污水處理廠排污口對蘇嘴斷面產(chǎn)生污染物濃度增量，當預(yù)測因子在相同排放濃度下，斷面污染物濃度增量與河道流量均呈負相關(guān)關(guān)系， 故豐水期污染物濃度增量均較枯水期小。 在預(yù)測水期和排放濃度相同時， 淮河入海水道二期工程施工加寬河道后斷面污染物濃度增量均低于施工前的濃度增量。 當發(fā)生事故排放時，因入河污染負荷增加，故蘇嘴斷面污染物濃度增量均顯著增大， 但疊加本底值后水質(zhì)仍滿足地表Ⅲ類水水質(zhì)要求。

（3）淮河入海水道河道二期工程施工后，預(yù)測水期和污染負荷的變化均可對河道的污染帶擴散范圍產(chǎn)生影響。 在污染物排放濃度一定時，豐水期COD 濃度增量較高的水域面積均比枯水期??；當發(fā)生事故排放時，COD 濃度較高的水域面積均隨著污染負荷增大而顯著增加，因此明通污水處理廠應(yīng)嚴格控制污染物排放，避免排放污染負荷較高的尾水。