譚 超，胡 培，肖 洵，羅志發(fā)

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610；3.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610)

0 引言

隨著工業(yè)和城市化的發(fā)展，城市河道作為居民生活和產(chǎn)業(yè)排放的主要接收區(qū)，面臨著嚴(yán)重的水污染問題。排污口是陸源污染物進(jìn)入水環(huán)境的主要通道，通過對排污口及其污染特征的全面排查，有助于確定影響流域水污染現(xiàn)狀的主要因素[1-3]。入河排污口布局和整治對于保護(hù)水體生態(tài)環(huán)境和維護(hù)人類健康至關(guān)重要，合理排污口布局能夠使污染物更好地被稀釋和擴(kuò)散。通常開展入河排污口布局需要綜合考慮水體環(huán)境、水動(dòng)力特性、水質(zhì)要求以及生態(tài)保護(hù)等因素，建立水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，通過數(shù)學(xué)模擬預(yù)測污染物在水體中的傳輸、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化過程，模擬不同排污口布局對水體的影響[4-6]。然而，感潮河段的水動(dòng)力與水質(zhì)關(guān)系復(fù)雜，通常存在不同時(shí)間尺度的潮汐和水流變化[7]。因此，需要開發(fā)耦合模型將不同尺度的水動(dòng)力過程與污染物輸移過程相結(jié)合，準(zhǔn)確模擬水流和污染物的輸移過程[8-10]。國內(nèi)雖有水動(dòng)力-水質(zhì)模型應(yīng)用于入河(海)排污口的研究[11-14]，但在感潮河段的應(yīng)用較為有限，缺乏完整的模型體系和實(shí)際案例。本研究旨在探討水動(dòng)力-水質(zhì)模型在感潮河段納污計(jì)算與排污口整治中的應(yīng)用，為解決感潮河段水污染問題提供新的視角和方法，實(shí)現(xiàn)水體污染控制目標(biāo)。

1 區(qū)域概況

1.1 感潮河道特征

感潮河段是指河口至潮區(qū)界的河段。其典型特征是：①水文條件波動(dòng)大：流量及水位受潮汐影響較大；②鹽度梯度差異高：常伴隨著淡水與海水的交匯，形成較大的鹽度梯度；③生態(tài)污染敏感性強(qiáng)：感潮河段的生態(tài)系統(tǒng)通常對污染較為敏感，排放污染物可能引起生態(tài)災(zāi)害。因此，需要準(zhǔn)確地模擬感潮河道水動(dòng)力條件對污染物排放的影響，以便更加合理地設(shè)置排污口。

1.2 區(qū)域特征

基于上述感潮河道特征，選擇西北江三角洲河段順德支流作為研究區(qū)域(如圖1所示)。順德支流位于廣東省佛山市順德區(qū)，研究區(qū)段自順德三屆廟至順德沙頭，總長度21km。順德支流的水位和流速存在明顯的周期性變化，符合典型感潮河段的基本特征(如圖2所示)。所在水功能區(qū)為順德支流容奇工業(yè)用水區(qū)，主導(dǎo)功能為工業(yè)，水質(zhì)管理目標(biāo)Ⅳ類。順德支流上游為甘竹溪，所在水功能區(qū)為甘竹溪勒流飲用、漁業(yè)用水區(qū)，水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅲ類；下游流入容桂水道容奇工業(yè)用水區(qū)，水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅱ類(見表1)。

圖1 順德支流入河排污口示意圖

圖2 各站點(diǎn)水位和流量過程驗(yàn)證成果

表1 研究區(qū)域范圍及其所屬的水功能分區(qū)

1.3 排污口現(xiàn)狀

根據(jù)2007年廣東省水文局入河排污口調(diào)查結(jié)果及廣東省水利普查結(jié)果，研究區(qū)域現(xiàn)有入河排污口24個(gè)(如圖1所示)，均為企業(yè)入河排污口，行業(yè)覆蓋金屬電鍍、食品加工、印染紡織、電子原件等，排放方式均為連續(xù)，化學(xué)需氧量(COD)年入河排放量為5727.02t，氨氮年入河排放量為633.12t。這些數(shù)值反映出順德支流的污水排放對水體質(zhì)量的中度影響[15]。

2 感潮河網(wǎng)區(qū)水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型的建立與驗(yàn)證

2.1 邊界條件

2.1.1模擬范圍

珠江三角洲是我國感潮河網(wǎng)的典型區(qū)域，其水動(dòng)力條件既受上游河道下泄徑流的影響，也受下游潮流的作用，本研究選取珠江三角洲中的西北江三角洲河網(wǎng)區(qū)作為模擬范圍，對西北江三角洲東四口門及燈籠山斷面以上的河網(wǎng)水系進(jìn)行概化，建立河網(wǎng)區(qū)一維水動(dòng)力-水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型。其中，河道地形資料讀取自1999-2009年測量的1/5000河道地形圖。

2.1.2模型輸入邊界

模型上游主要流量控制邊界(如圖1所示)為北江的石角、西江的高要，根據(jù)GB/T 25173-2010《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》[16]，采用90%保證率最枯月平均流量作為邊界輸入；模型其它流量邊界包括百嶺涌、九曲河、白坭河、流溪河、里水、雅瑤、高明河等，采用流域產(chǎn)匯流計(jì)算方法以及流域內(nèi)用水量調(diào)查，按水量平衡原理計(jì)算得到；模型下游水位控制邊界為黃埔(珠江廣州河段)、三沙口(沙灣水道)、南沙(蕉門水道)、馮馬廟(洪奇瀝)、橫門(橫門水道)、燈籠山(磨刀門水道)、石咀(潭江)、黃金(雞啼門水道)、西炮臺(tái)(虎跳門水道)、黃沖(銀洲湖)，采用2001年枯季2月7日-15日的實(shí)測潮位過程線為邊界水文過程；各河流的水質(zhì)邊界，采用水功能區(qū)劃中的水質(zhì)控制目標(biāo)水質(zhì)作為邊界輸入(見表1)。

2.1.3模型計(jì)算的時(shí)空步長

模型計(jì)算時(shí)間步長為10min，空間步長根據(jù)計(jì)算斷面間距的不同設(shè)置為500～2500m不等，其中，對本次重點(diǎn)研究河段(順德支流)河流斷面進(jìn)行加密，平均200m設(shè)置一個(gè)斷面。

2.1.4水質(zhì)控制因子

根據(jù)納污能力計(jì)算的項(xiàng)目和指標(biāo)的要求，結(jié)合廣東省水質(zhì)的評價(jià)、入河排污口調(diào)查等已有的數(shù)據(jù)資料，確定本次模型計(jì)算中水質(zhì)控制因子為COD和氨氮。

2.1.5縱向分散系數(shù)

縱向分散系數(shù)Ex隨水流條件而變化，由于平原河網(wǎng)水流變化復(fù)雜。Ex的變化范圍可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級，用不變的Ex值計(jì)算會(huì)帶來較大的誤差。因此，對不同的河道取不同的值。對某一微段有：

(1)

2.1.6污染物衰減系數(shù)

根據(jù)污染物衰減的基本規(guī)律，采用與流速相關(guān)的污染物衰減系數(shù)進(jìn)行模型計(jì)算，COD和氨氮的衰減系數(shù)分別按式(2)和式(3)進(jìn)行計(jì)算：

kCOD=0.0661v+0.0110

(2)

(3)

2.2 模型驗(yàn)證

以1999年12月16日14：00-12月24日16：00的西北江三角洲同步水文測驗(yàn)資料進(jìn)行模型參數(shù)率定，上游邊界石角、高要采用實(shí)測流量過程，下游邊界采用同期實(shí)測潮位過程。珠江三角洲的河床糙率范圍為0.016～0.035[17-18]，在此基礎(chǔ)上通過計(jì)算調(diào)試率，確定西北江三角洲河網(wǎng)區(qū)枯水期河道糙率在0.016～0.044之間。取青岐站、蜆沙站、三水站和馬口站為驗(yàn)證站點(diǎn)，采用2009年10月18日20：00-11月3日20：00的西北江三角洲同步水文測驗(yàn)資料對經(jīng)參數(shù)率定的模型進(jìn)行驗(yàn)證，各驗(yàn)證點(diǎn)的水位(珠江基準(zhǔn)面)和流量計(jì)算結(jié)果與實(shí)測過程的比較如圖2所示。

結(jié)果顯示，這4個(gè)站潮位過程的相位計(jì)算與實(shí)測基本一致，青岐站、蜆沙站、三水站和馬口站分別有76%、71%、66%，以及70%的計(jì)算時(shí)段相對誤差小于30%；青岐站潮位平均絕對誤差為0.06m，蜆沙站潮位平均絕對誤差為0.04m，三水站潮位平均絕對誤差為0.07m，馬口站潮位平均絕對誤差為0.06m；青岐站潮位有86%計(jì)算時(shí)段偏差小于0.1m，蜆沙站潮位有93%計(jì)算時(shí)段偏差小于0.1m，三水站潮位的計(jì)算誤差稍大，潮位有75%的計(jì)算時(shí)段在0.1m內(nèi)，而馬口站潮位偏差有86%的計(jì)算時(shí)段在0.1m內(nèi)；青岐、蜆沙、三水、馬口4站水位的最大絕對誤差分別為0.28、0.21、0.29、0.19m。

青岐站流量有68%的計(jì)算時(shí)段相對誤差小于30%，峰值流量有96%的計(jì)算時(shí)段相對誤差均小于20%，但谷值流量相對誤差更大，有61%的計(jì)算時(shí)段谷值相對誤差在30%以內(nèi)；蜆沙站流量有48%的計(jì)算時(shí)段相對誤差小于30%，峰值流量有93%的計(jì)算時(shí)段相對誤差均小于20%，谷值流量相對誤差有75%的計(jì)算時(shí)段在30%以內(nèi)，谷值流量計(jì)算值與實(shí)測值之間的偏差比峰值的略大一些；三水站峰值流量有97%的計(jì)算時(shí)段相對誤差均小于30%，谷值流量有71%的計(jì)算時(shí)段谷值相對誤差在30%以內(nèi)；馬口站峰值流量有79%的計(jì)算時(shí)段相對誤差均小于30%，谷值流量有71%的計(jì)算時(shí)段谷值相對誤差在30%以內(nèi)。

總體來說，4個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的水溫和流量過程的計(jì)算值與實(shí)測值的逐時(shí)變化趨勢基本相同，模型能夠較為準(zhǔn)確模擬潮汐水動(dòng)力影響下的污染物輸移過程。

3 納污能力計(jì)算與排污口整治研究

3.1 排污口不同概化方式

概化方式是指將排污口的實(shí)際情況進(jìn)行簡化、歸納和統(tǒng)計(jì)，以便于模型分析和計(jì)算。不同的概化方式可能導(dǎo)致不同的計(jì)算結(jié)果。

本研究采用一維水動(dòng)力-水質(zhì)模型，通過排污口輸入排污量進(jìn)行試算，求得滿足上下游水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的最大排污量，即是本河段的納污能力。選取上、中、下游共計(jì)6個(gè)斷面輸出水質(zhì)計(jì)算結(jié)果。其中，上游斷面水質(zhì)須滿足甘竹溪勒流飲用、漁業(yè)用水區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的要求(即斷面1COD限值標(biāo)準(zhǔn)為20mg/L，氨氮限值標(biāo)準(zhǔn)為1.0mg/L)，下游斷面水質(zhì)須滿足容桂水道容奇工業(yè)用水區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的要求(即斷面6的COD限值標(biāo)準(zhǔn)為15mg/L，氨氮限值標(biāo)準(zhǔn)為0.5mg/L)。在納污能力試算過程中，由于不同排污口排污量的組合方式過多，本次以排污口實(shí)際排污量為基準(zhǔn)，對排污量統(tǒng)一進(jìn)行同比縮放，以此計(jì)算河流納污能力。

3.1.1集中概化

排污口的集中概化是將計(jì)算河段內(nèi)所有排污口概化為一個(gè)集中點(diǎn)源，且假設(shè)污染物通過這個(gè)集中點(diǎn)源排到水體中。本次研究將順德支流的排污集中到中游排污口(如圖3(a)所示)。

圖3 排污口不同概化方式及最大排污量模擬結(jié)果

3.1.2均勻概化

排污口的均勻概化是將排污口在計(jì)算河段內(nèi)沿程均勻分布對于計(jì)算河段而言，均勻概化或許存在偏差，但從統(tǒng)計(jì)、規(guī)劃的觀點(diǎn)來看，能夠綜合反映計(jì)算河段污染物排放的平均狀態(tài)。本研究均勻概化為10個(gè)排污口(如圖3(b)所示)。

3.1.3按實(shí)際排污口概化

由于現(xiàn)狀順德支流已經(jīng)有24個(gè)排污口，無論是集中概化還是均勻概化都與實(shí)際情況有一定的差異。通過對實(shí)際排污口的分布模式的調(diào)查(如圖1所示)，按實(shí)際情況概化為6個(gè)排污口(如圖3(c)所示)開展計(jì)算。

匯總本次研究過程中3種不同排污口概化方式的納污能力計(jì)算結(jié)果及各水質(zhì)斷面最大水質(zhì)濃度(見表2-4)。由模擬結(jié)果可知，在對順德支流納污能力計(jì)算過程中，對排污口進(jìn)行集中概化得到的納污能力最大，其中，COD納污能力為16688.43t/a，氨氮納污能力為660.41t/a。與排污口集中概化相比，均勻概化的排污口河流整體水質(zhì)比較穩(wěn)定、均勻，但納污能力計(jì)算結(jié)果較小，其中COD納污能力偏小14.9%，氨氮納污能力偏小18.1%。

表2 排污口不同概化方式模擬結(jié)果(COD最大值) 單位：mg/L

表3 排污口不同概化方式模擬結(jié)果(氨氮最大值) 單位：mg/L

表4 排污口不同概化方式納污能力計(jì)算結(jié)果 單位：t/a

根據(jù)實(shí)際排污口進(jìn)行概化計(jì)算得到的納污能力最小，COD納污能力為11220.60t/a，氨氮納污能力為437.94t/a。這與排污口的布局方式與排放量有密切的關(guān)系，由于順德支流實(shí)際排污口多位于河流下游，且下游排污口污染物排放量較大，污染物排放后經(jīng)過稀釋、自凈的時(shí)間較短便進(jìn)入下游水功能區(qū)，因此，據(jù)此概化的排污口所允許排放的污染物量較小。

3.2 排污口不同布局設(shè)置

布局方式是指排污口在河道中的分布情況。不同的布局方式會(huì)影響污染物在河道中的輸移和擴(kuò)散，從而影響納污計(jì)算。

與單向河道不同，珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)受感潮影響，水動(dòng)力條件較為復(fù)雜，所以本次布局上、中、下游不同的排污口，研究排污口不同的布局設(shè)置對納污能力的影響。將順德支流的排污口分別布局到河道上游(如圖4(a)所示)、中游(如圖4(b)所示)和下游(如圖4(c)所示)的位置并進(jìn)行概化，利用數(shù)學(xué)模型，采用試算法進(jìn)行納污能力計(jì)算。同時(shí)，考慮到計(jì)算結(jié)果的對比，將上下游水質(zhì)控制目標(biāo)均按Ⅱ類水質(zhì)進(jìn)行控制(即斷面1、斷面6的COD限值標(biāo)準(zhǔn)為15mg/L，氨氮限值標(biāo)準(zhǔn)為0.5mg/L)。

圖4 排污口不同布局設(shè)置及最大排污量模擬結(jié)果

匯總本研究中3種不同排污口布局設(shè)置方式的納污能力計(jì)算結(jié)果及各水質(zhì)斷面最大水質(zhì)濃度(表5-7)。由模擬結(jié)果可知，排污口設(shè)置于河流中游區(qū)域，計(jì)算得到的納污能力最大，其中，COD納污能力為19611.94t/a，氨氮納污能力為734.12t/a。

表5 排污口不同布局設(shè)置模擬結(jié)果(COD最大值) 單位：mg/L

表6 排污口不同布局設(shè)置模擬結(jié)果(氨氮最大值) 單位：mg/L

表7 排污口不同布局設(shè)置納污能力計(jì)算結(jié)果 單位：t/a

這可能是由于順德支流受感潮河流的影響，水體呈現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此，布置于上游和下游的排污口容易對鄰近區(qū)域的水功能區(qū)造成影響，納污能力計(jì)算結(jié)果小于中游布置的排污口，COD納污能力計(jì)算結(jié)果分別小28.2%和47.1%，氨氮納污能力計(jì)算結(jié)果分別小33.2%和45.0%。

3.3 排污口不同排放方式

排放方式是指污染物從排污口進(jìn)入河道的方式。不同的排放方式會(huì)影響污染物的濃度分布和輸移速度，從而影響納污計(jì)算。

一般概化排污口采用連續(xù)排放，其污染物排放量是穩(wěn)定的，但實(shí)際排污口也存在間歇排放方式。為了分析污染物間歇連續(xù)排放與連續(xù)排放對水體納污能力的影響，在排污口集中概化排放(如圖3(a)所示)的基礎(chǔ)上，分別設(shè)置排污口污染物排放量為3h的時(shí)間間隔(即污染物連續(xù)排放3h，停止排放3h，再繼續(xù)排放)，6h的時(shí)間間隔，12h的時(shí)間間隔和24h的時(shí)間間隔，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 排污口不同排放方式的最大排污量模擬結(jié)果

匯總本研究中4種不同排放時(shí)間間隔的納污能力計(jì)算結(jié)果以及污染物連續(xù)排放的納污能力計(jì)算結(jié)果(見表8，如圖6所示)。結(jié)果表明，6h的排放間隔計(jì)算得到的納污能力最大，COD和氨氮納污能力分別為19953.90、784.12t/a，大于排污口連續(xù)排放計(jì)算得到的納污能力；在排放間隔為24h時(shí)，

圖6 排污口不同排放方式納污能力計(jì)算結(jié)果

表8 排污口不同排放方式納污能力計(jì)算結(jié)果 單位：t/a

計(jì)算得到的納污能力最小，COD和氨氮納污能力分別為13603.95、517.01t/a，分別小于排污口連續(xù)排放計(jì)算結(jié)果的18.5%、21.7%。

污染物排放間隔的變化導(dǎo)致水體納污能力發(fā)生變化，主要是由于污染物排放時(shí)間間隔，影響了污染物在水體的稀釋和自凈。在污染物排放間隔小于12h時(shí)，順德支流的納污能力有所提高。時(shí)間間隔較小時(shí)，污染物能夠充分利用排污間歇時(shí)間進(jìn)行降解，從而獲得更大的納污能力。

4 結(jié)語

感潮河網(wǎng)地區(qū)受潮汐影響，河流水體呈往復(fù)運(yùn)動(dòng)。研究表明，排污口集中概化的納污能力最大，按實(shí)際排污口概化的計(jì)算值最?。簧?、下游布置排污口易影響鄰近水域，納污能力低于中游排放；間歇排放能利用時(shí)間降解污染物，納污能力高于連續(xù)排放。然而，本研究僅考慮了化學(xué)需氧量和氨氮兩個(gè)典型污染指標(biāo)，污染物類型多樣性在研究中難以全面涵蓋，可能影響計(jì)算準(zhǔn)確性和結(jié)果普適性。此外，由于感潮河段生態(tài)環(huán)境的脆弱性，納污能力計(jì)算和排污口整治工作需考慮生態(tài)環(huán)境變化所帶來的影響。今后應(yīng)綜合更多環(huán)境因素，進(jìn)一步提高模型精確度和實(shí)際應(yīng)用性。