閩江下游感潮河段城市排污規(guī)劃對飲用水源水質(zhì)影響研究*

石成春

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閩江下游感潮河段城市排污規(guī)劃對飲用水源水質(zhì)影響研究*

石成春

福州市環(huán)境科學(xué)研究院

以閩江下游福州城區(qū)感潮河段為研究區(qū)間，分析了福州城市取水、排污布局規(guī)劃和水源地水質(zhì)情況，采用二維水動力～水質(zhì)耦合模型預(yù)測了閩江下游南北港枯水期城市排污規(guī)劃對水源地水質(zhì)的影響。結(jié)果表明，城市排污布局和強(qiáng)度對閩江下游福州段南北港水質(zhì)影響總體可接受，各排污口附近約有4hm2的水域超過《地表水環(huán)境質(zhì)量》（GB3838-2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)；閩江口潮汐作用導(dǎo)致洋里和連坂排污口附近形成高濃度污染團(tuán)，在東南水廠～馬尾水廠備用水源地之間回蕩，并隨著潮汐作用逐漸向下游逐漸緩慢輸移；感潮河段排污存在明顯的污染物上溯現(xiàn)象，北港排污上溯的影響距離接近西北區(qū)水廠水源地二級保護(hù)區(qū)邊緣；洋里和連坂排污口對東南區(qū)水廠水源地水質(zhì)影響最為顯著，枯水期高潮時刻氨氮增量將達(dá)約0.15mg/L，疊加環(huán)境本底值后超過Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)的概率大于90%，建議優(yōu)化調(diào)整閩江下游排污和取水口布局，逐步將取水口向城市上游淮安段轉(zhuǎn)移，更換取消東南區(qū)水廠取水口。

閩江感潮河段 排污 水源地 影響

閩江下游福州段屬于強(qiáng)潮汐河口感潮河段，穿越福州市中心區(qū)，承擔(dān)著福州市供水和納污功能，近年來閩江口河床下切嚴(yán)重，咸潮上溯加劇，受潮汐影響，污染物輸送、擴(kuò)散條件下降，城市取水口和排污口交錯布局導(dǎo)致城區(qū)部分水源地出現(xiàn)水質(zhì)超標(biāo)現(xiàn)象。新一輪福州市城市總體規(guī)劃將進(jìn)一步擴(kuò)大城市規(guī)模，規(guī)劃至2020年城市人口將增加118萬，城市建設(shè)用地增加133km2，新增城市排污規(guī)模將進(jìn)一步加劇飲用水源地污染[1]。本文以閩江下游福州段南北港感潮河段為研究區(qū)間，在分析城市給排水規(guī)劃和水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，采用二維水動力~水質(zhì)耦合模型預(yù)測評價規(guī)劃排污方案對城市飲用水源地水質(zhì)的影響，為城市排污口和取水口布局優(yōu)化調(diào)整和給排水專項(xiàng)規(guī)劃提供環(huán)境決策依據(jù)。

1 閩江下游感潮河段流域概況

閩江是福建省最大的河流，主流全長541 km，流域面積60992 km2；在福州市境內(nèi)流域面積8000多km2，長約117 km，主要支流有安仁溪、梅溪、大目溪、溪源溪、陶江、大樟溪、源里溪、井下溪、小目溪、下洞江等[2]。閩江下游流經(jīng)閩清、白沙、竹岐、候官，至南臺島北端淮安處被分為南北港兩支流，南港俗稱烏龍江，北港俗稱閩江，閩江福州段水系分布見圖1。

圖1 閩江下游福州段水系分布圖

2 城市排污和水源布局規(guī)劃

2.1 排污口布局規(guī)劃

閩江福州段從空間結(jié)構(gòu)上可劃分為6個獨(dú)立的規(guī)劃排污區(qū)，分別為甘蔗荊溪分區(qū)、江北舊城區(qū)、南臺島分區(qū)、上街南嶼分區(qū)、南通分區(qū)、青口尚干分區(qū)、馬尾快安分區(qū)，規(guī)劃共設(shè)置甘蔗、荊溪、祥坂、金山、洋里、連坂、快安、旗山、南通和青口等10個排污口（見表1），研究區(qū)間內(nèi)現(xiàn)共有7座污水廠，處理污水量為59萬噸/天，至2020年規(guī)劃污水排放總量達(dá)150.5萬噸/日，尾水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中一級B標(biāo)準(zhǔn)，即CODCr≤ 60mg/L，氨氮≤8mg/L。

表1 城市規(guī)劃排污口布局和排污量一覽表（單位：萬噸/天）

2.2 水源地布局

閩江北港現(xiàn)分布有西北區(qū)水廠水源地、東南區(qū)水廠水源地和馬尾備用水源地3個，南港有城門水廠水源地和義序水廠水源，現(xiàn)狀取水規(guī)模約102萬噸/日，規(guī)劃新增金山水廠取水口，位于閩江南港旗山排污口對岸上游約1 km處。城區(qū)中西北區(qū)水廠水源地取水量最大，占閩江總?cè)∷康?1%，閩江福州城區(qū)段水源地和排污區(qū)交錯布局情況見圖2。

表2 規(guī)劃取水口和取水量一覽表（單位：萬噸/天）

注：本表僅統(tǒng)計(jì)城市中心區(qū)在閩江南北港的取水量，未考慮甘蔗荊溪、上街南嶼、南通、青口尚干等片區(qū)取水。

圖2 排污口及水源地保護(hù)區(qū)位置示意圖

3 水源地水質(zhì)現(xiàn)狀分析

福州市區(qū)污染型工業(yè)已基本完成了向“南北兩翼”羅源灣和江陰工業(yè)區(qū)搬遷，水源地污染主要來源于城市、城郊生活排污。圖3表明，2006年~2010年福州市區(qū)飲用水源地水環(huán)境功能區(qū)達(dá)標(biāo)率在97.5%~99.8%之間，水源地水質(zhì)總體上趨于穩(wěn)定，并保持在較好的水平，但北港的鰲峰洲和南港的城門水源地存在水質(zhì)超標(biāo)現(xiàn)象，鰲峰洲水源地2009年5月、12月氨氮超標(biāo)，導(dǎo)致2009年集中式飲用水水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率明顯下降；城門水源地糞大腸菌群偶爾出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象[3]。

圖3 2006～2010年市區(qū)飲用水水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率

水質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明（見圖4），西北區(qū)水源地位于閩江福州段城區(qū)上游，高錳酸鹽指數(shù)在2.5~3.0mg/L，氨氮穩(wěn)定在0.2mg/L左右，水質(zhì)可穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838- 2002）中Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；城門水源地位于閩江南港，高錳酸鹽指數(shù)在3.7~4.7mg/L，氨氮在0.26~0.33mg/L之間，氨氮指標(biāo)能達(dá)到GB3838-2002中Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，高錳酸鹽指數(shù)處于Ⅱ~Ш類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)之間；東南區(qū)水源地位于閩江北港城區(qū)中部，受城市排污影響嚴(yán)重，水質(zhì)相對最差，其高錳酸鹽指數(shù)在4.5~4.8mg/L，氨氮在0.74~1.26mg/L，氨氮指標(biāo)平均值已經(jīng)接近Ш類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，甚至出現(xiàn)了超標(biāo)現(xiàn)象。從水質(zhì)變化趨勢分析，高錳酸鹽指數(shù)和氨氮指標(biāo)月變化趨勢相對平穩(wěn)，其中高錳酸鹽指數(shù)變化小于1mg/L，氨氮指標(biāo)變化幅度小于0.2mg/L（剔除1月份超標(biāo)數(shù)據(jù)）。因此，研究中采用逐月算術(shù)平均值作為環(huán)境本底值。

4 水環(huán)境預(yù)測模型建立

4.1 模型研究區(qū)域

模型研究區(qū)域?yàn)殚}江下游竹歧~白巖潭段水域，計(jì)算水平面設(shè)置為羅星塔零點(diǎn)水位，水下地形采用2008年福建省港航局勘測中心相關(guān)調(diào)查資料。

4.2 水動力模型

4.2.1理論模型

理論模型采用二維正壓深度平均流動力模型，根據(jù)河道特征暫不考慮氣壓水平變化、風(fēng)應(yīng)力及側(cè)向摩擦，保留局部慣性項(xiàng)、平流項(xiàng)、水平壓強(qiáng)梯度力、柯氏力、底摩擦，二維垂向平均流水動力方程如下[4-5]：

采用右旋直角坐標(biāo)系，面與平均海平面重疊，軸向上為正。、分別為方向和方向的垂向平均流速；為相對于面的水位，為瞬時水深，=+；為相對于平面的水深絕對值；為柯氏參數(shù)；為底摩擦系數(shù)；為重力加速度。初始條件為：=0時，===0；邊界條件為：對于開邊界水位，ζ=sin()；對于固體邊界，取流速法向分量為零，u=0。

4.2.2差分網(wǎng)格及方程離散化

采用直角坐標(biāo)系下B型網(wǎng)格，網(wǎng)格步長=== 25m，=2秒。邊界條件：竹歧開邊界水位取實(shí)測水位，白巖潭邊界根據(jù)白巖潭8個主要分潮(KKMNOPQS)調(diào)和常數(shù)，確定其開邊界水位邊界條件。岸灘邊界的變化由計(jì)算格點(diǎn)水深來判別。

4.2.3模型驗(yàn)證

水動力模型驗(yàn)證資料采用《閩江下游南港航道整治工程可行性研究勘察工程水文泥沙測驗(yàn)報告》提供的2008年2月23~24日水文測驗(yàn)資料，取S-S以及文山里、騾洲、峽南、解放大橋共14個水位測站以及H、K、W共3個河流測站數(shù)據(jù)，觀測站位布設(shè)見圖5。主要測站模型計(jì)算值與觀測值驗(yàn)證曲線見圖6。

圖5 水文測驗(yàn)站位分布

潮位驗(yàn)證曲線表明，無論潮水位過程還是高、低水位值和出現(xiàn)時間，計(jì)算與實(shí)測均符合良好，表明數(shù)值計(jì)算的位相比較準(zhǔn)確。大部分潮流流速觀測值與計(jì)算值接近，潮流方向的模擬值與實(shí)測值也基本一致，表明計(jì)算的流速位相與實(shí)測值吻合良好，能夠模擬研究區(qū)間的河流潮汐運(yùn)動特性。

4.3 水質(zhì)模型

水質(zhì)模型采用二維非恒定對流~擴(kuò)散輸送模型，建立二維水動力~水質(zhì)耦合模型預(yù)測排污方案對閩江感潮河段水質(zhì)的影響，水質(zhì)控制方程如下：

其中：為污染物濃度；，分別為方向和方向的全流，由水動力模型計(jì)算得到；為單位時間排入單位面積的污染源強(qiáng)；各污染物假設(shè)為保守物質(zhì)；K、K為、方向的擴(kuò)散系數(shù)；由于計(jì)算時間較短，保守起見暫不考慮污染物降解作用。邊界條件：

陳興偉、藍(lán)琳[5~7]等曾對閩江二維非恒定對流~擴(kuò)散輸送模型水質(zhì)預(yù)測精度進(jìn)行率定驗(yàn)證，誤差可控制在15%以內(nèi)，K取15、K取0.3。本研究枯水期模擬計(jì)算采用2009年12月27～29日竹歧水文站和白巖潭站實(shí)測過程水位數(shù)據(jù)，污染源考慮規(guī)劃排污口的排污增量。

5 結(jié)果與討論

5.1 排污規(guī)劃對閩江水環(huán)境質(zhì)量的影響

枯水期尾水正常和事故排放全潮情景下CODMn、氨氮濃度增量預(yù)測結(jié)果見圖7。規(guī)劃排污方案對閩江北港的水環(huán)境壓力明顯大于南港，特別是對北港東南區(qū)水廠~馬尾備用水廠取水口之間長約12km的水域污染較為嚴(yán)重，約有4hm2的水域超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)區(qū)域主要位于洋里排污口和連坂排污口附近水域，約占該段水域面積的0.7%。通過一個潮周期震蕩，洋里~快安排污口之間約3km水域的高錳酸鹽指數(shù)增量可達(dá)1.5mg/L以上，氨氮增量可達(dá)0.45mg/L以上，在排污量較大的洋里和連坂排污口附近形成污染物濃度高值區(qū)。若發(fā)生事故性排放，水質(zhì)影響顯著加劇，超Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的水域面積將達(dá)約19hm2，在閩江北港東南區(qū)水廠~馬尾備用水廠取水口形成高污染區(qū)，導(dǎo)致上述兩個水源地高錳酸鹽指數(shù)、氨氮等水質(zhì)超標(biāo)。此外，由于甘蔗排污口水域河道較淺，在排污區(qū)附近也出現(xiàn)了一個小范圍的濃度超標(biāo)區(qū)，污染物進(jìn)入主河道后衰減、擴(kuò)散速率較快。規(guī)劃排污方案對閩江南港的水質(zhì)影響相對較小，主要原因是南港規(guī)劃排污量相對較小，且近年來南北港分流比發(fā)生了較大的變化，南港水量增大，江面寬闊，有利于污染物的輸送和擴(kuò)散；值得注意的是，本次計(jì)算暫將南通排污區(qū)設(shè)在文山洲濕地河岔內(nèi)，污染物擴(kuò)散條件較弱，因此存在高濃度超標(biāo)區(qū)域，在項(xiàng)目環(huán)評中應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化該排污口位置。

5.2 潮汐作用對污染物擴(kuò)散的影響

閩江口屬強(qiáng)潮陸相河口，潮型為正規(guī)半日潮，每日潮汐有兩個周期，每個周期歷時約12小時50分，其中漲潮約5個小時，落潮7小時15分。閩江口潮區(qū)界和潮流界動力源于太平洋的潮波，原閩江下游潮流界只到洪山左橋，潮區(qū)界只到侯官河段。水口電站建成運(yùn)行后，閩江下游天然來砂量銳減，加之河道無序采砂，導(dǎo)致了閩江下游河床嚴(yán)重下切，水位大幅度下迭，枯水期潮流界從洪山左橋向上延伸至閩侯鴻尾河段，潮區(qū)界從侯官河段向上延伸到閩清河段，整個閩江下游取水和排污河段均受河口潮汐控制[2,8]。

研究表明，枯水期高潮時刻，洋里、連坂排污口排放的污染物在漲潮流作用下向上游輸送、擴(kuò)散，COD濃度增量大于1mg/L、氨氮濃度增量大于0.15mg/L的污染物上溯距離將達(dá)約3.3km?？菟诘统睍r刻，污染物在上游來水和退潮引力作用下向閩江口輸送、擴(kuò)散，相對漲潮時刻污染程度較輕，高污染濃度區(qū)間主要分布在洋里~快安排污口之間約3km的水域，COD濃度增量大于0.7mg/L、氨氮濃度增量大于0.08mg/L。根據(jù)高潮、低潮時刻和全潮的預(yù)測水動力~水質(zhì)模擬計(jì)算結(jié)果，閩江口潮汐作用和河床下切不利于南北港的污染物輸送和擴(kuò)散能力，在北港東南水廠~快安排污口之間形成隨漲落潮而移動的高污染團(tuán)，經(jīng)過一個潮周期震蕩，高濃度污染團(tuán)中心逐漸向下游緩慢輸移，存在明顯的污染物上溯現(xiàn)象，最大上溯距離接近西北區(qū)水廠水源地二級保護(hù)區(qū)邊緣。

圖8 枯水期高潮、低潮時刻CODMn、氨氮濃度增量預(yù)測結(jié)果

5.3 對水源地水質(zhì)影響

西北區(qū)水廠水源地位于北港上游河段，受潮汐影響相對較小，在計(jì)算水文條件下，祥坂、金山、洋里、連坂排污口的污染物上溯對其影響較小。東南區(qū)水廠水源地位于祥坂、金山排污口下游，洋里和連坂排污口上游，潮汐作用很大程度上降低了該河段的污染物擴(kuò)散和輸送能力，高潮時刻高錳酸鹽指數(shù)增量將達(dá)1.0mg/L，氨氮增量將達(dá)約0.15mg/L，疊加環(huán)境本底值后高錳酸鹽指數(shù)已經(jīng)接近Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的限值，氨氮指標(biāo)超標(biāo)概率可達(dá)90%以上。在事故排放情況下，枯水期高潮時刻東南區(qū)水廠水源地附近高錳酸鹽指數(shù)最大增量可達(dá)3mg/L，氨氮可達(dá)到0.28mg/L，污染較為嚴(yán)重，需關(guān)閉水廠取水口。

6 結(jié)論與建議

1）福州市區(qū)南北港目前飲用水源地水質(zhì)良好，規(guī)劃排污方案對閩江南北港水質(zhì)影響總體上可以接受，在各排污口附近約4hm2局部水域水質(zhì)超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838 -2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

2）潮汐作用不利于閩江下游福州城區(qū)段的污染物輸送和擴(kuò)散能力，北港東南水廠~快安排污口之間形成隨漲落潮而移動的高污染團(tuán)，經(jīng)過一個潮周的震蕩，高濃度污染團(tuán)中心向下游逐漸緩慢輸送，且存在明顯的污染物上溯現(xiàn)象，最大上溯距離接近西北區(qū)水廠水源地二級保護(hù)區(qū)邊緣。

3）潮汐作用導(dǎo)致洋里和連坂排污口對東南區(qū)水廠水源地產(chǎn)生明顯的污染，高潮時刻，高錳酸鹽指數(shù)增量將達(dá)1.0mg/L，氨氮增量將達(dá)約0.15mg/L，疊加本底值后高錳酸鹽指數(shù)已經(jīng)接近Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，氨氮指標(biāo)超標(biāo)概率達(dá)90%以上。

4）建議城市給水規(guī)劃應(yīng)逐步優(yōu)化調(diào)整排污和取水口布局，逐步將取水口向城市上游淮安段轉(zhuǎn)移，取消金山水廠取水口規(guī)劃，更換取消東南區(qū)水廠取水口，改由原厝水源地供水，近期東南區(qū)水廠應(yīng)在光明港一支河水閘關(guān)閉且落潮后1~2h后取水；建議規(guī)劃遠(yuǎn)期應(yīng)調(diào)整青口取水口、福清峽南取水口、長樂炎山取水口、馬尾旺岐取水口，改由淮安取水口或大樟溪水源地取水。

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