福州城市排污規(guī)劃布局的水環(huán)境影響研究

石成春

（福州市環(huán)境科學研究院，福州 350011）

福州城市排污規(guī)劃布局的水環(huán)境影響研究

石成春

（福州市環(huán)境科學研究院，福州 350011）

以閩江下游福州城區(qū)段為研究區(qū)間，分析了閩江下游福州段的水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，采用二維水動力-水質(zhì)耦合模型研究了枯水期城市排污口布局和排污強度規(guī)劃對水環(huán)境質(zhì)量的影響。研究結(jié)果表明，感潮河段排污存在明顯的污染物上溯現(xiàn)象，在東南區(qū)水廠至馬尾水廠備用水源地之間形成高濃度污染團，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，高潮時刻的高錳酸鹽指數(shù)增量將達1.0mg/L，氨氮增量將達約0.15mg/L，疊加本底值后水質(zhì)已接近Ⅲ類標準限值。建議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)水廠的取水口。

福州市;排污規(guī)劃;水環(huán)境

前言

閩江是福建省最大的河流，主流全長541km，在福州市境內(nèi)流域面積約8000km2，長約117km[1]。閩江福州段水系分布見圖1。福州市區(qū)地處閩江下游，該河段屬于強潮汐河口感潮段，承擔著福州市的供水和納污功能，受潮汐影響污染物輸送、擴散條件下降，城市取水口和排污口交錯布局導致城區(qū)部分水源地出現(xiàn)水質(zhì)超標現(xiàn)象。根據(jù)福州市城市總體規(guī)劃（2011—2020年），2020年城市人口將增加118萬，新增城市排污規(guī)模將進一步加劇水源地水質(zhì)污染[2]。本文以閩江下游福州段南北港感潮河段為研究區(qū)間，采用二維水動力-水質(zhì)耦合模型預測分析規(guī)劃排污口布局和排污強度對閩江下游水環(huán)境質(zhì)量的影響，為城市排污口和取水口布局優(yōu)化調(diào)整和給排水專項規(guī)劃提供環(huán)境決策依據(jù)。

圖1 閩江下游福州段水系分布圖

1 福州市的城市排污口布局

福州市城區(qū)按照空間結(jié)構(gòu)劃分為6個獨立的規(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t/d，至2020年規(guī)劃污水排放總量達150.5萬t/d，尾水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中一級B標準，即CODCr≤60mg/L，氨氮≤8mg/L。閩江福州城區(qū)段水源地和排污口交錯布局情況見圖2。

表1 城市規(guī)劃排污口布局和排污量一覽表

圖2 排污口及水源地保護區(qū)位置示意圖

2 閩江福州段水質(zhì)現(xiàn)狀

本研究引用福州市城區(qū)閩江南北港3個水源地常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析閩江福州段水質(zhì)現(xiàn)狀，結(jié)果如圖3所示[3]。西北區(qū)水源地斷面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)定達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中Ⅱ類水質(zhì)標準；城門水源地斷面位于閩江南港，高錳酸鹽指數(shù)在3.7～4.7mg/L，氨氮在0.26～0.33mg/L之間，氨氮指標能達到GB3838-2002中Ⅱ類水質(zhì)標準，高錳酸鹽指數(shù)處于Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)標準之間；東南區(qū)水源地斷面位于閩江北港城區(qū)中部，受城市排污影響嚴重，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，氨氮指標平均值已經(jīng)接近Ⅲ類水質(zhì)標準，甚至出現(xiàn)了超標現(xiàn)象。從水質(zhì)變化趨勢分析，高錳酸鹽指數(shù)和氨氮指標月變化趨勢相對平穩(wěn)，其中高錳酸鹽指數(shù)變化幅度小于1mg/L，氨氮指標變化幅度小于0.2mg/L（剔除1月份超標數(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。

圖3 各評價斷面COD、氨氮月均值變化趨勢

3 水環(huán)境預測模型建立

3.1 模型研究區(qū)域

模型研究區(qū)域為閩江下游竹歧—白巖潭段水域，計算水平面設(shè)置為羅星塔零點水位，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。

3.2 水動力模型

（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、風應(yīng)力及側(cè)向摩擦，保留局部慣性項、平流項、水平壓強梯度力、柯氏力、底摩擦，二維垂向平均流水動力方程如下[4、5]：

采用右旋直角坐標系，OXY面與平均海平面重疊，Z軸向上為正。u、v分別為X方向和Y方向的垂向平均流速；ζ為相對于OXY面的水位，H為瞬時水深，H=h+ζ；h為相對于OXY平面的水深絕對值；f為柯氏參數(shù)；r為底摩擦系數(shù)；g為重力加速度。初始條件為：t=0時，u=v=ζ=0；邊界條件為：對于開邊界水位，ζob=asin（ωt）；對于固體邊界，取流速法向分量為零，un=0。

（2）差分網(wǎng)格及方程離散化

采用直角坐標系下B型網(wǎng)格，網(wǎng)格步長△s=△x=△y=25m，△t=2s。邊界條件：竹歧開邊界水位取實測水位，白巖潭邊界根據(jù)白巖潭八個主要分潮（K1、K2、M2、N2、O1、P1、Q1、S2）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算格點水深來判別。

（3）模型驗證

水動力模型驗證資料采用《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報告》提供的2008年2月23—24日對南港進行的水文測驗資料，取S1-S10以及文山里、騾洲、峽南、解放大橋共14個水位測站以及H3、K2、W2共3個河流測站數(shù)據(jù)，觀測站位布設(shè)見圖4。主要測站模型計算值與觀測值驗證曲線見圖5。

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

圖4 水文測驗站位分布

圖5 各測站模型計算值與觀測值驗證曲線

3.3 水質(zhì)模型

水質(zhì)模型采用二維非恒定對流-擴散輸送模型，建立二維水動力-水質(zhì)耦合模型預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：C為污染物濃度；U、V分別為x方向和y方向的全流，由水動力模型計算得到；S為單位時間排入單位面積的污染源強；各污染物假設(shè)為保守物質(zhì)；Kx、Ky為x、y方向的擴散系數(shù)；由于計算時間較短，保守起見暫不考慮污染物降解作用。邊界條件：

陳興偉、藍琳[5～7]等曾對閩江二維非恒定對流-擴散輸送模型水質(zhì)預測精度進行率定驗證，誤差可控制在15%以內(nèi)，Kx取15、Ky取0.3。本研究枯水期模擬計算采用2009年12月27日到29日竹歧水文站和白巖潭站實測過程水位數(shù)據(jù)，污染源考慮規(guī)劃排污口的排污增量。

4 結(jié)果與討論

4.1 潮汐作用對污染物擴散的影響

閩江口屬強潮陸相河口，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。水口電站建成運行后，閩江下游天然來砂量銳減，加之河道無序采砂，導致了閩江下游河床嚴重下切，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[1、8]。

根據(jù)高潮、低潮時刻和全潮的預測水動力-水質(zhì)模擬計算結(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散能力，在北港東南區(qū)水廠-快安排污口之間形成隨漲落潮而移動的高污染團，經(jīng)過一個潮周期震蕩，高濃度污染團中心逐漸向下游緩慢輸移，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區(qū)邊緣。污染物在上游來水和退潮引力作用下向閩江口輸送、擴散，相對漲潮時刻污染程度較輕，枯水期低潮時刻高污染濃度區(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；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、擴散，枯水期高潮時刻，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約3.3km，對東南區(qū)水廠水源地造成污染影響。（見圖6）。

圖6 枯水期高潮、低潮時刻CODMn、氨氮濃度增量預測結(jié)果

4.2 排污口規(guī)劃對水質(zhì)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的水域污染較為嚴重，約有4hm2的水域超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類水質(zhì)標準，超標區(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)最大增量值可達1.5mg/L以上，氨氮最大增量值可達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)標準的水域面積將達約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)，導致上述兩個水源地高錳酸鹽指數(shù)、氨氮等指標超標。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散。

圖7 枯水期全潮CODMn、氨氮濃度增量預測結(jié)果

5 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)量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類標準。

（2）閩江河口潮汐作用導致北港的東南區(qū)水廠斷面-快安排污口之間形成隨漲落潮而移動的高污染團，高潮時刻東南區(qū)水廠水源地的高錳酸鹽指數(shù)增量將達1.0mg/L，氨氮增量將達約0.15mg/L，疊加本底值后高錳酸鹽指數(shù)已經(jīng)接近Ⅲ類標準限值。

（3）建議更換取消東南區(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。

[1]劉修德.福建省海灣數(shù)模與環(huán)境研究—閩江口[M].北京：海軍出版社，2009.

[2]福州市城鄉(xiāng)規(guī)劃局，中國城市規(guī)劃設(shè)計研究院.福州市城市總體規(guī)劃研究報告（2010—2020）[R].福州：福州市城鄉(xiāng)規(guī)劃局，2009

[3]福州市環(huán)境保護局. 福州市環(huán)境質(zhì)量公報（2006—2010）[M].福州.福州市環(huán)保局，2010

[4]梁志宏. 感潮河流復雜邊界水流水質(zhì)動床數(shù)學模型的研究與應(yīng)用[D]. 廣州：暨南大學，2006.

[5]藍琳. 閩江下游北港河段污染物運動特性模擬與分析[J].環(huán)境科學與管理，2008，33（12）：52-56.

[6]秦華鵬，王晟.感潮河流環(huán)境需水量預測及敏感性分析-以深圳河為例[J]. 環(huán)境科學學報，2005，25（7）：936-941.

[7]陳興偉，等.閩江下游感潮河道水動力水質(zhì)動態(tài)模擬研究[R]. 福州：福建師范大學，2007.

[8]劉梅冰，陳興偉.閩江下游河道排污口設(shè)置的水質(zhì)響應(yīng)分析[J].臺灣海峽，2007，26（2）：220-225.

Study on Water Environmental Impact for Layout of Urban Pollution Discharge in Fuzhou

SHI Cheng-chun
(Fuzhou Academy of Environmental Sciences, Fuzhou 350011, China)

The paper analyzes the water environmental quality in Fuzhou zone of lower reaches of Minjiang River by taking Fuzhou zone of lower reaches of Minjiang River as a research section, and sees an impact on the water environmental quality in accordance with the city pollution discharge arrangement and the intensity of pollution discharge during the low water period by applying a model study on twain dimension water dynamics-water quality coupling. The research result shows that high concentration pollution exists in the area of water source between the Southeast water plant and Mawei water plant, causing an obvious impact on water environmental quality in the area of water source of the Southeast water plant, the index increment of permanganate will reach at 1.0mg/L and increment of ammonia nitrogen will reach at 0.15mg/L during the tidemark, and the water quality after background value will be close to III kind criterion limit value. It is suggested that the water gap should be transferred to the higher reaches of the Huaian River and the water gap in Southeast water plant should be replaced or abolished.

Fuzhou; pollution discharge planning; water environment

X321

A

1006-5377（2012）02-0056-06

福州市科技計劃項目2007-S-109，福州市城鄉(xiāng)規(guī)劃局資助項目（2010年）。

石成春（1973-），男，福建省長樂市人，博士，高級工程師，主要從事環(huán)境規(guī)劃、污染控制和影響評價研究，發(fā)表論文20余篇。