長(zhǎng)江南通段大型排污口退水影響預(yù)測(cè)

錢小娟，肖玉兵，陳 艷

(江蘇省水文水資源勘測(cè)局南通分局，江蘇南通 226006)

長(zhǎng)江南通段為感潮河段，受上游地表徑流和潮汐的雙重影響，使得水流流場(chǎng)、污染物濃度場(chǎng)的變化較復(fù)雜，該河段的排污口上下游經(jīng)常形成一定范圍的污染帶，因此對(duì)該段水流水質(zhì)的研究只能利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬［1-2］。

筆者運(yùn)用二維非恒定水流水質(zhì)耦合模型，對(duì)典型水文條件下長(zhǎng)江南通段觀音山污水處理廠、開發(fā)區(qū)第一污水處理廠大型尾水入江整合排污口大小潮期間污染物COD 的濃度場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行研究，為該江段的退水影響預(yù)測(cè)提供技術(shù)依據(jù)。

1 水量、水質(zhì)模型的建立

1.1 控制方程組

長(zhǎng)江南通段江面開闊，水面寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其水深，根據(jù)水環(huán)境特征選用平面二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，描述平面二維水深平均非恒定淺水方程組如下［3］:

a. 連續(xù)性方程

b. 動(dòng)量方程

c. 水質(zhì)輸運(yùn)方程

式中:h 為水深;u，v 分別x，y 向垂線平均水平流速分量;ρi為i 處污染物質(zhì)量濃度;g 為重力加速度;s0x，s0y分別為x，y 向的河底底坡;sfx，sfy分別為x，y 向的摩阻底坡;Dix，Diy分別為x，y 向污染物擴(kuò)散系數(shù);K 為污染物降解系數(shù);Si為污染物源匯項(xiàng)。

1.2 初始條件及邊界條件

1.2.1 初始條件

初始條件為u = u0，v = v0，z = z0(z 為水面高程)，ρ=ρ0。

1.2.2 邊界條件

流量及水位邊界條件:上邊界給定為流量過(guò)程，下邊界給定為水位過(guò)程。

1.3 模型參數(shù)的選擇

模型參數(shù)的選擇參照長(zhǎng)江南通段的參數(shù)率定驗(yàn)證結(jié)果，模型糙率選值范圍為0.018 ～0.025［4］，深槽糙率小于淺灘糙率。COD 降解系數(shù)為KCOD=0.2/d［5］，縱向及橫向擴(kuò)散系數(shù)分別取為Dix=60 m2/s，Diy=0.6 m2/s［6］。

1.4 模型的建立與驗(yàn)證

模型采用有限體積法離散微分方程進(jìn)行數(shù)值模擬［7-8］。為了驗(yàn)證模型的可靠性，筆者對(duì)長(zhǎng)江南通段自2009 年9 月3—5 日大潮和2009 年9 月10—12日小潮過(guò)程進(jìn)行了模擬。該段屬非穩(wěn)態(tài)強(qiáng)潮汐河段，模型的上邊界選于天生港附近，下邊界選于新江海河河口附近，計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)約44 km，概化為9 152個(gè)網(wǎng)格，9 471 節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格單元的邊長(zhǎng)一般為120 m，時(shí)間步長(zhǎng)為2 s，利用實(shí)測(cè)潮位資料作為邊界條件。

圖1 長(zhǎng)江南通段大潮漲、落急流場(chǎng)分布

圖2 徐六涇潮位驗(yàn)證結(jié)果

圖3 流速驗(yàn)證結(jié)果

文中分別對(duì)大小潮漲急、落急2 個(gè)時(shí)刻特征進(jìn)行水流模擬，大潮模擬流場(chǎng)見圖1，潮位和流速驗(yàn)證分別為圖2 和圖3 所示。由圖2 可以看出:水位率定誤差小于0.1 m 的占80%，僅個(gè)別誤差超過(guò)0.25 m;由圖3 可以看出:流速驗(yàn)證的誤差小于0.1 m/s 的占70%，除個(gè)別點(diǎn)和時(shí)刻外，其平均誤差小于20%。驗(yàn)證結(jié)果表明，流場(chǎng)空間分布基本合理，潮位過(guò)程線及流速驗(yàn)證精度較高，說(shuō)明該模型能夠較好地模擬實(shí)際水流情況。

2 整合排污口概況

由于南通市給水和排水規(guī)劃缺乏銜接并且規(guī)劃相對(duì)滯后，使得長(zhǎng)江南通段的取水口和排水口布局不合理，最突出的問(wèn)題表現(xiàn)在長(zhǎng)江南通狼山—老洪港飲用水水源、景觀娛樂(lè)用水區(qū)內(nèi)既有狼山水廠、洪港水廠兩區(qū)域水廠取水口，還分布著觀音山污水處理廠和開發(fā)區(qū)第一污水處理廠兩個(gè)大型入江排污口，影響了水源地的供水水質(zhì)。狼山水廠、洪港水廠現(xiàn)狀供水規(guī)模為120 萬(wàn)t/d，近期2015 年總?cè)∷?guī)模為200 萬(wàn)t/d，是南通市的主要供水水源;而觀音山污水處理廠近期尾水排放規(guī)模為5.5 萬(wàn)t/d，距離下游洪港水廠取水口4.2 km，位于洪港水廠取水口的準(zhǔn)保護(hù)區(qū)內(nèi)。另一個(gè)開發(fā)區(qū)污水處理廠近期尾水排放規(guī)模為10.3 萬(wàn)t/d，距離下游洪港水廠取水口2.5 km，并在其取水口二級(jí)保護(hù)區(qū)的范圍內(nèi)。針對(duì)這一不合理情況，為加強(qiáng)飲用水水源地保護(hù)，保障供水安全，南通市人民政府決定將上述兩大排污口整合搬遷至下游長(zhǎng)江南通第二開發(fā)區(qū)工業(yè)用水區(qū)內(nèi)。觀音山污水處理廠、開發(fā)區(qū)第一污水處理廠整合排污口位置示意圖見圖4。

3 整合排污口尾水排放的影響分析

3.1 尾水排放源強(qiáng)的確定

觀音山污水處理廠、開發(fā)區(qū)第一污水處理廠整合排污口設(shè)置于南通開發(fā)區(qū)的水山碼頭下游附近，排放口距岸邊約1300 m，-8 m 等深線(85 高程)。正常排放工況下，污染物排放初始源強(qiáng)為15.8 萬(wàn)t/d，ρ(COD)排放質(zhì)量濃度為50 mg/L。

假設(shè)事故工況時(shí)，由于觀音山污水處理廠和開發(fā)區(qū)第一污水處理廠分開運(yùn)行，一般不會(huì)同時(shí)造成事故，因此典型事故排放源強(qiáng)按照設(shè)計(jì)進(jìn)水質(zhì)量濃度和進(jìn)水量計(jì)算，選擇兩個(gè)污水處理廠中污染物排放量大的源強(qiáng)計(jì)算。開發(fā)區(qū)第一污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模比觀音山污水處理廠要大，因此事故排放源強(qiáng)以開發(fā)區(qū)第一污水處理廠的事故排放量來(lái)計(jì)，即事故排放工況下，污染物初始排放源強(qiáng)為10.3 萬(wàn)t/d，ρ(COD)排放質(zhì)量濃度為500 mg/L。

3.2 設(shè)計(jì)水文條件的確定

典型年的選取根據(jù)大通站多年實(shí)測(cè)最小月平均流量系列，經(jīng)頻率分析計(jì)算得90%保證率的最小月平均流量為7870 m3/s，大通水文站1979 年1 月的平均流量為7 220 m3/s，接近于該流量值。因此確定以1979 年1 月為典型月。選用下游同步潮位過(guò)程作為下邊界條件。應(yīng)用一維水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)水文條件的計(jì)算，得到評(píng)價(jià)區(qū)域上、下邊界的水位過(guò)程，并以此作為計(jì)算區(qū)域二維水動(dòng)力模擬的邊界條件。

3.3 正常工況時(shí)污染物濃度增量模擬分析

圖4 擬建排污口位置示意圖

計(jì)算區(qū)域由于受上游徑流和下游潮汐的共同作用，水流漲落交替出現(xiàn)，呈明顯的雙向流特征。污染物排入水體后，受到水流的對(duì)流和紊動(dòng)擴(kuò)散作用，一方面順著水流方向縱向輸送，一方面向四周橫向擴(kuò)散，在排污口附近形成一擴(kuò)散混合帶，該混合帶隨著流程的增加，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散和自凈的共同作用，污染物濃度不斷減小。小潮時(shí)由于潮汐動(dòng)力的減弱，河流擴(kuò)散能力變小，污染物較大潮的時(shí)候不易擴(kuò)散。

預(yù)測(cè)結(jié)果表明，大潮期間整合排污口COD 質(zhì)量濃度增量大于0.5 mg/L 的分布范圍約為縱向3.94 km、橫向660 m;COD 質(zhì)量濃度增量大于6 mg/L 的混合區(qū)分布范圍約為縱向330 m，橫向120 m。小潮期間COD 質(zhì)量濃度增量大于0.5 mg/L 的分布范圍約為縱向2.97 km，橫向740 m;COD 質(zhì)量濃度增量大于6 mg/L 的混合區(qū)分布范圍約為縱向760 m，橫向350 m。混合區(qū)內(nèi)COD 的質(zhì)量濃度增量疊加本底值后超出了Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)。

整合排污口距離上游江山農(nóng)化企業(yè)取水口為5.8 km，距離下游蘇通大橋?yàn)?.3 km，正常工況下對(duì)江山農(nóng)化取水口的最大質(zhì)量濃度增量為0.03 mg/L，疊加本底值后COD 質(zhì)量濃度為16.03 mg/L，符合Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)要求;對(duì)蘇通大橋的最大質(zhì)量濃度增量為0.14 mg/L，疊加本底值后COD 質(zhì)量濃度為12.14 mg/L，符合Ⅱ類水質(zhì)目標(biāo)要求。整合排污口搬遷至下游后距離上游老洪港水廠較遠(yuǎn)，約為9 km，因此在正常情況下不會(huì)對(duì)老洪港水廠飲用水水源地的水質(zhì)造成影響。觀音山污水處理廠、開發(fā)區(qū)第一污水處理廠的排污口從長(zhǎng)江南通狼山—老洪港飲用水水源、景觀娛樂(lè)用水區(qū)內(nèi)整合后搬遷至下游長(zhǎng)江南通第二開發(fā)區(qū)工業(yè)用水區(qū)，這將有效改善洪港水廠、狼山水廠取水口的水質(zhì)狀況，符合水功能區(qū)管理要求，具體見表1、圖5。

表1 正常工況下污染因子COD 質(zhì)量濃度增量及擴(kuò)散范圍

3.4 事故工況時(shí)水環(huán)境影響分析

預(yù)測(cè)結(jié)果表明，大潮期間整合排污口COD 質(zhì)量濃度增量大于0.5 mg/L 的最大面積為6.23 km2，具體范圍在下游3.53 km 左右，上游影響至2.64 km 左右，縱向跨度約6.17 km，橫向影響范圍在1.58 km以內(nèi);COD 質(zhì)量濃度增量大于10 mg/L 的高濃度區(qū)分布范圍:大潮期間最大為0.95 km2，具體跨度縱向約2.33 km，橫向約540 m。

圖5 大潮期間正常排放時(shí)COD 質(zhì)量濃度增量等值線分布

小潮時(shí)COD 質(zhì)量濃度增量大于0.5 mg/L 的最大面積為4.93 km2，縱向總跨度約5.45 km，橫向影響范圍在1.5 km 以內(nèi)。小潮時(shí)由于水力條件不利于污染物擴(kuò)散，雖然總的污染物擴(kuò)散范圍小于大潮，但在排口附近形成高濃度污染物中心，COD 質(zhì)量濃度增量大于10 mg/L 的高濃度區(qū)分布范圍:小潮期間最大為1.18 km2，具體跨度縱向約2.41 km，橫向約650 m。

事故排放將會(huì)導(dǎo)致大量高濃度污水排入長(zhǎng)江，從而嚴(yán)重影響排口上下游水環(huán)境，破壞水生態(tài)系統(tǒng)。因此污水處理廠應(yīng)加強(qiáng)管理，杜絕事故排放，保證污水處理設(shè)施正常運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者根據(jù)長(zhǎng)江南通段的水動(dòng)力、污染物輸移特征，建立了平面二維非穩(wěn)態(tài)水流水質(zhì)耦合模型。模型應(yīng)用無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分計(jì)算區(qū)域，采用有限體積法及黎曼近似解離散控制方程，將二維模擬轉(zhuǎn)化為求解一系列局部一維問(wèn)題，從而模擬出計(jì)算江段典型水文條件下的水流過(guò)程和相應(yīng)的排污口退水污染物輸運(yùn)擴(kuò)散過(guò)程。利用實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證結(jié)果表明，無(wú)論是流場(chǎng)的整體形態(tài)，還是驗(yàn)證點(diǎn)的水位、流速都與實(shí)際情況符合較好，模型計(jì)算精度較高。利用該模型可進(jìn)一步預(yù)測(cè)排污口退水對(duì)環(huán)境影響范圍和程度，為排污口設(shè)置論證、環(huán)境影響評(píng)價(jià)，提供技術(shù)依據(jù)。

采用的四邊形網(wǎng)格適合于淺水方程的計(jì)算，但該網(wǎng)格在河岸附近邊界的貼合不是很好，比較理想網(wǎng)格劃分方案的是在河道主槽應(yīng)用四邊形網(wǎng)格，在河岸附近用三角形網(wǎng)格擬合邊界，因此在今后的計(jì)算研究中可考慮采用四邊形-三角形混合網(wǎng)格。

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