橋梁工程對入河排污口污染范圍影響模擬研究

閔志華,辛小康

(1.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶402160；2.長江水資源保護科學(xué)研究所,湖北武漢430051)

橋梁工程對入河排污口污染范圍影響模擬研究

閔志華1,辛小康2

(1.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶402160；2.長江水資源保護科學(xué)研究所,湖北武漢430051)

為識別涉河橋梁工程對入河排污口污染范圍的影響,借助于MIKE 21 FM和AD模型,以長江干流宜昌滬渝高速路橋江段為研究對象,模擬分析了橋梁工程對河流水位、流速的影響以及對其上游某入河排污口污染范圍的影響。結(jié)果顯示,橋梁工程上游水位比天然情況增加,下游一定范圍內(nèi)流速較天然情況減小,橋墩斷面兩側(cè)邊灘流速有所增加；而入河排污口不同濃度對應(yīng)的污染帶長度和寬度均有所增加；表明橋梁工程會增加其上游附近的入河排污口污染帶的影響范圍,在開展入河排污口設(shè)置論證時,應(yīng)充分考慮涉河工程的疊加影響。

橋墩；入河排污口；水質(zhì)模型；影響范圍

0 引 言

《中華人民共和國水法》(2002)和《中華人民共和國水污染防治法》(2008)規(guī)定：“建設(shè)單位在江河、湖泊新建、改建、擴建排污口的,應(yīng)當(dāng)征得水行政主管部門或者流域管理機構(gòu)的同意”。2003年水利部頒布的《入河排污口監(jiān)督管理辦法》規(guī)定,建設(shè)單位在取得水行政主管部門或流域管理機構(gòu)入河排污口設(shè)置同意時,需要編制入河排污口設(shè)置論證報告。目前,編制入河排污口設(shè)置論證報告,分析入河排污口設(shè)置影響的主要手段是水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,但受制于水文資料、河道地形資料和涉水工程設(shè)計資料的欠缺,建立水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型未能充分考慮擬設(shè)排污口鄰近的其他涉水工程對其污染范圍的影響。錢小娟[1]等采用平面二維水質(zhì)模型研究了長江南通段大型排污口退水對長江水質(zhì)的影響,模型未考慮蘇通長江大橋的影響。王旭[2]等采用平面二維水質(zhì)模型研究了長江攀枝花江段多排污口耦合作用下的水質(zhì)狀況,但攀枝花江段倮果大橋、寶鼎大橋、法拉大橋等多座橋梁未作為影響因素加以考慮。

橋梁等涉水工程對河流水動力條件會產(chǎn)生明顯影響。水動力條件的變化,會進一步影響污染物的輸運及分布。實際上,《中華人民共和國防洪法》(2015)規(guī)定,建設(shè)跨河、穿河、穿堤、臨河的橋梁、碼頭等涉水工程方案應(yīng)充分論證其對行洪的影響,說明涉水工程會對河流水動力條件的影響。本文借助于平面二維水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,研究橋梁工程對入河排污口污染范圍的影響范圍及程度,為科學(xué)開展入河排污口設(shè)置論證工作提供借鑒和支撐。

1 研究方法

涉河建筑物對局部河流水位、流速的影響,以及對污染物平面分布的分析研究多借助于平面二維水動力水質(zhì)模型。本研究借助于丹麥水力學(xué)研究所(DHI)研發(fā)的MIKE 21系列軟件進行模擬研究。

1.1 模型控制方程

MIKE21水動力(FM)及污染物對流擴散(AD)模塊控制方程由描述水流運動的納維-斯托克斯方程組和描述污染物質(zhì)對流擴散的對流擴散方程組成。其中,納維-斯托克斯方程組由水流連續(xù)性方程、沿水流方向(x方向)的動量方程和垂直水流方向(y方向)的動量方程組成。模型控制方程

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2 模型求解方法

目前無論是描述水動力過程的淺水方程組,還是描述物質(zhì)輸運的對流擴散方程,都無法通過傳統(tǒng)的經(jīng)典數(shù)學(xué)方法求其理論解。因此,目前廣泛采用數(shù)值方法求得其近似解。對于淺水方程組,MIKE21FM采用有限體積法進行離散和求解,采用Riemann近似解計算網(wǎng)格單元的對流通量,采用Roe格式估算網(wǎng)格單元交界面的附加變量,通過采用線性梯度重構(gòu)技術(shù)離散方法具有二階精度。對于污染物輸運方程,MIKE21AD采用一階精度的有限體積法進行離散和求解,迎風(fēng)方向的網(wǎng)格單元污染物濃度值采用邊界值。為減少數(shù)值震蕩效應(yīng),使用TVD-MUSCL格式進行限制[3]。

1.3 橋墩及排污口概化處理

橋墩會占用一定的河道過水面積,同時會改變其附近的水動力場,形成墩柱繞流的水流結(jié)構(gòu)。在數(shù)值模型中準確模擬橋墩等建筑物周圍的水流結(jié)構(gòu)仍然是目前研究的難點與熱點[4]。本研究采用修改河道高程法與添加附加阻力法的方式進行近似模擬。修改河道高程法,即根據(jù)橋墩所在的位置及橋墩形狀,設(shè)置局部加密網(wǎng)格,然后根據(jù)橋墩的臺面高程,修改對應(yīng)網(wǎng)格單元的地形高程值(見圖1)。

圖1 橋墩所在河段水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計算網(wǎng)格示意

附加阻力法首先將橋墩看作是欄污柵形式的阻水建筑物,橋墩局部阻力系數(shù)

(5)

式中,s為橋墩的寬度；b為橋墩的間距；θ為橋墩對水平方向的傾角；β為橋墩的形狀系數(shù)。然后將局部阻力系數(shù)轉(zhuǎn)化為糙率的形式。即

(6)

式中,H為平均水深,概化后橋墩區(qū)域所在網(wǎng)格的局部綜合糙率系數(shù)為

(7)

將入河排污口概化為一個連續(xù)排放的點源,通過MIKE21FM在排污口所在位置添加點源,并設(shè)置點源的排放流量和污染物濃度。

2 研究案例

2.1 計算范圍

本研究以長江中游宜昌江段為計算案例,計算范圍為宜昌磨盤溪～云池共計約20 km的長江干流江段。該江段磨盤溪下游2.5 km處建設(shè)了滬渝高速路橋跨越長江,該橋梁有6處橋墩位于長江河道,橋墩為圓柱型,直徑6 m,橋墩對長江干流水動力產(chǎn)生影響,模型計算范圍見圖2。

圖2 長江宜昌江段水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計算范圍示意

2.2 計算工況

采用數(shù)學(xué)模型計算宜昌某化工企業(yè)排污口尾水對受納水體水質(zhì)的影響程度及范圍,重點研究橋梁工程建設(shè)前、后,排污口尾水對受納水體水質(zhì)影響的變化。該排污口污水排放量為0.5 m3/s,主要污染物的COD。根據(jù)GB8978—1996《污水綜合排放標準》,該化工企業(yè)尾水需達到一級A排放標準,對應(yīng)的COD排放濃度為100 mg/L。

模擬研究兩種水文工況：一般枯水期和洪水期?？菟谶x擇三峽水庫生態(tài)下泄水量5 300 m3/s作為模型上邊界條件,以云池對應(yīng)的水位50.5 m作為模型下游邊界條件；洪水期選擇三峽水庫保障下游防洪安全的最大下泄流量56 700 m3/s作為模型上游邊界條件,以云池斷面對應(yīng)的水位61.1 m作為模型下游邊界條件。

模擬研究兩種工程工況：橋梁工程建設(shè)前和橋梁工程建設(shè)后。模擬計算工況及對應(yīng)的水文、水質(zhì)條件見表1。

表1 水動力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計算工況

2.3 背景濃度

模型計算時COD背景濃度取研究江段上游宜昌水文站多年實測濃度的平均值。由于長江COD濃度背景較低,目前針對化學(xué)需氧量監(jiān)測的指標為CODMn。宜昌水文站2010年～2014年逐月CODMn濃度變化見圖3?？梢钥闯?該江段CODMn濃度為3.5 mg/L以下,平均值為2.5 mg/L,根據(jù)GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》,該指標滿足地表水Ⅱ類水質(zhì)標準。根據(jù)相關(guān)的研究,長江CODMn和COD的轉(zhuǎn)換關(guān)系為1∶5,設(shè)定本模型的COD背景濃度為12.5 mg/L。

圖3 長江宜昌水文站斷面高錳酸鹽指數(shù)濃度變化

2.4 模型參數(shù)取值

根據(jù)水動力水質(zhì)模型控制當(dāng)成,模型主要參數(shù)為河道糙率n和綜合衰減系數(shù)Kd。河道糙率是衡量邊壁形狀的不規(guī)則性、粗糙度及整齊程度等因素影響水流結(jié)構(gòu)的綜合性系數(shù)。天然河道糙率n值的影響因素比較復(fù)雜,在長江相關(guān)的水動力水質(zhì)模擬工作中,一些研究者得出了糙率的率定值[5- 8]。本文宜昌江段河道糙率取值0.025,橋墩所在的網(wǎng)格設(shè)置附加阻力后糙率取值為0.036。

綜合衰減系數(shù)是反映河流(河段)對某種污染物的綜合自凈能力,包括污染物的分解、轉(zhuǎn)化、沉降、生物吸收等物理、化學(xué)和生化過程。如果模擬河段上下游設(shè)有對照斷面和控制斷面,則可以根據(jù)兩斷面的實測濃度按照對數(shù)公式[9]推算綜合衰減系數(shù)。國內(nèi)已有大量文獻介紹了不同河流COD的綜合衰減系數(shù),涉及長江干支流的部分文獻成果見[10-14]表3。本文根據(jù)已有的相關(guān)文獻選取COD綜合衰減系數(shù)為0.12/d。

3 研究結(jié)果與討論

3.1 橋梁工程對河流水位的影響

5 300 m3/s和56 700 m3/s兩種不同水文條件時,橋墩對河流水位的影響主要表現(xiàn)為橋墩上游的水位壅高,5 300 m3/s流量條件下,橋墩上游水位平均壅高0.005～0.01 m,影響范圍為橋梁上游2.5 km的河道；56 700 m3/s流量條件下,橋墩上游水位平均壅高0.1～0.2 m,影響范圍為橋梁上游2.5 km的河道?？梢?橋梁工程占用一定河道面積后對橋墩上游河流水位產(chǎn)生影響,特別是洪水期對河流水位的影響更為明顯。同時,橋墩下游水位有一定的降低,但影響范圍不明顯。

3.2 橋梁工程對水流流速的影響

兩種不同水文條件下水流流速的變化(圖略)主要表現(xiàn)為橋墩所在的斷面下游河道流速有所減小：5 300 m3/s流量條件下,流速減小0.05 m/s以內(nèi)；56 700 m3/s流量條件下,流速減小0.05～0.1 m/s。同時,由于橋墩減少了斷面過水面積,所在斷面兩側(cè)的邊灘流速增加：5 300 m3/s流量條件下,流速增加0.05 m/s以內(nèi)；56 700 m3/s,流速增加了0.2 m/s。

3.3 橋梁工程對排污口污染范圍的影響

本文考慮入河排污口設(shè)置在橋墩上游附近的情形,56 700 m3/s水文條件下無橋梁工程和有橋梁工程入河排污口附近的污染物濃度分布(圖略)顯示,不同濃度的污染帶長度和寬度均有所增加,統(tǒng)計結(jié)果見表2。12.52～12.53 mg/L(較背景濃度12.5 mg/L增加0.02～0.03 mg/L)污染帶的長度增加了500 m,寬度增加了20 m。12.53～12.54 mg/L(較背景濃度12.5 mg/L增加0.03～0.04 mg/L)污染帶長度增加了200 m,寬度增加了15m。12.54～12.55 mg/L(較背景濃度12.5 mg/L增加0.04～0.05 mg/L)污染帶長度增加了100 m,寬度增加了10 m。

表2 有、無橋梁工程影響入河排污口污染帶范圍統(tǒng)計

4 研究結(jié)論

涉河橋梁工程的橋墩附近形成墩柱繞流流態(tài),一定程度上改變了河流水動力特性,進而會對入河排污口污染帶范圍產(chǎn)生影響。長江干流宜昌段水動力水質(zhì)模型計算結(jié)果表明：

(1)橋梁工程上游水位較天然情況增加,洪水期56 700 m3/s流量條件下,平均增加0.1～0.2 m；枯水期5 300 m3/s流量條件下水位壅高值稍小。

(2)橋墩斷面下游一定范圍內(nèi)流速較天然情況減小,洪水期56 700 m3/s流量條件下,減小值0.05～0.1 m/s。橋墩斷面兩側(cè)邊灘流速增加。

(3)以橋墩上游附近擬設(shè)排污口為例(污水量0.5 m3/s,COD排放濃度100 mg/L),洪水期56 700 m3/s流量條件下,不同濃度污染帶長度和寬度均有所增加。說明橋梁工程會增加其上游附近的入河排污口污染帶的影響范圍,因此在開展入河排污口設(shè)置論證時,應(yīng)充分考慮涉河工程的影響。

[1]錢小娟, 肖玉兵, 陳艷. 長江南通段大型排污口退水影響預(yù)測[J]. 水資源保護, 2013, 29(2)： 48- 52．

[2]王旭, 李克鋒, 李然, 等. 城區(qū)河段多排污口耦合作用的水質(zhì)模擬[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報： 工學(xué)版, 2008, 41(2)： 24- 27．

[3]Denmark Hydrodynamic Institute. MIKE 21 & MIKE 3 Flow Model FM——Hydrodynamic and Transport Module[DB/OL]. http://www.docin.com/p-904399018.html．

[4]李彬, 孫東坡, 賴冠文, 等. 橋墩布置形式對橋墩繞流及局部流量的影響[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2013, (7)： 129- 132．

[5]張艷霞, 張小峰, 楊芳麗. 長江與漢江兩江洪水演進數(shù)學(xué)模型研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2008, (6)： 32- 34．

[6]吳天姣, 楊漢波, 李哲, 等. 基于MIKE11的三峽庫區(qū)洪水演進模擬[J]. 水力發(fā)電學(xué)報, 2014, 33(2)： 51- 57

[7]施勇. 長江中下游水沙輸運及其調(diào)控數(shù)學(xué)模型研究[D]. 南京: 河海大學(xué), 2006．

[8]陸永軍, 徐成偉, 左利欽, 等. 長江中游卵石夾沙河段二維水沙數(shù)學(xué)模型[J]. 水力發(fā)電學(xué)報, 2008, 27(4)： 36- 43．

[9]傅國偉. 河流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型及其模擬計算[M]. 北京： 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1987．

[10]周國勝.老府河水體中有機污染物降解規(guī)律研究[J]. 黃石理工學(xué)院學(xué)報, 2010, 26(2)： 13- 14．

[11]李曦, 陳香梅, 崔萍. 長江南通段水環(huán)境容量核定及總量控制研究[J]. 環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警, 2012, 4(2)： 10- 14．

[12]寇曉梅. 漢江上游有機物CODCr綜合降解系數(shù)及氨氮污染動態(tài)分布模擬探討[J]. 水資源保護, 2005, 21(5)： 31- 33．

[13]付慧源. 長江干流水域納污能力及限制排污總量研究[J]. 人民長江, 2008, 39(23)： 40- 42．

[14]吳波, 黨志良. 漢丹江流域陜西段水環(huán)境容量研究[J]. 水科學(xué)與工程技術(shù), 2009, (1)： 12- 15．

(責(zé)任編輯 陳 萍)

Simulation Study of the Influence of Bridge Projects on Pollution Range of Sewage Outlet in River

MIN Zhihua1, XIN Xiaokang2

(1. Chongqing Water Resources and Electric Engineering College, Chongqing 402160, China;2. Changjiang Water Resources Protection Institute, Wuhan 430051, Hubei, China)

In order to identify the influence of bridge projects on pollution range of sewage outlets in river, a numerical water quality model is established with the MIKE 21 FM and AD software. Taking Yichang Section of Yangtze River which contains the bridge of Shanghai to Chongqing Highway as research object, the influences of bridge project on water level, water velocity and pollution range are studied. The results show that: (a) comparing with non-bridge condition, the water level in the upstream of bridge is increased, the flow velocity in the downstream is decreased while the velocity in beach is increased; and (b) the length and width of pollution plume for different concentration are synchronously increased. It is indicated that the bridge project will increase the pollution range of sewage outlets, and the superposition effect for river cross projects should be fully considered in design argument．

bridge pier; sewage outlet; water quality model; influence range

2016- 05- 08

國家自然科學(xué)基金資助項目(51309031)；重慶水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研重點項目(K201508)；重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院教改項目(2014022)

閔志華(1980—),男,湖北五峰人,副教授,主要從事水利水電工程設(shè)計、教學(xué)研究工作；辛小康(通訊作者)．

X820.3

A

0559- 9342(2017)03- 0005- 04