多節(jié)點(diǎn)分段法在計(jì)算排污口對(duì)水功能區(qū)水質(zhì)影響中的應(yīng)用

龔 慧 ,姚 敏 ,邵 鵬 ,王 麗

（1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局常州分局，江蘇 常州 213000；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210000；3.鹽城市水利工程質(zhì)量監(jiān)督站，江蘇 鹽城 224002；4.魯南煤化工研究院，山東 濟(jì)寧 272000）

0 引言

隨著近年經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)及生活污水排放量不斷增加，污水處理壓力日益加劇，新建及改擴(kuò)建污水處理廠勢(shì)在必行。但排污口的設(shè)置論證須充分考察所在水功能區(qū)的水質(zhì)現(xiàn)狀和納污能力[1-3]，及建設(shè)后對(duì)受納水體、相鄰水功能區(qū)、第三者的影響[4]，在確保不踩踏“三條紅線”的前提下建設(shè)和管理排污口[5]。在實(shí)際論證工作中，水文條件往往錯(cuò)綜復(fù)雜，通常存在多個(gè)支流口、取水口、其它排污口、考核斷面等，簡(jiǎn)單的數(shù)值模型法難以全面準(zhǔn)確地反映排污口設(shè)置對(duì)河流水質(zhì)的影響[6-9]。本文利用一維水質(zhì)模型[10-12]，多節(jié)點(diǎn)概化，分段計(jì)算新建入河排污口對(duì)河流水質(zhì)的影響，為排污口設(shè)置提供參考。

1 研究區(qū)概況

溧陽(yáng)市位于江蘇省南部，蘇、浙、皖三省交界處，隸屬江蘇省常州市，總面積1535 km2。溧陽(yáng)市境內(nèi)河流均屬太湖流域南溪水系，東西向干流為北河、中河、南河，南北向干流為丹金溧漕河。北河是溧陽(yáng)市北部排洪、引水、航運(yùn)的骨干河道；南河自西向東穿越溧陽(yáng)腹部經(jīng)宜興三氿入太湖；中河自西向東橫貫溧陽(yáng)腹部經(jīng)宜興西氿注太湖。丹金溧漕河自北向南先后與北河、中河、南河及腹部古瀆河、常州河交接，也是交通航運(yùn)骨干河道。溧陽(yáng)市水系情況詳見圖1。

北河位于茅山山脈東南、宜溧山區(qū)以北，西起上興鎮(zhèn)東塘橋與上沛河相接，向東北穿越竹簀鎮(zhèn)和別橋鎮(zhèn)后，與丹金溧漕河貫通，東入長(zhǎng)蕩湖（又名洮湖），全長(zhǎng)27.5 km，匯水面積343.3 km2，每年流入長(zhǎng)蕩湖水量約為0.37億m3。根據(jù)北河代表站南渡水文站多年監(jiān)測(cè)資料，北河多年平均水位為3.43 m（吳淞高程），多年平均流量為4.74 m3/s。

圖1 溧陽(yáng)市水系概況圖

2 排污口及所在水功能區(qū)

2.1 排污口狀況

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，新建南渡污水處理廠位于溧陽(yáng)市南渡鎮(zhèn)舊縣新材料工業(yè)園內(nèi)，服務(wù)范圍為南渡鎮(zhèn)、竹簀鎮(zhèn)、上興鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水。近期服務(wù)人口19萬(wàn)人，服務(wù)總面積近520 km2。尾水排放規(guī)模為1.5萬(wàn)t/d，擬設(shè)計(jì)為岸邊排放，排放方式為連續(xù)排放，即0.17 m3/s。排放口擬建于北河施家橋下游約570 m處，北河左岸，N31°28′51.46″E119°19′7.70″，具體位置見圖2。

污水處理工藝為改良A2/O工藝，尾水排放執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)預(yù)測(cè)進(jìn)、出水水質(zhì)等相關(guān)資料，并按同類污水處理廠進(jìn)行類比分析[13]，確立主要污染物進(jìn)、出水濃度列于表1。

圖2 排污口及所在水功能區(qū)位置圖

表1 主要污染物進(jìn)、出水濃度及污染物削減總量表圖

經(jīng)計(jì)算，新建南渡污水處理廠將大幅度削減區(qū)域內(nèi)主要水污染物，將“就近排放、漫天排放、雨污合排”的鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水經(jīng)管網(wǎng)收集集中處理后排放，可以較大程度地改善鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)水環(huán)境污染現(xiàn)狀，可以大幅度削減末端受納水體北河的污水負(fù)荷，對(duì)于改善區(qū)域內(nèi)河道水環(huán)境具有積極意義。

2.2 相關(guān)水功能區(qū)及現(xiàn)狀水質(zhì)

北河西起東塘橋，東至洮湖，其中東塘橋～綢繆橋段長(zhǎng)15.4 km，為“北河溧陽(yáng)工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)”；綢繆橋～入湖口段長(zhǎng)12.1 km，為“北河溧陽(yáng)別橋過渡區(qū)”。2020年水質(zhì)目標(biāo)均為Ⅲ類（《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002），下同）。

相關(guān)河湖有上興河、上沛河、竹簀河、丹金溧漕河、長(zhǎng)蕩湖，2020年水質(zhì)目標(biāo)均為Ⅲ類。根據(jù)江蘇省水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心常州分中心2014～2016年常規(guī)監(jiān)測(cè)資料，論證范圍內(nèi)現(xiàn)狀水質(zhì)均達(dá)不到功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)，水環(huán)境現(xiàn)狀不容樂觀。

2.3 取用水戶情況

通過調(diào)查、資料收集后確定論證范圍內(nèi)沒有

在建、擬建取水口、入河排污口。

3 節(jié)點(diǎn)斷面濃度計(jì)算方法

據(jù)《入河排污口設(shè)置論證基本要求（試行）》，按枯水期最不利環(huán)境設(shè)計(jì)水量條件下，以數(shù)值模型法計(jì)算預(yù)測(cè)入河排污口排污對(duì)水功能區(qū)水質(zhì)影響，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)處斷面濃度[14]。分為正常排放、回用30%后排放和事故排放3種情況進(jìn)行計(jì)算。

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)《納污能力計(jì)算規(guī)程》：北河河面寬約70 m，底寬15 m，多年平均水位為3.43 m（吳淞基面），寬深比不大（見圖3），污染物質(zhì)能在較短的時(shí)段內(nèi)在斷面內(nèi)達(dá)到基本均勻混合，且污染物濃度在斷面橫向上變化不大；北河多年平均流量為4.74 m3/s，小于150 m3/s，屬于中、小型河道，因此可選用河流一維模型計(jì)算[10-12，15]。

污染物濃度按式（1）計(jì)算。

式中:

圖3 北河實(shí)測(cè)大斷面圖（2016年8月18日施測(cè)）

C0—初始斷面的污染物濃度，mg/L；

Cx—流經(jīng)x距離后的污染物濃度，mg/L；

x—沿河段的縱向距離，m；

u—設(shè)計(jì)流量下河道斷面的平均流速，m/s；

K—污染物綜合衰減系數(shù)，1/s；

排污口斷面、匯流口水質(zhì)濃度采用完全混合模式計(jì)算，公式如下：

式中：

Cwi—初始斷面與廢污水混合后的污染物濃度，mg/L;

Cp—廢污水的污染物濃度，mg/L;

Q—初始斷面的入流流量，m3/s;

Qp—廢污水排放流量，m3/s；

3.2 計(jì)算河段

計(jì)算河段以入河排污口、相鄰功能區(qū)交界斷面及支流口為節(jié)點(diǎn)，分段進(jìn)行計(jì)算[16]。

3.3 設(shè)計(jì)水文條件

采用近10年最枯月平均流量的均值作為設(shè)計(jì)流量[17]，以江蘇省水文水資源勘測(cè)局常州分局別橋站和南渡站多年實(shí)測(cè)資料及沿線巡測(cè)流量資料（2016年8月18日施測(cè)）為基礎(chǔ)，推算本項(xiàng)目擬設(shè)排污口段的設(shè)計(jì)流量為0.96 m3/s。推算各口門設(shè)計(jì)流量，見圖4。

圖4 各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)流量圖

3.4 入流斷面水質(zhì)濃度（C0）的確定

入流斷面水質(zhì)濃度的初始值C0以上一水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)確定。即以III類標(biāo)準(zhǔn)值，CODCr的C0＝20 mg/L；氨氮的C0＝1.0 mg/L。

3.5 綜合衰減系數(shù)K

污染物綜合衰減系數(shù)是反映污染物沿程變化的綜合系數(shù)，采用經(jīng)驗(yàn)公式[18-20]：

CODCr的K值公式：K=0.050+0.68u

NH3-N的K值公式：K=0.061+0.551u

計(jì)算河段設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)流速、綜合衰減系數(shù)等詳見表2。

表2 河段計(jì)算參數(shù)一覽表

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 正常排放

計(jì)算結(jié)果見表3和表4，結(jié)果表明：在最不利水量條件下，正常排放時(shí)排放口水域CODCr最大濃度點(diǎn)濃度為24.5 mg/L，氨氮最大濃度點(diǎn)濃度為1.60 mg/L；竹簀河與北河交匯口處，CODCr和氨氮濃度分別為21.2 mg/L和1.32 mg/L；綢繆橋斷面CODCr和氨氮濃度分別為20.0 mg/L和1.24 mg/L丹金溧漕河與北河交匯口處，CODCr和氨氮濃度分別為19.8 mg/L和1.02 mg/L；北河入湖口處，CODCr和氨氮濃度分別為14.5 mg/L和0.71 mg/L。

由此可見，正常排放時(shí)CODCr、氨氮混合區(qū)對(duì)所在水功能區(qū)（北河溧陽(yáng)工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)）、相鄰水功能區(qū)（竹簀河溧陽(yáng)工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)，丹金溧漕河溧陽(yáng)漁業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)）及下游水功能區(qū)（北河溧陽(yáng)別橋過渡區(qū)）水質(zhì)均有一定影響，但下游功能區(qū)出流斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，對(duì)飲用水源區(qū)（洮湖常州飲用水水源、漁業(yè)用水區(qū)）水質(zhì)無(wú)影響。

表3 正常排放下各節(jié)點(diǎn)斷面CODCr濃度計(jì)算表

表4 正常排放下各節(jié)點(diǎn)斷面氨氮濃度計(jì)算表

表5 回用30%后排放各節(jié)點(diǎn)斷面CODCr濃度計(jì)算表

4.2 回用30%后排放

計(jì)算結(jié)果見表5和表6，結(jié)果表明：在最不利水量條件下，污水回用30%后排放，排放口水域CODCr、氨氮最大濃度點(diǎn)濃度相比于正常排放時(shí)，分別下降了4.9%和10.0%；竹簀河與北河交匯口處，CODCr和氨氮濃度分別下降了3.8%和8.3%；綢繆橋斷面CODCr和氨氮濃度分別下降了4.0%和8.9%；丹金溧漕河與北河交匯口處，CODCr和氨氮濃度分別下降了0.5%和2.0%；北河入湖口處，CODCr和氨氮濃度分別下降了0.7%和1.4%。丹金溧漕河交匯口斷面CODCr和氨氮基本達(dá)到水質(zhì)管理目標(biāo)三類標(biāo)準(zhǔn)值。

表6 回用30%后排放各節(jié)點(diǎn)斷面氨氮濃度計(jì)算表

由此可見，回用30%后排放時(shí)CODCr、氨氮混合區(qū)對(duì)所在水功能區(qū)（北河溧陽(yáng)工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)）、相鄰水功能區(qū)（竹簀河溧陽(yáng)工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)）及下游水功能區(qū)（北河溧陽(yáng)別橋過渡區(qū)）水質(zhì)均有一定影響，但污染物很快得到降解，下游功能區(qū)出流斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，對(duì)下游相鄰水功能區(qū)（丹金溧漕河溧陽(yáng)漁業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)）水質(zhì)基本無(wú)影響，對(duì)飲用水源區(qū)（洮湖常州飲用水水源、漁業(yè)用水區(qū)）水質(zhì)無(wú)影響。

4.3 事故排放

計(jì)算結(jié)果見表7和表8，結(jié)果表明：在最不利水量條件下，事故排放時(shí)排放口水域CODCr、氨氮最大濃度點(diǎn)濃度分別為正常排放的2.7倍和3.8倍；竹簀河與北河交匯口處，CODCr和氨氮濃度分別為正常排放的2.3倍和3.4倍；綢繆橋斷面CODCr和氨氮濃度分別為正常排放的2.3倍和3.4倍；丹金溧漕河與北河交匯口處，CODCr和氨氮濃度分別為正常排放的1.2倍和1.4倍；北河入湖口處，CODCr和氨氮濃度分別為正常排放的1.2倍和1.4倍。

由此可見，事故排放對(duì)水功能區(qū)影響顯著增大，對(duì)所在水功能區(qū)、相鄰水功能區(qū)、下游水功能區(qū)及下游相鄰水功能區(qū)水質(zhì)均有影響。但對(duì)長(zhǎng)蕩湖飲用水源地水質(zhì)無(wú)影響。

表7 事故排放下各節(jié)點(diǎn)斷面CODCr濃度計(jì)算表

5 結(jié)論

通過采用多節(jié)點(diǎn)分段法計(jì)算北河新建排污口對(duì)水功能區(qū)的水質(zhì)影響，可以看出，正常排放時(shí)CODCr和氨氮污染物對(duì)所在水功能區(qū)、相鄰水功能區(qū)及下游水功能區(qū)水質(zhì)均有一定影響，北河入湖口處CODCr和氨氮濃度分別為14.5 mg/L和0.71 mg/L污水回用30%后排放影響程度降低，影響范圍縮小，對(duì)下游相鄰水功能區(qū)水質(zhì)基本無(wú)影響，北河入湖口處CODCr和氨氮濃度分別下降了0.7%和1.4%；事故排放時(shí)影響程度顯著增大，北河入湖口處，CODCr和氨氮濃度分別為正常排放的1.2倍和1.4倍。因此考慮到北河及相關(guān)水功能區(qū)現(xiàn)狀水質(zhì)多未達(dá)標(biāo)，應(yīng)鼓勵(lì)污水回用，減少排放量，并多方位采取措施加強(qiáng)流域水資源管理，改善河流水質(zhì)，騰出納污能力，同時(shí)應(yīng)強(qiáng)化管理，防范并杜絕污水處理廠事故排放，以保障人民群眾生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水安全。

表8 事故排放下各節(jié)點(diǎn)斷面氨氮濃度計(jì)算表