入河排污口設(shè)置論證常用數(shù)學(xué)模型探討

(四川省水文水資源勘測(cè)局，成都，610036)

在開展項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)或入河排污口設(shè)置論證工作中，對(duì)入河排污口設(shè)置影響分析時(shí)，分析擬建項(xiàng)目對(duì)水環(huán)境的影響，常采用數(shù)學(xué)模型法預(yù)測(cè)廢污水入河后對(duì)河道的影響范圍及程度。污染物一般分持久性污染物、非持久性污染物，其中持久性污染物主要包括重金屬、不易降解的有毒有機(jī)物、放射性物質(zhì)等；非持久性污染物是在環(huán)境中受沉降、吸附、微生物等外界環(huán)境作用下，易發(fā)生形態(tài)間的相互轉(zhuǎn)化，物理化學(xué)性質(zhì)易發(fā)生變化的污染物，如廢污水中主要污染指標(biāo)化學(xué)需氧量、生化需氧量、氨氮、總磷、總氮等均屬此類。不同性質(zhì)的污染物，排入河道后其污染物的分布特征、影響范圍和程度不同，因此，預(yù)測(cè)模型會(huì)有所不同。

1 常用數(shù)學(xué)模型研究

1.1 混合過(guò)程段長(zhǎng)度估算

(1)HJ 2.3-2018計(jì)算公式

在《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》(HJ 2.3-2018)中提出了排污口廢污水入河后混合過(guò)程段長(zhǎng)度估算公式：

(1)

式中：Lm——混合段長(zhǎng)度，m；

B ——水面寬度，m；

a——排放口到岸邊的距離，m；

u——斷面流速，m/s；

Ey——污染物橫向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

Ey采用泰勒公式估算，即：

(2)

式中：H——河道平均水深，m；

g——重力加速度，m2/s；

S——河道比降，m/m；

其余符號(hào)同前。

(2)HJ 2.3-1993計(jì)算公式

在《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》(HJ 2.3-1993)中，排污口廢污水入河后混合過(guò)程段長(zhǎng)度估算公式如下：

(3)

式中各符號(hào)同前式(1)、式(2)。

在入河排污口設(shè)置實(shí)際事例中，為滿足監(jiān)督檢查需要，按環(huán)保要求，入河排污口應(yīng)設(shè)置為明管明排或明渠明排，潛沒(méi)和河中排放方式一般不予允許，因此，較多入河排污口設(shè)置在岸邊，此時(shí)排污口與岸邊距離為0，故：

公式(1)簡(jiǎn)化為：

(4)

公式(3)簡(jiǎn)化為：

(5)

1.2 廢污水入河后污染物濃度分布

在分析中一般采用一維、二維模型計(jì)算污染物濃度的分布。

1.2.1 一維模型

在《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》(HJ 2.3-2018)中一維模型中引入了簡(jiǎn)化、分類判別條件a(O′Connor數(shù))和Pe(貝克來(lái)數(shù))。

(6)

(7)

當(dāng)a≤0.027、Pe≥1時(shí)，對(duì)流降解模型為：

(8)

當(dāng)a≤0.027、Pe<1時(shí)，對(duì)流擴(kuò)散降解模型為：

(9)

(10)

1.2.2 二維恒定均勻河流模型

(1)二維模型濃度分布公式

在《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》(HJ 2.3-2018)中二維模型考慮岸邊反射影響的寬淺型平直恒定均勻河流，離岸點(diǎn)源穩(wěn)定排放的濃度分布公式為：

(11)

而在環(huán)境系統(tǒng)分析(高等教育出版社)中，寬淺型平直恒定均勻河流，岸邊點(diǎn)源穩(wěn)定排放的濃度分布為：

(12)

式中：C0——起始斷面背景濃度，mg/L；

C(x，y)——排污口下游x(m)斷面污染物濃度，mg/L；

K——污染物綜合衰減系數(shù)，1/s；

C污——排污口污染物排放濃度，mg/L；

Q污——排污口廢水排放量，m3/s；

ux——設(shè)計(jì)流量下污染帶內(nèi)縱向平均流速，m/s；

H——設(shè)計(jì)流量下污染帶起始斷面平均水深，m；

Ey——橫向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

B——河寬，m；

x——計(jì)算點(diǎn)距排污口距離，m；

n——反射次數(shù)。

比較上面公式(11)和公式(12)，公式(11)未考慮排污口下游河道內(nèi)自身污染物降解，對(duì)岸反射亦只考慮1次。

(2)污染帶最大長(zhǎng)度Lm

在不考慮降解和對(duì)岸反射時(shí)，岸邊排放的超標(biāo)污染帶最大長(zhǎng)度Lm計(jì)算公式如下：

(13)

式中：Cs——?jiǎng)澏ǔ瑯?biāo)污染帶分界的目標(biāo)濃度，m/s；

Ey——橫向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；其余同上。

(3)污染帶最大寬度Bm

在不考慮降解和對(duì)岸反射時(shí)，岸邊排放的超標(biāo)污染帶最大寬度Bm計(jì)算公式如下：

(14)

公式符號(hào)同上。

(4)羽流寬度和羽流混合區(qū)平均濃度

羽流指廢污水入河后，在河道內(nèi)形成的高于河道本底濃度5%的污染帶，羽流寬度指廢污水入河后在排污口下游不同距離所形成的該條污染帶的最大寬度?！度牒优盼劭谠O(shè)置論證報(bào)告技術(shù)導(dǎo)則》(征求意見(jiàn)稿)中，采用混合區(qū)模型STREAMIX I預(yù)測(cè)羽流寬度和羽流區(qū)污染物平均濃度。

羽流寬度公式如下：

(15)

混合區(qū)平均濃度公式如下：

(16)

C0——排污口上游背景濃度，mg/L；

Q——河道流量，m3/s；

Bmix——羽流寬度，m。

其余符號(hào)同前。

2 入河排污口設(shè)置對(duì)水域影響應(yīng)用實(shí)例

本次以天府新區(qū)彭山青龍生活污水處理廠入河排污口設(shè)置為例，分析不同數(shù)學(xué)模型情況下入河排污口設(shè)置后影響范圍特征值。

天府新區(qū)彭山青龍生活污水處理廠位于眉山市彭山區(qū)青龍鎮(zhèn)，金馬河下游段，錦江入岷江匯口上游約8km處，該污水處理廠規(guī)模為5000m3/d，排放執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 51/2311-2016)城鎮(zhèn)污水處理廠標(biāo)準(zhǔn)。毗鄰的青龍工業(yè)園區(qū)污水處理廠處理規(guī)模為10000m3/d，排放執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 51/2311-2016)工業(yè)園區(qū)污水處理廠標(biāo)準(zhǔn)。兩座污水處理廠業(yè)主和運(yùn)營(yíng)單位相同，處理后達(dá)標(biāo)尾水經(jīng)消毒和計(jì)量后，再混合接入同一根尾水管，將尾水輸送至岷江右岸后，排入岷江。

2.1 充分混合所需河段長(zhǎng)度

根據(jù)污水處理廠入河排污口所在河段流量、流速、平均水深和河道比降等數(shù)據(jù)，尾水入河后與河道水體達(dá)到充分混合所需長(zhǎng)度如表1。

表1尾水入河后與河道水體充分混合所需長(zhǎng)度及時(shí)長(zhǎng)

從上表可以看出，兩個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果，混合所需長(zhǎng)度相差20.5%。

2.2 二維模型排污口下游影響范圍分析

2.2.1 排污口斷面河道污染物背景濃度

在入河排污口上游約1.09km袁河壩、入河排污口下游約2.91km吳河壩處各設(shè)立了水功能區(qū)常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，實(shí)行間月監(jiān)測(cè)。在袁河壩至入河排污口之間無(wú)其他排污口、無(wú)支流河流匯入，岷江(金馬河)右岸建有堤防，左岸為自然水域岸線。因此，可采用排污口上游袁河壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為排污口斷面背景濃度。本次選擇高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷作為分析評(píng)價(jià)因子，兩斷面2018年1月-2019年1月數(shù)據(jù)如下表2。

表2袁河壩、吳河壩水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

本次以2018年1月-2019年1月的平均值作為排污口斷面背景濃度值。因袁河壩和吳河壩兩斷面化學(xué)需氧量均未檢出(<15mg/L)，自然水體中一般CODCr/ CODMn=2.5mg/L～3.5mg/L，本次按3.5mg/L取值，背景濃度CODCr為11.3mg/L。

青龍園區(qū)污水處理廠和青龍生活污水處理廠正常工況和非正常工況情況下，排放河道的污染物濃度見(jiàn)表3。

表3尾水入河濃度計(jì)算表

2.2.2 污染物綜合衰減系數(shù)

污染物綜合衰減系數(shù)實(shí)測(cè)法一般在分析河段選取河道順直、水流穩(wěn)定、中間無(wú)支流匯入、無(wú)排污口的河段，分別在河段上游(A點(diǎn))和下游(B點(diǎn))布設(shè)采樣點(diǎn)，監(jiān)測(cè)污染物濃度值，并同時(shí)測(cè)驗(yàn)水文參數(shù)以確定斷面平均流速。綜合衰減系數(shù)(K)按下式計(jì)算：

式中：u——設(shè)計(jì)流量下河道斷面的平均流速，m/s；

ΔX——上下斷面之間距離，m；

CA——上斷面污染物濃度，mg/L；

CB——下斷面污染物濃度，mg/L。

因青龍生活污水處理廠擬設(shè)置在岷江的入河排污口還未啟用。袁河壩～吳河壩河段自2015年開始監(jiān)測(cè)以來(lái)均無(wú)排污口，亦無(wú)支流匯入，兩斷面采樣日期相同，僅采樣時(shí)間不同，從2015年7月至2019年1月共有21個(gè)測(cè)次，只是每個(gè)監(jiān)測(cè)日未對(duì)當(dāng)時(shí)流速進(jìn)行測(cè)量，其流速采用曼寧公式推求。2015年7月-2019年1月期間數(shù)據(jù)如下表4。

表4岷江袁河壩—吳河壩河段綜合自凈系數(shù)推算表

由于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量誤差、環(huán)境溫度等影響，通過(guò)各次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的綜合自凈系數(shù)差異較大，以各次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的綜合自凈系數(shù)均值與通過(guò)濃度均值計(jì)算的值總體差異不大。以各次監(jiān)測(cè)值計(jì)算的綜合自凈系數(shù)均值作為預(yù)測(cè)值。

2.2.3 尾水入河后污染帶最大長(zhǎng)度與最大寬度

計(jì)算污染帶最大長(zhǎng)度和最大寬度，需先確定超標(biāo)污染帶邊界濃度，達(dá)多大時(shí)為超標(biāo)。一般在入河排污口設(shè)置論證中，以水功能區(qū)水質(zhì)管理目標(biāo)為取值標(biāo)準(zhǔn)。青龍生活污水處理廠入河排污口所在河段水功能區(qū)為岷江彭山、眉山開發(fā)利用區(qū)內(nèi)的岷江彭山眉山袁河壩過(guò)渡區(qū)，水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅲ類，因此，判定超標(biāo)污染帶的邊界污染物濃度按地表水Ⅲ類確定。根據(jù)入河排污口尾水量、排放濃度及河道內(nèi)流量及背景濃度，按上文公式(13)、公式(14)計(jì)算，其污染帶最大長(zhǎng)度和寬度如下表5。

表5退水入河后形成的超標(biāo)污染帶最大長(zhǎng)度和寬度計(jì)算

2.2.4 二維模型排污口下游污染物濃度分布

本次按公式(11)、公式(12)分別對(duì)污水處理廠正常排放情況下，入河排污口下游污染物濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，按公式(11)預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6～表8；公式(12)預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表9～表11。

表6正常排放入河排污口下游CODCr濃度分布

注：x=10.1m為CODCr超標(biāo)污染帶最大長(zhǎng)度；y=1.66m為CODCr超標(biāo)污染帶最大寬度。

表7正常排放入河排污口下游NH3-N濃度分布

注：x=9.0m為NH3-N超標(biāo)污染帶最大長(zhǎng)度；y=1.56m為NH3-N超標(biāo)污染帶最大寬度。

表8正常排放入河排污口下游TP濃度分布

注：x=1054.2m為TP超標(biāo)污染帶最大長(zhǎng)度；y=16.96m為TP超標(biāo)污染帶最大寬度。

表9正常排放入河排污口下游CODCr濃度分布

注：x=10.1m為CODCr超標(biāo)污染帶最大長(zhǎng)度；y=1.66m為CODCr超標(biāo)污染帶最大寬度。

表10正常排放入河排污口下游NH3-N濃度分布

注：x=9.0m為NH3-N超標(biāo)污染帶最大長(zhǎng)度；y=1.56m為NH3-N超標(biāo)污染帶最大寬度。

表11正常排放入河排污口下游TP濃度分布

注：x=1054.2m為TP超標(biāo)污染帶最大長(zhǎng)度；y=16.96m為TP超標(biāo)污染帶最大寬度。

從上表對(duì)比分析可以得出，因公式(11)在計(jì)算排污口下游污染物濃度時(shí)，未考慮河道內(nèi)污染物降解，預(yù)測(cè)濃度比公式(12)計(jì)算值偏高，以污染帶最大長(zhǎng)度、最大寬度計(jì)算的污染物濃度與判定超標(biāo)污染帶邊界濃度最接近。在排污口下游距離越遠(yuǎn)，公式(12)的超標(biāo)污染帶最大長(zhǎng)度越小，如總磷，按公式(11)計(jì)算，超標(biāo)污染帶最大長(zhǎng)度已大于76.79km，而公式(12)計(jì)算結(jié)果，在排污口下游12.0km處總磷濃度達(dá)到地表水Ⅲ類，即污染帶最大長(zhǎng)度為12.0km，遠(yuǎn)小于公式(11)計(jì)算值。

由于公式(11)未考慮河道內(nèi)污染物降解，在排污口下游污染物計(jì)算濃度理論上將一直高于排污口背景濃度。

2.2.5 羽流寬度及混合區(qū)平均濃度

按公式(14)、公式(15)計(jì)算羽流寬度及混合區(qū)平均濃度，其值見(jiàn)表12。

表12排污口下游污染帶羽流寬度及混合區(qū)平均濃度

排污口下游距離(m)羽流寬度(m)羽流混合區(qū)平均濃度正常事故CODCrNH3-NTPCODCrNH3-NTP0.51.0830.421.980.371228.8918.932.81311.5324.821.510.318165.1613.502.04522.1620.861.170.280120.109.651.50143.0518.060.940.25488.236.931.11763.7416.820.830.24274.115.730.9479.04.5815.810.750.23362.594.750.80810.14.8515.550.730.23059.714.500.774206.8214.320.620.21945.703.310.6055010.7913.210.530.20833.062.230.45210015.2612.650.480.20326.691.680.37550034.1211.900.420.19618.180.960.2731054.249.5411.720.400.19416.040.770.247200068.2411.600.400.19314.740.660.231400096.5011.510.390.19213.730.580.2195000107.8911.490.390.19213.480.560.2166000118.1911.470.380.19213.290.540.214

3 結(jié)語(yǔ)

入河排污口設(shè)置對(duì)水環(huán)境的影響，按不同公式和數(shù)學(xué)模型計(jì)算，其影響范圍差異較大，特別是尾水入河后污染物降解至排污口上游背景濃度所需河段長(zhǎng)度，不同數(shù)學(xué)模型所計(jì)算的結(jié)果，其差異最為明顯。建議入河排污口下游污染物濃度預(yù)測(cè)，若采用寬淺河流二維數(shù)學(xué)模型時(shí)，充分考慮河道內(nèi)污染物自身降解作用。為驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在青龍鎮(zhèn)生活污水處理廠入河排污口正式投用后，開展尾水入河量、污染物入河濃度和岷江河道流速、流量的同步跟蹤監(jiān)測(cè)。