基于MIKE21模型的長(zhǎng)江中環(huán)排污口水質(zhì)影響分析

劉晨輝，劉思飔，李 丹,3，嚴(yán)江涌，呂燦翔

(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，武漢 430064；2.湖北省水利水電科學(xué)研究院，武漢 430070；3.武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，武漢 430072)

0 引 言

習(xí)近平總書(shū)記指示：“要把修復(fù)長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置，共抓大保護(hù)，不搞大開(kāi)發(fā)”，明確指出了長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要性。長(zhǎng)江河道水文條件復(fù)雜，生態(tài)敏感因素多，環(huán)境影響范圍大，在長(zhǎng)江河段新建或改擴(kuò)建排污口，需謹(jǐn)慎分析其對(duì)長(zhǎng)江水質(zhì)的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶現(xiàn)有入河排污口23 830 個(gè)，年污水排放總量195.21 億t[1]。按照國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)要求，開(kāi)展入河排污口設(shè)置論證工作，是規(guī)范入河排污口監(jiān)管，減少或避免流域水污染的重要措施。分析排污口污水排放對(duì)所在河段的水質(zhì)影響情況，是入河排污口設(shè)置論證的重要工作之一[2]。

目前比較流行的入河污染物排放影響分析方法是采用先進(jìn)的水動(dòng)力數(shù)值模擬軟件，根據(jù)排污口項(xiàng)目的污水排放總量、污染物排放濃度，建立排入河道的水動(dòng)力學(xué)模型，模擬典型污染物在河道中擴(kuò)散過(guò)程，分析其對(duì)河道水質(zhì)的影響范圍和影響程度。[3-5]可供選擇的水動(dòng)力數(shù)值模擬軟件主要有荷蘭的Delft 3D模型、英國(guó)的InfoWorks模型、美國(guó)的SMS模型、丹麥的MIKE模型和其他自主研發(fā)的軟件模型，其中丹麥水利環(huán)境研究所(DHI)開(kāi)發(fā)的MIKE系列軟件是目前國(guó)際上應(yīng)用較為廣泛的水動(dòng)力學(xué)模型之一，得到了廣泛的使用和工程驗(yàn)證，可信度較高[6-8]。

本文采用MIKE 21 模型中的水動(dòng)力模塊和對(duì)流擴(kuò)散模塊，建立了荊州中環(huán)入河排污口所在長(zhǎng)江河段二維水動(dòng)力學(xué)模型，模擬排放污水中主要污染物在長(zhǎng)江河段中的遷移和分布情況，分析其對(duì)河段水質(zhì)的影響范圍和影響程度，為排污口設(shè)置提供合理性評(píng)價(jià)依據(jù)。該研究方法對(duì)長(zhǎng)江中下游河段開(kāi)展排污口影響分析工作有一定借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

中環(huán)排污口全稱中環(huán)水業(yè)有限公司污水處理廠排污口，中環(huán)污水處理廠位于湖北省荊州市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，主要承接荊州紡織服裝工業(yè)園內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)廢水和日常生活污水，處理達(dá)標(biāo)后排入長(zhǎng)江。中環(huán)排污口位于長(zhǎng)江左岸荊江大堤746+950處，東經(jīng)112°17′20.89″，北緯30°14′30.04″，研究區(qū)位置見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

中環(huán)污水處理廠一期工程已于2008年建成，入河污水排放規(guī)模為3.0 萬(wàn)m3/d，項(xiàng)目二期工程擬在一期基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建，增加入河排污量2.3 萬(wàn)m3/d，即達(dá)到5.3 萬(wàn)m3/d，年污水排放量達(dá)到1 794 萬(wàn)t。

2 模型計(jì)算原理

2.1 水動(dòng)力控制方程

MIKE21二維水動(dòng)力模型基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并服從Boussinesq假定和靜水壓力的假定。

水動(dòng)力控制方程組(Navier-Stokes方程)為：

(1)

(2)

(3)

式中：t為時(shí)間；x，y為笛卡爾坐標(biāo)；η為水位；d為靜止水深；h=d+η，為總水深；u，v分別為x，y方向上的速度分量；f=2ωsinψ，為Coriolis系數(shù)，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，ψ為當(dāng)?shù)鼐暥龋籫為重力加速度；ρ為水密度；Ax、Ay為應(yīng)力分項(xiàng)；S為源項(xiàng)；us、vs為源項(xiàng)水流流速。

(4)

2.2 污染物運(yùn)移方程

污染物運(yùn)移基本方程是污染物在水體中擴(kuò)散遷移規(guī)律的數(shù)學(xué)描述，考慮污染物運(yùn)移過(guò)程中的對(duì)流、擴(kuò)散和降解等因素，運(yùn)移方程為：

(5)

式中：C為各典型污染物濃度；Dx、Dy為各典型污染物在x、y方向上的擴(kuò)散系數(shù)；P為各典型污染物降解項(xiàng)；S為各典型污染物的排放源匯項(xiàng)；其他字母含義同運(yùn)動(dòng)方程。

2.3 數(shù)值模擬處理方法

(1)CFL數(shù)。MIEK21水動(dòng)力模型采用空間離散法對(duì)水動(dòng)力方程求解，用三角非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)模型區(qū)域進(jìn)行劃分，在垂向σ分層的基礎(chǔ)上，在笛卡爾坐標(biāo)系和球面坐標(biāo)系向下用單元中心的有限體積法計(jì)算。

對(duì)于笛卡爾坐標(biāo)下的淺水方程式，CFL定義為：

(6)

式中：h為總水深；u和v為流速在x和y方向的分量；g是重力加速度；Δx和Δy是x和y方向的特征長(zhǎng)度；Δt是時(shí)間間距；Δx和Δy近似于三角形網(wǎng)格的最小邊長(zhǎng)；水深和流速值則是發(fā)生在三角形的中心。

污染物運(yùn)移方程式在笛卡爾坐標(biāo)上的CFL數(shù)是定義為：

(7)

笛卡爾坐標(biāo)下的淺水方程式變量示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 笛卡爾坐標(biāo)下的淺水方程式變量示意圖

在水動(dòng)力方程和污染物傳輸(擴(kuò)散)方程的時(shí)間積分使用顯式法，為維持模型穩(wěn)定，模擬時(shí)間間隔選定必須使Courant-Friedrich Levy(CFL)值小于1。理論上如果CFL小于1，模型便可穩(wěn)定運(yùn)行。然而CFL的計(jì)算只是一個(gè)推測(cè)性的，因此模型依然會(huì)違反CFL準(zhǔn)則而發(fā)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象，為解決這一問(wèn)題，一般將CFL臨界值從1降為0.8。

(2)干濕邊界。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)值模擬區(qū)域中常有部分單元網(wǎng)格是處在干濕交替區(qū)，為了避免模型計(jì)算出現(xiàn)不穩(wěn)定，必須設(shè)定一個(gè)干水深度、半干濕或淹沒(méi)深度、濕水深度。通常設(shè)定濕水深度為0.1 m，淹沒(méi)深度為0.05 m，干水深度為0.005 m。當(dāng)濕水深度很小時(shí)，模型可能會(huì)產(chǎn)生不合理的高流速而造成非穩(wěn)定流態(tài)。

(3)初始流場(chǎng)條件。首先通過(guò)設(shè)定模型上游和下游邊界的水位、流量來(lái)獲得區(qū)域內(nèi)各單元的水位值，然后以此為初始條件運(yùn)行模型直至流場(chǎng)穩(wěn)定，最后提取該穩(wěn)定流場(chǎng)作為下一步正式模擬的初始流場(chǎng)條件。

3 模擬建立

3.1 數(shù)字高程模型建立

利用項(xiàng)目區(qū)長(zhǎng)江河段1∶10 000實(shí)測(cè)水下地形圖，讀取相應(yīng)高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，建立計(jì)算區(qū)河道的數(shù)字高程模型。在選定范圍內(nèi)劃分計(jì)算網(wǎng)格，計(jì)算區(qū)最大網(wǎng)格尺寸Smax=2 500 m2；對(duì)排污口附近網(wǎng)格加密，加密區(qū)最大網(wǎng)格尺寸Smax=400 m2，網(wǎng)格最小角度26°。計(jì)算區(qū)共劃分網(wǎng)格總數(shù)20 729 個(gè)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)10 884 個(gè)。

計(jì)算區(qū)河段數(shù)字高程模型網(wǎng)格圖見(jiàn)圖3，計(jì)算區(qū)河道模擬流場(chǎng)示意圖見(jiàn)圖4。

圖3 計(jì)算區(qū)河段數(shù)字高程模型圖

圖4 計(jì)算區(qū)河段流場(chǎng)模擬圖

3.2 模型率定及驗(yàn)證

排污口斷面在2011年12月18日進(jìn)行了流速、水位觀測(cè)，采用該實(shí)測(cè)流速、水位資料對(duì)水質(zhì)模型進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證。模型的上邊界條件采用沙市水文站當(dāng)日實(shí)測(cè)流量5 840 m3/s，下邊界水位采用同時(shí)段沙市水文站實(shí)測(cè)水位按長(zhǎng)江水面比降推算得到，為27.63 m(黃海，下同)。

模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較：排污口斷面處，水位模擬值28.48 m，與實(shí)測(cè)水位值28.47 m基本一致；距左岸50 m處流速模擬值0.63 m/s，與實(shí)測(cè)值0.58 m/s相差8.6%，距左岸80 m處流速模擬值0.86 m/s，與實(shí)測(cè)值0.86 m/s一致。模型計(jì)算成果與實(shí)測(cè)資料對(duì)比見(jiàn)表1。流速對(duì)比見(jiàn)圖5。

經(jīng)分析，模型模擬的水位、流速成果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，說(shuō)明本次設(shè)計(jì)的平面二維數(shù)學(xué)模型能較好地模擬所在長(zhǎng)江河段的水流運(yùn)動(dòng)特性，可以用于河段的水質(zhì)影響分析研究。

3.3 模型邊界條件

(1)邊界水文條件。項(xiàng)目排污口地處長(zhǎng)江中游沙市河灣鹽卡至木沉淵段，排污口上游約35 km為引江濟(jì)漢工程取水口，取水口至排污口區(qū)間僅有虎渡河，模型上邊界條件采用引江濟(jì)漢工程取水口處考慮三峽調(diào)度后P=90%保證率最枯月平均流量5 480 m3/s。下邊界條件采用該流量對(duì)應(yīng)下邊界處長(zhǎng)江水位(由沙市站水位推算)，為27.56 m。

表1 模型驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果比較表

圖5 排污口斷面模擬流速與實(shí)測(cè)流速對(duì)比圖

(2)典型污染物指標(biāo)。根據(jù)項(xiàng)目污水處理廠尾水所含污染物種類及長(zhǎng)江水質(zhì)特征，為充分論證污染物排放影響，選取COD、BOD5、NH3-N、苯胺類和六價(jià)鉻作為模型預(yù)測(cè)指標(biāo)。

(3)背景濃度。背景濃度參考項(xiàng)目區(qū)長(zhǎng)江河段蝦子溝、觀音寺水質(zhì)監(jiān)測(cè)站水質(zhì)監(jiān)測(cè)成果，COD的背景濃度為11.13 mg/L，BOD5為2 mg/L，NH3-N為0.23 mg/L，苯胺類和六價(jià)鉻沒(méi)有檢出。

(4)模型主要參數(shù)。模型中的河床糙率、橫向擴(kuò)散系數(shù)和污染物衰減系數(shù)等主要參數(shù)根據(jù)率定試算得到，在模擬范圍不同區(qū)域擬定不同的值，主槽糙率取值范圍0.017～0.025，灘地平均糙率為0.030，橫向擴(kuò)散系數(shù)為0.3 m2/s，模型中COD衰減系數(shù)取值0.15 /d，BOD5衰減系數(shù)取值0.18 /d，NH3-N衰減系數(shù)取值0.10 /d，苯胺類和六價(jià)鉻難以降解，衰減系數(shù)均取0。

(5)計(jì)算工況。根據(jù)污水處理廠現(xiàn)狀和擴(kuò)建后、正常運(yùn)行和事故運(yùn)行條件下污水排放情況，擬定了以下4種工況進(jìn)行計(jì)算：

工況1：現(xiàn)狀污水排放規(guī)模3.0 萬(wàn)m3/d條件下，污水處理廠正常運(yùn)行，入河污染物按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一類A標(biāo)準(zhǔn)排放；

工況2：現(xiàn)狀污水排放規(guī)模3.0 萬(wàn)m3/d條件下，考慮污水處理廠出現(xiàn)異常情況，污水處理效率極低或基本未處理，入河排放水質(zhì)按照中環(huán)污水處理廠入廠水質(zhì)考慮。

工況3：污水處理廠改擴(kuò)建后，污水排放規(guī)模達(dá)到5.2 萬(wàn)m3/d，污水處理廠正常運(yùn)行，入河污染物按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一類A標(biāo)準(zhǔn)排放；

工況4：污水處理廠改擴(kuò)建后，污水排放規(guī)模達(dá)到5.2 萬(wàn)m3/d，考慮污水處理廠出現(xiàn)異常情況，污水處理效率極低或基本未處理，入河排放水質(zhì)按照中環(huán)污水處理廠入廠水質(zhì)考慮。

各工況條件下中環(huán)污水處理廠入河污染物排放量及排放濃度見(jiàn)表2。

表2 各工況入河污染物排放量及排放濃度表

4 模擬結(jié)果分析

4.1 模型計(jì)算結(jié)果

采用MIKE 21模型對(duì)4種排污工況下的入河污染物擴(kuò)散情況進(jìn)行模擬，并對(duì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，采用項(xiàng)目所在長(zhǎng)江河段水功能區(qū)水質(zhì)管理目標(biāo)Ⅱ類水質(zhì)作為標(biāo)準(zhǔn)限值。各典型污染物Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值見(jiàn)表3。

表3 典型污染物Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值 mg/L

各工況下典型污染物擴(kuò)散模擬影響范圍見(jiàn)表4，工況4條件下COD、BOD5、NH3-N擴(kuò)散影響范圍模型見(jiàn)圖6～8。

工況1條件下，中環(huán)排污口維持現(xiàn)狀污水排放規(guī)模3.0萬(wàn)m3/d，排污口正常運(yùn)行時(shí)，COD、BOD5、NH3-N、苯胺類和六價(jià)鉻濃度超過(guò)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值的范圍均小于模型計(jì)算網(wǎng)格精度范圍20 m，對(duì)所在江段水質(zhì)基本無(wú)影響。

表4 各工況模擬入河污染物擴(kuò)散影響距離表 m

圖8 工況4條件下NH3-N影響范圍

工況2條件下，中環(huán)排污口維持現(xiàn)狀污水排放規(guī)模3.0 萬(wàn)m3/d，排污口事故運(yùn)行時(shí)，污水直排入江，COD、BOD5、NH3-N下游擴(kuò)散影響距離為808～2 239 m，橫向擴(kuò)散影響距離為50～129 m，苯胺類和六價(jià)鉻濃度超過(guò)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值的范圍均小于模型計(jì)算網(wǎng)格精度范圍20 m。

工況3條件下，中環(huán)排污口擴(kuò)建后，污水排放規(guī)模達(dá)到5.2 萬(wàn)m3/d，排污口正常運(yùn)行時(shí)，COD、BOD5、NH3-N、苯胺類和六價(jià)鉻濃度超過(guò)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值的范圍均小于模型計(jì)算網(wǎng)格精度范圍20 m，對(duì)所在江段水質(zhì)基本無(wú)影響。

工況4條件下，中環(huán)排污口擴(kuò)建后，污水排放規(guī)模達(dá)到5.2 萬(wàn)m3/d，排污口事故運(yùn)行時(shí)，污水直排入江，COD、BOD5、NH3-N下游擴(kuò)散影響距離為894～3 118 m，橫向擴(kuò)散影響距離為64～14 6m，苯胺類和六價(jià)鉻濃度超過(guò)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值的范圍均小于模型計(jì)算網(wǎng)格精度范圍20 m。

從結(jié)果分析可知，中環(huán)污水處理廠排污口擴(kuò)建后，正常運(yùn)行工況對(duì)所在江段水質(zhì)基本無(wú)影響，事故運(yùn)行時(shí)，考慮污水未經(jīng)處理直排入江，對(duì)所在江段水質(zhì)影響范圍也非常有限。因此，本排污口擴(kuò)建工程不會(huì)對(duì)所在水功能區(qū)長(zhǎng)江荊州觀音寺過(guò)渡區(qū)的水質(zhì)產(chǎn)生明顯影響。

4.2 成果合理性分析

根據(jù)水質(zhì)模型計(jì)算成果，中環(huán)排污口污染物排放對(duì)該江段水質(zhì)影響范圍較小?？紤]排污口所在長(zhǎng)江荊州段枯水期流量較大，且本項(xiàng)目排污口位于長(zhǎng)江彎道處急流沖刷江段，在江心洲與江岸間形成一處窄深河槽，水深與流速均比較大，導(dǎo)致入河污染物的擴(kuò)散及濃度衰減速度較快，符合水 體擴(kuò)散規(guī)律，計(jì)算成果是合理的。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用MIKE 21水動(dòng)力學(xué)模型，模擬長(zhǎng)江中環(huán)排污口排放污水中COD、BOD5、NH3-N、苯胺類和六價(jià)鉻等典型污染物在長(zhǎng)江中擴(kuò)散情況，分析污染物排放對(duì)所在江段水質(zhì)影響范圍和程度。分析工作的要點(diǎn)是采用實(shí)測(cè)水位、流量資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和參數(shù)率定，保證計(jì)算結(jié)果的精確度。結(jié)果表明MIKE 21水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)入河污染物在長(zhǎng)江河段擴(kuò)散模擬具有良好的適應(yīng)性，能較真實(shí)地反映河段排污擴(kuò)散情況，可作為入河排污口水質(zhì)影響分析的評(píng)價(jià)依據(jù)。

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