淺談MIKE 21數(shù)模在閩江竹岐飲用水源地劃分中的應(yīng)用

王 瑩

(福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，福建 福州 350001)

平潭及閩江口水資源配置工程是福建省重大水利基礎(chǔ)設(shè)施工程，是解決閩江口區(qū)域水資源安全保障問題的關(guān)鍵性工程。《福建省主體功能區(qū)區(qū)劃》已將閩江竹岐水源保護(hù)區(qū)列為省級(jí)水源保護(hù)區(qū)。目前，我國(guó)針對(duì)河流型飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分主要采用經(jīng)驗(yàn)類比法和數(shù)值模型計(jì)算法[1]。MIKE模型具有用戶界面良好、模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)布設(shè)靈活，便于局部加密，能精確擬合彎曲河道邊界，具有算法可靠、計(jì)算穩(wěn)定、界面友好、前后處理方便等突出優(yōu)點(diǎn)[2]。本文采用MIKE 21模型計(jì)算竹岐取水口上下游污染物排放對(duì)其水質(zhì)的影響，為進(jìn)一步結(jié)合《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ/T338-2018)[3]對(duì)水源地進(jìn)行劃分提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

福建省平潭及閩江口水資源配置(一閘三線)工程水資源配置以大樟溪為主、閩江干流補(bǔ)充，共同解決平潭及閩江口地區(qū)供水問題。閩江竹岐～大樟溪引水工程取水點(diǎn)選在閩江竹岐水文站上游約500m處，終點(diǎn)為大樟溪莒口閘。

閩江下游與本規(guī)劃水源地距離較近的水源地主要有閩侯縣自來(lái)水公司水源保護(hù)區(qū)、上街鎮(zhèn)清源水廠侯官水源保護(hù)區(qū)和福州市飛鳳山水廠水源保護(hù)區(qū)。各水源地的水源一級(jí)保護(hù)區(qū)水質(zhì)執(zhí)行《地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，二級(jí)水源保護(hù)區(qū)執(zhí)行Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

竹岐取水口上游現(xiàn)有白沙污水處理站，下游現(xiàn)有閩侯縣縣城污水處理廠和竹岐污水處理廠。白沙污水處理站近期規(guī)模1000 t/d，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。閩侯縣縣城污水處理廠設(shè)計(jì)日處理規(guī)模近期1.5萬(wàn)t，遠(yuǎn)期3萬(wàn)t，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。閩侯縣竹岐鄉(xiāng)污水處理廠近期規(guī)模2.0萬(wàn)m3/d，遠(yuǎn)期規(guī)模達(dá)到5.0萬(wàn)m3/d。污水經(jīng)過處理達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918-2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

2 模型建立

采用無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的平面二維MIKE 21FM模型計(jì)算COD和氨氮變化情況。

2.1 模型驗(yàn)證

利用2008年大小潮期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)閩江下游感潮河段水動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行率定與驗(yàn)證，斷面潮量偏差小于10%，可以較好地適用于閩江下游河段的水動(dòng)力模擬(見圖1)。

圖1 竹岐斷面大潮和小潮流量率定結(jié)果

2.2 徑流和潮型選擇

模型上邊界水口壩址受大壩系統(tǒng)控制，其水文條件采用90%保證率最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)徑流量。感潮河段區(qū)間有許多支流匯入，本次計(jì)算選取較大的支流大樟溪作為邊界。下游潮區(qū)邊界選取大潮、小潮兩種潮型進(jìn)行工況計(jì)算，給定典型枯水期小潮日(2008年12月22日)和大潮日(2008年12月14)琯頭及梅花(瑯岐大橋)實(shí)測(cè)水位隨時(shí)間的變化值。

2.3 計(jì)算條件選取

計(jì)算水域的水位值大致賦予平均水深；濃度通量，閉邊界上規(guī)定為零，水文開邊界初始濃度按Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)賦予。

模型上、下開邊界COD和氨氮的濃度取近三年枯水期的濃度平均值。水口壩址和大樟溪按COD濃度為12mg/L，氨氮濃度0.3mg/L，琯頭和梅花按COD濃度15mg/L，氨氮濃度0.5mg/L取值。

排污口排放時(shí)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)。此處僅對(duì)幾個(gè)污水廠遠(yuǎn)期排水量情況進(jìn)行事故排放和正常排放兩種工況進(jìn)行模擬。因幾個(gè)污水處理廠排污口均離閩江干流較近，從最不利角度考慮，本次計(jì)算均按排污口設(shè)置在閩江干流上來(lái)考慮。正常排放情況下，氨氮源強(qiáng)濃度為15mg/L，COD源強(qiáng)濃度為60mg/L；事故排放情況下，氨氮源強(qiáng)濃度為45mg/L，COD源強(qiáng)濃度為500mg/L。

3 結(jié)果分析

3.1 污水廠正常排放情況分析

如圖2～圖5所示，正常排放情況下，3個(gè)污水廠對(duì)閩江水體水質(zhì)的影響很小，COD和氨氮濃度值均能達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 正常排污大潮漲迄、落迄時(shí)COD濃度值

圖3 正常排污大潮漲迄、落迄時(shí)氨氮濃度值

圖4 正常排污小潮漲迄、落迄時(shí)COD濃度值

圖5 正常排污小潮漲迄、落迄時(shí)氨氮濃度值

3.2 污水廠事故排放情況分析

如圖6～圖9所示，大潮期COD濃度最大值為14.8mg/L，氨氮濃度最大值為0.34mg/L，小潮期COD濃度最大值為14.8mg/L，氨氮濃度最大值為0.42mg/L，均為Ⅱ類水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)?？梢娛鹿逝潘闆r下，由于排水量較小，白沙污水處理站、閩侯污水處理廠和竹岐污水處理廠對(duì)閩江水體水質(zhì)影響不大。三個(gè)污水廠中，竹岐污水處理廠污染帶擴(kuò)散范圍最廣，以下僅對(duì)竹岐污水處理廠污染帶擴(kuò)散情況進(jìn)行分析。大潮漲迄情況下COD 15mg/L擴(kuò)散范圍在35m以內(nèi)，氨氮0.5mg/L濃度擴(kuò)散范圍小于30m，大潮落迄情況下COD 15mg/L擴(kuò)散范圍不到10m，氨氮0.5mg/L濃度擴(kuò)散范圍亦不到15m；小潮漲迄情況下COD 15mg/L濃度擴(kuò)散范圍小于10m，氨氮0.5mg/L濃度擴(kuò)散范圍不到5m，小潮落迄情況下COD 15mg/L濃度擴(kuò)散范圍小于15m，氨氮0.5mg/L濃度擴(kuò)散范圍亦不到15m。可見竹岐污水廠遠(yuǎn)期規(guī)模事故排放污染范圍不大，對(duì)閩江水體影響范圍有限。

圖6 事故排污大潮漲迄、落迄時(shí)COD濃度值

圖7 事故排污大潮漲迄、落迄時(shí)氨氮濃度值

圖8 事故排污小潮漲迄、落迄時(shí)COD濃度值

圖9 事故排污小潮漲迄、落迄時(shí)氨氮濃度值

4 結(jié)論

模型計(jì)算結(jié)果表明，污水廠正常和事故排放情況下，對(duì)閩江水體水質(zhì)影響不大，這主要是因?yàn)槲鬯畯S排水量占閩江水量的比例很小，污染物進(jìn)入閩江很快就被稀釋降解。本文以閩江竹岐取水口為模型研究對(duì)象，探討上下游污水廠排放對(duì)水源地上下游水域水質(zhì)影響程度，為后期閩江竹岐水源地劃分提供技術(shù)支撐，有利于對(duì)水源地水質(zhì)變化有更直觀的了解，提高水源地劃分范圍的可信度。