坪山河水質(zhì)模擬研究

劉佳嘉 ，周祖昊 ，嚴(yán)子奇 ，劉 琳 ，朱家松 ，牛存穩(wěn) ，賈仰文 ，王 浩 ，5

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100038，北京;2.水利部水資源與水生態(tài)工程技術(shù)研究中心，100038，北京; 3 中建水務(wù)環(huán)保有限公司，100037，北京;4.深圳大學(xué)，518000，深圳；5.水安全與水科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，210098，南京）

以深圳坪山河為研究對(duì)象，通過(guò)模擬污染物在管網(wǎng)和河道系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化、 污水廠污水處理排放等過(guò)程， 分析坪山河上洋交接斷面水質(zhì)變化情況， 為流域水質(zhì)評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持。

一、研究區(qū)概況

深圳坪山河是淡水河一級(jí)支流，位于東江淡水河上游， 屬東江水系。坪山河流域地處北回歸線以南，屬南亞熱帶溫暖濕潤(rùn)的海洋性季風(fēng)氣候?？傮w上，流域雨量充沛，但降雨季節(jié)分配不均，雨季集中在4—9 月，占全年降雨量的85%。 流域均為雨源性河流，長(zhǎng)度較短，儲(chǔ)水困難，坪山河流域近30%供水量為外調(diào)水。

近年， 坪山河流域經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展， 城區(qū)面積占到流域的近40%，坪山河干流穿城而過(guò)，河道水質(zhì)受人類活動(dòng)影響非常大。 坪山河負(fù)擔(dān)了過(guò)重的城市污染負(fù)荷，加之坪山河流域河流自凈能力差、水環(huán)境容量小，河流水質(zhì)污染生態(tài)惡化。 為解決干流水質(zhì)污染問(wèn)題，坪山河干流兩岸鋪設(shè)了截污干管，用于收集沿河排污并送入下游上洋污水廠進(jìn)行處理。 上洋污水處理廠總處理規(guī)模 20 萬(wàn) m3/d，2015 年實(shí)際處理量 14.9 萬(wàn) m3/d。 截至 2015年，坪山河流域污水廠配套截污干管139.69 km， 待建污水管網(wǎng)460 km，主要為污水支管網(wǎng)。 支管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)不完善，導(dǎo)致支流污水收集率低，污水大多直接排放到河道，是造成支流污染嚴(yán)重的主要原因。 另一方面，由于污水支管網(wǎng)建設(shè)不完善，導(dǎo)致旱季污水處理廠可處理的污水量不足，部分污水系抽取河道的水送入污水廠進(jìn)行處理。 上洋交接斷面位于污水廠下游深圳同惠州交接處。

圖1 坪山河上洋交接斷面水質(zhì)模擬效果圖

二、流域水質(zhì)模擬過(guò)程

本研究在一般水質(zhì)模擬過(guò)程基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，模擬計(jì)算單元為子流域。 每個(gè)子流域內(nèi)認(rèn)為只有一條無(wú)分岔的河流， 采用忽略彌散項(xiàng)的穩(wěn)態(tài)一維均勻水質(zhì)模型進(jìn)行模擬。 同時(shí)對(duì)每個(gè)子流域內(nèi)概化1條污水管網(wǎng)和1 條雨污混流管網(wǎng)，或者無(wú)管網(wǎng)。 管網(wǎng)長(zhǎng)度為子流域內(nèi)連通到河流或者截污干管最長(zhǎng)的長(zhǎng)度，管道坡降認(rèn)為同子流域坡降一致。

圖2 坪山河流域污染物遷移轉(zhuǎn)化平衡圖

表1 水質(zhì)模擬均方根誤差

首先，根據(jù)污染物類型分面源污染和點(diǎn)源污染分別計(jì)算污染物產(chǎn)生量。 面源污染主要包括城鎮(zhèn)地表徑流沖刷污染、農(nóng)藥化肥施用污染；點(diǎn)源污染產(chǎn)生量包括工業(yè)點(diǎn)源污染和生活點(diǎn)源污染。 其中，地表徑流沖刷污染產(chǎn)生量主要由地表徑流量大小乘以地表徑流中污染物濃度得出；農(nóng)藥化肥使用污染產(chǎn)生量采用農(nóng)田面積乘以單位面積污染產(chǎn)污量得出；工業(yè)生活點(diǎn)源污染產(chǎn)生量由工業(yè)生活用水量乘以污水濃度得出。 對(duì)面源污染而言，實(shí)際污染產(chǎn)生量取決于當(dāng)日是否有徑流，如果沒(méi)有徑流則認(rèn)為沒(méi)有污染產(chǎn)生。

其次，計(jì)算點(diǎn)源和面源污染入河和入管網(wǎng)量。 根據(jù)子流域內(nèi)的管網(wǎng)覆蓋度將其分為直接入河量和入管網(wǎng)量；再根據(jù)城區(qū)雨污混流管和污水管比例將入管網(wǎng)量再細(xì)分進(jìn)入雨污混流管的量和進(jìn)入污水管的量。 這樣細(xì)分的原因在于雨污混流管也接受雨水的進(jìn)入。

第三，模擬河道管網(wǎng)中的污染遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程。 主要包括降解、沉積、底泥釋放。 根據(jù)坪山河特點(diǎn)，在旱季對(duì)重點(diǎn)支流根據(jù)截污干管輸水能力抽取河水送入污水廠進(jìn)行處理。 雨污混流管和污水管先進(jìn)入截污干管，如果超過(guò)干管輸水能力，則多余的溢流進(jìn)入干流。 對(duì)截污干管而言，首先接受上游干管進(jìn)入量，再接受污水管進(jìn)入量，再接受雨污混流管進(jìn)入量，最后考慮抽取支流流量。

第四，污水廠處理排放。 根據(jù)污水廠處理規(guī)模， 接受截污干流來(lái)水，多出的部分溢流進(jìn)入干流。 進(jìn)入污水廠的部分則根據(jù)污水廠處理能力對(duì)污染物削減后排入干流。

三、水質(zhì)模擬結(jié)果分析

由于坪山河流域相對(duì)較小，流域內(nèi)沒(méi)有氣象和水文觀測(cè)站點(diǎn)。 本研究采用深圳站氣象資料作為氣象條件，采用WEP-L 模型模擬水量邊界條件， 收集 2012—2015 年深圳坪山新區(qū)城市工業(yè)、居民生活用水量，作為管道水量和污染模擬邊界條件。 點(diǎn)源污染濃度、河道管網(wǎng)污染降解、沉積、底泥釋放等相關(guān)水質(zhì)參數(shù)參考文獻(xiàn)及統(tǒng)計(jì)年鑒。 進(jìn)行長(zhǎng)系列模擬，得出坪山河上洋斷面COD、NH3-N 和總磷濃度月變化過(guò)程，并同實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比如圖1 所示。 相關(guān)模擬結(jié)果均方根誤差（RMSE）如表 1 所示。 從圖 1和表1 中可以看出，模型基本能夠反映流域水質(zhì)變化過(guò)程。 采用模型模擬，統(tǒng)計(jì)分析了坪山河流域污染負(fù)荷平衡，如圖2 所示。 本模型給出干支流、管網(wǎng)、污水處理廠等環(huán)節(jié)的污染遷移轉(zhuǎn)化量， 對(duì)評(píng)估流域水質(zhì)情況提供參考。 根據(jù)模擬結(jié)果，現(xiàn)狀條件下，上洋斷面COD 年均濃度為32.1 mg/L，為V 類水質(zhì)；NH3-N 年均濃度為2.29 mg/L， 總磷年均濃度為 0.55 mg/L，為劣Ⅴ類水質(zhì)。 因此，為了使未來(lái)2020年上洋交接斷面水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)，需要從源頭減排、過(guò)程阻斷、末端治理等加強(qiáng)坪山河流域干流綜合治理。

四、結(jié) 論

為了描述城市管網(wǎng)對(duì)流域河流水質(zhì)變化的影響，本研究構(gòu)建了考慮城市管網(wǎng)的河流水質(zhì)模擬模型。 該模型將流域分成兩種匯流路徑： 天然水系以及城市管網(wǎng)系統(tǒng)， 分別進(jìn)行污染的遷移轉(zhuǎn)化模擬，同時(shí)也模擬了兩個(gè)系統(tǒng)之間的水量污染交換。 以深圳坪山河流域作為應(yīng)用實(shí)例， 模擬分析了坪山河上洋交接斷面COD、NH3-N 和總磷的月變化過(guò)程， 對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，給出干支流、管網(wǎng)、污水處理廠等環(huán)節(jié)的污染遷移轉(zhuǎn)化量， 對(duì)評(píng)估流域水質(zhì)情況提供參考。