水陽(yáng)江江水倒灌對(duì)固城湖水質(zhì)的影響

姚凌偉 戴青松

(1.靖江市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，江蘇 靖江 214500；2.江蘇龍騰工程設(shè)計(jì)股份有限公司，江蘇 南京 210000)

1 概況

固城湖位于南京市南部，為長(zhǎng)江下游的青弋江、水陽(yáng)江流域的調(diào)蓄性湖泊之一，水陽(yáng)江流域面積10385km2，其中南京市境內(nèi)流域面積1293km2，位于流域下游水網(wǎng)地區(qū)，境內(nèi)水陽(yáng)江干流河道長(zhǎng)229km，固城湖水面面積31.99km2。

固城湖是水陽(yáng)江流域4個(gè)調(diào)蓄湖泊之一，目前流域入湖河道水碧橋河上水碧橋閘已建成，可控制上游水陽(yáng)江干流的皖南來(lái)水入湖。根據(jù)青弋江、水陽(yáng)江及漳河流域防洪規(guī)劃安排，水碧橋河有閘控制后，固城湖主要承擔(dān)區(qū)域防洪任務(wù)。水碧橋閘在設(shè)計(jì)洪水以下(20a一遇)不再向固城湖分洪，當(dāng)出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，仍需開(kāi)閘承擔(dān)分蓄干流洪水任務(wù)。

模型能夠準(zhǔn)確反映整體水動(dòng)力特征，耦合了水質(zhì)模型，能夠準(zhǔn)確地反映水質(zhì)指標(biāo)在模擬區(qū)域內(nèi)的時(shí)空變化過(guò)程。固城湖是高淳重要的水體，而官溪河是其重要的外河，官溪河上排口的排污對(duì)其有重要的影響。本文主要研究了官溪河上污水處理廠的排口在正常工況和事故工況時(shí)，對(duì)固城湖產(chǎn)生的影響。

2 研究方法

2.1 水動(dòng)力及水質(zhì)控制方程

2.1.1 水動(dòng)力方程

笛卡爾坐標(biāo)系下二維水動(dòng)力控制方程是不可壓流體三維雷諾Navier-Stokes平均方程沿水深方向積分的連續(xù)方程，可用如下方程表示。

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

2.1.2 水質(zhì)方程

水質(zhì)方程是以質(zhì)量平衡方程為基礎(chǔ)，采用垂向平均的二維水質(zhì)模型。二維水質(zhì)輸移方程：

式中，Ci為污染物濃度；U、V為x、y方向上的流速分量；Ex、Ey為x、y方向上的擴(kuò)散系數(shù)；Ki為污染物降解系數(shù)；Si為污染物底泥釋放項(xiàng)。

2.2 模型概化

2.2.1 模型區(qū)域

模型計(jì)算區(qū)域：南起S31°14′，北至N31°19′，西起W118°52′，東至E118°57′的區(qū)域，整個(gè)區(qū)域南北9.4km，東西8.3km。

2.2.2 網(wǎng)格劃分及湖底地形

根據(jù)固城湖周邊地形及《高淳新區(qū)污水處理廠一期二步工程入河排污口設(shè)置論證報(bào)告》地形，參考湖底高程，模擬整個(gè)固城湖湖底地形。整個(gè)計(jì)算域由1739個(gè)節(jié)點(diǎn)和3005個(gè)三角單元組成。

2.3 初始條件和邊界條件

淺水型湖泊水動(dòng)力和水質(zhì)的變化受邊界條件影響強(qiáng)烈，初始條件對(duì)計(jì)算的影響有限。因此，設(shè)置固城湖初始水深為5m，初始水位為10.5m。非穩(wěn)態(tài)模型受邊界條件影響強(qiáng)烈，邊界條件的準(zhǔn)確程度將直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，以收集到的固城湖周邊主要河道(官溪河、石固河、漆橋河、胥河、水碧橋河)數(shù)據(jù)作為出入湖的邊界條件。

2.4 模型參數(shù)選取及率定驗(yàn)證

根據(jù) 2020—2021年監(jiān)測(cè)的水文、水質(zhì)資料，對(duì)固城湖水量水質(zhì)模型參數(shù)進(jìn)行率定驗(yàn)證。固城湖水質(zhì)(COD、NH3-N和TP)計(jì)算值和實(shí)測(cè)值，分析結(jié)果表明，大湖區(qū)和小湖區(qū)斷面 COD、氨氮、TP 的模型率定結(jié)果較好，可以用于預(yù)測(cè)排污口設(shè)置對(duì)固城湖的影響。率定得到 COD 的降解系數(shù)為 0.09～0.14d-1，NH3-N 降解系數(shù)為0.07～0.13d-1，TP 降解系數(shù)為0.05～0.10d-1。

3 水陽(yáng)江水文現(xiàn)狀分析

3.1 水陽(yáng)江水文分析

水陽(yáng)江年徑流量90%由當(dāng)涂入長(zhǎng)江，10%經(jīng)蕪湖入長(zhǎng)江，水陽(yáng)江流域面積10385km2，枯水期水源主要來(lái)自集水區(qū)間內(nèi)降雨徑流，選取流域內(nèi)15個(gè)雨量站收集到的2006—2015年逐月降雨量資料，采用P-III型曲線進(jìn)行頻率計(jì)算，得到水文保證率為90%的枯水期降雨量為21.77mm。根據(jù)《蕪申運(yùn)河青弋江入江口至荊山河口段航道整治工程初步設(shè)計(jì)》，計(jì)算得到水文保證率為90%通過(guò)運(yùn)糧河流量約為55m3·s-1。同時(shí)，根據(jù)收集到的當(dāng)涂縣入江口處當(dāng)涂水文站2006—2015年逐月流量資料，計(jì)算得到水文保證率為90%通過(guò)當(dāng)涂流量約為62.62m3·s-1。綜合分析對(duì)比得到，水文保證率為90%情況下，水陽(yáng)江通過(guò)運(yùn)糧河時(shí)的流量可確定為55m3·s-1。

3.2 水陽(yáng)江倒灌分析

水陽(yáng)江洪水主要經(jīng)姑溪河由當(dāng)涂下姑溪河流入長(zhǎng)江，由于內(nèi)河入江口未建閘，長(zhǎng)江高水位的頂托影響使內(nèi)河洪水排泄不暢。流域水系有當(dāng)涂、蕪湖二河口與長(zhǎng)江相通。長(zhǎng)江洪水較高時(shí)，經(jīng)常發(fā)生頂托或倒灌進(jìn)入運(yùn)糧河(塘溝河)現(xiàn)象。通過(guò)查詢2006—2015年水文年鑒，位于官溪河上的高淳水文站流量資料，列出近10a江水倒灌的流量值，其均值為33.5m3·s-1。故確定江水倒灌通過(guò)官溪河的流量為33.5 m3·s-1。

4 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

分別分析了江水倒灌對(duì)固城湖COD、NH3-N和TP的影響，固城湖高淳飲用水源區(qū)是省級(jí)水功能區(qū)，其國(guó)控監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)榇蠛^(qū)和小湖區(qū)，其功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)為III類水，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為COD 20mg·L-1、NH3-N 1mg·L-1、TP 0.05mg·L-1。

按照水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，固城湖高淳飲用水源區(qū)在排污口設(shè)置后，在江水倒灌期間，其COD、NH3-N和TP水質(zhì)均能達(dá)標(biāo)。

污水處理廠在設(shè)計(jì)條件下正常排水至官溪河，而此時(shí)開(kāi)閘后官溪河的水向固城湖排洪，計(jì)算對(duì)官溪河及固城湖水質(zhì)的影響。流量為33.5m3·s-1，江水水質(zhì)的均值分別為COD濃度為17.8mg·L-1，NH3-N濃度為0.06mg·L-1，TP濃度為0.078mg·L-1。水文條件為自北向南。

圖1 排污口設(shè)置前后對(duì)固城湖COD濃度影響

圖2 排污口設(shè)置前后對(duì)固城湖氨氮濃度影響

圖3 排污口設(shè)置前后對(duì)固城湖TP濃度影響

5 小結(jié)

通過(guò)計(jì)算，得到以下結(jié)論。當(dāng)污水處理廠回用30%時(shí)，正常排放期間，在運(yùn)糧河水進(jìn)入固城湖行洪期間，大湖區(qū)COD為10.9898mg·L-1、氨氨0.1005mg·L-1、總磷0.0381mg·L-1，在未設(shè)置排污口情況下COD 10.9889 mg·L-1、氨氮0.1mg·L-1、總磷0.038mg·L-1，對(duì)于固城湖III類水來(lái)講，影響甚微；工程投入生產(chǎn)運(yùn)行后，管理部門(mén)應(yīng)建立突發(fā)事故排放的預(yù)警系統(tǒng)；建設(shè)單位應(yīng)按照行政主管部門(mén)的要求，編制切實(shí)可行的應(yīng)急解決方案報(bào)行政主管部門(mén)批準(zhǔn)。建設(shè)單位應(yīng)當(dāng)編制并定期修訂突發(fā)性水污染事故應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)演練，提高應(yīng)急反應(yīng)能力。