Mike11 水質模型在平原區(qū)入河排污口設置評估中的應用

羅志潔，杜世鵬

（1.浙江同濟科技職業(yè)學院，浙江 杭州 310002；2.杭州市蕭山區(qū)浦陽江流域管理中心，浙江 杭州 310002）

1 問題的提出

杭嘉湖平原歷來是“魚米之鄉(xiāng)、富饒之地”，是中國長三角經(jīng)濟區(qū)的重要組成部分。隨著越來越多污水處理廠的興建，其處理尾水的排污口設置對上下游、左右岸的影響研究和對區(qū)域納污能力的影響研究變得十分緊要[1-2]。

目前多采用先進的水動力數(shù)值模擬軟件，根據(jù)排污口項目的污水排放總量、濃度，建立水動力學模型，模擬污染物在河道中的擴散和降解過程，分析其對河道水質的影響范圍和影響程度[3-4]。

本文以湖州市南潯區(qū)為研究區(qū)域，對區(qū)域內(nèi)污水處理廠進行摸排，采用Mike11 構建區(qū)域水動力水質模型，模擬計算不同工況下，新建舊館污水處理廠廢水排放對周邊水環(huán)境的影響，尤其對下游江蘇、浙江兩省交界斷面的水質影響[5-8]。該研究方法對平原河網(wǎng)地區(qū)開展排污口影響分析工作有一定的借鑒意義。

2 區(qū)域水系概況

南潯區(qū)位于太湖流域水利分區(qū)中的“杭嘉湖區(qū)”，杭嘉湖區(qū)面積7 436 km2，其中浙江省范圍內(nèi)為6 481 km2（稱為杭嘉湖東部平原），其余屬于江蘇省和上海市。

南潯區(qū)屬杭嘉湖平原，北接太湖，東臨江蘇省，南接杭嘉湖平原腹地，域內(nèi)河網(wǎng)縱橫交錯、四通八達，具有江南水鄉(xiāng)特色的網(wǎng)絡狀結構。湖州市區(qū)水功能區(qū)劃見圖1。根據(jù)《浙江省水功能區(qū)水環(huán)境功能區(qū)劃分方案（2015）》，排污口所在河段水功能區(qū)名稱為頔塘湖州農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水區(qū)。近年來《湖州市水資源公報》中城市內(nèi)河Ⅲ類水質斷面達標率均為100%，但是平原末端水體流動性差，水利自凈能力差，加上排污量的提升，整體而言，平原區(qū)水體水環(huán)境容量小，水質總體不容樂觀，見圖2～3。

圖1 湖州市區(qū)水功能區(qū)劃圖

圖2 2014、2017年頔塘南潯國控斷面COD濃度圖

圖3 2014、2017年頔塘南潯國控斷面NH3-N濃度圖

3 區(qū)域排污口調(diào)查

根據(jù)浙江省《關于做好入河排污口設置審核登記工作的指導意見（2017）》，南潯區(qū)對轄區(qū)內(nèi)的企業(yè)入河排污口進行了摸排及信息入庫，轄區(qū)內(nèi)有13 家企業(yè)設置入河排污口。本次新建的舊館鎮(zhèn)污水處理廠位于頔塘右岸，上游有中環(huán)水務公司排放口（2 812 m），下游有金潔水務公司排放口（3 464 m）（見圖4）。南潯區(qū)入河排污口信息見表1。

表1 南潯區(qū)入河排污口信息表

圖4 舊館鎮(zhèn)污水廠附近排污口位置示意圖

新建的舊館污水處理廠工程總規(guī)模為2.5×104m3/d，目前污水處理規(guī)模為1.5×104m3/d。

4 水動力模型及水質模型

4.1 水動力模型

水動力模型所用的描述一維非恒定水流運動規(guī)律的基本方程為圣維南方程組[9-10]，其數(shù)學表達式為：

式中：Q為流量，m3/s；A為斷面面積，m2；q為旁側入流，m3/s；h為水深，m；C為謝才阻力系數(shù)；R為水力半徑，m；g為重力加速度，m/s2；x為水流方向的距離變量，m；t為時間變量，s；α為動量系數(shù)，一般取值為1。

4.2 水質模型

描述物質在水體中輸運的一維非恒定流對流擴散基本方程為：

式中：C為模擬水質指標濃度，mg/L；D為擴散系數(shù)，m2/s；K為綜合衰減系數(shù)，d-1；C2為源匯項濃度，mg/L。

4.3 模型范圍及邊界條件

模型計算范圍包括南潯區(qū)域內(nèi)主要河道，模型計算區(qū)域基本覆蓋頔塘及其兩岸區(qū)域。水動力上邊界為湖州船閘2014 年實測逐日流量過程，下邊界為菱湖站、烏鎮(zhèn)站、平望站、小梅口2014 年實測逐日水位過程；水質上邊界采用三里橋站2014 年實測水質數(shù)據(jù)，下邊界采用重兆大橋站、練市站、平望站實測水質數(shù)據(jù)（見圖5）。驗證過程結果見圖6～8。

圖5 水動力水質模型概化示意圖

圖6 2014年南潯站水位驗證過程結果圖

經(jīng)參數(shù)率定，確定模擬河段內(nèi)糙率取值0.025，擴散系數(shù)為12 m2/s，綜合衰減系數(shù)為0.072 d-1。由圖7～8 分析可知，模型計算初期，計算值小于實測值，模型穩(wěn)定后，計算值與實測值吻合較好，說明模型參數(shù)設置基本合理，可以用該模型進行預測分析。

圖7 2014年舊館站COD驗證過程結果圖

圖8 2014年舊館站NH3-N驗證過程圖

4.4 模型計算

在對區(qū)域水質影響進行分析之前，先分析頔塘歷年流量、水位、水質過程，其中河道流量采用最不利的情況。

根據(jù)潯溪大橋站2001—2017 年長系列流量資料，對歷年最小月平均流量進行排頻，并采用P-III型頻率曲線進行適線，得到均值為24.6 m3/s，Cv=0.23，Cs/Cv= 2.0（Cv為變差系數(shù)，Cs為偏差系數(shù)），對應頻率90%的年最小月平均流量為17.6 m3/s，頻率曲線見圖9。

圖9 潯溪大橋站歷年月最小流量頻率曲線圖

根據(jù)南潯站、雙林站、烏鎮(zhèn)站、菱湖站（1991—2016 年）實測長系列水位資料，對歷年最低水位進行P-III 型頻率曲線適線，得出頻率90%的年最低水位分別為0.58 m、0.62 m、0.55 m、0.65 m，各站不同頻率統(tǒng)計成果見表2。

表2 水文要素表

4.5 計算工況

為研究排污口設置對頔塘河段的水質影響，主要計算工況見表3。

表3 計算工況匯總表

4.6 計算成果

根據(jù)已建立的南潯舊館鎮(zhèn)污水處理廠局部河網(wǎng)水質數(shù)學模型，計算得到不同工況下頔塘各斷面污染物濃度，分析排污口建設對河道水質影響程度及范圍。不同工況下排污口入頔塘后COD 和NH3-N濃度的沿程變化情況見圖10～11，工程建設前后頔塘COD 和NH3-N 濃度的變化情況見表4～5。

圖10 頔塘COD濃度沿程變化

圖11 頔塘NH3-N濃度沿程變化圖

表4 工程建設前后頔塘COD濃度變化情況表

表5 工程建設前后頔塘NH3-N濃度變化情況表

續(xù)表5

分析可知，由于枯水期東部平原水位低于太湖水位，尤其在五大溇港工程實施后，五大溇港的水流流向總體由北向南，太湖水補充東部平原，頔塘水流的流向由西向東。中環(huán)水務的排污口和舊館鎮(zhèn)污水處理廠的排污口均位于羅溇與幻溇之間，因此幻溇的來水在頔塘交匯時，對上游頔塘來水形成頂托，導致該段流速、流量明顯減小。故中環(huán)水務公司排污口以下至幻溇與頔塘交匯處的水質明顯較差，而經(jīng)過幻溇、濮溇、邢窯塘與頔塘的交匯處后，流速、流量變大，水質明顯變好。

在舊館鎮(zhèn)污水處理廠項目完工且正常排放的情況下（按照一級A 標準排放），頔塘沿線COD濃度增幅較小，排污口上游影響至3 317 m 處，COD 濃度增加0.01 mg/L；增加最大的是排污口下游1 237 m 處，增加2.71 mg/L，增幅14.2%；排污口下游浙江省與江蘇省交界處COD 濃度沒有變化。頔塘沿線NH3-N 濃度增幅較小，排污口上游影響至2 812 m 處，NH3-N 濃度增加0.03 mg/L；增加最大的是排污口下游1 237 m 處，增加0.31 mg/L，增幅21.2%；排污口下游浙江省與江蘇省交界處NH3-N 濃度沒有變化。

本次事故為管道破損或污水處理系統(tǒng)未能正常運行導致超標排放。事故工況下，污水處理廠的廢水排放濃度相對正常工況較高。舊館鎮(zhèn)污水處理廠項目完成后事故排放與建設前正常排放相比，頔塘沿線COD 濃度增幅較大，排污口上游影響至3 317 m 處，COD 濃度增加0.01 mg/L；增加最大的是排污口下游390 m 處，增加23.28 mg/L，增幅104.0%；排污口下游浙江省與江蘇省交界處COD濃度增加0.03 mg/L。頔塘沿線NH3-N 濃度增幅亦較大，排污口上游影響至2 812 m 處，NH3-N 濃度增加0.05 mg/L；增加最大的是排污口下游390 m處，增加1.59 mg/L，增幅84.1%；排污口下游浙江省與江蘇省交界處NH3-N 濃度沒有變化。

因此，在現(xiàn)有舊館鎮(zhèn)污水處理廠未建時，中環(huán)水務排污導致羅溇與幻溇之間頔塘的水質較差。舊館鎮(zhèn)污水處理廠新建后，正常排放工況下，水質沒有明顯變差，對頔塘沿線水質影響有限；但在事故排放工況下，由于排放水質明顯低于排放標準，因此對羅溇與幻溇間的頔塘沿線水質影響較大。

5 結 語

水污染防治是一項復雜的系統(tǒng)性工作，影響因素多，治理難度大。在加強入河排污口的監(jiān)督管理時必須充分論證排污口設置的可行性、合理性和對論證區(qū)域的水生態(tài)環(huán)境以及第三者的影響，須符合水域管理要求。

平原河網(wǎng)輸運污水的速度較慢，工程排放污水會對周邊河網(wǎng)產(chǎn)生影響。污水處理廠正常排放時，對排污口下游一段區(qū)域的水質有一定影響，遇到河道交匯，河流匯入后水質緩解較快；但若污水處理廠發(fā)生事故，則對排污口上下游及其附近河道水質影響較大，影響范圍較遠。因此，在日常排污企業(yè)管理中，應加強管理，提高安全生產(chǎn)意識，定期檢查、維護，確保處理系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運行，避免事故發(fā)生。