污水廠尾水對河流水質(zhì)控制斷面水質(zhì)影響分析

張樹杰

（廣東省廣州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東 廣州 510000）

廣州地處珠江三角洲河網(wǎng)水系，受到上游季節(jié)性變化較強(qiáng)的徑流和外海潮汐的共同影響，水動力過程與污染物遷移擴(kuò)散規(guī)律十分復(fù)雜。為了更好地模擬本區(qū)域內(nèi)的水動力與水質(zhì)過程，根據(jù)廣州市32家污水處理廠尾水排放情況和珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)的水文條件，采用一維感潮河網(wǎng)水動力-水環(huán)境模型來進(jìn)行水環(huán)境影響的預(yù)測分析，為地表水的水質(zhì)管理提供技術(shù)依據(jù)。

1 城市污水廠對河流水質(zhì)控制斷面水質(zhì)影響的分析流程

納污河網(wǎng)水動力-水環(huán)境的模型選擇的是平水年的豐水期、平水期、枯水期作為評價水期，分別模擬計算在一個潮周期的影響平均值，來評估廣州市各主要城市污水處理廠的尾水排放對珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)廣州市轄區(qū)內(nèi)水質(zhì)控制斷面水質(zhì)的影響。采用了一維感潮河網(wǎng)建立了水動力-水環(huán)境模型，并對珠江三角洲的河網(wǎng)區(qū)進(jìn)行模擬，城市污水廠對河流水質(zhì)控制斷面水質(zhì)影響的分析流程分為兩部分，首先需要構(gòu)建水環(huán)境數(shù)學(xué)模型并對構(gòu)建的模型進(jìn)行驗(yàn)證，再對結(jié)果進(jìn)行計算以及對其影響進(jìn)行分析評估。

2 模型介紹

一維河網(wǎng)水環(huán)境模型共概化河道309條，汊點(diǎn)195個，劃分河道斷面1 764個。6個上部邊界分別為高要（西江）、石角（北江）、博羅（東江）、老鴉崗（流溪河）、潭江地區(qū)的石咀和石井河石井；其下邊界為八大口門，分別為虎門、洪奇瀝、蕉門、橫門、雞啼門、磨刀門、虎跳門、崖門。一維河網(wǎng)模型范圍以及32個污水廠、13個水質(zhì)保持的斷面狀況如圖1所示。

圖1 一維河網(wǎng)水環(huán)境模型范圍以及污水廠、水質(zhì)斷面位置

3 構(gòu)建水環(huán)境數(shù)學(xué)模型

3.1 模型控制方程介紹

3.1.1 水動力模塊

河網(wǎng)可以分解為多個單一河道，并將每一河道中相鄰的兩個斷面間河段設(shè)置為微段，不同河道的交叉點(diǎn)可以定義為汊點(diǎn)[1]。針對明渠中的非恒定水流運(yùn)動，可以借助一維圣維南方程組進(jìn)行描述，可用如下方程式表述：

式中，H表示斷面水位；Q表示流量；B表示不同水位下的水面寬度，qL表達(dá)為旁側(cè)部分的入流流量；表示平均流速；A為過水?dāng)嗝婷娣e；g為重力加速度；R是水力半徑；Cs表達(dá)為謝才系數(shù)；x，t是位置和時間變量。

流量連接條件：表達(dá)為：

式中，表達(dá)為流經(jīng)斷面進(jìn)入到節(jié)點(diǎn)的平均流量。動力連接條件：各支汊河道處在汊點(diǎn)處的流體動力學(xué)特性基本一致，滿足伯努利方程：

差分格式結(jié)合連續(xù)性方程（1），代入到動力學(xué)方程（2），可以得到河道中首末斷面的水位流量，其關(guān)系表達(dá)如下：

其中H1，Q1，HM，QM，分別作為河網(wǎng)中的第條河道的斷面水位、流量以及末端面的水位、流量值，數(shù)組表達(dá)為系數(shù)值，可以通過公式推導(dǎo)求解。

3.1.2 物質(zhì)輸移模塊

物質(zhì)于對流擴(kuò)散方程的表達(dá)，河網(wǎng)一維物質(zhì)對于流擴(kuò)散問題解決采用的方程式如下：

式中：Ex表達(dá)為縱向分散系數(shù)；C表達(dá)為水流中的物質(zhì)濃度；Sc表達(dá)為內(nèi)部源的匯項(xiàng)（數(shù)值為正值表示為源，數(shù)值為負(fù)值表達(dá)為匯），可進(jìn)一步分解為兩項(xiàng)Sc=Ins-AKcr C，等式右邊第一項(xiàng)Ins表示與物質(zhì)濃度C無關(guān)的內(nèi)部源匯項(xiàng)，第二項(xiàng)表示與物質(zhì)濃度C有關(guān)的動力學(xué)反應(yīng)項(xiàng)，其中Kcr為反應(yīng)速率；Ins表示和物質(zhì)濃度C不發(fā)生關(guān)系的內(nèi)部源匯項(xiàng)，Kcr表達(dá)為反應(yīng)速率；Wc表達(dá)為外源輸入項(xiàng)；j表達(dá)為汊點(diǎn)編號；I為與汊點(diǎn)j相連接的河道編號；NL為汊點(diǎn)連接斷面?zhèn)€數(shù)[2，3]。其它的變量所表達(dá)的意義同上。

模型差分格式的表達(dá)和求解：

本文采用修正過的一維水質(zhì)模型，基于河段控制體，采用了隱式差分迎風(fēng)格式，離散微分方程，借助流向調(diào)節(jié)因子rc與rd，可以將4種流態(tài)表達(dá)為離散方程，并統(tǒng)一到相同的方程中，經(jīng)整理后，線性隱式差分方程組的表達(dá)為：

式中：ai，bi，ci是系數(shù)，由公式推導(dǎo)所得；Ci是i控制體時段末的物濃度；n是某一河道的斷面數(shù)。

在河網(wǎng)計算中，一般對于不與邊界節(jié)點(diǎn)發(fā)生連接的河道，由于其首、末斷面濃度未知，因此此河道上N個斷面的濃度也是未知，最多可以獲得N-1個方程，無法直接求解，此時可利用汊點(diǎn)方程式借助“河段-汊點(diǎn)-河段”的算法加以求解。

3.2 模型參數(shù)設(shè)置

結(jié)合廣州污水廠尾水對城市河流水質(zhì)影響的資料，選取2013年1月（枯水期）、7月（豐水期）和10月（平水期）3個典型水期作為模型模擬時段。

水質(zhì)模型的計算范圍與一維河網(wǎng)區(qū)水動力模型的計算范圍一致，研究模擬的水質(zhì)因子為BOD5、COD、氨氮、總氮、總磷和溶解氧。氨氮，COD，BOD5，總氮，總磷五種水質(zhì)指標(biāo)的降解系數(shù)分別取0.23/d，0.2/d，0.3143/d，0.39/d，0.15/d，一般認(rèn)為上述物質(zhì)在河道中的降解符合一級反應(yīng)動力學(xué)方程：k=86.4（lnC1-lnC2）U/L。式中，C1，C2分別表達(dá)為河段上下不同斷面中的污染物濃，單位：mg/L；U為河段平均流速，單位：m/ s；L為河段上下斷面間距，單位：km；K為河流綜合降解系數(shù)，單位：/d。

3.3 模型驗(yàn)證

選取部分站點(diǎn)進(jìn)行枯水期和豐水期的水位流量驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果顯示，模型模擬的流量與實(shí)測基本吻合，因此認(rèn)為一維河網(wǎng)水動力模型的計算結(jié)果基本合理。

4 結(jié)論

污水廠尾水排放對水質(zhì)斷面影響最大的一般是上游距離斷面最近的污水處理廠，且其影響在枯水期最大，平水期次之，在豐水期最小。因此，應(yīng)考慮按照季節(jié)對污水廠尾水排放量、污染物排放濃度進(jìn)行統(tǒng)籌管理。

地表水水質(zhì)控制斷面上游污水處理系統(tǒng)尾水排放造成的主要污染物氨氮、總磷濃度增量與該斷面標(biāo)準(zhǔn)限值的比值不高，說明污染主要來源于其它面源或未知點(diǎn)源的排放，即側(cè)面反映出污水廠管網(wǎng)的覆蓋范圍不夠、污水的收集處理率不高。因此，污水收集管網(wǎng)的建設(shè)與完善是提升地表水水質(zhì)的關(guān)鍵所在。

總氮雖然不是河流地表水水質(zhì)評價指標(biāo)，但是污水廠尾水排放的總氮濃度高，且在各地表水水質(zhì)控制斷面上由尾水排放造成的總氮濃度增量占該斷面標(biāo)準(zhǔn)限值的比例相對較大，即污水廠尾水排放更容易引起地表水中總氮濃度增高。由于總氮是海水水質(zhì)評價的主要指標(biāo)，且廣州市屬于近海城市，建議加強(qiáng)對污水廠尾水中總氮含量的削減，以減少入海河流中總氮污染物的總量。