入河排污口設(shè)置對(duì)水功能區(qū)環(huán)境影響數(shù)值預(yù)測(cè)

徐秀麗， 吳璐璐， 沈 優(yōu)， 崔冬梅

(1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局泰州分局， 江蘇 泰州 225300； 2.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 淮安 223005； 3.泰州市水資源管理處， 江蘇 泰州 225300)

入河排污口作為控制污染物入河的最后一道關(guān)口，在流域水資源保護(hù)管理工作中具有重要地位。因此，合理地布置入河排污口，綜合預(yù)測(cè)評(píng)估污水排放對(duì)周邊水功能區(qū)環(huán)境影響范圍，能夠有效保障生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水安全，同時(shí)也兼顧了對(duì)生態(tài)資源的保護(hù)。

目前，國(guó)內(nèi)外常采用數(shù)值模擬的方法來(lái)模擬流域內(nèi)污染物的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，從而歸納出污染物的時(shí)空分布規(guī)律，為流域水環(huán)境問(wèn)題的治理提供參考依據(jù)。目前一般常用于地表水的水環(huán)境數(shù)值模型包括EFDC[1]、WASP[2]、MIKE[3]等，其中由丹麥水環(huán)境研究所建立的水環(huán)境模型系統(tǒng)MIKE有著強(qiáng)大的兼容性，其包含的二維非穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型既能描述水質(zhì)沿程變化，也能反映平面污染物擴(kuò)散趨勢(shì)，因此被廣泛用于水環(huán)境影響預(yù)測(cè)[4]。李亞娟等[5]應(yīng)用MIKE21建立了濕地植物的水質(zhì)模塊,將植物的阻流、產(chǎn)氧、耗氧及微生物和植物吸收營(yíng)養(yǎng)鹽過(guò)程參與計(jì)算中,耦合濕地水動(dòng)力實(shí)現(xiàn)水質(zhì)模擬；XIANG 等[6]通過(guò)MIKE21應(yīng)用于特定平原水庫(kù)，以尋找最佳人工島參數(shù)，模擬的波高衰減結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)值吻合良好。張宇航等[7]利用MIKE21軟件,基于水動(dòng)力和水質(zhì)模型耦合,采取不同策略的情景假設(shè),對(duì)密云水庫(kù)總氮進(jìn)行研究,提出最優(yōu)方案。

本文以江蘇泰州市姜堰區(qū)白米鎮(zhèn)污水處理廠排污口所在河網(wǎng)地區(qū)為例，應(yīng)用MIKE21AD模塊分析了不同工況下擴(kuò)建入河排污口對(duì)水環(huán)境的影響范圍和程度。同時(shí)對(duì)直接受納的曹紅喜河和尾水流經(jīng)的中心河和白米河進(jìn)行影響分析，以評(píng)估尾水按正常達(dá)標(biāo)排放和事故排放對(duì)曹紅喜河、中心河和白米河的影響程度，為后期有針對(duì)性改善曹紅喜河、中心河和白米河水環(huán)境質(zhì)量提供依據(jù)，以盡可能減小尾水排放對(duì)流經(jīng)河道的影響。

1 區(qū)域概況

泰州市地處長(zhǎng)江三角洲平原的北緣，西至揚(yáng)州52 km，南距長(zhǎng)江20 km，其所在的姜堰區(qū)位于蘇中平原南部，地面高程介于4.5～6.5 m之間，系長(zhǎng)江沖積平原。姜堰區(qū)境內(nèi)河網(wǎng)密布，河道縱橫交錯(cuò)，水面面積176 km2，約占全區(qū)土地面積19%。通南地區(qū)東西向河道主要有通揚(yáng)運(yùn)河、周山河、生產(chǎn)河、南干河等，南北向河道主要有葛港河、中干河、西姜黃河、東姜黃河。揚(yáng)運(yùn)河、中心河、周山河；南北向主要河道有運(yùn)糧河、孔莊河、勝利河、甸河、白米河、東姜黃河。白米鎮(zhèn)屬季風(fēng)影響下的副熱帶濕潤(rùn)性氣候，寒暑變化顯著，四季分明，雨量充沛，氣候溫和，無(wú)霜期長(zhǎng)。常年平均氣溫14.9 ℃，年均降水量1 026.8 mm，年均蒸發(fā)量1 047.5 mm，平均相對(duì)濕度79%。

2 水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型

MIKE(AD) 模型的污染物對(duì)流擴(kuò)散模塊能將二維水動(dòng)力計(jì)算與污染物遷移計(jì)算相結(jié)合，可很好地反映污染物在河流中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律?；诒敬窝芯繀^(qū)域河道斷面較窄、流速較小的特征，考慮擴(kuò)散作用的影響，本次選擇MIKE21 FM模型構(gòu)建區(qū)域河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型。

MIKE21污染物對(duì)流擴(kuò)散模塊控制方程由描述水流運(yùn)動(dòng)的N-S方程和描述污染物質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散的對(duì)流擴(kuò)散方程組成。其中，前者由水流連續(xù)性方程、沿水流方向(x方向)的動(dòng)量方程和垂直水流方向(y方向)的動(dòng)量方程組成。模型服從于Boussinesq假定和靜水壓力的假定。二維非恒定淺水方程組為

(1)

(2)

其中將式(2)進(jìn)一步與式(3)建立等式：

(3)

除式(1)、(2)以外，還包括式(4)中的控制方程：

(4)

同樣進(jìn)一步與式(5)建立等式：

(5)

式中：t為時(shí)間；x、y為笛卡爾坐標(biāo)系；η為水面相對(duì)于未擾動(dòng)水面的高度即通常所說(shuō)的水位；h為總水深；u、v分別為流速在x、y方向上的分量；pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮?；ρ為水密度，?為參考水密度；f=2ωsinφg為科式力參數(shù)(其中ω為地球自轉(zhuǎn)角速率，φ為地理緯度；g為重力加速度；Sxx、Sxy、Syy分別為輻射應(yīng)力分量；S為源匯項(xiàng)；(us，vs)為源匯項(xiàng)水流流速。字母上帶橫杠的是平均值，Tij為水平黏滯應(yīng)力項(xiàng)，包括黏性力、紊流應(yīng)力和水平對(duì)流，這些量是根據(jù)沿水深平均的速度梯度用渦流黏性方程得出的：

(6)

(7)

(8)

盡管如此，根據(jù)式(1)～(8)還無(wú)法求得其理論解，只能采用數(shù)值解方法求得近似解，本次采用有限體積法對(duì)其進(jìn)行求解計(jì)算，細(xì)分為不重疊的單元，單元可以是任意形狀的多邊形，本次只考慮三角形單元。

3 模型建立和參數(shù)標(biāo)定

3.1 模型預(yù)測(cè)因子

根據(jù)對(duì)新通揚(yáng)運(yùn)河姜堰白米農(nóng)業(yè)用水區(qū)現(xiàn)狀主要污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，確定水質(zhì)影響因子為CODcr和NH3-N。

3.2 模型概化

基于對(duì)研究區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)現(xiàn)狀情況的資料收集和調(diào)研，本次研究針對(duì)白米鎮(zhèn)擴(kuò)建排污口建成后尾水主要受納水體進(jìn)行河網(wǎng)概化。將主要的輸水河道納入計(jì)算范圍，共概化河道5條，主要包括曹紅喜河、中心河、白米河、新通揚(yáng)運(yùn)河及支流楊涵河，河道長(zhǎng)度共計(jì)23.45 km。岸線及水下地形數(shù)據(jù)來(lái)自于白米鎮(zhèn)水系圖及河道斷面圖，計(jì)算域內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)為3 478個(gè)，網(wǎng)格數(shù)為3 893個(gè)。

3.3 邊界條件設(shè)置

邊界條件是河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型的主要約束條件，本模型考慮了2種邊界屬性，分別為外部邊界和內(nèi)部邊界。外部邊界指控制計(jì)算區(qū)域內(nèi)、外水體交換的約束條件；內(nèi)部邊界指的是模型計(jì)算范圍內(nèi)、以點(diǎn)源或面源形式給出的取、排水口和支流等。模型中共設(shè)置6個(gè)外部邊界和1個(gè)內(nèi)部邊界，如圖1所示，采用新通揚(yáng)運(yùn)河、白米河、中心河、曹紅喜河上斷面作為4個(gè)上游邊界，新通揚(yáng)運(yùn)河、中心河下斷面作為2個(gè)下游邊界，白米鎮(zhèn)污水處理廠排污口作為一個(gè)單獨(dú)源匯項(xiàng)。

圖1 邊界分布示意

3.4 計(jì)算參數(shù)選取

本次模型搭建與率定選取入河污染物CODcr、NH3-N為河段污染物因子，選取2020年7月15日各邊界斷面4次流速測(cè)量的平均值作為實(shí)測(cè)流速，進(jìn)行參數(shù)率定。模型采用曼寧糙率系數(shù)，取值20～37。時(shí)間計(jì)算步長(zhǎng)根據(jù)模型網(wǎng)格大小、水深條件動(dòng)態(tài)調(diào)整模型，使CFL數(shù)小于0.8，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為1 min。 此外，本次模型中水平擴(kuò)散系數(shù)取0.1 m2/s，且在綜合考慮相關(guān)文獻(xiàn)研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)率定，確認(rèn)CODcr降解系數(shù)取0.12/d，NH3-N降解系數(shù)取0.10/d。

3.5 模型驗(yàn)證

3.5.1 水動(dòng)力計(jì)算驗(yàn)證

本文利用河道實(shí)測(cè)流速來(lái)與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。 資料采用2020年7月15日的實(shí)測(cè)值，于8 h、11 h、14 h、17 h對(duì)各邊界斷面的流速進(jìn)行測(cè)量，將實(shí)測(cè)流速平均值與模型計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表1。表中實(shí)際流速平均值與模型計(jì)算的流速平均值偏差絕對(duì)值小于20%，表明本文的MIKE21模型能夠滿足對(duì)水動(dòng)力的計(jì)算精度。

表1 模型計(jì)算流速與實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果

3.5.2 水質(zhì)計(jì)算驗(yàn)證

針對(duì)研究范圍內(nèi)現(xiàn)狀地表水水質(zhì)污染以有機(jī)物污染為主的特點(diǎn)，以CODcr、NH3-N作為研究對(duì)象，模擬了區(qū)域河網(wǎng)內(nèi)的CODcr、NH3-N質(zhì)量濃度時(shí)空分布，并將其與布設(shè)的9個(gè)斷面實(shí)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證，詳見(jiàn)表2。從驗(yàn)證的水質(zhì)濃度偏差率可以看出，模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的偏差率小于20%，濃度變化趨勢(shì)也比較合理，表明利用MIKE21模型能夠滿足本次計(jì)算要求。

4 水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)與影響分析

4.1 尾水正常排放下污染物濃度分布模擬

在尾水達(dá)標(biāo)排放情況下，分別對(duì)現(xiàn)狀和水功能區(qū)兩種邊界水質(zhì)條件模擬研究區(qū)域污染物分布，邊界水文條件設(shè)定為河道設(shè)計(jì)水文條件，并假設(shè)沿途無(wú)其他污染物匯入。圖2為尾水正常排放下模擬CODcr質(zhì)量濃度分布圖(現(xiàn)狀條件)。圖3尾水正常排放下模擬NH3-N質(zhì)量濃度分布圖(現(xiàn)狀條件)。由圖可知在現(xiàn)狀水質(zhì)邊界條件下，排污口下游至曹紅喜河與中心河交界處，水污染物質(zhì)量濃度CODcr為24.63 mg/L，NH3-N為1.797 mg/L，評(píng)價(jià)為V類水；至中心河與白米河交界處，水污染物質(zhì)量濃度為CODcr為19.43 mg/L，NH3-N為1.061 mg/L，評(píng)價(jià)為IV類水。至白米河與新通揚(yáng)圖4運(yùn)河交界處，水污染物質(zhì)量濃度為CODcr為15.62 mg/L，NH3-N為0.640 mg/L，評(píng)價(jià)為III類水。

表2 水質(zhì)濃度模型計(jì)算流速與實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果

圖2 尾水正常排放下模擬CODcr質(zhì)量濃度分布(現(xiàn)狀條件)

圖3 尾水正常排放下模擬NH3-N質(zhì)量濃度分布(現(xiàn)狀條件)

為尾水正常排放下模擬CODcr質(zhì)量濃度分布圖(水功能區(qū)條件)。圖5尾水正常排放下模擬NH3-N質(zhì)量濃度分布圖(水功能區(qū)條件)。由圖可知，在水功能區(qū)水質(zhì)邊界條件下，排污口下游至曹紅喜河與中心河交界處，水污染物質(zhì)量濃度CODcr為24.61 mg/L，NH3-N為1.797 mg/L，評(píng)價(jià)為V類水；至中心河與白米河交界處，水污染物質(zhì)量濃度為CODcr為19.70 mg/L，NH3-N為1.087 mg/L，評(píng)價(jià)為IV類水；至白米河與新通揚(yáng)運(yùn)河交界處，水污染物質(zhì)量濃度為CODcr為19.35 mg/L，NH3-N為1.006 mg/L，評(píng)價(jià)為IV類水。

圖4 尾水正常排放下模擬CODcr質(zhì)量濃度分布(水功能區(qū)條件)

圖5 尾水正常排放下模擬NH3-N質(zhì)量濃度分布(水功能區(qū)條件)

4.2 尾水事故排放下污染物濃度分布模擬

為模擬尾水事故排放情況下污染物質(zhì)量濃度分布情況，設(shè)置1 h、6 h、12 h、24 h 4種響應(yīng)時(shí)間，分別對(duì)現(xiàn)狀和水功能區(qū)2種邊界水質(zhì)條件模擬研究區(qū)域污染物分布，邊界水文條件設(shè)定為河道設(shè)計(jì)水文條件，并假設(shè)沿途無(wú)其他污染物匯入。為節(jié)約篇幅，本文只將模擬排放24 h的污染物分布情況進(jìn)行分析。圖6為尾水事故排放下模擬24 h CODcr質(zhì)量濃度分布圖(現(xiàn)狀條件)。圖7為尾水事故排放下模擬24 h NH3-N質(zhì)量濃度分布圖(現(xiàn)狀條件)。如圖所示，現(xiàn)狀水質(zhì)邊界條件下事故排放24 h后恢復(fù)正常排放，排污口下游至曹紅喜河與中心河交界處，水污染物最大質(zhì)量濃度CODcr為89.12 mg/L，NH3-N為10.522 mg/L，評(píng)價(jià)為劣V類水；至中心河與白米河交界處，水污染物最大質(zhì)量濃度為CODcr為27.88 mg/L，NH3-N為2.339 mg/L，評(píng)價(jià)為劣V類水；至白米河與新通揚(yáng)運(yùn)河交界處，水污染物最大質(zhì)量濃度為CODcr為17.69 mg/L，NH3-N為1.006 mg/L，評(píng)價(jià)為IV類水。

圖6 尾水事故排放下模擬CODcr質(zhì)量濃度分布(現(xiàn)狀條件)

圖7 尾水事故排放下模擬NH3-N質(zhì)量濃度分布(現(xiàn)狀條件)

圖8為尾水事故排放下模擬24 h CODcr質(zhì)量濃度分布圖(水功能區(qū)條件)。圖9為尾水事故排放下模擬24 h NH3-N質(zhì)量濃度分布圖(水功能區(qū)條件)。由圖可知，在水功能區(qū)水質(zhì)邊界條件下，事故排放24 h后恢復(fù)正常排放，排污口下游至曹紅喜河與中心河交界處，水污染物最大質(zhì)量濃度CODcr為89.12 mg/L，NH3-N為10.523 mg/L，評(píng)價(jià)為劣V類水；至中心河與白米河交界處，水污染物最大質(zhì)量濃度為CODcr為28.14 mg/L，NH3-N為2.365 mg/L，評(píng)價(jià)為劣V類水；至白米河與新通揚(yáng)運(yùn)河交界處，水污染物最大質(zhì)量濃度為CODcr為21.42 mg/L，NH3-N為1.346mg/L，評(píng)價(jià)為IV類水。

圖8 尾水事故排放下模擬CODcr質(zhì)量濃度分布(水功能區(qū)條件)

圖9 尾水事故排放下模擬NH3-N質(zhì)量濃度分布(水功能區(qū)條件)

5 結(jié) 論

MIKE21FM模型能夠較好地模擬尾水水力、水質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和遷移情況。在尾水正常排放工況中，現(xiàn)狀水質(zhì)邊界條件下，排污口尾水排放下游曹紅喜河全段水質(zhì)由IV類降為V類，中心河、白米河水質(zhì)仍為IV類，朱樓橋國(guó)考斷面、新通姜堰白米農(nóng)業(yè)用水區(qū)末端處水質(zhì)仍為III類。功能區(qū)水質(zhì)邊界條件下，排污口尾水排放處水質(zhì)由IV類降為劣V類，曹紅喜河水質(zhì)由IV類降為劣V類，中心河、白米河水質(zhì)仍為IV類，朱樓橋國(guó)考斷面、新通姜堰白米農(nóng)業(yè)用水區(qū)末端處水質(zhì)仍為III類。

在尾水事故排放情況下，根據(jù)現(xiàn)狀水質(zhì)條件設(shè)置邊界得到朱樓橋國(guó)考斷面處水質(zhì)評(píng)價(jià)為III類水，新通揚(yáng)運(yùn)河姜堰白米農(nóng)業(yè)用水區(qū)末端處水質(zhì)評(píng)價(jià)為III類水。而根據(jù)水功能區(qū)水質(zhì)條件設(shè)置邊界得到朱樓橋國(guó)考斷面處水質(zhì)評(píng)價(jià)為III類水，新通揚(yáng)運(yùn)河姜堰白米農(nóng)業(yè)用水區(qū)末端處水質(zhì)評(píng)價(jià)為III類水。