基于EFDC模型的排污口水質(zhì)影響分析

商鶴琴，李一平，朱曉琳，鄭 可，于 珊，孫 瑋

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué)設(shè)計研究院有限公司，南京 210098)

引 言

習(xí)近平總書記指出“要把修復(fù)長江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置，共抓大保護(hù)，不搞大開發(fā)”，明確指出了保護(hù)長江的重要性與必要性。長江河段水文條件復(fù)雜，生態(tài)敏感因素較多，據(jù)統(tǒng)計，長江經(jīng)濟(jì)帶現(xiàn)有入河排污口23 830個，年污水排放總量195.21億t[1]，因此在長江河段新建或者改建排污口，需認(rèn)真分析論證其對長江水質(zhì)的影響。根據(jù)水利部《入河排污口監(jiān)督管理辦法》(2015年修正本)、《關(guān)于做好入河排污口和水功能區(qū)劃相關(guān)工作的通知》(環(huán)辦水體〔2019〕36號)等有關(guān)文件的規(guī)定，設(shè)置入河排污口的單位應(yīng)向有關(guān)部門提出入河排污口設(shè)置申請，并提交入河排污口設(shè)置論證報告，故入河排污口設(shè)置論證工作是十分必要的[2-3]。

在我國最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施背景下，入河排污口設(shè)置論證工作過程中，需借助水質(zhì)數(shù)學(xué)模型對污水排放總量、污染物排放濃度模擬污染物在水體中的擴(kuò)散過程以及對水質(zhì)的影響范圍和程度[4-5]。目前采用較多的水動力數(shù)值模擬軟件主要有荷蘭的Delft3D模型、英國的InfoWorks模型、丹麥的MIKE模型和美國的環(huán)境流體動力學(xué)模型EFDC(Environmental Fluid Dynamic Code)等[6-7]。本文采用EFDC(Environmental Fluid Dynamic Code)模型中的水動力和水質(zhì)模塊，模擬了排放污水中主要污染物在長江河段中的遷移和分布情況，分析其對水體及周邊水功能區(qū)的的影響范圍和程度，為排污口設(shè)置提供了合理的評價依據(jù)。該研究方法對長江河段開展排污口設(shè)置影響分析論證具有一定的借鑒意義。

1 研究區(qū)域概況

江蘇港城污水處理廠一、二期工程位于泰州市高港區(qū)，主要收集高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園、主城區(qū)、臨港經(jīng)濟(jì)園、永安洲鎮(zhèn)、大泗鎮(zhèn)污廢水，出水能穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)。未來高港主城區(qū)污水將全部由港城污水處理處理，污水收集范圍變大，因此實(shí)施了港城污水處理廠三期擴(kuò)建工程，擴(kuò)建規(guī)模為4萬t/d，擴(kuò)建完成后江蘇港城污水處理廠整體廢污水處理規(guī)模為8萬t/d，排污口改擴(kuò)建至盤頭中溝，現(xiàn)狀盤頭排澇河與盤頭中溝相交處，盤頭排澇河以東約420 m，119°55′12.44″E，32°12′53.81″N(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the study area

2 EFDC模型計算原理

2.1 水動力模型

動量方程、連續(xù)方程及狀態(tài)方程為：

?t(mxmyHu)+?x(myHuu)+?y(mxHvu)

(1)

?t(mxmyHv)+?x(myHuv)+?y(mxHvv)

(2)

mxmyfe=mxmyf-u?ymx+v?xmy

(3)

(τxz,τyz)=AvH-1?z(y,v)

(4)

?t(mxmyH)+?x(myHu)+?y(mxHv)

+?z(mxmyw)=QH+δ(0)(QSS+QSW)

(5)

其中：u、v、w分別是邊界擬合正交曲線坐標(biāo)x、y、z方向上的速度分量；mx和my分別是度量張量對角元素的平方根；m=mxmy是度量張量行列式的平方根；Av表示垂向紊動黏滯系數(shù)；f是科里奧利系數(shù)；p是壓力；ρ是密度；S是鹽度；T是溫度；Qu和Qv代表動量源匯項。本研究中鹽度S等于0，并假設(shè)水為不可壓縮流體，密度ρ和水溫T為常量。垂向紊動黏滯系數(shù)Av是通過Mellor and Yamada(1982)提出的二階矩紊動閉合模型求得的：

Av=φAAoql

(6)

動量方程的垂向邊界層考慮了水表面的風(fēng)拖曳力和水底的摩擦力。即河床剪切應(yīng)力τxz和τyz取決于速度分量，可以根據(jù)二次阻力公式求得，具體方程為：

(7)

其中：Uw、Vw是x、y方向在水表面10m高處的風(fēng)速。風(fēng)拖曳系數(shù)求法如下：

(8)

式中，ρa(bǔ)和ρw分別是空氣和水的密度。

水底摩擦力的計算方法為：

(9)

其中：下標(biāo)1指底部的對應(yīng)流速。底摩擦系數(shù)求取方程為：

(10)

式中：κ為卡門常數(shù)，△1為底層的無量綱厚度，zo=zo*/H無量綱的糙率高度，一般取值在0.002～0.01之間。

方程組在離散求解過程中，空間上采用二階精度的中心差分格式，時間上采用三次時間步蛙跳式差分格式。使用質(zhì)量守恒格式的干濕網(wǎng)格處理方法，更好的模擬水流的漫灘過程，保證淺水區(qū)域計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 水質(zhì)模型

(11)

運(yùn)動方程：

(12)

(13)

擴(kuò)散方程：

(14)

式中：h：水位；H：水深；u、v：分別x、y(即東、北)方向的流速分量；f：柯氏力系數(shù)；C：謝才系數(shù)，C=H1/6/n，n為曼寧系數(shù)；t：時間；g：重力加速度；P：污染物濃度；Kx、Ky：分別是x、y方向的擴(kuò)散系數(shù)；M：對于懸浮物為源項和沉降項(M=M0-Mf)，M0為排放源強(qiáng)。

定解條件，初始條件為：

u(x，y)│t=0=u0(x，y)

v(x，y)│t=0=v0(x，y)

h(x，y)│t=0=h0(x，y)

(15)

其中：u、v、h分別為初始流速和水位，在本次模擬中，初始流速取為0。

3 模擬建立

3.1 模型參數(shù)率定

固定邊界模型的計算域邊界隨時間不發(fā)生變化，而動邊界模型的計算域邊界隨水位漲落而變動[9]。此處選擇0.1～0.15 m作為干濕網(wǎng)格的臨界水深。即當(dāng)某網(wǎng)格水深>0.15 m時，當(dāng)作濕網(wǎng)格處理，進(jìn)行正常的模擬計算；當(dāng)水深<0.1 m時，此網(wǎng)格變?yōu)楦删W(wǎng)格，不參與計算。

3.2 模型參數(shù)選取

3.2.1 曼寧糙率系數(shù)

曼寧糙率系數(shù)根據(jù)水深在計算中調(diào)整修正，約在0.020～0.035之間。

3.2.2 柯氏力系數(shù)

f=7.37*10-5

3.2.3 污染物綜合降解系數(shù)

根據(jù)《江蘇省水環(huán)境容量研究》課題在蘇北里下河水系的新通揚(yáng)運(yùn)河、南宮河等6條河道開展的水質(zhì)模型參數(shù)研究成果[10]，故本項目COD、氨氮、總磷降解系數(shù)取0.15d-1。

3.2.4 擴(kuò)散系數(shù)

縱向取為6.0 HU*，橫向取為0.6 HU*，其中U*為摩阻流速。

3.3 模型邊界條件

3.3.1 邊界水文計算

3.3.1.1 古馬干河泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)

根據(jù)馬甸閘設(shè)計排澇流量，同時對馬甸閘近年汛期排水量進(jìn)行統(tǒng)計，確定該河段的設(shè)計水文條件為：馬甸閘汛期平均排澇流量31.35 m3/s。

3.3.1.2 長江泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)

本次計算采用大通水文站資料，考慮最不利影響，選取各年最枯月平均流量作為統(tǒng)計樣本，采用頻率分析法，為考慮不利影響，采用與枯水90%保證率下的最小月平均流量相應(yīng)的典型流量、潮位作為水質(zhì)影響預(yù)測的水文設(shè)計條件。

3.3.2 預(yù)測范圍

古馬干河入江口～馬甸閘；長江京杭大運(yùn)河入江口上游14 km～下游23 km的長江河段，全長約37 km。

3.3.3 典型污染物指標(biāo)

正常工況：COD、氨氮、總磷；事故工況：COD、氨氮、總磷、石油類、揮發(fā)酚。

3.3.4 計算工況

3.3.4.1 正常工況

a.尾水→盤頭中溝→盤頭排澇河→同興港→長江泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)

b. 尾水→盤頭中溝→勝利中溝→古馬干河泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)→長江泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)

3.3.4.2 事故工況

c. 尾水→盤頭中溝→盤頭排澇河→同興港→長江泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)

d. 尾水→盤頭中溝→勝利中溝→古馬干河泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)→長江泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)

各工況條件下江蘇港城污水處理廠入河污染物排放濃度見表1。

表1 各工況入河污染物排放量及排放濃度見表Tab.1 Pollutant discharge and discharge concentration into the river under different working conditions are shown in the table

3.4 數(shù)字高程模型建立

本次驗證計算范圍網(wǎng)格布置見圖2，計算河段采用1∶1萬的水下地形等值線圖，讀取各個計算節(jié)點(diǎn)的河底高程，計算河段水下地形見圖3，兩種不同的污水排放路徑入長江口不同，故污染物進(jìn)入長江EFDC模型的位置不同，如圖4、圖5所示。

圖2 計算網(wǎng)格布置圖Fig.2 Computational grid layout

圖3 計算河段水下地形Fig.3 Calculating the underwater terrain of the river section

圖4 盤頭中溝→盤頭排澇河→同興港入江口Fig.4 Pantou Zhonggou→Pantou Drainage River→Tongxing Port’s estuary

4 模擬結(jié)果分析

采用EFDC模型對4種工況下的入河污染物擴(kuò)散情況進(jìn)行模擬，并對模型計算結(jié)果進(jìn)行分析。各工況下典型污染物擴(kuò)散模擬影響范圍見表2和表3，擴(kuò)散影響范圍和濃度模型見圖6～圖9。

圖5 盤頭中溝→勝利中溝→古馬干 河泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)入江口Fig.5 Pantou Zhonggou→Shenglizhonggou→Gumagan River Taixing Industrial and Agricultural Water Zone Estuary

表2 各工況模擬入河污染物擴(kuò)散影響距離表Tab.2 Influence distance of pollutant diffusion into the river under different working conditions

表3 事故工況下石油類和揮發(fā)酚影響范圍及濃度增量Tab.3 Influence range and concentration increment of petroleum and volatile phenols under accident condition

正常工況a條件下，尾水COD、氨氮、總磷濃度滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，影響距離在1 500～1 800m之間，故對內(nèi)河水功能區(qū)影響較小。排污口污染物疊加長江本底濃度，不會影響同興港入江口上游三水廠取水口的水質(zhì)，整體排污口對長江泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)影響較小(圖6)。

圖6 正常工況a污染物排放影響范圍Fig.6 Scope of influence of pollutant emission under normal working condition a

正常工況b條件下，尾水COD、氨氮、總磷濃度滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，影響距離在3 000～3 300m之間，古馬干河泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)本底濃度低，且水流條件好，污染物影響距離在可控范圍內(nèi)，故不影響長江泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)和長江泰州永安飲用水水源區(qū)達(dá)標(biāo)(圖7)。

圖7 正常工況b污染物排放影響范圍Fig.7 Scope of influence of pollutant emission under normal working conditions b

事故工況c條件下，尾水COD濃度為69.25mg/L，氨氮為3.38 mg/L，總磷為0.96 mg/L，影響范圍在1 500～1 600m之間，尾水石油類濃度為0.13 mg/L，揮發(fā)酚0.0056 mg/L，影響范圍在1 400～1 600m之間，其中COD、氨氮、總磷超出地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，事故排放情況下污染物濃度較高，會對盤頭中溝、盤頭排澇河以及同興港的水質(zhì)造成影響。污染物進(jìn)入長江泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)后，由于長江水利條件較好，污染物得到較好的稀釋，但排污口附近的濃度增量較正常排放時大，增加了同興港附近長江泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)超標(biāo)的風(fēng)險，三水廠取水口距離污染物濃度增量帶距離較遠(yuǎn)，不會受到影響(圖8)。

圖8 事故工況c污染物排放影響范圍Fig.8 Accident condition c Impact range of pollutant emission

事故工況d條件下，尾水COD濃度為24.5mg/L，氨氮為0.81 mg/L，總磷為0.24 mg/L，影響范圍在3 000～3 300m之間，尾水中石油類濃度為0.022 mg/L，揮發(fā)酚0.0015mg/L，影響范圍在2 200～3 200m之間，污染物濃度在可控范圍內(nèi)，不會對盤頭中溝、勝利中溝、古馬干河泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)水質(zhì)造成影響。污染物進(jìn)入長江泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)后，由于長江水利條件較好，污染物得到較好的稀釋，即使排污口附近的濃度增量較正常排放時大，增加了古馬干河附近長江泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)超標(biāo)的風(fēng)險，但由于三水廠取水口距離污染物濃度增量帶距離較遠(yuǎn)，該地取水用戶以及長江泰州永安飲用水水源區(qū)水質(zhì)并不會受到影響(圖9)。

圖9 事故工況d污染物排放影響范圍Fig.9 Accident condition d Impact range of pollutant emission

5 小 結(jié)

根據(jù)水質(zhì)模型計算結(jié)果，污染物由同興港進(jìn)入長江泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)，有增量的污染帶長度大概為同興港入江口下游1 500 m左右，污染物由古馬干河入長江，長江泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)濃度有增量的污染帶長度大概為同興港入江口下游3 100 m左右。

正常工況以及事故工況下污染物對相關(guān)水功能區(qū)的影響范圍如圖10、圖11所示，綠色部分表示尾水流經(jīng)的路徑上污染物濃度增加，但是不影響水功能區(qū)達(dá)標(biāo)，分析知在事故工況下，排污口造成盤頭中溝、盤頭排澇河、勝利中溝、同興港水質(zhì)下降，并且可能影響到古馬干河泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)，長江泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)達(dá)標(biāo)，故需要杜絕事故情況的發(fā)生，如果古馬干河水質(zhì)情況不好，同時勝利排澇站將尾水排放到古馬干河中，也有可能增加古馬干河泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)超標(biāo)風(fēng)險，故需盡量避免尾水進(jìn)入古馬干河泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)。

圖10 尾水正常排放對水功能區(qū)影響范圍Fig.10 The scope of influence of the normal discharge of tail water on the water function zone

圖11 尾水事故排放對水功能區(qū)影響范圍Fig.11 The scope of impact of the accidental discharge of tail water on the water function zone

6 結(jié) 語

本文采用EFDC模型，模擬江蘇港城污水處理廠排污口排放尾水中COD、氨氮、總磷、石油類、揮發(fā)酚等典型污染物在長江中的擴(kuò)散情況，分析污染物排放對附近江段水質(zhì)影響范圍和程度。計算過程主要通過水下地形、流量資料等對模型進(jìn)行驗證和參數(shù)率定，保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。結(jié)果表明EFDC模型對入河污染物在長江河段擴(kuò)散模擬具有良好的適應(yīng)性，能較真實(shí)地反映河段排污擴(kuò)散情況，可作為入河排污口水質(zhì)影響分析的評價依據(jù)。