基于MIKE耦合模型的典型平原感潮河網(wǎng)地區(qū)排污口水環(huán)境影響研究

段志強(qiáng)，逄 勇，徐心彤，胡祉冰，徐若詩

（1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.浙江省環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

長江經(jīng)濟(jì)帶作為新時期國家區(qū)域發(fā)展格局的重中之重，依托長江黃金水道，是我國涵蓋面最廣、影響最大、與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)的黃金經(jīng)濟(jì)帶[1-2]。改革開放以來，長江流域社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，以經(jīng)濟(jì)發(fā)展為導(dǎo)向的資源過度利用型開發(fā)模式忽視了資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要性，區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展受到嚴(yán)重制約[3-5]。 長江三角洲為典型的平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，河網(wǎng)縱橫交錯，受潮汐和徑流的影響，水流狀態(tài)復(fù)雜[6]，且周圍沿江城市密集，污染物入河量大而集中，城市河道水動力條件較弱、水環(huán)境容量較小[7]，區(qū)域資源環(huán)境的壓力進(jìn)一步增大。 而入河排污口是陸源污染負(fù)荷從岸上到河里的關(guān)鍵樞紐，通過數(shù)值模擬分析論證排污口設(shè)置，預(yù)測尾水中污染物的遷移轉(zhuǎn)化及擴(kuò)散趨勢，對于流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義[8]。

目前針對入河污染物排放水環(huán)境影響的研究一般采用數(shù)值模擬軟件，主要包括QUAL，EFDC，WASP，SWAT，MIKE 模型等[9-14]。 其中MIKE 系列模型因其模擬精度高且綜合性強(qiáng)，在水環(huán)境數(shù)值模擬中得到廣泛應(yīng)用。王天澤等[15]將MIKE11 與MIKE21通過MIKE FLOOD 進(jìn)行耦合，建立了城市暴雨洪水模型，模擬了現(xiàn)狀河道和規(guī)劃河道在不同條件下的洪水演進(jìn)過程和淹沒風(fēng)險；王淺寧等[16]利用MIKE耦合一維管網(wǎng)模型和地表漫流二維模型，對洪澇災(zāi)害和超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)對進(jìn)行分析；陳平等[17]建立MIKE一維及二維耦合的南澧河及兩岸保護(hù)區(qū)的水動力模型，并對100 a 一遇的洪水演進(jìn)過程進(jìn)行風(fēng)險要素分析；欒震宇等[18]利用MIKE URBAN-MIKE21 耦合模型對湖南省新化縣的城市內(nèi)澇情景進(jìn)行模擬，并對地表漫流、城市易澇點(diǎn)和管道排水能力進(jìn)行分析；李明等[19]基于MIKE11，ECO Lab 模塊及MIKE SHE構(gòu)建了沙河水庫流域水動力及水質(zhì)耦合模型，模擬污染物的遷移轉(zhuǎn)化，進(jìn)而探究河道水質(zhì)的改善方案。目前，MIKE 耦合模型在城市內(nèi)澇和洪水演進(jìn)的水動力模擬中應(yīng)用廣泛，但是對于感潮河網(wǎng)地區(qū)的水質(zhì)模擬研究較少。

本文以COD，NH3-N 和TP 為目標(biāo)污染物，應(yīng)用MIKE11 及MIKE21 模型的水動力模塊及對流擴(kuò)散模塊，構(gòu)建了泰興市感潮河網(wǎng)地區(qū)一維及長江泰興段二維耦合的水動力-水質(zhì)模型，模擬泰興市某工業(yè)園區(qū)擬建入河排污口在不同工況下尾水中多元污染物在長江中的遷移轉(zhuǎn)化，計算不同潮汐狀況下污染帶的擴(kuò)散范圍，分析污染物排放對長江水環(huán)境的影響。

1 研究區(qū)域概況

泰興市地處長三角洲沖積平原，南臨長江，受季風(fēng)和潮汐的影響顯著，屬典型的平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，河流縱橫交織，水網(wǎng)密布，以人工河渠為主，河流水位、流向、流速大多受到節(jié)制閘控制，另有部分天然洼地積水成條形或不規(guī)則水面，與人工河道溝通。區(qū)內(nèi)及周邊主要河道包括長江（泰興段）、靖泰界河、天星港、焦土港、六圩港等。

泰興市某工業(yè)園區(qū)擬建排放規(guī)模為2 萬t/d 污水處理廠，擬設(shè)置入河排污口在六圩港，尾水經(jīng)五圩港、六圩港后最終匯入長江，研究區(qū)域概況見圖1。

圖1 研究區(qū)域概況

2 研究方法

2.1 模型方程

2.1.1 河網(wǎng)模型

水動力基本方程是基于流量和水位交替網(wǎng)格的六點(diǎn)Abbott-Ionescu 隱式有限差分法求解的建立在質(zhì)量和動量守恒定律基礎(chǔ)上的一維非恒定Saint-Venant 方程組，以流量Q(x,t)和水位Z(x,t)為未知變量，方程組為：

式中：Q 為流量；x 為沿水流方向空間坐標(biāo)；Bw為調(diào)蓄寬度，包括灘地在內(nèi)的全部河寬；z 為水位；t 為時間；q 為旁側(cè)入流流量，入流為正，出流為負(fù)；u 為斷面平均流速；g 為重力加速度；A 為主槽過水?dāng)嗝婷娣e；B 為主流斷面寬度；n 為糙率；R 為水力半徑。

河網(wǎng)對流傳輸?shù)幕痉匠虨椋?/p>

式中：Ex為x 方向擴(kuò)散系數(shù)；C 為模擬物質(zhì)的濃度；Sc為與模擬物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項(xiàng)，Sc=Kd·A·C；Kd為衰減因子；S 為源項(xiàng)。

2.1.2 長江模型

二維水動力控制方程是基于三向不可壓縮和雷諾值均布的Navier-Stokes 平均方程沿水深方向積分的連續(xù)方程和動量方程，服從Boussinesq 及靜水壓力假定，其二維非恒定淺水方程組如下[20]：

連續(xù)方程：

動量方程：

式中：x，y 為Cartesian 坐標(biāo)；h=η+d，h 為總水深，η為水位，d 為靜水深；ρ 為水體密度；u 和v 為x，y 方向上速度分量；f=2 ωsinφ；表示Coriolis 因子（ω 是地球自轉(zhuǎn)的角速度，φ 是地理緯度）；Sxx，Sxy和Syy為輻射應(yīng)力分量；Pa為大氣壓；us和vs為點(diǎn)源速度分量；Tij為橫向應(yīng)力，包括粘滯力、紊流應(yīng)力及水平對流摩擦力。

污染物在二維非均勻流中的對流擴(kuò)散基本方程可以表示為：

式中：Ey為y 方向的擴(kuò)散系數(shù)；Sk為動力轉(zhuǎn)換項(xiàng)。

2.2 耦合模型構(gòu)建

一維河網(wǎng)模型計算范圍包括六圩港、五圩港、連復(fù)港、涌興港。 根據(jù)典型年研究區(qū)域內(nèi)長江漲、落潮水利工程的調(diào)度資料及邊界處在90%枯水保證率條件下的水位和流量確定邊界水文條件。 以安浩[21]建立的里下河腹部區(qū)一維河網(wǎng)模型水動力率定結(jié)果為基礎(chǔ)，設(shè)置河道糙率為0.026。 根據(jù)長江實(shí)測水下地形數(shù)據(jù)，建立二維長江馬鞍山～高橋段及泰興段模型。 其中長江泰興段模型平均網(wǎng)格邊長約300 m，網(wǎng)格總數(shù)為1 545 個，局部加密段網(wǎng)格邊長約為50 m，二維模型計算范圍及水下地形見圖2。 初始水位取水文年鑒資料平均水位2.5 m，起始時刻流速設(shè)為0。 設(shè)置長江下游段主槽糙率的取值范圍為0.01～0.02，風(fēng)拖曳系數(shù)為0.001 ～0.001 5，橫、縱向擴(kuò)散系數(shù)分別為0.6 m2/s，60 ～120 m2/s，研究區(qū)域內(nèi)COD，NH3-N，TP 等污染物降解系數(shù)見表1。

表1 研究區(qū)域污染物綜合降解系數(shù)

圖2 長江模型計算范圍及水下地形

根據(jù)一、 二維模型連接處動量守恒的原理采用標(biāo)準(zhǔn)連接，對河網(wǎng)模型及長江模型進(jìn)行動態(tài)耦合。一、 二維的耦合根據(jù)流量與水位在連接斷面處相同的條件，由一維河網(wǎng)計算出連接河道末端的流量及水質(zhì)濃度數(shù)值作為二維連接網(wǎng)格處的源項(xiàng)，二維模型計算的網(wǎng)格點(diǎn)水位及水質(zhì)濃度數(shù)值以入流邊界的形式提供給一維河網(wǎng)模型的銜接點(diǎn)。 在銜接處的河網(wǎng)端點(diǎn)處給定一個虛擬的水位邊界，并且用作耦合模型的啟動邊界[21-22]，耦合模型網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 一、二維耦合模型網(wǎng)格劃分示意

2.3計算方案

根據(jù)建立的區(qū)域河網(wǎng)-長江泰興段水環(huán)境耦合模型，結(jié)合長江口潮汐特征，在設(shè)計水文條件下，泰興市某工業(yè)園區(qū)污水處理廠建成投運(yùn)后，分別以正常、 事故工況下尾水排放后五圩港及六圩港入江口水質(zhì)濃度作為長江模型污染源，分析尾水中COD，NH3-N 和TP 在漲急、 落急時刻釋放對長江水環(huán)境的影響，預(yù)測方案見表2。

表2 預(yù)測方案及污染物源強(qiáng)信息

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬結(jié)果評價

根據(jù)2015年10月15日～22日南京站、 鎮(zhèn)江（二）站、江陰站、營船港站感潮水位數(shù)據(jù)對耦合模型水位模擬結(jié)果進(jìn)行率定，各水文站的水位模擬結(jié)果與實(shí)測值對比結(jié)果見圖4。 根據(jù)Nash-Sutcliffe 效率系數(shù)Ens、 相對誤差RE 和判定系數(shù)R2驗(yàn)證模型精度，計算得出Ens為0.910，RE 為5.8%，R2達(dá)到0.903，且一般認(rèn)為，Ens≥0.5，R2≥0.6 時模擬結(jié)果較可靠[19,24]，故本次建立的耦合模型可較好的適用于研究區(qū)域的水動力模擬。

圖4 各站點(diǎn)水位模擬值與觀測值對比

研究選擇2015年10月17日～19日長江鎮(zhèn)江（二） 站至徐六涇站之間各水源地COD，NH3-N 和TP 的同步觀測數(shù)據(jù)對水質(zhì)模型計算結(jié)果進(jìn)行率定。 根據(jù)百分比偏差PBIAS 對水質(zhì)模擬結(jié)果進(jìn)行評價[19,25,26]，其中COD 平均偏差為3.86%，NH3-N 平均偏差為20.06%，TP 平均偏差為18.15%，模擬誤差PBIAS ≤25%，模擬結(jié)果優(yōu)秀。各斷面水質(zhì)模擬結(jié)果與實(shí)測值對比見圖5。

3.2 入江口水質(zhì)濃度預(yù)測

不同工況下六圩港、 五圩港入江口水質(zhì)濃度見表3。 由表3 可以看出，正常工況條件下，污水處理廠尾水經(jīng)五圩港、六圩港匯入長江，各污染物濃度增量疊加水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據(jù)后，排污口下游2 條入江河流入江口處斷面水質(zhì)均達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，其中六圩港入江口COD，NH3-N，TP 質(zhì)量濃度增量分別為0.9，0.05，0.005 mg/L； 五圩港入江口處污染物質(zhì)量濃度增量分別為0.7，0.05，0.005 mg/L。 事故工況條件下，污水廠尾水進(jìn)入受納水體六圩港，2 條入江河流入江口斷面水質(zhì)均超過GB 3838—2002 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中相應(yīng)限值，其中六圩港COD，NH3-N，TP 質(zhì)量濃度增量為13.5，1.01，0.17 mg/L，超標(biāo)倍數(shù)分別為0.575，0.69，0.75； 五圩港質(zhì)量濃度增量分別為12.8，0.91，0.133 mg/L，超標(biāo)倍數(shù)分別為0.495，0.77，0.6。 模擬結(jié)果表明，相同工況下，同種污染物對2 條入江河流入江口斷面產(chǎn)生的質(zhì)量濃度增量相近，這主要是因?yàn)? 條入江河道流量及流速幾乎相同；事故工況時污染負(fù)荷較高的尾水導(dǎo)致入江口處污染物濃度增量增大，入江污染物通量顯著增加。

表3 各工況下六圩港、五圩港入江口污染物濃度mg·L-1

3.3 潮汐作用下的污染物影響范圍

為研究不同潮汐條件下各類污染物擴(kuò)散對長江水環(huán)境的影響，通過耦合模型計算得到不同工況下污水廠尾水中多元污染物在長江漲急、 落急時刻的濃度增量擴(kuò)散范圍。預(yù)測影響范圍見圖6 和圖7。由圖6 和圖7 可以看出，不同工況下的污染帶范圍存在明顯差異。

圖6 正常工況TCOD，NH3-N，TP 濃度增量影響范圍

圖7 事故工況下COD，NH3-N，TP 濃度增量影響范圍

正常工況時，COD，NH3-N，TP 超過背景濃度的橫向擴(kuò)散影響距離分別為150，100，111 m，漲急時縱向擴(kuò)散影響距離分別為2 100，2 105，1 778 m，落急時縱向擴(kuò)散影響距離分別為1 864，2 167，2 160 m。其中，漲急時，COD 質(zhì)量濃度增量超0.3 mg/L 的面積為4 508 m2，占比1.74%，入江口處污染物質(zhì)量濃度增量最高，在潮水向上頂托的作用下向上游遷移擴(kuò)散，六圩港入江口形成的污染帶中COD 質(zhì)量濃度增量由入江口0.34 mg/L 下降至0.052 mg/L，其他污染物濃度分布規(guī)律相似；落急時，污染帶中COD 質(zhì)量濃度增量均未超過0.3 mg/L，六圩港入江口COD質(zhì)量濃度增量由0.12 mg/L 下降至0.056 mg/L。 可見，污水廠正常排放后形成的污染帶范圍較小，漲潮期間水流向上流動不利于污染物輸移擴(kuò)散，污染物濃度較高的區(qū)域相對于落潮時增大。

事故工況時，隨著污水廠排污負(fù)荷增大，入江口污染物濃度相應(yīng)升高，五圩港、六圩港入江口污染物擴(kuò)散疊加后的復(fù)合污染帶縱向影響范圍有所增大，而橫向擴(kuò)散距離略有減小。漲急時，COD，NH3-N，TP超過背景濃度的縱向擴(kuò)散影響距離分別增長122，673，440 m，其中COD 質(zhì)量濃度增量基本超過0.3 mg/L，超1.0 mg/L 的面積為85 964 m2，在污染帶中占比35.7%； 落急時超過背景濃度的縱向擴(kuò)散影響距離分別增長136，7，129 m，其中COD 質(zhì)量濃度增量超1.0 mg/L 的面積在污染帶中占比為32.6%?？梢姡鬯畯S尾水事故排放后，入江污染物通量的增加使污染物濃度較大的區(qū)域占比增大，對污染物擴(kuò)散范圍影響較大，污染帶隨排污量的增加而持續(xù)伸長，對長江水環(huán)境有一定程度的影響，應(yīng)加強(qiáng)污水廠運(yùn)行管理，避免事故的發(fā)生。

對比2 種方案下污染物在漲、 落潮的擴(kuò)散情況可知，泰興市某工業(yè)園區(qū)污水廠擬設(shè)排污口尾水正常排放時，污染物排放濃度最低，污染帶范圍較小，對長江水生態(tài)環(huán)境影響范圍、 影響程度最小； 漲急時，污染物隨潮水向上游遷移擴(kuò)散，五圩港、六圩港入江口處形成的復(fù)合污染帶有明顯上溯趨勢，上游污染帶長度相對較長，污染物擴(kuò)散對上游水環(huán)境影響較大；落急時，污染物擴(kuò)散帶向下游延伸，最遠(yuǎn)可至六圩港入江口下游1.05 km；對于同一入江口處形成的污染帶，各污染物濃度隨縱向距離增加而逐漸削減，污染物高濃度區(qū)域比例隨入江污染物通量的增加而增大。

4 結(jié)論

本文以長江三角洲典型平原感潮河網(wǎng)地區(qū)泰興市為例，分析了長江感潮河段在污水處理廠正常、事故工況下尾水排放對長江水生態(tài)環(huán)境的影響。

（1）建立泰興市感潮河網(wǎng)-長江的水動力-水質(zhì)耦合模型，并用2015年水文水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行率定驗(yàn)證，水動力模擬Ens，RE，R2分別為0.910，5.8%，0.903，水質(zhì)模擬誤差PBIAS 小于25%，耦合模型精度較高，可較好的適用于計算區(qū)域內(nèi)COD，NH3-N，TP 等污染物的遷移轉(zhuǎn)化模擬。

（2）新建排污口對入江口斷面產(chǎn)生濃度增量，六圩港入江口COD，NH3-N，TP 質(zhì)量濃度正常排放時分別新增0.9，0.05，0.005 mg/L，事故排放時分別新增13.5，1.01，0.17 mg/L，污染物入江通量隨污水廠排污負(fù)荷的增加而增大。

（3）漲、落潮等水流情勢及污染物入江負(fù)荷的變化均會對長江污染帶擴(kuò)散產(chǎn)生一定影響。 污染帶擴(kuò)散趨勢與水流方向相一致。污水廠尾水正常排放時，污染帶范圍較??；事故排放時，隨著入江污染物通量的增加，污染物高濃度區(qū)域范圍增大，對長江水質(zhì)影響較大，因此應(yīng)加強(qiáng)污水處理廠的運(yùn)行管理，各類污水達(dá)標(biāo)排放，杜絕引入污染負(fù)荷較高的尾水。