基于水動(dòng)力水質(zhì)模型的金川河流域水質(zhì)長效達(dá)標(biāo)分析

陳黎明,俞 欣,金 哲,陳 晨,陳煉鋼,王高旭

(1.水利部交通運(yùn)輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院水文水資源研究所,水文水資源及水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029;2.南京市生態(tài)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,江蘇 南京 210023;3.宿遷市水利局,江蘇 宿遷 223800)

近年來,隨著中國城市化進(jìn)程不斷加快、人口逐步增多,城市內(nèi)排污規(guī)模不斷增大,排污壓力也隨之加大[1],同時(shí),隨著城區(qū)河道空間擠占,生活污水直排、面源污染入河,加之截污控污不到位、污水管網(wǎng)泄露等問題的出現(xiàn),導(dǎo)致城市河道污染日益嚴(yán)重[2]。2015年江蘇省政府發(fā)布《江蘇省水污染防治工作方案》,意在消除劣Ⅴ類、Ⅴ類水。通過南京市金川河全段進(jìn)行水文調(diào)查、水質(zhì)評價(jià)污染特征分析后發(fā)現(xiàn),金川河全段污染物來源主要為生活污水排放與地表徑流污染,且目前水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)特別是雨期水質(zhì)狀況距預(yù)期水質(zhì)目標(biāo)仍有一定的差距。

國內(nèi)外普遍應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對水質(zhì)進(jìn)行模擬與預(yù)測,探究水質(zhì)變化規(guī)律與污染物在水體中遷移、轉(zhuǎn)化的過程,以便為水環(huán)境綜合管理提供科學(xué)有效的科學(xué)支撐[3]。目前,應(yīng)用較為廣泛的模型主要有WASP、QUAL、EFDC和MIKE等綜合水質(zhì)數(shù)學(xué)模型[4]。WASP可用于河流、湖泊水庫、海岸等流域?qū)用嫠w水質(zhì)變化的模擬,常用于探究點(diǎn)源與非點(diǎn)源污染問題[5-6]。QUAL模型屬于綜合水質(zhì)模型,用于研究點(diǎn)源與非點(diǎn)源污染對受納水體水質(zhì)的影響[7-8]。EFDC模型集成了水動(dòng)力、水質(zhì)、風(fēng)浪、泥沙、重金屬及有毒物質(zhì)、沉積成巖和水生植物等多種模塊,可用于不同需求的水質(zhì)模擬分析[9-10]。MIKE模型可用于河網(wǎng)、河口、灘涂等水環(huán)境模擬,由于其通用性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、操作簡單而廣泛應(yīng)用于中國諸多水環(huán)境的模擬,如松花江、太湖、長江以及蘇南運(yùn)河等[11-16]。近些年國內(nèi)也開發(fā)出了諸如IWIND、DHQM等軟件用于水環(huán)境管理[17-19]。通過水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算可為水功能區(qū)納污能力分析、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)分析、入河排污口布局等水資源水環(huán)境保護(hù)規(guī)劃工作提供決策依據(jù)。

因此,本文在了解金川河流域污染成因的基礎(chǔ)上結(jié)合城市匯水特點(diǎn),基于自主研發(fā)的水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,構(gòu)建了金川河一維河網(wǎng)模型,并針對金川河水質(zhì)問題提出水質(zhì)提升方案,采用數(shù)學(xué)模型對提升方案效果進(jìn)行模擬與預(yù)測,開展金川河流域水質(zhì)長效達(dá)標(biāo)分析,為城市河網(wǎng)水污染治理與防控提供的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域

1.1 金川河區(qū)域概況

金川河是流經(jīng)南京主城北部的長江支流,是南京城區(qū)內(nèi)第二大水系,金川河發(fā)源于南京市的鼓樓崗和清涼山北麓,并與南京市的玄武湖湖泊相通,下游流經(jīng)寶塔橋入長江。金川河(圖1)全長37.78 km,流域面積59.32 km2,分為內(nèi)金川河和外金川河,其主要功能是接納沿岸地表徑流和生活污水。內(nèi)金川河分為主流、東支、中支、西支及老主流;外金川河水系由西北護(hù)城河、城北護(hù)城河以及內(nèi)金川河在金川門匯合,通過外金川河入江,沿途南十里長溝、張王廟溝、大廟溝、老虎山溝、郭家山溝直接或通過閘門接入城北護(hù)城河及外金川河。

圖1 金川河流域水系

金川河流域匯水區(qū)主要集中于南京市主城區(qū),基本都是建成區(qū),現(xiàn)狀下,晴天金川河河網(wǎng)上游的水源主要為化纖廠補(bǔ)水、玄武湖補(bǔ)水、外秦淮小桃園補(bǔ)水、城北污水處理廠尾水的生態(tài)補(bǔ)水,以及5座城北污水處理系統(tǒng)臨時(shí)水質(zhì)凈化站補(bǔ)水(圖2),基本無其他水源入河;雨天降雨徑流通過主城區(qū)管網(wǎng)溢流進(jìn)入河道。

圖2 金川河流域水系概化及邊界條件分布

1.2 金川河水質(zhì)情況

根據(jù)2010—2018年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),金川河全河段水質(zhì)狀況均為重度污染,主要污染物為氨氮、總磷、石油類。截至2018年底前,金川河8個(gè)主要監(jiān)測斷面(紅山南路橋斷面、中央門橋斷面、翻水閘橋斷面、金川門泵站前池橋斷面、金川河泵站前池?cái)嗝?、長平橋斷面、幕府西路橋斷面、寶塔橋斷面)水質(zhì)常年處于劣Ⅴ類。其中金川河2013—2018年氨氮均值為6.7 mg/L,點(diǎn)次超標(biāo)率87%;TP均值為0.7 mg/L,點(diǎn)次超標(biāo)率88%。

2018年11月至2019年5月中旬期間,金川河流域全線進(jìn)行清淤工程及河道整治。此后金川河流域各項(xiàng)生態(tài)補(bǔ)水及臨時(shí)水質(zhì)凈化站等工程正常運(yùn)行;晴天情況下,金川河流域所有生活污水納入管網(wǎng),無污水入河,水質(zhì)狀況良好;但雨天,由于老城區(qū)雨污分流部分采用截流井方式,雨量大時(shí),雨水與污水混合導(dǎo)致城北污水處理廠進(jìn)水濃度較低,擠占了污水處理廠處理能力且污水混合雨水一并入河,導(dǎo)致了雨天帶來的入河沖擊污染負(fù)荷使得流域水體水質(zhì)變差。因此,流域內(nèi)污染主要來源于城市生活污染源通過管網(wǎng)隨著降雨徑流入河以及流域本身降雨徑流產(chǎn)生的面源污染,導(dǎo)致金川河流域水質(zhì)全年不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的現(xiàn)狀。

2 金川河流域水動(dòng)力水質(zhì)模型構(gòu)建

2.1 模型基本原理

2.1.1一維水動(dòng)力模型

一維天然河道水流模型計(jì)算可歸結(jié)為求解一維非恒定流圣維南方程組,采用一維河網(wǎng)四點(diǎn)隱格式算法,適用于恒定流和非恒定流計(jì)算。以流量Q和水位Z為變量,考慮旁側(cè)入流q的一維非恒定流擴(kuò)展后的圣維南方程組[10]為式(1)、(2):

(1)

(2)

式中Q——流量;h——水位;A——有效過水?dāng)嗝婷娣e,m2;A0——蓄水?dāng)嗝娣e,m2;Sco、Sm——河道蜿蜒系數(shù),是水位h的函數(shù);x——沿主流向的縱向距離,m;t——時(shí)間,s;q——側(cè)向入流或出流(入流為正,出流為負(fù)),m3/s;β——?jiǎng)恿啃Ｕ禂?shù);Wf——風(fēng)對水面的阻力,m2/s2;L——側(cè)向流的動(dòng)量。

方程的基本離散格式是四點(diǎn)加權(quán)隱式有限差分格式,離散后的非線性方程組利用求解效率高的Newton-Raphson迭代法求解。

2.1.2一維水質(zhì)模型

(3)

式中t——時(shí)間步長;V——水質(zhì)單元的體積;φ——水溫或者其他水質(zhì)指標(biāo)的濃度;Q——流量;?！远x的離散系數(shù);A——可組合的斷面的面積;S——源強(qiáng)以及沉降項(xiàng)。

初始的污染物濃度C0,采用實(shí)測數(shù)據(jù)代入。各河流入流邊界處污染物隨著水流進(jìn)出該邊界,在入流邊界給定污染物濃度過程Ci(t),而在出流邊界處給以污染物濃度梯度d(Ci)/dn;污染源,研究區(qū)域內(nèi)有相關(guān)的點(diǎn)源或面源,折算成入河水量及入河污染負(fù)荷量加入到模型中。

2.2 河網(wǎng)概化

研究區(qū)域內(nèi)河道眾多,相互交織成網(wǎng),概化時(shí)將研究區(qū)域內(nèi)的主要的骨干河道(包括南十里長溝、城北護(hù)城河、張王廟溝、郭家山溝、內(nèi)金川河主流、東支、中支、西支及老主流、西北護(hù)城河、外金川河、大廟溝、老虎山溝等干支流)納入計(jì)算范圍(圖2),并根據(jù)區(qū)域內(nèi)的水域面積對次要河道及其他集水區(qū)域進(jìn)行概化,結(jié)合水下地形資料,控制斷面間距在100～150 m,共計(jì)概化斷面350個(gè),使區(qū)域內(nèi)的河道整體的槽蓄量不變。

2.3 模型邊界條件

模型中主要考慮水動(dòng)力和水質(zhì)邊界,位置分布見圖2,具體如下。

a)水動(dòng)力邊界條件。金川河流域各泵站補(bǔ)水的流量過程,主要包括臨時(shí)水質(zhì)凈化站補(bǔ)水、玄武湖補(bǔ)水、化纖廠補(bǔ)水、外秦淮小桃園補(bǔ)水以及城北污水處理廠尾水等,通過點(diǎn)源的方式輸入模型中(表1);目前金川河流域晴天基本無污水入河;雨天降雨徑流通過管網(wǎng)溢流入河,根據(jù)南京市逐日的降雨量,通過徑流系數(shù)折算出徑流量(圖3),概化到每一河段上輸入模型中;充分考慮翻水閘影響,翻水閘給定常水位控制;金川河下游入長江干流閘門處給定水位6.8 m控制。

表1 金川河流域生態(tài)補(bǔ)水量

圖3 2019年5—6月金川河流域降雨徑流過程

b)水質(zhì)邊界條件。金川河流域各種生態(tài)補(bǔ)水的水質(zhì)狀況,通過點(diǎn)源的方式,根據(jù)實(shí)際的補(bǔ)水量和補(bǔ)水水質(zhì)同步輸入模型中,其中城北污水處理廠尾水水質(zhì)控制在氨氮濃度0.15 mg/L以內(nèi),其余生態(tài)補(bǔ)水點(diǎn)水質(zhì)在0.50 mg/L左右,臨時(shí)水質(zhì)凈化站出水氨氮濃度在1.50 mg/L以內(nèi);金川河流域內(nèi)的面源,主要為管網(wǎng)內(nèi)核算的逐日城市生活污染源匯同降雨徑流入河的面源污染,結(jié)合降雨均勻概化入附近的河段。金川河流域污染源調(diào)查范圍和河流水系分布,將金川河流域分為西北護(hù)城河、內(nèi)金川西支、內(nèi)金川老主流、內(nèi)金川中支、內(nèi)金川東支、內(nèi)金川主流、外金川、大廟溝、老虎山溝、城北護(hù)城河、郭家大溝、張王廟溝、南十里長溝主流共計(jì)13個(gè)分區(qū)(圖4),分別核算其污染入河負(fù)荷量(圖5),概化到每一河段上輸入模型中。

圖4 金川河流域面源污染分區(qū)

圖5 2019年5—6月金川河流域氨氮入河負(fù)荷量過程

2.4 模型驗(yàn)證

本文研究區(qū)域內(nèi)金川河流域河網(wǎng)總體河床形態(tài)較為一致,模型中上游南十里長溝和城北護(hù)城河河段比降較大,糙率取值由0.035逐步過渡至0.032,下游其余河道基本位于主城區(qū),河段比降較小,糙率取值自本河段上游0.032過渡至0.030。由于流域內(nèi)尚無水文站點(diǎn),結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測斷面分布(圖1),2019年6月12日開展了水文現(xiàn)場補(bǔ)充監(jiān)測。采用各斷面流量監(jiān)測結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析(表2),總體上實(shí)測值與計(jì)算值基本吻合,反映了流域的生態(tài)補(bǔ)水過程。

表2 各斷面流量實(shí)測值與計(jì)算值對比

另外,模型選取2019年5月15日至2019年6月30日金川河流域河網(wǎng)城北護(hù)城河中央門橋、翻水閘橋、西北護(hù)城河金川門泵站前池橋、內(nèi)金川河主流金川河泵站、外金川河長平橋、寶塔橋等斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),對金川河流域達(dá)標(biāo)控制斷面超標(biāo)嚴(yán)重的水質(zhì)指標(biāo)氨氮的綜合降解系數(shù)進(jìn)行了率定驗(yàn)證,確定了氨氮的綜合降解系數(shù),上游南十里長溝、城北護(hù)城河、西北護(hù)城河水質(zhì)相對較好氨氮綜合降解系數(shù)取值為0.08/d,張王廟溝、郭家山溝、內(nèi)金川河主流、東支、中支、西支及老主流、大廟溝、老虎山溝等主要支流位于老城區(qū),水質(zhì)相對較差,氨氮綜合降解系數(shù)取值為0.10/d,外金川河氨氮綜合降解系數(shù)取值為0.09/d。

各斷面氨氮驗(yàn)證結(jié)果見圖6,對比結(jié)果可以看出,各斷面計(jì)算值與實(shí)測值基本吻合,但個(gè)別斷面水質(zhì)驗(yàn)證結(jié)果相對較差,如金川河泵站前池計(jì)算值與實(shí)測值對比結(jié)果偏小,分析原因主要考慮受金川河泵站阻隔的影響,閘上水流流通性較差,容易出現(xiàn)局部靜水區(qū)導(dǎo)致局部水質(zhì)較差,再加之受局部采樣點(diǎn)可能位于靜水區(qū)的影響,使得計(jì)算值較實(shí)測值偏小?？傮w上,模型模擬出的水質(zhì)變化過程與實(shí)測的水質(zhì)變化過程趨勢基本一致,其中更能精細(xì)地反映出2019年6月19日左右雨天降雨徑流攜帶部分污水通過管網(wǎng)溢流入河對河網(wǎng)水質(zhì)的影響。

a)中央門橋

3 研究區(qū)域長效達(dá)標(biāo)模擬分析

3.1 計(jì)算條件

根據(jù)金川河流域水質(zhì)波動(dòng)的特點(diǎn),主要考慮降雨徑流混合生活污染源入河帶來的沖擊污染負(fù)荷對水體水質(zhì)的影響,提出河網(wǎng)水質(zhì)長效穩(wěn)態(tài)達(dá)標(biāo)的方案。目前城北污水處理廠進(jìn)水NH3-N濃度在20 mg/L左右,根據(jù)南京市提質(zhì)增效的目標(biāo),首先考慮今后城北污水處理廠進(jìn)水濃度要比2018年提高10%;其次,考慮到短期城北污水處理廠提質(zhì)增效10%后進(jìn)一步提質(zhì)增效的難度較大,擬進(jìn)一步結(jié)合流域最大補(bǔ)水能力,補(bǔ)水量增加50%(約28.5萬t/d);再次,根據(jù)住建部門擬對南方污水處理廠進(jìn)水濃度考核目標(biāo);同比例削減氨氮的入河負(fù)荷量,針對三種方案下金川河流域主要控制斷面水質(zhì)長效達(dá)標(biāo)狀況進(jìn)行分析,具體計(jì)算方案見表3。

表3 計(jì)算方案

3.2 長效達(dá)標(biāo)方案分析

a)方案一。城北污水處理廠提質(zhì)增效10%。方案一城北污水處理廠提質(zhì)增效10%主要體現(xiàn)在雨天入河污染負(fù)荷量的減少,因此雨天氨氮濃度的峰值都有所下降(表4),降低幅度約在9.5%左右,其中下游控制斷面寶塔橋斷面氨氮濃度最大值從3.13 mg/L下降至2.84 mg/L,降低了9.29%。從氨氮濃度和總磷濃度變化過程來看(圖7),晴天氨氮濃度變化較小,但大部分?jǐn)嗝娣逯等愿哂冖躅愃畼?biāo)準(zhǔn)。

表4 金川河流域主要斷面各方案下氨氮濃度最大值對比

b)方案二。城北污水處理廠提質(zhì)增效10%后補(bǔ)水量增加50%。方案二在方案一的基礎(chǔ)上金川河流域補(bǔ)水量增加50%,由于補(bǔ)水主要增加在晴天,雨天暫停補(bǔ)水,因此對各主要斷面氨氮濃度、總磷濃度的峰值基本無影響。從方案二氨氮濃度變化過程來看,補(bǔ)水量增加的影響主要體現(xiàn)在雨天結(jié)束后,隨著補(bǔ)水量的增加,大部分?jǐn)嗝姘钡獫舛然謴?fù)至正常晴天補(bǔ)水狀態(tài)濃度時(shí)間提前1～2 d,且總體上晴天氨氮濃度要略低于補(bǔ)水量增加前。其中寶塔橋斷面還受城北污水處理廠尾水的影響,氨氮濃度總體變化較小,氨氮濃度最大值在2.83 mg/L左右,超過Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。

c)方案三。城北污水處理廠進(jìn)水濃度為260 mg/L。方案三條件下,對比現(xiàn)狀工況,雨天氨氮濃度的峰值都明顯降低(表2),降低幅度在40%～43%。從氨氮濃度變化過程(圖5)來看,大部分?jǐn)嗝姘钡獫舛葍H雨天(5月26日、6月6日、6月18日、6月29日)峰值濃度高于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn),但其最大值從5～6 mg/L下降至2～3 mg/L,超標(biāo)倍比明顯降低。其中寶塔橋斷面氨氮濃度最大值從3.13 mg/L下降至1.85 mg/L,降低了40.87%,寶塔橋斷面水質(zhì)全過程基本達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn),能夠滿足長效穩(wěn)態(tài)達(dá)標(biāo)的目標(biāo)。

4 結(jié)論

本文采用金川河流域一維水動(dòng)力水質(zhì)模型,針對金川河水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的問題,結(jié)合流域污水處理廠處理能力、補(bǔ)水能力、截污能力提升,擬定3種長效達(dá)標(biāo)方案,對其水質(zhì)提升效果進(jìn)行預(yù)測分析。結(jié)果表明,在以南方污水處理廠考核目標(biāo)進(jìn)水濃度方案中,流域總?cè)牒游廴矩?fù)荷量將降低約44.4%左右,金川河流域河網(wǎng)水質(zhì)氨氮濃度超標(biāo)倍比明顯降低,其中寶塔橋斷面氨氮濃度降至1.85 mg/L,其水質(zhì)全過程基本都能夠滿足Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。

總體而言,針對金川河流域此類城市建成區(qū)河道,河網(wǎng)中晴天基本無污水入河,結(jié)合生態(tài)補(bǔ)水,水質(zhì)狀況較好;但雨天時(shí)雨水與管網(wǎng)中的污水混合入河帶來沖擊污染負(fù)荷使得流域水體水質(zhì)變差,長期來看仍需在流域截污能力提升的基礎(chǔ)上,提高污水截留效率,加強(qiáng)雨污分流污水管網(wǎng)建設(shè),使污水處理廠的進(jìn)水濃度進(jìn)一步提升,從而降低入河的總污染負(fù)荷量,同時(shí)結(jié)合生態(tài)補(bǔ)水,最后才能保證入江控制斷面水質(zhì)長效穩(wěn)態(tài)達(dá)標(biāo)的目標(biāo)。