基于EFDC 的排污口設(shè)置對(duì)淮河入海水道水環(huán)境影響研究

江雨蒙， 逄 勇， 馬秋霞， 羅 縉

（1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 210098；2.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）

0 引言

淮河入海水道是中國東部地區(qū)水運(yùn)交通的重要通道，其開發(fā)利用既可滿足淮河沿線地區(qū)的水需求，增大流域內(nèi)排澇能力， 同時(shí)對(duì)沿岸城市的社會(huì)發(fā)展和區(qū)域間經(jīng)濟(jì)的緊密聯(lián)系具有重要意義[1]。隨著淮河入海水道兩岸工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展， 其在供應(yīng)地方用水和排水需求的同時(shí)，也不可避免帶來環(huán)境破壞，導(dǎo)致周圍生態(tài)水環(huán)境壓力劇增。 而控制污染物的排放總量是改善水環(huán)境質(zhì)量， 提高水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率的關(guān)鍵手段[2]。在滿足水（環(huán)境）功能區(qū)限排總量要求的前提下， 論證入河排污口設(shè)置是分析排污口對(duì)水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)影響的重要環(huán)節(jié)。 該論證可為流域內(nèi)環(huán)境管理與規(guī)劃及水環(huán)境綜合治理提供科學(xué)依據(jù)， 為同類企業(yè)建設(shè)入河排污口設(shè)置論證工作提供建設(shè)性指導(dǎo)[3]。因此，依法開展排污口設(shè)置論證具有重要意義。

隨著區(qū)域水環(huán)境的水文水力模型發(fā)展， 水環(huán)境質(zhì)量模型于21 世紀(jì)初開始逐漸成熟[4]。 可采用數(shù)值模擬方法分析入河污染物排放影響， 目前較流行的水環(huán)境模型主要包括Mike 系列模型、Delft-3D 模型和EFDC 等[5-7]。 EFDC 由美國弗吉尼亞海洋研究所發(fā)明，是美國國家環(huán)境保護(hù)局（EPA）推薦使用的水質(zhì)水動(dòng)力模型之一[8-9]。 該模型模塊主要包括水動(dòng)力模塊、 水質(zhì)模塊、 泥沙運(yùn)輸模塊和污染物運(yùn)輸模塊等，可用于模擬河流、湖泊和水庫中的一維、二維和三維物理化學(xué)過程[10]，已廣泛應(yīng)用于水庫和河流的水動(dòng)力、水質(zhì)模擬研究。 董建武等[11]通過建立二維EFDC 耦合SWMM 模型，模擬城市內(nèi)澇時(shí)水流溢出地面后的積水分布、積水水深及增長(zhǎng)消退過程，為其他城市模擬暴雨內(nèi)澇提供了建設(shè)性意見；李亞峰等[12]通過建立湯河水庫EFDC 模型， 對(duì)不同污染物在典型年的擴(kuò)散影響情況進(jìn)行研究， 為水庫對(duì)城市供水管理提供理論指導(dǎo)；謝培等[13]以三峽水庫為研究對(duì)象， 采用EFDC 模型模擬對(duì)水齡的影響因素進(jìn)行研究分析；鄢碧鵬等[14]利用三維EFDC 模型計(jì)算不同補(bǔ)水方案對(duì)蠡湖水體SD 的改善效果， 為工程補(bǔ)水規(guī)模和運(yùn)行方式提供依據(jù)；賈洪濤[15]通過建立烏江渡水庫EFDC 水溫模型， 對(duì)下泄低溫水對(duì)烏江渡壩前斷面和庫表水溫的分布情況進(jìn)行模擬研究。

基于EFDC 模型中的水動(dòng)力和水質(zhì)模塊， 建立淮河入海水道二維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型， 模擬明通污水處理廠尾水中污染物在淮河入海水道的遷移擴(kuò)散、分布情況，對(duì)不同工況下污染物濃度增量進(jìn)行計(jì)算，并分析其對(duì)入海水道水生態(tài)環(huán)境的影響，為周邊水環(huán)境管理提供有效依據(jù)。

1 研究概況

淮河入海水道淮安段位于淮河下游， 與蘇北灌溉總渠平行。 目前，入海水道分南偏泓與北偏泓，因其二期工程是在現(xiàn)狀工程基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)挖河道、加固堤防，故入海水道河道將加寬，南、北泓將合并。為滿足園區(qū)內(nèi)規(guī)劃需求， 明通污水處理廠擬將擴(kuò)建污水處理廠排放規(guī)模設(shè)置為2.1 萬t/d。 目前其入河排污口位于淮河入海水道南泓北岸， 由于淮河入海水道二期工程的施工及運(yùn)行需要，排污口改建后，尾水經(jīng)調(diào)度河最終匯入淮河入海水道，水質(zhì)目標(biāo)執(zhí)行GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建模型

2.1.1 EFDC 模型

（1）動(dòng)量方程：

（2）連續(xù)方程：

（3）狀態(tài)方程：

（4）水質(zhì)方程：

（5）溫度和鹽度輸移方程：

式中：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，my分別為水平坐標(biāo)變換因子，m 為度量張量行列式的平方根，m=mxmy；Av 為垂向紊動(dòng)黏滯系數(shù)；Kv 為垂向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；f 為科里奧利系數(shù)；ρ 為混合質(zhì)量密度，kg/m3；ρ0是參考質(zhì)量密度，kg/m3；H 為總水深，m；h 為未擾動(dòng)的z 坐標(biāo)原點(diǎn)以下水深，m；p 為壓力，Pa；C 為因子質(zhì)量濃度，mg/L；Sa 為鹽度，‰；T 為溫度，℃；ξ 為自由的勢(shì)能，J；Qu 和Qv 分別為動(dòng)量在x 和y 方向的源匯項(xiàng)；QT是溫度的源匯項(xiàng)[16]。

2.1.2 一維穩(wěn)態(tài)模型

由于調(diào)度河河段寬深比小， 污染物濃度在橫向上變化不大， 污染物可在較短河道內(nèi)的斷面上均勻混合， 故采用一維穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型模擬污染物沿調(diào)度河、十四中溝縱向的輸移過程。

河流一維穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型計(jì)算公式[17-18]：

式中：ρ 為控制斷面水體污染物質(zhì)量濃度，mg/L；W為污染源排污口的排污量，g/s；Q0=Bhu，Q0為河流流量，m3/s；B 為河寬，m；h 為河道平均深度，m；u 為水體的流速，m/s；C0為邊界水質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L；k為河流中水質(zhì)降解系數(shù)，d-1；x 為污染源與控制斷面之間的縱向距離，m。

2.2 模型范圍

研究采用笛卡爾直角坐標(biāo)系建立淮河入海水道淮安河段模型， 以總渠北閘、 淮阜控制調(diào)度閘為邊界，總長(zhǎng)約42 km，概化出河道的網(wǎng)格系統(tǒng)見圖1。

圖1 淮河入海水道二期工程施工前、后的模型計(jì)算網(wǎng)格

淮河入海水道二期施工前， 每個(gè)網(wǎng)格邊長(zhǎng)為117 m，寬為20 m，共劃分1 800 個(gè)網(wǎng)格；淮河入海水道二期工程施工后，入海水道河道加寬至300 m，每個(gè)網(wǎng)格邊長(zhǎng)為140 m，寬為30 m，共劃分3 000 個(gè)網(wǎng)格。 計(jì)算時(shí)間設(shè)為20 d，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為60 s，研究中Z0粗糙度取值為0.02[19-20]。

2.3 模擬方案

為分析COD，NH3-N，TP 在入海水道施工前、后對(duì)淮河入海水道水環(huán)境的影響， 根據(jù)水文資料及現(xiàn)場(chǎng)勘察情況，同時(shí)考慮豐水期、枯水期水位的變化情況及明通污水處理廠排水事故的發(fā)生情況， 制訂淮河入海水道的水質(zhì)模擬方案見表1。 當(dāng)污水處理廠排污口正常排放，尾水出水水質(zhì)均執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A 污染物排放標(biāo)準(zhǔn)；若發(fā)生排污口事故排放，尾水出水水質(zhì)應(yīng)綜合考慮明通污水處理廠廢水量、 進(jìn)水水質(zhì)和處理效果、應(yīng)急事故池的調(diào)節(jié)能力。

表1 淮河入海水道二期施工前、后模擬方案

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗(yàn)證

研究利用2021 年5 月～9 月淮河入海水道蘇嘴斷面水質(zhì)COD，NH3-N，TP 濃度實(shí)測(cè)資料進(jìn)行率定驗(yàn)證，模型的邊界條件主要包括上游邊界流量（為入海水道南泓總渠北閘處逐日平均流量值）、下游邊界水位（同期淮阜控制調(diào)度閘站逐日平均水位值）、污水處理廠排污口處排放監(jiān)測(cè)因子濃度（為該廠現(xiàn)狀排污口COD，NH3-N，TP 的排放濃度）及溫度（為淮安市內(nèi)實(shí)測(cè)溫度）。

運(yùn)用以上參數(shù)模擬計(jì)算出率定斷面（率定斷面位置見圖1）COD，NH3-N，TP 濃度，并將計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，具體結(jié)果見圖2。

以百分比偏差系數(shù)PBIAS 和擬合優(yōu)度R2評(píng)價(jià)模型的可靠性與有效性[21-22]，COD，NH3-N，TP 平均百分比偏差分別為3.17%，10.01%和17.42%， 擬合優(yōu)度R2分別達(dá)到0.94，0.86，0.68。 在模擬水質(zhì)污染物時(shí)，正常PBIAS ≤20%表示模擬結(jié)果優(yōu)秀，R2≥0.6表示模擬結(jié)果達(dá)良好水平， 可見蘇嘴斷面水質(zhì)模擬濃度與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合，模型各參數(shù)取值合理，該模型可較為準(zhǔn)確地模擬淮河入海水道污染物的遷移擴(kuò)散情況。

3.2 水質(zhì)模擬分析

利用上述邊界條件建立淮河入海水道淮安河段EFDC 模型，模擬計(jì)算入海水道二期工程施工前、后正常排放時(shí)預(yù)測(cè)因子COD，NH3-N 和TP 濃度增量，并疊加2021 年～2022 年淮河入海水道蘇嘴斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出蘇嘴斷面水質(zhì)均可達(dá)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。 入海水道二期工程啟用后，明通污水處理廠排污口尾水排入調(diào)度河后經(jīng)十四中溝最終匯入淮河入海水道， 故施工后排污口至淮河入海水道斷面先采用一維穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行水質(zhì)模擬。 考慮最不利情況，擬設(shè)調(diào)度河和十四中溝流量為0，計(jì)算尾水正常排放時(shí)調(diào)度河入十四中溝、 十四中溝入入海水道斷面處的水質(zhì)預(yù)測(cè)因子濃度值， 具體見表2和表3。 當(dāng)污水處理廠正常排放時(shí)，二期工程施工前COD，NH3-N 和TP 因子質(zhì)量濃度在豐水期增量分別為0.910，0.094 和0.010 mg/L，其在枯水期增量分別為1.211，0.129 和0.014 mg/L； 二期工程施工后COD，NH3-N 和TP 質(zhì)量濃度在豐水期增量分別為0.116，0.015 和0.003 mg/L， 其在枯水期增量分別為0.204，0.026 和0.002 mg/L。模擬結(jié)果表明，預(yù)測(cè)因子在相同排放濃度下， 流量越大污染物混合后的濃度越低，污染物擴(kuò)散至蘇嘴斷面時(shí)其濃度增量越小，因此，斷面污染物增量與河道流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。相較于枯水期，豐水期的各污染物濃度增量較小，原因是因?yàn)樨S水期的流量比枯水期的流量大。 在二期工程施工加寬河道后， 水流速度變慢而污染物自身降解量增多， 故施工后蘇嘴斷面的污染物濃度增量低于施工前的濃度增量。

表2 二期工程施工后調(diào)度河及十四中溝水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測(cè)mg·L-1

表3 正常排放工況下蘇嘴斷面各污染物濃度預(yù)測(cè)結(jié)果mg·L-1

入海水道二期工程施工后， 尾水排入調(diào)度河后經(jīng)十四中溝最終匯入淮河入海水道的相關(guān)斷面預(yù)測(cè)結(jié)果見表4。

表4 二期工程施工后調(diào)度河及十四中溝水質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果mg·L-1

當(dāng)發(fā)生事故排放時(shí)，在入海水道二期施工前、后蘇嘴斷面的水質(zhì)指標(biāo)濃度預(yù)測(cè)結(jié)果見表5。 由表5可以看出， 蘇嘴斷面水質(zhì)可達(dá)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。 當(dāng)污水處理廠發(fā)生事故排放時(shí)，二期工程施工前COD，NH3-N 和TP 因子質(zhì)量濃度在豐水期增量分別為3.277，0.234 和0.028 mg/L，其在枯水期增量分別為4.296，0.320 和0.039 mg/L；二期工程施工后COD，NH3-N 和TP 因子質(zhì)量濃度在豐水期增量分別為0.409，0.037 和0.006 mg/L，其在枯水期增量分別為0.714，0.063 和0.009 mg/L。 模擬結(jié)果顯示，預(yù)測(cè)因子在相同排放濃度下，蘇嘴斷面污染物負(fù)荷與正常排放工況下有類似規(guī)律， 污染物濃度增量與河道流量也呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。 通過對(duì)比正常排放與事故排放工況可知， 當(dāng)發(fā)生事故排放時(shí)入河污染負(fù)荷增加， 蘇嘴斷面各污染物濃度增量均顯著增大，高達(dá)尾水正常排放時(shí)的2.5～3.5 倍。

表5 事故排放工況下蘇嘴斷面各污染物濃度預(yù)測(cè)結(jié)果mg·L-1

綜上可知， 在污染物排放負(fù)荷及預(yù)測(cè)水期相同時(shí)， 淮河入海水道二期工程施工后蘇嘴斷面污染物濃度增量均有所降低。由表3 和表5 可以看出，在河道地形及污染物排放負(fù)荷相同時(shí)， 蘇嘴斷面枯水期污染物濃度增量均較豐水期高， 但由于枯水期污染物本底值均較豐水期濃度低， 因此表現(xiàn)出枯水期污染物預(yù)測(cè)濃度均低于豐水期。 各模擬方案在入海水道二期工程實(shí)施后發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)明通污水處理廠豐水期正常排放時(shí)（方案5）， 蘇嘴斷面中COD，NH3-N 和TP 濃度增量均最低，對(duì)蘇嘴斷面的水質(zhì)影響程度均最小。

3.3 二期啟用后污染物的擴(kuò)散影響

為評(píng)估污水處理廠尾水中污染物排放對(duì)淮河入海水道水環(huán)境的影響， 利用水動(dòng)力水質(zhì)模型模擬計(jì)算不同工況下COD 濃度增量的影響范圍，分析其遷移擴(kuò)散規(guī)律。 由于污水處理廠擴(kuò)建后的運(yùn)行時(shí)間大多在入海水道二期啟用之后，因此，僅討論二期工程啟用后不同水期下COD 濃度增量的影響范圍，正常排放時(shí)COD 濃度增量等值線和事故排放時(shí)COD 濃度增量等值線分別見圖3 和圖4。

圖3 正常排放時(shí)COD 濃度增量等值線

圖4 事故排放時(shí)COD 濃度增量等值線

由圖3 和圖4 可以看出，不同工況條件下COD濃度增量的擴(kuò)散范圍均存在明顯差別。正常排放時(shí)，豐水期和枯水期COD 質(zhì)量濃度增量超過1.5 mg/L的影響面積分別為256，671 m2。 在河道地形和COD排放濃度相同時(shí)， 豐水期污染物遷移擴(kuò)散后濃度較高的水域面積與枯水期相比有所減小， 原因是由于豐水期流量大于枯水期， 較大流量更有利于COD的稀釋擴(kuò)散[23-24]。當(dāng)發(fā)生事故排放時(shí)，豐水期和枯水期COD 質(zhì)量濃度增量超過1.5 mg/L 的影響面積分別為1 253，3 251 m2，COD 濃度增量較高的水域面積的變化規(guī)律與正常排放工況相似。 比較可知，在相同預(yù)測(cè)水期下，尾水中污染負(fù)荷均增大，發(fā)生事故排放后COD 濃度較高的水域面積均顯著增加，約為正常排放后的5 倍。 由此看出，明通污水處理廠發(fā)生事故排放后尾水在淮河入海水道的擴(kuò)散影響遠(yuǎn)超于正常排放，故企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)日常管理，當(dāng)事故發(fā)生時(shí)應(yīng)立即采取防控措施，防止事故尾水進(jìn)一步擴(kuò)散。

4 結(jié)論

通過構(gòu)建淮河入海水道EFDC 水環(huán)境數(shù)學(xué)模型， 對(duì)淮安明通污水處理廠尾水中COD，NH3-N 和TP 等污染物對(duì)蘇嘴斷面的水質(zhì)影響進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)二期工程啟用后COD 在淮河入海水道淮安河段中的遷移擴(kuò)散情況進(jìn)行分析。

（1）利用淮河入海水道蘇嘴斷面水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)淮河入海水道EFDC 模型進(jìn)行參數(shù)率定， 得出COD，NH3-N，TP 平均百分比偏差分別為3.17%，10.01%和17.42%，擬合優(yōu)度R2分別為0.94，0.86，0.68， 表明該模型模擬污染物在淮河入海水道周邊水域的遷移擴(kuò)散情況準(zhǔn)確度較好。

（2）明通污水處理廠排污口對(duì)蘇嘴斷面產(chǎn)生污染物濃度增量，當(dāng)預(yù)測(cè)因子在相同排放濃度下，斷面污染物濃度增量與河道流量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系， 故豐水期污染物濃度增量均較枯水期小。 在預(yù)測(cè)水期和排放濃度相同時(shí)， 淮河入海水道二期工程施工加寬河道后斷面污染物濃度增量均低于施工前的濃度增量。 當(dāng)發(fā)生事故排放時(shí)，因入河污染負(fù)荷增加，故蘇嘴斷面污染物濃度增量均顯著增大， 但疊加本底值后水質(zhì)仍滿足地表Ⅲ類水水質(zhì)要求。

（3）淮河入海水道河道二期工程施工后，預(yù)測(cè)水期和污染負(fù)荷的變化均可對(duì)河道的污染帶擴(kuò)散范圍產(chǎn)生影響。 在污染物排放濃度一定時(shí)，豐水期COD 濃度增量較高的水域面積均比枯水期?。划?dāng)發(fā)生事故排放時(shí)，COD 濃度較高的水域面積均隨著污染負(fù)荷增大而顯著增加，因此明通污水處理廠應(yīng)嚴(yán)格控制污染物排放，避免排放污染負(fù)荷較高的尾水。