基于感潮河段納污計算的入河排污口整治研究

譚 超，胡 培，肖 洵，羅志發(fā)

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510610；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510610；3.河口水利技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東 廣州 510610)

0 引言

隨著工業(yè)和城市化的發(fā)展，城市河道作為居民生活和產(chǎn)業(yè)排放的主要接收區(qū)，面臨著嚴重的水污染問題。排污口是陸源污染物進入水環(huán)境的主要通道，通過對排污口及其污染特征的全面排查，有助于確定影響流域水污染現(xiàn)狀的主要因素[1-3]。入河排污口布局和整治對于保護水體生態(tài)環(huán)境和維護人類健康至關重要，合理排污口布局能夠使污染物更好地被稀釋和擴散。通常開展入河排污口布局需要綜合考慮水體環(huán)境、水動力特性、水質要求以及生態(tài)保護等因素，建立水動力-水質耦合模型，通過數(shù)學模擬預測污染物在水體中的傳輸、擴散和轉化過程，模擬不同排污口布局對水體的影響[4-6]。然而，感潮河段的水動力與水質關系復雜，通常存在不同時間尺度的潮汐和水流變化[7]。因此，需要開發(fā)耦合模型將不同尺度的水動力過程與污染物輸移過程相結合，準確模擬水流和污染物的輸移過程[8-10]。國內雖有水動力-水質模型應用于入河(海)排污口的研究[11-14]，但在感潮河段的應用較為有限，缺乏完整的模型體系和實際案例。本研究旨在探討水動力-水質模型在感潮河段納污計算與排污口整治中的應用，為解決感潮河段水污染問題提供新的視角和方法，實現(xiàn)水體污染控制目標。

1 區(qū)域概況

1.1 感潮河道特征

感潮河段是指河口至潮區(qū)界的河段。其典型特征是：①水文條件波動大：流量及水位受潮汐影響較大；②鹽度梯度差異高：常伴隨著淡水與海水的交匯，形成較大的鹽度梯度；③生態(tài)污染敏感性強：感潮河段的生態(tài)系統(tǒng)通常對污染較為敏感，排放污染物可能引起生態(tài)災害。因此，需要準確地模擬感潮河道水動力條件對污染物排放的影響，以便更加合理地設置排污口。

1.2 區(qū)域特征

基于上述感潮河道特征，選擇西北江三角洲河段順德支流作為研究區(qū)域(如圖1所示)。順德支流位于廣東省佛山市順德區(qū)，研究區(qū)段自順德三屆廟至順德沙頭，總長度21km。順德支流的水位和流速存在明顯的周期性變化，符合典型感潮河段的基本特征(如圖2所示)。所在水功能區(qū)為順德支流容奇工業(yè)用水區(qū)，主導功能為工業(yè)，水質管理目標Ⅳ類。順德支流上游為甘竹溪，所在水功能區(qū)為甘竹溪勒流飲用、漁業(yè)用水區(qū)，水質管理目標為Ⅲ類；下游流入容桂水道容奇工業(yè)用水區(qū)，水質管理目標為Ⅱ類(見表1)。

圖1 順德支流入河排污口示意圖

圖2 各站點水位和流量過程驗證成果

表1 研究區(qū)域范圍及其所屬的水功能分區(qū)

1.3 排污口現(xiàn)狀

根據(jù)2007年廣東省水文局入河排污口調查結果及廣東省水利普查結果，研究區(qū)域現(xiàn)有入河排污口24個(如圖1所示)，均為企業(yè)入河排污口，行業(yè)覆蓋金屬電鍍、食品加工、印染紡織、電子原件等，排放方式均為連續(xù)，化學需氧量(COD)年入河排放量為5727.02t，氨氮年入河排放量為633.12t。這些數(shù)值反映出順德支流的污水排放對水體質量的中度影響[15]。

2 感潮河網(wǎng)區(qū)水動力-水質耦合模型的建立與驗證

2.1 邊界條件

2.1.1模擬范圍

珠江三角洲是我國感潮河網(wǎng)的典型區(qū)域，其水動力條件既受上游河道下泄徑流的影響，也受下游潮流的作用，本研究選取珠江三角洲中的西北江三角洲河網(wǎng)區(qū)作為模擬范圍，對西北江三角洲東四口門及燈籠山斷面以上的河網(wǎng)水系進行概化，建立河網(wǎng)區(qū)一維水動力-水質耦合數(shù)學模型。其中，河道地形資料讀取自1999-2009年測量的1/5000河道地形圖。

2.1.2模型輸入邊界

模型上游主要流量控制邊界(如圖1所示)為北江的石角、西江的高要，根據(jù)GB/T 25173-2010《水域納污能力計算規(guī)程》[16]，采用90%保證率最枯月平均流量作為邊界輸入；模型其它流量邊界包括百嶺涌、九曲河、白坭河、流溪河、里水、雅瑤、高明河等，采用流域產(chǎn)匯流計算方法以及流域內用水量調查，按水量平衡原理計算得到；模型下游水位控制邊界為黃埔(珠江廣州河段)、三沙口(沙灣水道)、南沙(蕉門水道)、馮馬廟(洪奇瀝)、橫門(橫門水道)、燈籠山(磨刀門水道)、石咀(潭江)、黃金(雞啼門水道)、西炮臺(虎跳門水道)、黃沖(銀洲湖)，采用2001年枯季2月7日-15日的實測潮位過程線為邊界水文過程；各河流的水質邊界，采用水功能區(qū)劃中的水質控制目標水質作為邊界輸入(見表1)。

2.1.3模型計算的時空步長

模型計算時間步長為10min，空間步長根據(jù)計算斷面間距的不同設置為500～2500m不等，其中，對本次重點研究河段(順德支流)河流斷面進行加密，平均200m設置一個斷面。

2.1.4水質控制因子

根據(jù)納污能力計算的項目和指標的要求，結合廣東省水質的評價、入河排污口調查等已有的數(shù)據(jù)資料，確定本次模型計算中水質控制因子為COD和氨氮。

2.1.5縱向分散系數(shù)

縱向分散系數(shù)Ex隨水流條件而變化，由于平原河網(wǎng)水流變化復雜。Ex的變化范圍可達幾個數(shù)量級，用不變的Ex值計算會帶來較大的誤差。因此，對不同的河道取不同的值。對某一微段有：

(1)

2.1.6污染物衰減系數(shù)

根據(jù)污染物衰減的基本規(guī)律，采用與流速相關的污染物衰減系數(shù)進行模型計算，COD和氨氮的衰減系數(shù)分別按式(2)和式(3)進行計算：

kCOD=0.0661v+0.0110

(2)

(3)

2.2 模型驗證

以1999年12月16日14：00-12月24日16：00的西北江三角洲同步水文測驗資料進行模型參數(shù)率定，上游邊界石角、高要采用實測流量過程，下游邊界采用同期實測潮位過程。珠江三角洲的河床糙率范圍為0.016～0.035[17-18]，在此基礎上通過計算調試率，確定西北江三角洲河網(wǎng)區(qū)枯水期河道糙率在0.016～0.044之間。取青岐站、蜆沙站、三水站和馬口站為驗證站點，采用2009年10月18日20：00-11月3日20：00的西北江三角洲同步水文測驗資料對經(jīng)參數(shù)率定的模型進行驗證，各驗證點的水位(珠江基準面)和流量計算結果與實測過程的比較如圖2所示。

結果顯示，這4個站潮位過程的相位計算與實測基本一致，青岐站、蜆沙站、三水站和馬口站分別有76%、71%、66%，以及70%的計算時段相對誤差小于30%；青岐站潮位平均絕對誤差為0.06m，蜆沙站潮位平均絕對誤差為0.04m，三水站潮位平均絕對誤差為0.07m，馬口站潮位平均絕對誤差為0.06m；青岐站潮位有86%計算時段偏差小于0.1m，蜆沙站潮位有93%計算時段偏差小于0.1m，三水站潮位的計算誤差稍大，潮位有75%的計算時段在0.1m內，而馬口站潮位偏差有86%的計算時段在0.1m內；青岐、蜆沙、三水、馬口4站水位的最大絕對誤差分別為0.28、0.21、0.29、0.19m。

青岐站流量有68%的計算時段相對誤差小于30%，峰值流量有96%的計算時段相對誤差均小于20%，但谷值流量相對誤差更大，有61%的計算時段谷值相對誤差在30%以內；蜆沙站流量有48%的計算時段相對誤差小于30%，峰值流量有93%的計算時段相對誤差均小于20%，谷值流量相對誤差有75%的計算時段在30%以內，谷值流量計算值與實測值之間的偏差比峰值的略大一些；三水站峰值流量有97%的計算時段相對誤差均小于30%，谷值流量有71%的計算時段谷值相對誤差在30%以內；馬口站峰值流量有79%的計算時段相對誤差均小于30%，谷值流量有71%的計算時段谷值相對誤差在30%以內。

總體來說，4個驗證點的水溫和流量過程的計算值與實測值的逐時變化趨勢基本相同，模型能夠較為準確模擬潮汐水動力影響下的污染物輸移過程。

3 納污能力計算與排污口整治研究

3.1 排污口不同概化方式

概化方式是指將排污口的實際情況進行簡化、歸納和統(tǒng)計，以便于模型分析和計算。不同的概化方式可能導致不同的計算結果。

本研究采用一維水動力-水質模型，通過排污口輸入排污量進行試算，求得滿足上下游水功能區(qū)水質目標的最大排污量，即是本河段的納污能力。選取上、中、下游共計6個斷面輸出水質計算結果。其中，上游斷面水質須滿足甘竹溪勒流飲用、漁業(yè)用水區(qū)水質目標的要求(即斷面1COD限值標準為20mg/L，氨氮限值標準為1.0mg/L)，下游斷面水質須滿足容桂水道容奇工業(yè)用水區(qū)水質目標的要求(即斷面6的COD限值標準為15mg/L，氨氮限值標準為0.5mg/L)。在納污能力試算過程中，由于不同排污口排污量的組合方式過多，本次以排污口實際排污量為基準，對排污量統(tǒng)一進行同比縮放，以此計算河流納污能力。

3.1.1集中概化

排污口的集中概化是將計算河段內所有排污口概化為一個集中點源，且假設污染物通過這個集中點源排到水體中。本次研究將順德支流的排污集中到中游排污口(如圖3(a)所示)。

圖3 排污口不同概化方式及最大排污量模擬結果

3.1.2均勻概化

排污口的均勻概化是將排污口在計算河段內沿程均勻分布對于計算河段而言，均勻概化或許存在偏差，但從統(tǒng)計、規(guī)劃的觀點來看，能夠綜合反映計算河段污染物排放的平均狀態(tài)。本研究均勻概化為10個排污口(如圖3(b)所示)。

3.1.3按實際排污口概化

由于現(xiàn)狀順德支流已經(jīng)有24個排污口，無論是集中概化還是均勻概化都與實際情況有一定的差異。通過對實際排污口的分布模式的調查(如圖1所示)，按實際情況概化為6個排污口(如圖3(c)所示)開展計算。

匯總本次研究過程中3種不同排污口概化方式的納污能力計算結果及各水質斷面最大水質濃度(見表2-4)。由模擬結果可知，在對順德支流納污能力計算過程中，對排污口進行集中概化得到的納污能力最大，其中，COD納污能力為16688.43t/a，氨氮納污能力為660.41t/a。與排污口集中概化相比，均勻概化的排污口河流整體水質比較穩(wěn)定、均勻，但納污能力計算結果較小，其中COD納污能力偏小14.9%，氨氮納污能力偏小18.1%。

表2 排污口不同概化方式模擬結果(COD最大值) 單位：mg/L

表3 排污口不同概化方式模擬結果(氨氮最大值) 單位：mg/L

表4 排污口不同概化方式納污能力計算結果 單位：t/a

根據(jù)實際排污口進行概化計算得到的納污能力最小，COD納污能力為11220.60t/a，氨氮納污能力為437.94t/a。這與排污口的布局方式與排放量有密切的關系，由于順德支流實際排污口多位于河流下游，且下游排污口污染物排放量較大，污染物排放后經(jīng)過稀釋、自凈的時間較短便進入下游水功能區(qū)，因此，據(jù)此概化的排污口所允許排放的污染物量較小。

3.2 排污口不同布局設置

布局方式是指排污口在河道中的分布情況。不同的布局方式會影響污染物在河道中的輸移和擴散，從而影響納污計算。

與單向河道不同，珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)受感潮影響，水動力條件較為復雜，所以本次布局上、中、下游不同的排污口，研究排污口不同的布局設置對納污能力的影響。將順德支流的排污口分別布局到河道上游(如圖4(a)所示)、中游(如圖4(b)所示)和下游(如圖4(c)所示)的位置并進行概化，利用數(shù)學模型，采用試算法進行納污能力計算。同時，考慮到計算結果的對比，將上下游水質控制目標均按Ⅱ類水質進行控制(即斷面1、斷面6的COD限值標準為15mg/L，氨氮限值標準為0.5mg/L)。

圖4 排污口不同布局設置及最大排污量模擬結果

匯總本研究中3種不同排污口布局設置方式的納污能力計算結果及各水質斷面最大水質濃度(表5-7)。由模擬結果可知，排污口設置于河流中游區(qū)域，計算得到的納污能力最大，其中，COD納污能力為19611.94t/a，氨氮納污能力為734.12t/a。

表5 排污口不同布局設置模擬結果(COD最大值) 單位：mg/L

表6 排污口不同布局設置模擬結果(氨氮最大值) 單位：mg/L

表7 排污口不同布局設置納污能力計算結果 單位：t/a

這可能是由于順德支流受感潮河流的影響，水體呈現(xiàn)往復運動，因此，布置于上游和下游的排污口容易對鄰近區(qū)域的水功能區(qū)造成影響，納污能力計算結果小于中游布置的排污口，COD納污能力計算結果分別小28.2%和47.1%，氨氮納污能力計算結果分別小33.2%和45.0%。

3.3 排污口不同排放方式

排放方式是指污染物從排污口進入河道的方式。不同的排放方式會影響污染物的濃度分布和輸移速度，從而影響納污計算。

一般概化排污口采用連續(xù)排放，其污染物排放量是穩(wěn)定的，但實際排污口也存在間歇排放方式。為了分析污染物間歇連續(xù)排放與連續(xù)排放對水體納污能力的影響，在排污口集中概化排放(如圖3(a)所示)的基礎上，分別設置排污口污染物排放量為3h的時間間隔(即污染物連續(xù)排放3h，停止排放3h，再繼續(xù)排放)，6h的時間間隔，12h的時間間隔和24h的時間間隔，計算結果如圖5所示。

圖5 排污口不同排放方式的最大排污量模擬結果

匯總本研究中4種不同排放時間間隔的納污能力計算結果以及污染物連續(xù)排放的納污能力計算結果(見表8，如圖6所示)。結果表明，6h的排放間隔計算得到的納污能力最大，COD和氨氮納污能力分別為19953.90、784.12t/a，大于排污口連續(xù)排放計算得到的納污能力；在排放間隔為24h時，

圖6 排污口不同排放方式納污能力計算結果

表8 排污口不同排放方式納污能力計算結果 單位：t/a

計算得到的納污能力最小，COD和氨氮納污能力分別為13603.95、517.01t/a，分別小于排污口連續(xù)排放計算結果的18.5%、21.7%。

污染物排放間隔的變化導致水體納污能力發(fā)生變化，主要是由于污染物排放時間間隔，影響了污染物在水體的稀釋和自凈。在污染物排放間隔小于12h時，順德支流的納污能力有所提高。時間間隔較小時，污染物能夠充分利用排污間歇時間進行降解，從而獲得更大的納污能力。

4 結語

感潮河網(wǎng)地區(qū)受潮汐影響，河流水體呈往復運動。研究表明，排污口集中概化的納污能力最大，按實際排污口概化的計算值最??；上、下游布置排污口易影響鄰近水域，納污能力低于中游排放；間歇排放能利用時間降解污染物，納污能力高于連續(xù)排放。然而，本研究僅考慮了化學需氧量和氨氮兩個典型污染指標，污染物類型多樣性在研究中難以全面涵蓋，可能影響計算準確性和結果普適性。此外，由于感潮河段生態(tài)環(huán)境的脆弱性，納污能力計算和排污口整治工作需考慮生態(tài)環(huán)境變化所帶來的影響。今后應綜合更多環(huán)境因素，進一步提高模型精確度和實際應用性。