基于一二維數(shù)值聯(lián)解模型的袁河水質預測與評價研究

周宜一，唐揚，張明婷

（1.銘瑞環(huán)境科技（南京）有限公司,江蘇 南京 210000；2.江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術研究院股份公司,江蘇 南京 210000；3.南京市計量監(jiān)督檢測院,江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著環(huán)境影響評價制度在我國不斷深化,技術導則難度及審批要求不斷提高,地表水預測與評價工作逐漸成為環(huán)評工作中的難點。在評價工作中,時常會由于局域水文及水質參數(shù)的缺失,導致二維數(shù)學模型的建立缺乏合理邊界條件,朱秋菊[1]等研究人員逐漸探索出相關方法,通過研究聯(lián)解條件將一二維水動力數(shù)學模型有效統(tǒng)一,然而尚未出現(xiàn)通過一維河網(wǎng)水質模型得到二維水質模型的實例。作者在實際工作結合已有經(jīng)驗,基于成熟應用的MIKE 系列軟件,利用一二維數(shù)學模型進行聯(lián)解思路,通過一維河網(wǎng)模型的運行計算得到二維水域的邊界條件,從而推動二維水域模型的合理運行,使得評價工作有據(jù)可循。

1 數(shù)學模型

1.1 研究范圍

本次研究范圍為相鄰新余高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)的袁河及其主要支流。新余市境內支流屬贛江水系,袁河橫貫全區(qū)東西,大部分支流以南北向注入袁河,水系呈葉脈狀,袁河在新余境內主要支流有孔目江、濛河、南安江等。袁河發(fā)源于萍鄉(xiāng)市武功山北麓新泉鄉(xiāng),是新余市境內最大水系,屬于贛江一級支流,主流長235 km,其中經(jīng)新余市境內的長度約125 km,自西向東穿城而過,是新余工農業(yè)用水和納污的主要河流。河床平均坡降比為0.00026,河寬在100 m～250 m 范圍。平均流量104.8 m3/s,其中枯水期最小流量3.0 m3/s,豐水期流量為535 m3/s,最大洪水流量5860 m3/s,最大洪水水位48.87 m。

新余高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)規(guī)劃有3 座污水處理廠：城東污水處理廠（近期處理污水規(guī)模8 萬·t/d,遠期16 萬·t/d）,新余市高新區(qū)污水處理廠（近期處理污水規(guī)模4 萬·t/d,遠期8 萬·t/d）以及電鍍集控區(qū)污水處理廠（近期與遠期處理污水規(guī)模均為0.562 萬·t/d）。

1.2 水環(huán)境數(shù)學模型建立

1.2.1 一維河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學模型建立

（一）模型概化

（1）河網(wǎng)數(shù)學模型構建基本原則

為便于計算,須將評價范圍內河網(wǎng)進行概化。將天然河網(wǎng)進行合并、概化,概化河道為水平底坡、梯形斷面,概化斷面用底高、底寬和邊坡三要素來描述。概化時將主要的輸水河道納入計算范圍,將次要的河道和水體根據(jù)等效原理,歸并為單一河道和節(jié)點,使概化前后河道的輸水能力相等、調蓄能力不變。當這些次要的平行河道具有斷面資料,且首末節(jié)點相同時,根據(jù)過水能力相同的原理,求得合并概化河道的斷面參數(shù)。

（2）模型河網(wǎng)概化

根據(jù)河網(wǎng)數(shù)學模型構建基本原則,對新余高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)主要納污河流及支流進行概化,共概化出3 條河流,具體信息見圖1。

圖1 評價區(qū)域河網(wǎng)概化結果

（3）模型污染源概化

污染源主要分為點源和非點源,其中點源包括排入污水廠的城鎮(zhèn)生活源和工業(yè)企業(yè)源,非點源一般包括未接入城市污水管網(wǎng)的城鎮(zhèn)生活源、農村生活源、農田面源和畜禽源等。本次主要考慮城東污水處理廠,新余市高新區(qū)污水處理廠以及電鍍集控區(qū)污水處理廠等3 座污水處理廠排口的點源概化。

（4）模型邊界選取

根據(jù)河網(wǎng)概化的結果,選取3 個開邊界,包括孔目江、袁河。模型的邊界條件即為各有開邊界河流的各時段的流量和水質實測值。水文條件選取90%水文保證率的典型年,同時考慮沿河水工建筑的調度方式。

（二）模型參數(shù)選取及率定

（1）水量模型參數(shù)率定

根據(jù)研究區(qū)域各水文站逐月水文資料,利用建立的河網(wǎng)模型和設定的邊界條件進行計算,對水量模型進行率定。模型率定得到河道糙率值為0.017～0.024。

由圖2 可知：水位率定計算結果與實測值平均相對誤差約為29%,流量率定計算結果與實測值平均相對誤差約為25%。各水文站的水量模型計算值與實測值吻合較好,說明各河道糙率值可用于本項目建立的水量水質模型。

圖2 水量模型孔目江入口計算值與實測值對比圖

（2）水質模型參數(shù)率定

根據(jù)新余高新區(qū)環(huán)保局提供的典型年控制斷面全年的水質監(jiān)測資料,利用建立的河網(wǎng)模型和設定的邊界條件進行計算,對水質模型進行率定。率定得到高錳酸鹽指數(shù)的降解系數(shù)為0.08 d-1～0.1 d-1,氨氮的降解系數(shù)為0.05 d-1～0.07 d-1,總磷的降解系數(shù)為0.07 d-1～0.09 d-1,率定后的模型計算值和實測值的對比結果見圖3。

圖3 孔目江入口斷面水質參數(shù)計算值與實測值對比圖

由圖3 可知：高錳酸鹽指數(shù)計算結果與實測值平均相對誤差約為13%,氨氮的計算結果與實測值平均相對誤差約為48%,TP 計算結果與實測值平均相對誤差約為26%。各斷面的水質模型的計算值與實測值吻合較好,說明各水質降解參數(shù)可用于本次評價。

1.2.2 一二維聯(lián)解條件

根據(jù)水位連續(xù)條件,一、二維模型在聯(lián)解點上應該滿足以下條件[2]：

水位條件：Z1=Z2

流量條件：Q1=∫uξHξdξ

式中：Z1為一維模型在內邊界斷面上的水位；Z2為二維模型在內邊界上各節(jié)點的平均水位；uξ為二維模型在一二維模型連接斷面法向上的流速；Q1為一維模型在一二維模型連接斷面上的流量。

一二維模型聯(lián)解主要思想為將一維模型通過流轉換為二維模型,將二維模型通過水位轉換為一維模型。首先,消元連接二維模型和一維模型的計算部分,從而獲得計算部分方程作為用于一維模型的邊界的控制方程。在求解一維模型和二維模型的連接部分上的物理量之后,分別將它們替換為一、二維模型計算所有計算點上的物理量。

基于建立的一維河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學模型,獲取目標評價范圍內任意節(jié)點的水文水質模擬數(shù)據(jù),從而作為本次二維模型邊界條件。本次一維水環(huán)境模型由MIKE11 軟件中HD 與AD 模塊建立完成,二維水環(huán)境模型由MIKE21 軟件中Flow Model FM 模塊建立完成。

2 孔目江水質預測與評價

本次預測選擇一期最不利條件（枯水期）進行預測,根據(jù)城東污水廠、高新區(qū)污水廠、電鍍集控區(qū)污水處理廠現(xiàn)狀及近遠期規(guī)劃排水方案,確定本次預測方案,見表1。

表1 水環(huán)境預測方案

根據(jù)《江西省地表水（環(huán)境）功能區(qū)劃》,研究范圍內孔目江、袁河執(zhí)行《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838-2002）中的Ⅲ類水質標準。

3 討論與結論

3.1 討論

根據(jù)建立的評價區(qū)域一維水網(wǎng)模型,利用一二維連接方式,分別建立城東污水廠排口范圍及高新區(qū)污水廠及電鍍集控區(qū)污水處理廠排口范圍的二維水動力模型。根據(jù)制定的預測方案,完成現(xiàn)狀工況、規(guī)劃近期工況、規(guī)劃遠期工況下的預測模擬結果。其中,高新區(qū)污水廠及電鍍集控區(qū)污水處理廠排口緊鄰,城東污水廠與上述2 座污水廠距離較遠,兩者單獨成圖。見圖4～圖8。

圖4 現(xiàn)狀工況下 城東污水廠排口下游2 km 范圍內CODMn、NH3-N、TP 模擬結果

圖5 現(xiàn)狀工況下 高新區(qū)污水廠及電鍍集控區(qū)污水處理廠排口下游2 km 范圍內CODMn、NH3-N、TP 模擬結果

圖6 近期及遠期規(guī)劃工況下 城東污水廠排口下游2 km 范圍內CODMn、NH3-N、TP 模擬結果

圖7 近期及遠期規(guī)劃工況下 高新區(qū)污水廠及電鍍集控區(qū)污水處理廠排口下游2 km 范圍內CODMn、NH3-N、TP 模擬結果

圖8 遠期規(guī)劃工況下 高新區(qū)污水廠及電鍍集控區(qū)污水處理廠排口下游2 km 范圍內CODMn、NH3-N、TP 模擬結果

根據(jù)以上預測結果可知,現(xiàn)狀工況下,城東污水廠CODMn污染帶長450 m,NH3-N 污染帶長480 m,TP 污染帶長880 m,高新區(qū)污水廠及電鍍集控區(qū)污水處理廠CODMn污染帶長550 m,NH3-N 污染帶長600 m,TP 污染帶長800 m。近期規(guī)劃工況下,城東污水廠CODMn污染帶長550 m,NH3-N 污染帶長280 m,TP 污染帶長980 m,高新區(qū)污水廠及電鍍集控區(qū)污水處理廠CODMn污染帶長620 m,NH3-N 污染帶長500 m,TP污染帶長350 m。遠期規(guī)劃工況下,高新區(qū)污水廠及電鍍集控區(qū)污水處理廠CODMn污染帶長400 m,NH3-N污染帶長500 m,TP 污染帶長850 m。

綜上所述,根據(jù)城東污水廠、高新區(qū)污水廠、電鍍集控區(qū)污水處理廠現(xiàn)狀及近遠期規(guī)劃排水方案確定的預測方案下,在不同工況下,各排口排污對水域污染物都產(chǎn)生一定量貢獻,但CODMn、NH3-N、TP 均未出現(xiàn)超標情況。

3.2 結論

本次研究采用MIKE21 水動力學及水質模型,模擬城東污水廠、高新區(qū)污水廠、電鍍集控區(qū)污水處理廠排污口排放污水中CODMn、NH3-N、TP 等典型污染物在袁河中擴散情況,采用一、二維聯(lián)解數(shù)學模型,分別建立評價區(qū)域城東污水廠排口范圍及高新區(qū)污水廠及電鍍集控區(qū)污水處理廠排口范圍的二維水動力模型。根據(jù)制定的預測方案,完成現(xiàn)狀工況、規(guī)劃近期工況、規(guī)劃遠期工況下的預測模擬結果。結果顯示在不同工況下,各排口排污對水域污染物都產(chǎn)生一定量貢獻,但CODMn、NH3-N、TP 均未出現(xiàn)超標情況。本次研究通過大量基礎數(shù)據(jù)嘗試了一二維數(shù)值聯(lián)解模型的建立工作,并取得一定成果,在今后類似評價中,將針對模擬結果的合理性與科學性進行深入研究。