老盤江沿岸污水排放方案優(yōu)化論證數(shù)值模擬研究

吳德安，黃國芳，張開鑫，賈子寅，易紹林，3，雙風龍

(1.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；2.云南省水利水電工程有限公司，云南 昆明 650500；3.中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610；4.云南省建設投資控股集團有限公司，云南 昆明 650501)

0 引言

陸良縣是我國云南省東部曲靖市下轄縣，有“滇東明珠”的美名，地處南盤江上游。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施和城市化進程步伐的推進[1]，陸良縣經(jīng)濟水平大幅提高，城市發(fā)展迅速[2]。但是由于陸良縣的老盤江水系基礎條件較差，存在生活污水和生活垃圾排放引起的嚴重水質(zhì)污染等問題[3]。為治理沿河水污染，陸良縣水務局根據(jù)先行先試、突出重點的原則，實施了南盤江城區(qū)段及閻芳河的河道綜合整治工程。云南省政府制定了《云南省美麗宜居鄉(xiāng)村建設行動計劃》[4]，針對農(nóng)村環(huán)境全面處理、解決農(nóng)業(yè)面源污染、改善村莊生態(tài)環(huán)境等重點工作提出了具體化的目標和措施。在處理農(nóng)村污水的問題時，設計了集中和分散處理并用的方式。對老盤江兩岸直接排入河水的污染源進行控制和處理[5]，進而規(guī)劃建設污水收集系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)[6-9]。

本研究利用Mike11軟件[10]建立老盤江水動力-水質(zhì)耦合模型，對老盤江排污河流水質(zhì)影響進行評價[11]，計算分析污水收集處理前后不同入河排污設置方案的水質(zhì)變化及響應，以及豐水期、平水期、枯水期情況下的河流水質(zhì)變化響應情況。通過對比確定污水處理最佳方案，為治理老盤江的水質(zhì)污染和水資源的可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1 流域概況與相關數(shù)據(jù)

1.1 河流水系

如圖1所示，陸良縣內(nèi)河流均屬珠江流域西江水系，南盤江干、支流共20余條，全長240余km。老南盤江的流域集水面積79.78km2，河長18.80km，河道比降0.4‰。新盤江左岸支流主要有閻芳河、杜公河、麥子河、阿油鋪河、莊上河、馬家河、謝家河、橫水溝、大沙河等。右岸支流主要有板橋河、西華寺河、永清河、張角沖河、麥地溝、干沖河、赫斐河、萬家河等。閻芳河流域面積287km2，主河道長18.2km，河道比降0.6‰。

圖1 流域水系圖

1.2 點源污染

目前老盤江沿岸村莊排水形式多樣，沿河有不少房屋由于歷史原因，違規(guī)建在易受洪水影響的堤防鄰側。這些村民的排水均順著地面坡度，將污水就近排入河道，沿河有少量管徑DN200以下的散戶小排污口，污水流量不大，污水直排對水質(zhì)造成一定程度的污染。根據(jù)老盤江沿岸生活污水排放區(qū)域兩岸的村莊分布情況，擬定設計方案是將兩岸的污染物排放設置為如圖2所示A—Q的17個片區(qū)。污水排放量根據(jù)各村莊的人口進行計算，統(tǒng)計的排放量見表1。

表1 老盤江沿岸污水排放量統(tǒng)計

圖2 老盤江沿岸生活污水排放區(qū)域

根據(jù)設計進水指標，取17個片區(qū)污水排放水質(zhì)COD濃度為125mg/L，NH3-N濃度為30mg/L，TN濃度為35mg/L，TP濃度為4mg/L。

1.3 污水處理標準

農(nóng)村生活污水主要污染物為CODcr、BOD5、TP、NH3-N、SS等。本研究尾水排放口均在老盤江沿岸，其現(xiàn)狀水質(zhì)為Ⅲ—Ⅳ類水，參照GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》，考慮老盤江天然徑流規(guī)模不大、稀釋能力較小，本工程處理出水執(zhí)行一級A的排放標準，確定污水處理工程的出水標準。根據(jù)污水處理站的進、出水水質(zhì)指標要求，確定污染物處理去除率，具體見表2。

表2 污水處理站進、出水水質(zhì)指標及其去除率分析表

2 研究方法

根據(jù)老盤江河道的相關資料，本研究采用DHI的MIKE 11軟件建立老盤江水質(zhì)模型。河網(wǎng)概化遵循綜合考慮防洪排澇與調(diào)水改善水環(huán)境的原則，既考慮現(xiàn)狀工程，又考慮到各階段規(guī)劃的河道及水利工程布設，使模型具有可擴展性。河道斷面采用2018年的實測斷面數(shù)據(jù)，綜合考慮河道邊界、河道內(nèi)突變點、支流匯入點等因素布設斷面。老盤江河道長18780m，每隔250m設置一個斷面，總共82個斷面。用Getdata軟件提取斷面的形狀數(shù)據(jù)到Excel表格中，再逐一將斷面起始距x和河床高程z復制到Mike11斷面文件中，最終形成完整的斷面文件。

2.1 水力計算邊界條件及模型驗證

本次模型準備設置3種工況，即5—9月為豐水期，3—4月及10—11月為平水期，12月—次年2月為枯水期，模擬河流1年內(nèi)的水動力情況。根據(jù)實測資料進行合理推算后取值，老盤江上游流量枯水期取0.36m3/s，平水期取0.56m3/s，豐水期取0.66m3/s。老盤江下游邊界3種工況的水位及流量見表3。

表3 數(shù)值模型3種工況開邊界條件

初始水位根據(jù)西橋站的水位流量關系取值。模型糙率率定原則為：首先根據(jù)行洪河道河床、斷面情況，初步確定各河段糙率值，然后分別采用實測水位資料對初步擬定糙率進行驗證，并結合渠道斷面情況最終確定相關參數(shù)，確定老盤江糙率值為0.0275。實測數(shù)據(jù)有2018年1月5日老盤江的3個實測斷面數(shù)據(jù)，斷面1位置為2250m處斷面，斷面2位置為8750m處，斷面3位置為15250m處。模擬數(shù)值與實測數(shù)值對比如圖3—4。

圖3 水位驗證圖

圖4 流量驗證圖

根據(jù)水位驗證圖可知，3個斷面的模擬值與實測值都相差很小，相差最大的斷面處差值為0.361m，能夠滿足水位模擬要求。模型流量模擬值與實測值相差最大為0.45m3/s，能夠滿足流量的模擬要求。

2.2 水動力-水質(zhì)-生態(tài)耦合模型構建與驗證

在上述水動力模型驗證率定的基礎上，建立水動力-水質(zhì)-生態(tài)耦合模型，確定模擬水質(zhì)及其物理過程，耦合水動力模型并檢查質(zhì)量守恒，率定模型相關參數(shù)。

為分析流域內(nèi)水質(zhì)演化過程，采用MIKE11模型系統(tǒng)中的對流擴散模塊(AD)和水質(zhì)反應模塊(Ecolab)二次開發(fā)，獲得流域內(nèi)水質(zhì)特征，進而模擬分析水質(zhì)中污染物遷移特點。選用Ecolab中的4級反應模版并自建COD反應模版，對磷、NH3-N和NO3-N等4個有較大影響的污染因子進行模擬。模型模擬時間為2018年1月1日—15日，計算時間步長為30s，空間步長取250～500m不等。利用2018年水質(zhì)資料對水質(zhì)模型進行率定，模型率定的主要參數(shù)及其率定結果見表4。

表4 模型主要水質(zhì)參數(shù)率定結果

取水動力模型驗證中的3個實測斷面的污染物濃度與模擬值進行比較。本次模型驗證取COD和NH3-N濃度進行驗證。驗證結果見圖5—6。

圖5 COD濃度驗證圖

圖6 NH3-N濃度驗證圖

可見，3個實測斷面的數(shù)值跟模擬值基本吻合，說明模型適配性好，滿足模擬要求，具有可信性。

3 研究結果

污水排放量根據(jù)各個村莊的人口進行計算，統(tǒng)計的排放量見表1。取17個片區(qū)污水排放水質(zhì)COD濃度為125mg/L，NH3-N濃度為30mg/L，TN濃度為35mg/L，TP濃度為4mg/L。此種排放方式，定為原始方案。17個片區(qū)分別進行污水處理后排放的COD濃度取30mg/L，NH3-N濃度取5mg/L，TN濃度取15mg/L，TP濃度取0.5mg/L，該方案定為方案一。針對老盤江河段污水量排放最大的3個區(qū)域設置對應的3個污水處理廠，將沿著河段的17個分區(qū)的污水排放點通過建設輸水管道集中運輸?shù)竭@3個污水處理口排放，這種處理排放形式定為方案二，該排放方案入河排污口及污水排放量見表5。

表5 方案二入河排污口及污水排放量設置

設置處理后排放的COD濃度取30mg/L，NH3-N濃度取5mg/L，TN濃度取15mg/L，TP濃度取0.5mg/L。根據(jù)上述分析，本研究原始方案、方案一和方案二的具體設置見表6。

表6 研究設計給出的3種污水處理排放方案

針對表6所示的3個排放方案進行如表3所列豐水期、平水期、枯水期3種工況開邊界條件進行數(shù)值模擬研究。由于篇幅所限，平水期模擬結果圖不再展示。3種排放方案污水排放后老盤江水質(zhì)因子沿程分布模擬及分析比較結果如下：

(1)NH3-N

如圖7—8所示，老盤江河道河流在豐水期、平水期和枯水期期間NH3-N的濃度在中下游段均屬于Ⅳ類水標準，污染物累積量大，水體水質(zhì)較差。在經(jīng)過污水處理廠的處理后，豐水期的方案一和方案二的NH3-N的濃度全流域低于1.0mg/L，符合Ⅲ類水標準，在中上游段處于Ⅱ類水的水平；平水期的方案一、二的NH3-N的濃度基本處于Ⅲ類水水平，方案二在里程為17000m時略微超過1.0mg/L，在下游段為Ⅳ類水平；枯水期的方案一和方案二的NH3-N的濃度在從上游到中下游段處于Ⅲ類水類別，由于枯水期流量較小，水位較低，老盤江河流流速較小，污染物降解較慢，同時下游段地表徑流等面源污染的輸入，使枯水期的老盤江流域的氨氮濃度超標為Ⅳ類水標準。通過上述對比可知，方案二的污水排放方式在中上游段的處理效果優(yōu)于方案一。但在下游段，方案一的效果卻優(yōu)于方案二。

圖7 豐水期NH3-N濃度沿程分布

圖8 枯水期NH3-N濃度沿程分布

(2)TN

如圖9—10所示，工業(yè)污水，生活污水等污水經(jīng)過污水處理廠的處理后，自河道里程5000m到約10000m之間，豐水期和平水期方案一、方案二的TN濃度基本在1.0mg/L下，為Ⅲ類水標準；枯水期方案二在河道里程為7500m時，為Ⅳ類水水質(zhì)。但是在河道里程在10000m以后的中下游，由于人口密集，存在工業(yè)區(qū)、城市化、農(nóng)業(yè)活動等人類活動，可能導致水體受到大量的廢水排放、工業(yè)排放、農(nóng)藥和化肥的流失的污染，造成水質(zhì)惡化。不同汛期的不同工況的TN濃度均為劣Ⅴ類水平，老盤江中下游水體受到嚴重污染。通過對比可知，在地表徑流等外源污染輸入量過大的情況下，方案一與方案二的污水排放處理效果在TN濃度的處理上差別不大。

圖9 豐水期TN濃度沿程變化

圖10 枯水期TN濃度沿程變化

(3)TP

基于原始河道生態(tài)背景的不同汛期下工況下TP的濃度對比圖如圖11—12所示，枯水期、平水期、豐水期的方案一、二下TP的濃度基本滿足Ⅲ類水水質(zhì)，老盤江河段的TP水質(zhì)不超標，處理效果理想。通過上述3圖對比可知，方案一的污水排放方式效果在TP濃度的處理上優(yōu)于方案二。

圖11 豐水期TP濃度沿程變化

圖12 枯水期TP濃度沿程變化

(4)COD

基于老盤江水系水質(zhì)背景值的豐水期、平水期和枯水期工況的COD模擬結果如圖13—14所示，老盤江河道水系的化學需氧量COD濃度在中下游段下降幅度較大，從Ⅳ類水水準降至Ⅲ類水的水平。不同汛期的方案一與方案二的COD濃度均處于Ⅲ類水水平，部分工況在下游段的COD濃度甚至處于Ⅱ類水標準。中下游河道受到COD的污染影響較小。通過上述2圖對比可知，方案一的污水排放方式效果在COD濃度的處理上優(yōu)于方案二。

圖13 豐水期COD濃度沿程變化

圖14 枯水期COD濃度沿程變化

綜上所述，由4種污染物沿程變化可知，方案一在整個河段任意一點處與原來的污染物濃度相比均降低，均起到了改善水質(zhì)的效果。將方案一與方案二進行對比，可以發(fā)現(xiàn)方案一的污染物曲線均比方案二的污染物曲線更為平緩。雖然方案二在9000～16250m處河段污染物的濃度更低，相比較而言更有優(yōu)勢，但與方案一的差值并不大，方案一在此河道雖然污染物濃度偏大一些，但是影響不大。對比在5500m處，方案二反而使河流水體污染更嚴重，方案一有一定的優(yōu)勢。另外，考慮到施工難度及處理效率，方案一均是就近收集污水，相對比較方便，工程量??；而方案二是3個集中的污水處理廠，需要建立管道進行污水的運輸，并且老盤江流域本就存在收集范圍大且各個點量小的情況，對于后續(xù)的施工十分不方便。綜合考慮，方案一更為穩(wěn)定和經(jīng)濟，建議選擇方案一作為最終的優(yōu)化方案。

4 水道水質(zhì)的主要影響因子討論與引水措施效果評估

4.1 影響整治水道水質(zhì)的主要因子診斷分析

根據(jù)老盤江水質(zhì)監(jiān)測成果，參考GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》對老盤江水質(zhì)進行水質(zhì)評價。結果發(fā)現(xiàn)COD在老盤江中樞段(中游)和老盤江板橋段(上游)分別為28.9、30mg/L，屬于Ⅳ類水，但下游老盤江三岔河段的COD則屬于Ⅰ類水。同樣，BOD5(五日生化需氧量)在老盤江的上游、中游也屬于Ⅳ類水，在下游屬于Ⅰ類水?？梢?，COD與BOD5在老盤江上游、中游污染物含量較高，是老盤江河道的主要污染因子。COD和BOD5濃度超標的原因可能是由于城市、工業(yè)或農(nóng)業(yè)活動等人類活動所導致的污染物排放。這些污染物在河道的上游和中游逐漸累積，導致COD和BOD5濃度超標。然而，當這些污染物向下游流動時，它們可能會被自然界中的生物和物理過程處理掉，從而使COD和BOD5濃度下降。自然過程中，微生物會利用水體中的有機物進行代謝，同時物理過程如曝氣、沉淀、過濾等也有利于去除這些污染因子。而氨氮在老盤江上游、中游和下游的測量值為0.088、0.216、1.366mg/L，分別對應Ⅰ類水、Ⅱ類水和Ⅳ類水。氨氮濃度自上游到下游逐漸增大，是影響整治水道水質(zhì)的主要因子。人類活動是造成河道氨氮濃度升高的主要原因之一。農(nóng)業(yè)活動，如施肥、養(yǎng)殖等，以及城市生活和工業(yè)活動中的廢水排放，可能導致氨氮濃度增加。老盤江河道的高錳酸鉀指數(shù)和總磷的濃度均在Ⅰ類水，不屬于河道主要的污染因子。同時，老盤江水質(zhì)監(jiān)測成果中的重金屬以及氰化物、揮發(fā)酚、石油類和硫化物都符合標準。因此，根據(jù)老盤江水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，影響老盤江整治水道水質(zhì)的主要因子為COD、BOD5和氨氮。

4.2 河道水質(zhì)改善引水工程方案水動力、水質(zhì)改善效果模擬評估

采用水動力、水質(zhì)濃度改善率指標評價不同方案對盤江水系和老盤江截污排污方案對的水動力水質(zhì)改善效果。

水質(zhì)濃度改善率：

(1)

式中，R—水動力/水質(zhì)濃度改善率；C0i—第i種水動力/水質(zhì)指標引水前的濃度；Cai—第i種水動力/水質(zhì)指標引水后的濃度；i—參于評估的水動力/水質(zhì)指標數(shù)量。R值反映引水前后水動力/水質(zhì)濃度改善的程度，正值為水動力/水質(zhì)濃度降低，負值為水動力/水質(zhì)濃度升高。

基于圖1所示的河系地形、水文測量資料，構建陸良河系水動力-水質(zhì)-生態(tài)耦合模型，模擬研究采用引水工程改善盤江水系水動力和水質(zhì)情況。選用枯水期對方案進行模擬，引水閘門設置在新盤江上游，引水規(guī)模為10m3/s。

4.2.1水動力分析

枯水期引水后，流速變化見表7。

表7 引水前后流速對照表

由表7可知，在引水后流速變化明顯，有了很大的改善。新盤江的流速改善率52.3%；老盤江的流速改善率52.3%；其中，杜公河的流速改善率最高，值為108%；閻芳河的流速改善率最低，僅為9.0%；

4.2.2水質(zhì)分析

經(jīng)過上述方案一的排污截污方案處理，并根據(jù)污水處理廠的排放標準，處理后排放的COD濃度取30mg/L，NH3-N濃度取5mg/L，TN濃度取15mg/L，TP濃度取0.5mg/L。引水工程開始后，假定引水的水質(zhì)為二類水，對應的TN、TP、氨氮濃度和COD分別為0.5、0.1、0.33、20mg/L。對枯水期引水前后的河道水質(zhì)分布變化情況進行模擬研究，老盤江引水前后水質(zhì)變化如圖15—18所示。

圖15 枯水期NH3-N引水前后濃度沿程變化

圖16 枯水期TN引水前后濃度沿程變化

圖17 枯水期TP引水前后濃度沿程變化

圖18 枯水期COD引水前后濃度沿程變化

由圖可知，與原方案相比引水后的老盤江的污染物濃度(總磷、氨氮和總氮)有明顯的改善。根據(jù)模擬統(tǒng)計結果，河系引水工程實施后水質(zhì)變化情況和改善率見表8。

表8 枯水期引水后水質(zhì)變化情況及其比較

由表可知，在引水后水質(zhì)變化明顯，有了很大的改善。引水的主干道新盤江的效果最好，新盤江的氨氮、總氮、總磷和COD改善率分別為42.4%、44.6%、27.9%和24.9%；老盤江的總磷改善率為28.4%，為引水后改善率最高的指標；白中河的氨氮改善率為25.5%，為引水后改善率最高的指標；魏白河的水質(zhì)改善率也較高，其氨氮、總氮、總磷和COD改善率分別為38.3%、38.8%、25.6%和13.9%；閻芳河、杜公河的水質(zhì)改善率效果較低，但也有一定的改善。

5 結語

本研究利用Mike11模型構建老盤江水流-水質(zhì)耦合模型，針對沿岸污水處理排放情況進行河流水質(zhì)影響模擬分析研究，最終確定了入河排污排放處理優(yōu)化方案。

本優(yōu)化方案水環(huán)境整治效果更好，且在經(jīng)濟與施工、操作方面更具優(yōu)勢。本排污處理方案的實施將提升老盤江生態(tài)環(huán)境，保障河道水質(zhì)，促進水生態(tài)系統(tǒng)恢復，極大改善城鄉(xiāng)風貌。

后續(xù)研究將在河道綜合整治新地形及其生態(tài)結構的基礎上，建立考慮雨、匯流-面源污染情況下的老盤江河系結構-水質(zhì)-生態(tài)耦合數(shù)字孿生數(shù)值模型，針對河道排污對水環(huán)境影響過程和機制進行更深入、更細致的研究。