杜娟娟

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

近年來，隨著污水處理廠的不斷興建，水環(huán)境狀況得到了較大的改善，但隨之而來的尾水排放問題，又不同程度的加重了對河道或內(nèi)河的水環(huán)境的污染。因此，入河排污口的污染物排放及尾水出路問題的研究十分迫切。

本文以湖北省江陵縣產(chǎn)業(yè)園區(qū)污水處理廠為例，在對擬建排污口附近水域水環(huán)境分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合項(xiàng)目所在水功能區(qū)河道的水文、水生態(tài)等要求，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對擬建污水處理廠排污口對河道水環(huán)境的影響進(jìn)行了預(yù)測模擬，并對排污口設(shè)置的合理性進(jìn)行了分析。以期對入河排污口的管理、水資源的可持續(xù)利用、環(huán)境保護(hù)與區(qū)域發(fā)展的協(xié)調(diào)提供科學(xué)的依據(jù)。

1 預(yù)測范圍

擬建排污口所處河段水功能區(qū)為長江流域水功能區(qū)一級區(qū)劃中的長江荊州保留區(qū)，全長82.50km，水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅱ類。綜合考慮擬建工程可能影響范圍、河段河勢及水文站點(diǎn)等因素，計(jì)算河段范圍確定為：進(jìn)口斷面位于污水排放口上游0.75km處，出口斷面位于污水排放口下游3.65km處，采用曲線正交網(wǎng)格，共計(jì)1800個(gè)(網(wǎng)格劃分見圖1)。

圖1 網(wǎng)格劃分圖

2 預(yù)測分析方法

根據(jù)長江荊州保留區(qū)水質(zhì)管理目標(biāo)和水生態(tài)保護(hù)要求，結(jié)合產(chǎn)業(yè)園主要規(guī)劃產(chǎn)業(yè)類型排放物，本文選取COD、BOD5、NH3-N為主要的評價(jià)指標(biāo)。采用平面二維水量和水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計(jì)算設(shè)計(jì)水文條件下入河廢污水的影響范圍以及影響程度，分析現(xiàn)狀水平年污水處理廠正常排放和事故排放兩種工況下，尾水排放對所在河段水功能區(qū)及水生態(tài)環(huán)境的影響。

3 污水處理廠概況

3.1 區(qū)域概況

江陵縣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)污水處理廠擬建入河排污口位于湖北省江陵縣，產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃以能源石化、輕工、冶金機(jī)電、建材、食品加工產(chǎn)業(yè)為主，輔以物流倉儲產(chǎn)業(yè)，規(guī)劃面積23.31km2。全縣多年平均降水量1106.70mm，汛期集中在4—9月。年平均日照時(shí)數(shù)1907h，年平均氣溫16.20℃，極端值最高39.20℃，最低-19℃，無霜期246～262天。該縣多年平均地表水資源量為4.23億m3，多年平均水資源總量4.86億m3，人均水資源量1188m3，畝均水資源量309m3。

3.2 數(shù)據(jù)資料

3.2.1 水文條件

排污口位于長江江陵段，取本河段近期15年(2001—2016年)最枯月(2月)平均流量為設(shè)計(jì)流量。統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：2001—2016年2月平均流量為5270m3/s，故本次計(jì)算的設(shè)計(jì)流量取5270m3/s。根據(jù)近期實(shí)測資料，規(guī)劃排污口斷面相應(yīng)水位為26.50m，斷面平均水深10.10m。

3.2.2 評價(jià)指標(biāo)

排污口所在區(qū)段為長江荊州保留區(qū)，其水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅱ類，根據(jù)水功能區(qū)管理目標(biāo)和要求，結(jié)合產(chǎn)業(yè)園主要規(guī)劃產(chǎn)業(yè)，選取COD、BOD5、NH3-N作為評價(jià)指標(biāo)，按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅱ類水的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

3.2.3 背景濃度

采用湖北省水環(huán)境監(jiān)測中心荊州分中心觀音寺站現(xiàn)狀水平年2月枯水期水質(zhì)監(jiān)測成果來確定背景濃度，其中，COD<10.00mg/L，BOD5<2.00mg/L，NH3-N=0.07mg/L，因此，本次背景濃度COD取10.00mg/L，BOD5取2.00mg/L，NH3-N取0.07mg/L。

3.2.4 排污濃度

該污水處理廠出水水質(zhì)執(zhí)行國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。COD、BOD5、NH3-N的排放濃度分別為50mg/L、10mg/L、5mg/L。

計(jì)算中，產(chǎn)業(yè)園污水處理廠廢污水排放考慮正常排放和非正常排放(事故排放)兩種工況。正常排放工況下，產(chǎn)業(yè)園污水處理廠的污水處理后達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級A排放標(biāo)準(zhǔn)；非正常排放工況下，考慮污水處理廠出現(xiàn)異常情況，污水處理效率極低或基本未處理，COD、BOD5、NH3-N的排放濃度分別為500mg/L、200mg/L、45mg/L。

4 二維水質(zhì)水量模型及參數(shù)率定

4.1 二維模型

水量模型是基于二維邊界層紊流方程組得到的，其在水平方向上采用的是曲線正交坐標(biāo)變換，在垂直方向上采用的是sigma坐標(biāo)變換，主要方程如下：

(1)

(2)

(3)

式中：u和v分別為曲線正交坐標(biāo)x和y方向上的水平速度分量,m/s；mx和my為坐標(biāo)變換因子,m=mxmy；H=h+ζ為總水深，h為河底高程，ζ為水位,m；p為壓強(qiáng),N/m2；f為Coriolis系數(shù),s-1；Qu和Qv為動量源匯項(xiàng),kg·m/s。

水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程為

(4)

式中：C為水質(zhì)濃度，mg/L或g/m3；t為時(shí)間，d；Ux、Uy為縱向、橫向的流速，m/d；Ex、Ey為縱向、橫向的擴(kuò)散系數(shù)，m2/d；SL為點(diǎn)源和非點(diǎn)源負(fù)荷，g/(m3·d)；SB為邊界負(fù)荷率，g/(m3·d)；SK為動力轉(zhuǎn)換項(xiàng)，g/(m3·d)。

4.2 參數(shù)率定

計(jì)算中涉及的主要參數(shù)有河床糙率、紊動黏性系數(shù)、復(fù)氧系數(shù)、BOD衰減速度常數(shù)、COD降解系數(shù)、硝化速度常數(shù)等。采用人工調(diào)試與最優(yōu)化估值的方法來率定水質(zhì)水量參數(shù)，并將出口斷面流速的模擬值與實(shí)測值進(jìn)行比較，見圖2。由圖2可知，模擬值與實(shí)測值較為吻合，符合模擬的要求，證明該模型可用于接下來的預(yù)測分析當(dāng)中。

圖2 流速模擬值與實(shí)測值對比圖

5 預(yù)測結(jié)果

5.1 正常排放工況影響預(yù)測

規(guī)劃排污口設(shè)置后，項(xiàng)目正常排放工況下，由于污染物排放濃度較低，未形成超標(biāo)污染帶，僅會對下游水域水質(zhì)產(chǎn)生一定的濃度增量影響，因此采用濃度增量來統(tǒng)計(jì)正常排放工況下尾水排放的影響范圍，COD、BOD5、NH3-N的濃度增量分別設(shè)為1.00mg/L、0.20mg/L、0.05mg/L。

現(xiàn)狀水平年，排污口附近COD的濃度增量為1.00mg/L的縱向范圍影響約26.50m，橫向影響范圍約2.50m；BOD5的濃度增量為0.20mg/L的縱向影響范圍約22.60m，橫向影響范圍約3.20m；NH3-N的濃度增量為0.05mg/L的縱向影響范圍約62.50m，橫向影響范圍約9.20m。

5.2 非正常排放工況影響預(yù)測

規(guī)劃排污口設(shè)置后，項(xiàng)目事故排放工況下，由于事故排放量較大，部分指標(biāo)會在排放口下游部分水域超過Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)上限值，形成污染帶(污染帶范圍見表1)，在排污口下游0.50km處，基本達(dá)到天然水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 事故排放工況下超標(biāo)污染帶范圍

6 預(yù)測結(jié)果對水功能區(qū)水質(zhì)的影響分析

通過平面二維水流水質(zhì)模型分析計(jì)算可知：正常排放條件下，廢污水進(jìn)入長江后，與長江來流迅速混合，各項(xiàng)指標(biāo)濃度急劇的下降，基本未形成污染帶；非正常排放條件下，影響長度范圍較正常排放大，現(xiàn)狀水平年排放影響范圍區(qū)域污染物濃度大于Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值的最大范圍約為323.9m(縱向)×14.3m(橫向)。該排污口的設(shè)置對下游水質(zhì)影響范圍有限，影響范圍主要為河段左岸的排污口附近水域。

7 結(jié) 論

綜上所述，污水處理廠排污口設(shè)置后，不會改變長江荊州保留區(qū)水質(zhì)管理目標(biāo)，也不會對相鄰功能區(qū)產(chǎn)生影響。但非正常排放情況下，仍會對局部水域生態(tài)系統(tǒng)造成一定的影響，因此，應(yīng)切實(shí)加強(qiáng)污水處理廠運(yùn)行管理，保證污水處理工程運(yùn)行率達(dá)100%，避免非正常排放現(xiàn)象的發(fā)生。