肖 洵，逄 勇，2，劉一童，胥瑞晨

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098；2. 河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，南京 210098)

1 引 言

盡管目前長江流域水資源開發(fā)利用程度還不高，總體水質(zhì)尚可，但也面臨著水污染的嚴峻挑戰(zhàn)[1]。水利部下達給長江流域的“三條紅線”管理目標中規(guī)定長江流域水功能區(qū)水質(zhì)達標率2020年應(yīng)達到87%[2]。隨著長江流域水資源和水能資源開發(fā)利用程度不斷提高，生態(tài)環(huán)境保護的壓力進一步增大。為實現(xiàn)流域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，必須加強對入河排污總量控制監(jiān)督[3]。在滿足水功能區(qū)(或水域)保護要求的前提下，分析論證入河排污口設(shè)置對水功能區(qū)、水生態(tài)和第三者權(quán)益的影響，提出水資源保護措施，優(yōu)化入河排污口設(shè)置方案是必不可少的[4]。

水質(zhì)數(shù)學(xué)模型描述了污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化，用于研究水體的污染、自凈過程并進行水質(zhì)的模擬預(yù)測，是水體污染防治以及水環(huán)境管理的重要工具。水質(zhì)數(shù)學(xué)模型建立在水動力模型的基礎(chǔ)上。排污口設(shè)置論證一般采用一維水質(zhì)模型和完全混合模型進行水環(huán)境影響預(yù)測，但是由于長江感潮河段的特殊性，其污染物影響預(yù)測應(yīng)考慮到潮流、潮波的影響。故本文采用二維非穩(wěn)態(tài)水質(zhì)水動力模型，以濱江污水處理廠排污口設(shè)置為例,考慮最不利情況以及感潮河段潮流、潮波的影響，對泰興濱江排污口設(shè)置方案進行分析論證，優(yōu)化排污口設(shè)置，從而盡量降低污染物排放對長江水環(huán)境的影響。

2 研究方法

水動力模型的建立是進行污染預(yù)測的根基。流動動力學(xué)模型可以分為一維、二維以及三維模型。一維模型主要用于大流域情形下繁雜河網(wǎng)的數(shù)值模擬[5]，二維模型主要適用于可以忽略成層作用的湖泊、河流、河口等的數(shù)值模擬[6]。三維模型用于模擬復(fù)雜流體動力條件下沉積物的狀態(tài)。本文主要是河流污染物擴散的模擬，因此本文采用二維非穩(wěn)態(tài)水質(zhì)水動力模型,對排污口對第三方的影響進行預(yù)測分析[7-8]。

2.1 水動力模型基本方程

笛卡爾坐標系下二維水動力控制方程是不可壓流體三維雷諾Navier-Stokes平均方程沿水深方向積分的連續(xù)方程和動量方程，可用如下方程表示[9]：

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

橫向應(yīng)力Tij包括粘滯阻力、紊流摩擦阻力和差動平流摩擦阻力，可用垂向流速平均的渦粘方程來計算：

(4)

2.2 水質(zhì)模型基本方程

水質(zhì)方程是以質(zhì)量平衡方程為基礎(chǔ)的。采用垂向平均的二維水質(zhì)模型。二維水質(zhì)輸移方程為：

(5)

式中：Ci—污染物濃度；U、V—x、y方向上的流速分量；Ex、Ey—x、y方向上的擴散系數(shù)；Ki—污染物降解系數(shù)；Si—污染物底泥釋放項。

3 泰興市濱江污水處理廠情況及排污口方案設(shè)置

3.1 泰興市濱江污水處理廠概況

泰興濱江污水廠為已建項目，廠址位于長江泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)旁[10]。泰興市濱江污水處理廠的污水主要來源于泰興城區(qū)(主要是濱江鎮(zhèn))生活用水，排水規(guī)模為11萬t/d，經(jīng)中水回用后實際外排量合計9.5萬t/d。

3.2 周邊敏感目標

根據(jù)對評價區(qū)域的調(diào)查及現(xiàn)場實地查勘，確定研究水域內(nèi)水環(huán)境保護目標共2個，分別為上游的濱江水廠工業(yè)用水取水口和下游的蘆壩港斷面(蘆壩港斷面位于長江泰興天星洲保留區(qū)與長江泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)交界處)。水環(huán)境保護目標位置示意圖見圖1，保護目標基本情況見表1。

表1 論證范圍內(nèi)水保護目標基本情況統(tǒng)計表Tab.1 Statistical of basic situation of water protection targets within the argumentation scope

圖1 研究區(qū)域水功能區(qū)劃及敏感目標位置分布Fig.1 Water function zoning and location map of sensitive targets in the study area

3.3 排污口方案設(shè)置

為保障污水進入長江前達到GB3838-2002《地表水質(zhì)量標準》Ⅳ類水質(zhì)標準，濱江污水處理廠項目方擬建一處生態(tài)濕地，擬建排污口通過地埋式管道接入沿江大道東側(cè)的人工濕地處理后尾水達到地表水Ⅳ類水質(zhì)標準后由內(nèi)河再進入長江泰興工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)。考慮到濱江污水處理廠位置以及與沿江大道交叉的河道有洋思港、新段港和友聯(lián)中溝3個，為了盡量降低污染物排放對長江的影響，故擬設(shè)置以下3個排污口建設(shè)方案進行分析比選：方案一，污水處理廠尾水經(jīng)地埋式管道在洋思港與沿江大道交匯處排入沿江大道東側(cè)人工濕地處理后排入新段港和友聯(lián)中溝；方案二，污水處理廠尾水經(jīng)地埋式管道在新段港與沿江大道交匯處排入沿江大道東側(cè)人工濕地處理后排入新段港和友聯(lián)中溝；方案三，污水處理廠尾水經(jīng)地埋式管道在友聯(lián)中溝與沿江大道交匯處排入沿江大道東側(cè)人工濕地處理后排入新段港和友聯(lián)中溝。

排污口方案設(shè)置、生態(tài)濕地位置詳見圖2。

4 水環(huán)境數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

4.1 模型計算區(qū)域及計算條件

本次擬構(gòu)建長江(馬鞍山-堡鎮(zhèn)段)二維非穩(wěn)態(tài)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型。模型的水下高程利用南京-堡鎮(zhèn)長江實際地形圖(CAD總體平面圖)、馬鞍山-南京航道地形圖的地形數(shù)據(jù)。

圖2 泰興濱江污水廠排污口設(shè)置方案比選Fig.2 Comparison and selection of sewage outlet setting scheme of Taixing Binjiang wastewater treatment plant

模型計算時間步長為△t=300s，計算總時長為30d。

根據(jù)水文年鑒中2013年12月大通逐日平均流量資料作為上邊界。水文年鑒中2013年12月堡鎮(zhèn)站、靈甸港站水位資料作為下邊界。以Ⅱ類水作為長江水質(zhì)邊界。初始水位取水位年鑒資料平均水位，為2.5m。起始時刻流速設(shè)為0。

在模型計算時，將模型劃分三角形網(wǎng)格，模型計算范圍見圖3。

圖3 模型計算范圍Fig.3 Model calculation range chart

4.2 模型率定驗證

工程考慮最不利枯水期條件下，選取2013年12月21～31日在南京站、鎮(zhèn)江站2個水文站監(jiān)測資料，對模型水動力進行率定。根據(jù)率定得到長江河道主槽糙率高度的取值范圍定為0.010～0.02；風拖曳系數(shù)為0.001～0.001 5；各水文站的水位計算結(jié)果與實測值對比結(jié)果見圖4、圖5。

選取2013年12月21～31日在營船港站、崇西閘站2個水文站監(jiān)測資料，對模型水動力進行驗證，水文站的水位計算結(jié)果與實測值對比結(jié)果見圖6、圖7。模型計算結(jié)果的水位絕對誤差最大為19cm，因此本次所建模型能夠較好的適用于計算區(qū)域的水動力模擬。排污口周圍漲急、落急流速計算結(jié)果圖見圖8、圖9。

圖4 南京站計算值與實測值對比Fig.4 Comparison of calculated and measured values of Nanjing Hydrological Station

圖5 鎮(zhèn)江站計算值與實測值對比Fig.5 Comparison of calculated and measured values of Zhenjiang Hydrological Station

圖6 營船港站計算值與實測值對比Fig.6 Comparison of calculated and measured values of Yinchuangang Hydrological Station

圖7 崇西閘站計算值與實測值對比Fig.7 Comparison of calculated and measured values of Chongxizha Hydrological Station

圖8 尾水入江處局部流場(漲急)Fig.8 Partial flow field map of tail water into the river under the time when the speed of the rising tide reaches its maximum

圖9 尾水入江處局部流場(落急)Fig.9 Partial flow field map of tail water into the river under the time when the ebb tide speed reaches its maximum

4.3 模型計算方案

考慮泰興市濱江污水處理有限公司經(jīng)中水回用后實際外排污水量合計9.5萬 t/d。排水通道分別有新段港以及友聯(lián)中溝2處，故模型按不同入江通道進行水量分配，考慮最不利情況，對污水處理廠正常排放工況和事故排放工況進行水環(huán)境影響預(yù)測[11]。

(1)預(yù)測因子

根據(jù)水污染物排放識別的變化情況及納污水體水質(zhì)控制因子[12]，確定污水廠正常排放時，水環(huán)境影響預(yù)測因子為：COD、氨氮、總磷。

(2)設(shè)計水文、水質(zhì)條件

結(jié)合現(xiàn)有對長江口潮汐特征[13]，取90%水文保證率作為計算的邊界水文條件[14]。取長江水功能區(qū)邊界水質(zhì)Ⅱ類水質(zhì)濃度作為邊界水質(zhì)條件[9]。

(3)預(yù)測方案

工況1、工況2：本項目正常運行。污水處理廠尾水借助新段港入江4萬t/d，借助友聯(lián)中溝入江5.5萬t/d。污水廠出水按照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)》一級A標準外排，經(jīng)過濕地凈化后水質(zhì)可達《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)準Ⅳ類水，排入長江。模型計算時，排入長江的COD、氨氮、總磷濃度分別為30、1.5、0.3mg/L?？紤]最不利情況，工況1、工況2分別預(yù)測在上述條件下污染物于漲急、落急時刻釋放情況。

工況3、工況4：本項目正常運行。污水處理廠尾水9.5萬t/d全部借助新段港入江通道排放。污水廠出水按照一級A標準外排，經(jīng)過濕地凈化后水質(zhì)可達地表水準Ⅳ類水，排入長江。此工況下污水入江處距離泰州市三水廠取水口距離最近，漲急釋放時刻下為正常排放對蘆壩港斷面的最不利情形。模型計算時，排入長江的COD、氨氮、總磷濃度分別為30、1.5、0.3mg/L。考慮最不利情況，工況3、工況4分別預(yù)測在上述條件下污染物于漲急、落急時刻釋放情況。

工況5、工況6：本項目正常運行。污水處理廠尾水9.5萬t/d全部借助友聯(lián)中溝河道入江。污水廠出水按照一級A標準外排，經(jīng)過濕地凈化后水質(zhì)可達地表水準Ⅳ類水，排入長江。此工況下污水入江處距離蘆壩港斷面距離最近，落急釋放時刻下為正常排放對蘆壩港斷面的最不利情形。模型計算時，排入長江的COD、氨氮、總磷濃度分別為30、1.5、0.3mg/L。考慮最不利情況，工況5、工況6分別預(yù)測在上述條件下污染物于漲急、落急時刻釋放情況。

工況7：污水廠及濕地凈化裝置事故運行。模型考慮最不利情況，全部尾水9.5萬t/d借助新段港河道入江，入江尾水即為污水廠接管廢水，COD、氨氮、總磷濃度分別為500、35、5mg/L?？紤]最不利情況，工況7預(yù)測在上述條件下污染物于漲急時刻釋放情況。

工況8：污水廠及濕地凈化裝置事故運行。模型考慮最不利情況，全部尾水9.5萬t/d全部借助友聯(lián)中溝河道入江，入江尾水即為污水廠接管廢水，COD、氨氮、總磷濃度分別為500、35、5mg/L。考慮最不利情況，工況8預(yù)測在上述條件下污染物于落急時刻釋放情況。

預(yù)測方案及源強信息見表2。

表2 預(yù)測方案及源強信息表Tab.2 Prediction schemes and source intensity informations

4.4 對功能區(qū)水質(zhì)及第三方影響分析

依據(jù)各方案設(shè)計條件，入江后COD、氨氮、總磷濃度影響預(yù)測結(jié)果見圖10～圖17。

根據(jù)上述模型預(yù)測結(jié)果，各方案下污水廠正常排放以及事故排放入江后中各污染物的水質(zhì)增量預(yù)測見表3，疊加本底值后濃度表見表4。長江現(xiàn)狀本底值參考2015年1月29日至2015年1月31日連續(xù)3天的監(jiān)測值：COD濃度<10mg/L、氨氮濃度為0.3 mg/L、總磷濃度為0.086 mg/L。

表3 本次排污口項目正常排放對敏感目標水質(zhì)預(yù)測濃度增量表Tab.3 The increase of the predicted concentration of sensitive targets under the normal discharge of sewage outlet (mg/L)

表4 本次排污口項目正常排放對敏感目標水質(zhì)預(yù)測濃度表Tab.4 The predicted concentration of sensitive targets’s water quality under the normal discharge of sewage outlet (mg/L)

圖10 工況1 COD、氨氮、總磷預(yù)測結(jié)果Fig.10 COD, ammonia nitrogen and total phosphorus prediction results under working condition 1

圖11 工況2 COD、氨氮、總磷預(yù)測結(jié)果Fig.11 COD, ammonia nitrogen and total phosphorus prediction results under working condition 2

圖12 工況3 COD、氨氮、總磷預(yù)測結(jié)果Fig.12 COD, ammonia nitrogen and total phosphorus prediction results under working condition 3

圖13 工況4 COD、氨氮、總磷預(yù)測結(jié)果Fig.13 COD, ammonia nitrogen and total phosphorus prediction results under working condition 4

圖14 工況5 COD、氨氮、總磷預(yù)測結(jié)果Fig.14 COD, ammonia nitrogen and total phosphorus prediction results under working condition 5

圖15 工況6 COD、氨氮、總磷預(yù)測結(jié)果Fig.15 COD, ammonia nitrogen and total phosphorus prediction results under working condition 6

圖16 工況7 COD、氨氮、總磷預(yù)測結(jié)果Fig.16 COD, ammonia nitrogen and total phosphorus prediction results under working condition 7

圖17 工況8 COD、氨氮、總磷預(yù)測結(jié)果Fig.17 COD, ammonia nitrogen and total phosphorus prediction results under working condition 8

根據(jù)計算結(jié)果，由表3、表4以及圖10～圖17，正常排放對上下游敏感目標影響分析如下：

(1)對濱江水廠工業(yè)取水口影響分析

泰州濱江水廠工業(yè)取水口位于精細化工園區(qū)西側(cè)，距新段港尾水入江口上游約100m處。由表4，正常排放情況對泰州濱江水廠工業(yè)取水口影響較小。漲急條件下，通過新段港排水水量較大時，是最不利條件。此時，濱江水廠工業(yè)取水口最大氨氮濃度增量達0.16 mg/L，與長江取水口處本底監(jiān)測值疊加后仍符合(GB3838-2002)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅱ類水要求。同時濱江水廠為工業(yè)用水取水口，疊加后水質(zhì)變化不影響正常取用。

(2)對蘆壩港斷面影響分析

蘆壩港斷面位于友聯(lián)中溝入江口下游900m處，依據(jù)長江水功能區(qū)劃水質(zhì)要求，蘆壩港斷面為Ⅱ類水質(zhì)要求。由表4可知，正常排放落急時刻，通過友聯(lián)中溝排水，蘆壩港考核斷面濃度氨氮最大濃度增量達0.13 mg/L，與本底值疊加后仍可達到功能區(qū)Ⅱ類水質(zhì)。因此本項目尾水正常排放時蘆壩港斷面水質(zhì)影響較小。

由此表明，正常排放時，上游泰州濱江水廠工業(yè)取水口、下游蘆壩港斷面水質(zhì)能保持在Ⅱ類水范圍內(nèi)。

由表3、表4以及圖14～圖15可知，事故排放時，泰州濱江水廠工業(yè)取水口與蘆壩港斷面水質(zhì)局部超Ⅱ類水。特別是下游蘆壩港斷面，無論是從哪個入江通道入河均會受到影響。因此，為避免對長江局部水環(huán)境產(chǎn)生不良影響，應(yīng)做好安全防范措施，杜絕污染事故的發(fā)生[15]。

對比方案一(工況一、二)、方案二(工況二、三)以及方案三(工況三、四)在漲潮、落潮情況下的污染物擴散情況可知，漲潮情況下污染物通過新段港排出時(工況三)對上游敏感目標影響最大，落潮情況下污染物通過友聯(lián)中溝排出時(工況六)對下游敏感目標影響最大。通過對比可知，方案一(工況一、二)的尾水分別通過新段港以及友聯(lián)中溝排出時，對上游以及下游的敏感目標影響較小，為推薦方案。

5 結(jié) 論

本文以泰興濱江污水處理廠入河排污口設(shè)置為例，分析了長江感潮河段，8種工況下排污口尾水排放對長江的影響。由第4節(jié)可知，泰興濱江水廠工業(yè)取水口位于新段港上游約100m，排口下游水功能區(qū)(長江泰興天星洲保留區(qū))的起始斷面位于友聯(lián)中溝下游900m。由上節(jié)預(yù)測可知，泰興濱江水廠工業(yè)取水口、蘆壩港斷面位于正常排放預(yù)測混合區(qū)之外，該取水口以及斷面水質(zhì)不受本項目正常尾水排放的影響，仍能保持現(xiàn)狀。事故排放時，泰州濱江水廠工業(yè)取水口與蘆壩港斷面水質(zhì)局部超過Ⅱ類水水質(zhì)，對于下游蘆壩港斷面，無論尾水是從哪個入江通道入河，長江水質(zhì)均會受到影響。因此，應(yīng)做好風險防范措施，制定好應(yīng)急預(yù)案，嚴格杜絕事故的發(fā)生。通過方案比選，可以看出通過新段港、友聯(lián)中溝兩個入河通道入河(工況一、二)對上游以及下游的敏感目標影響較小，是推薦的最佳方案。研究成果可為長江感潮河段環(huán)境風險預(yù)測分析與評價提供依據(jù)，亦對優(yōu)化排污口設(shè)置起到參考借鑒作用。