徐秀麗， 吳璐璐， 沈 優(yōu)， 崔冬梅

(1.江蘇省水文水資源勘測局泰州分局， 江蘇 泰州 225300； 2.淮安市水利勘測設計研究院有限公司， 江蘇 淮安 223005； 3.泰州市水資源管理處， 江蘇 泰州 225300)

入河排污口作為控制污染物入河的最后一道關口，在流域水資源保護管理工作中具有重要地位。因此，合理地布置入河排污口，綜合預測評估污水排放對周邊水功能區(qū)環(huán)境影響范圍，能夠有效保障生活、生產和生態(tài)用水安全，同時也兼顧了對生態(tài)資源的保護。

目前，國內外常采用數(shù)值模擬的方法來模擬流域內污染物的遷移轉化過程，從而歸納出污染物的時空分布規(guī)律，為流域水環(huán)境問題的治理提供參考依據(jù)。目前一般常用于地表水的水環(huán)境數(shù)值模型包括EFDC[1]、WASP[2]、MIKE[3]等，其中由丹麥水環(huán)境研究所建立的水環(huán)境模型系統(tǒng)MIKE有著強大的兼容性，其包含的二維非穩(wěn)態(tài)水質模型既能描述水質沿程變化，也能反映平面污染物擴散趨勢，因此被廣泛用于水環(huán)境影響預測[4]。李亞娟等[5]應用MIKE21建立了濕地植物的水質模塊,將植物的阻流、產氧、耗氧及微生物和植物吸收營養(yǎng)鹽過程參與計算中,耦合濕地水動力實現(xiàn)水質模擬；XIANG 等[6]通過MIKE21應用于特定平原水庫，以尋找最佳人工島參數(shù)，模擬的波高衰減結果與經驗預測值吻合良好。張宇航等[7]利用MIKE21軟件,基于水動力和水質模型耦合,采取不同策略的情景假設,對密云水庫總氮進行研究,提出最優(yōu)方案。

本文以江蘇泰州市姜堰區(qū)白米鎮(zhèn)污水處理廠排污口所在河網地區(qū)為例，應用MIKE21AD模塊分析了不同工況下擴建入河排污口對水環(huán)境的影響范圍和程度。同時對直接受納的曹紅喜河和尾水流經的中心河和白米河進行影響分析，以評估尾水按正常達標排放和事故排放對曹紅喜河、中心河和白米河的影響程度，為后期有針對性改善曹紅喜河、中心河和白米河水環(huán)境質量提供依據(jù)，以盡可能減小尾水排放對流經河道的影響。

1 區(qū)域概況

泰州市地處長江三角洲平原的北緣，西至揚州52 km，南距長江20 km，其所在的姜堰區(qū)位于蘇中平原南部，地面高程介于4.5～6.5 m之間，系長江沖積平原。姜堰區(qū)境內河網密布，河道縱橫交錯，水面面積176 km2，約占全區(qū)土地面積19%。通南地區(qū)東西向河道主要有通揚運河、周山河、生產河、南干河等，南北向河道主要有葛港河、中干河、西姜黃河、東姜黃河。揚運河、中心河、周山河；南北向主要河道有運糧河、孔莊河、勝利河、甸河、白米河、東姜黃河。白米鎮(zhèn)屬季風影響下的副熱帶濕潤性氣候，寒暑變化顯著，四季分明，雨量充沛，氣候溫和，無霜期長。常年平均氣溫14.9 ℃，年均降水量1 026.8 mm，年均蒸發(fā)量1 047.5 mm，平均相對濕度79%。

2 水動力數(shù)學模型

MIKE(AD) 模型的污染物對流擴散模塊能將二維水動力計算與污染物遷移計算相結合，可很好地反映污染物在河流中的運動規(guī)律。基于本次研究區(qū)域河道斷面較窄、流速較小的特征，考慮擴散作用的影響，本次選擇MIKE21 FM模型構建區(qū)域河網水環(huán)境數(shù)學模型。

MIKE21污染物對流擴散模塊控制方程由描述水流運動的N-S方程和描述污染物質對流擴散的對流擴散方程組成。其中，前者由水流連續(xù)性方程、沿水流方向(x方向)的動量方程和垂直水流方向(y方向)的動量方程組成。模型服從于Boussinesq假定和靜水壓力的假定。二維非恒定淺水方程組為

(1)

(2)

其中將式(2)進一步與式(3)建立等式：

(3)

除式(1)、(2)以外，還包括式(4)中的控制方程：

(4)

同樣進一步與式(5)建立等式：

(5)

式中：t為時間；x、y為笛卡爾坐標系；η為水面相對于未擾動水面的高度即通常所說的水位；h為總水深；u、v分別為流速在x、y方向上的分量；pa為當?shù)卮髿鈮?；ρ為水密度，?為參考水密度；f=2ωsinφg為科式力參數(shù)(其中ω為地球自轉角速率，φ為地理緯度；g為重力加速度；Sxx、Sxy、Syy分別為輻射應力分量；S為源匯項；(us，vs)為源匯項水流流速。字母上帶橫杠的是平均值，Tij為水平黏滯應力項，包括黏性力、紊流應力和水平對流，這些量是根據(jù)沿水深平均的速度梯度用渦流黏性方程得出的：

(6)

(7)

(8)

盡管如此，根據(jù)式(1)～(8)還無法求得其理論解，只能采用數(shù)值解方法求得近似解，本次采用有限體積法對其進行求解計算，細分為不重疊的單元，單元可以是任意形狀的多邊形，本次只考慮三角形單元。

3 模型建立和參數(shù)標定

3.1 模型預測因子

根據(jù)對新通揚運河姜堰白米農業(yè)用水區(qū)現(xiàn)狀主要污染物進行監(jiān)測分析，確定水質影響因子為CODcr和NH3-N。

3.2 模型概化

基于對研究區(qū)域內河網現(xiàn)狀情況的資料收集和調研，本次研究針對白米鎮(zhèn)擴建排污口建成后尾水主要受納水體進行河網概化。將主要的輸水河道納入計算范圍，共概化河道5條，主要包括曹紅喜河、中心河、白米河、新通揚運河及支流楊涵河，河道長度共計23.45 km。岸線及水下地形數(shù)據(jù)來自于白米鎮(zhèn)水系圖及河道斷面圖，計算域內節(jié)點數(shù)為3 478個，網格數(shù)為3 893個。

3.3 邊界條件設置

邊界條件是河網數(shù)學模型的主要約束條件，本模型考慮了2種邊界屬性，分別為外部邊界和內部邊界。外部邊界指控制計算區(qū)域內、外水體交換的約束條件；內部邊界指的是模型計算范圍內、以點源或面源形式給出的取、排水口和支流等。模型中共設置6個外部邊界和1個內部邊界，如圖1所示，采用新通揚運河、白米河、中心河、曹紅喜河上斷面作為4個上游邊界，新通揚運河、中心河下斷面作為2個下游邊界，白米鎮(zhèn)污水處理廠排污口作為一個單獨源匯項。

圖1 邊界分布示意

3.4 計算參數(shù)選取

本次模型搭建與率定選取入河污染物CODcr、NH3-N為河段污染物因子，選取2020年7月15日各邊界斷面4次流速測量的平均值作為實測流速，進行參數(shù)率定。模型采用曼寧糙率系數(shù)，取值20～37。時間計算步長根據(jù)模型網格大小、水深條件動態(tài)調整模型，使CFL數(shù)小于0.8，計算時間步長為1 min。 此外，本次模型中水平擴散系數(shù)取0.1 m2/s，且在綜合考慮相關文獻研究成果的基礎上進行參數(shù)率定，確認CODcr降解系數(shù)取0.12/d，NH3-N降解系數(shù)取0.10/d。

3.5 模型驗證

3.5.1 水動力計算驗證

本文利用河道實測流速來與模型計算結果進行對比驗證。 資料采用2020年7月15日的實測值，于8 h、11 h、14 h、17 h對各邊界斷面的流速進行測量，將實測流速平均值與模型計算值進行對比，驗證結果見表1。表中實際流速平均值與模型計算的流速平均值偏差絕對值小于20%，表明本文的MIKE21模型能夠滿足對水動力的計算精度。

表1 模型計算流速與實測值對比結果

3.5.2 水質計算驗證

針對研究范圍內現(xiàn)狀地表水水質污染以有機物污染為主的特點，以CODcr、NH3-N作為研究對象，模擬了區(qū)域河網內的CODcr、NH3-N質量濃度時空分布，并將其與布設的9個斷面實測資料進行驗證，詳見表2。從驗證的水質濃度偏差率可以看出，模擬計算值與實測值的偏差率小于20%，濃度變化趨勢也比較合理，表明利用MIKE21模型能夠滿足本次計算要求。

4 水質模擬預測與影響分析

4.1 尾水正常排放下污染物濃度分布模擬

在尾水達標排放情況下，分別對現(xiàn)狀和水功能區(qū)兩種邊界水質條件模擬研究區(qū)域污染物分布，邊界水文條件設定為河道設計水文條件，并假設沿途無其他污染物匯入。圖2為尾水正常排放下模擬CODcr質量濃度分布圖(現(xiàn)狀條件)。圖3尾水正常排放下模擬NH3-N質量濃度分布圖(現(xiàn)狀條件)。由圖可知在現(xiàn)狀水質邊界條件下，排污口下游至曹紅喜河與中心河交界處，水污染物質量濃度CODcr為24.63 mg/L，NH3-N為1.797 mg/L，評價為V類水；至中心河與白米河交界處，水污染物質量濃度為CODcr為19.43 mg/L，NH3-N為1.061 mg/L，評價為IV類水。至白米河與新通揚圖4運河交界處，水污染物質量濃度為CODcr為15.62 mg/L，NH3-N為0.640 mg/L，評價為III類水。

表2 水質濃度模型計算流速與實測值對比結果

圖2 尾水正常排放下模擬CODcr質量濃度分布(現(xiàn)狀條件)

圖3 尾水正常排放下模擬NH3-N質量濃度分布(現(xiàn)狀條件)

為尾水正常排放下模擬CODcr質量濃度分布圖(水功能區(qū)條件)。圖5尾水正常排放下模擬NH3-N質量濃度分布圖(水功能區(qū)條件)。由圖可知，在水功能區(qū)水質邊界條件下，排污口下游至曹紅喜河與中心河交界處，水污染物質量濃度CODcr為24.61 mg/L，NH3-N為1.797 mg/L，評價為V類水；至中心河與白米河交界處，水污染物質量濃度為CODcr為19.70 mg/L，NH3-N為1.087 mg/L，評價為IV類水；至白米河與新通揚運河交界處，水污染物質量濃度為CODcr為19.35 mg/L，NH3-N為1.006 mg/L，評價為IV類水。

圖4 尾水正常排放下模擬CODcr質量濃度分布(水功能區(qū)條件)

圖5 尾水正常排放下模擬NH3-N質量濃度分布(水功能區(qū)條件)

4.2 尾水事故排放下污染物濃度分布模擬

為模擬尾水事故排放情況下污染物質量濃度分布情況，設置1 h、6 h、12 h、24 h 4種響應時間，分別對現(xiàn)狀和水功能區(qū)2種邊界水質條件模擬研究區(qū)域污染物分布，邊界水文條件設定為河道設計水文條件，并假設沿途無其他污染物匯入。為節(jié)約篇幅，本文只將模擬排放24 h的污染物分布情況進行分析。圖6為尾水事故排放下模擬24 h CODcr質量濃度分布圖(現(xiàn)狀條件)。圖7為尾水事故排放下模擬24 h NH3-N質量濃度分布圖(現(xiàn)狀條件)。如圖所示，現(xiàn)狀水質邊界條件下事故排放24 h后恢復正常排放，排污口下游至曹紅喜河與中心河交界處，水污染物最大質量濃度CODcr為89.12 mg/L，NH3-N為10.522 mg/L，評價為劣V類水；至中心河與白米河交界處，水污染物最大質量濃度為CODcr為27.88 mg/L，NH3-N為2.339 mg/L，評價為劣V類水；至白米河與新通揚運河交界處，水污染物最大質量濃度為CODcr為17.69 mg/L，NH3-N為1.006 mg/L，評價為IV類水。

圖6 尾水事故排放下模擬CODcr質量濃度分布(現(xiàn)狀條件)

圖7 尾水事故排放下模擬NH3-N質量濃度分布(現(xiàn)狀條件)

圖8為尾水事故排放下模擬24 h CODcr質量濃度分布圖(水功能區(qū)條件)。圖9為尾水事故排放下模擬24 h NH3-N質量濃度分布圖(水功能區(qū)條件)。由圖可知，在水功能區(qū)水質邊界條件下，事故排放24 h后恢復正常排放，排污口下游至曹紅喜河與中心河交界處，水污染物最大質量濃度CODcr為89.12 mg/L，NH3-N為10.523 mg/L，評價為劣V類水；至中心河與白米河交界處，水污染物最大質量濃度為CODcr為28.14 mg/L，NH3-N為2.365 mg/L，評價為劣V類水；至白米河與新通揚運河交界處，水污染物最大質量濃度為CODcr為21.42 mg/L，NH3-N為1.346mg/L，評價為IV類水。

圖8 尾水事故排放下模擬CODcr質量濃度分布(水功能區(qū)條件)

圖9 尾水事故排放下模擬NH3-N質量濃度分布(水功能區(qū)條件)

5 結 論

MIKE21FM模型能夠較好地模擬尾水水力、水質的運動和遷移情況。在尾水正常排放工況中，現(xiàn)狀水質邊界條件下，排污口尾水排放下游曹紅喜河全段水質由IV類降為V類，中心河、白米河水質仍為IV類，朱樓橋國考斷面、新通姜堰白米農業(yè)用水區(qū)末端處水質仍為III類。功能區(qū)水質邊界條件下，排污口尾水排放處水質由IV類降為劣V類，曹紅喜河水質由IV類降為劣V類，中心河、白米河水質仍為IV類，朱樓橋國考斷面、新通姜堰白米農業(yè)用水區(qū)末端處水質仍為III類。

在尾水事故排放情況下，根據(jù)現(xiàn)狀水質條件設置邊界得到朱樓橋國考斷面處水質評價為III類水，新通揚運河姜堰白米農業(yè)用水區(qū)末端處水質評價為III類水。而根據(jù)水功能區(qū)水質條件設置邊界得到朱樓橋國考斷面處水質評價為III類水，新通揚運河姜堰白米農業(yè)用水區(qū)末端處水質評價為III類水。