楊 麗，范楊臻，閆偉偉，解凌飛

（1.湖北省水利水電科學(xué)研究院 湖北省水利水電科技推廣中心，武漢 430070；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，武漢 430064）

0 引言

開展水污染綜合防治和水環(huán)境規(guī)劃管理是目前河湖水環(huán)境治理亟需解決的重要任務(wù)，而采用水動(dòng)力-水質(zhì)數(shù)值模型進(jìn)行模擬是開展這類任務(wù)的重要依據(jù)[1，2]。目前水動(dòng)力-水質(zhì)模型的研究及應(yīng)用已經(jīng)涉及廣泛的水污染控制的實(shí)際問題。

水動(dòng)力水質(zhì)模型已應(yīng)用于排污口布設(shè)、污染物遷移過程、水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)等河湖水環(huán)境保護(hù)的各個(gè)方面。李娜等[3]采用MKE21模擬了上游污染物排放對(duì)城市取水口的影響時(shí)間和影響程度；黃瑞等[4]采用二維水動(dòng)力模型對(duì)長江溢油事故進(jìn)行了數(shù)值模擬預(yù)測(cè)；黃燕等[5]采用二維水質(zhì)模型模擬了不同排污口位置對(duì)河道水質(zhì)的影響；鮑自力等[6]采用二維水質(zhì)模型，計(jì)算多個(gè)排污口對(duì)長江馬鞍山段水質(zhì)的影響。 本文采用二維水動(dòng)力水質(zhì)模型（MIKE21），以黃石市大冶工業(yè)廢水收集處理系統(tǒng)入江排污口為例，對(duì)污水處理廠在正常排污工況和事故排污工況兩種情形下污染物在長江中的輸移過程進(jìn)行量化預(yù)測(cè)，為區(qū)域水污染防治和水污染綜合防治提供參考。

1 研究區(qū)域概況

論證排污口位于黃石市棋盤州，四大家魚保護(hù)區(qū)下游50 m 處，牯牛洲洲尾下游約1.3 km 處，韋源河口下游約2.4 km 處，新港排污口上游約7.6 km處。二維模型計(jì)算上邊界為韋源河河口，下邊界為陽新縣黃顙口鎮(zhèn)長江取水口，全長17.5 km，項(xiàng)目分析論證范圍示意圖見圖1。區(qū)域水功能區(qū)劃情況：排污口上游為長江黃石開發(fā)利用區(qū)（二級(jí)水功能區(qū)為長江黃石西塞山飲用水源、工業(yè)用水區(qū)），水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅲ類；排污口所在區(qū)域?yàn)殚L江黃石～陽新保留區(qū)（右岸），水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅲ類。

本文主要對(duì)大冶市工業(yè)廢水收集處理系統(tǒng)近期規(guī)模3.25 萬m3/d 進(jìn)行論證。黃石市汪仁污水處理廠、河西污水處理廠、大冶有色金屬有限公司和大冶市工業(yè)廢水收集處理系統(tǒng)排江尾水共用一個(gè)排污口排入長江。

2 計(jì)算方案及模型構(gòu)建

采用MIKE21水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)值模型預(yù)測(cè)排污口在設(shè)計(jì)水文條件下不同入河污水排放方案對(duì)長江水質(zhì)的影響范圍。根據(jù)該排污口的污染物排放特征，結(jié)合環(huán)境影響評(píng)價(jià)相關(guān)指標(biāo)，選取COD、NH3-N作為評(píng)價(jià)因子分析評(píng)價(jià)。

2.1 計(jì)算方案

通常情況下，枯水季節(jié)是天然河道中污染物擴(kuò)散最不利的時(shí)期，河流的水質(zhì)問題一般出現(xiàn)在枯水期?？紤]到長江水文特征及三峽水庫的建成運(yùn)行，本文選用三峽水庫開始運(yùn)行后最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)流量，計(jì)算在正常工況和非正常工況下污水處理廠尾水排江對(duì)長江水質(zhì)的影響范圍。

2.2 二維水動(dòng)力水質(zhì)模型

污染物輸移模擬是建立在水動(dòng)力模擬成果的基礎(chǔ)上，本文的水動(dòng)力模擬基于Navier-Stokes 方程，由連續(xù)性方程和動(dòng)量方程組成；污染物的輸移模擬基于對(duì)流擴(kuò)散方程。

2.2.1 二維水動(dòng)力方程

式中：u、v分別為x、y方向的流速速度，m/s；z為水位，m；h為水深，m；f為科氏力系數(shù)，f=2Ωsinθ，其中Ω為地球旋轉(zhuǎn)的角頻率；θ為當(dāng)?shù)鼐暥?；γt為紊動(dòng)黏性系數(shù)，m2/s。

2.2.2 二維對(duì)流擴(kuò)散方程

式中：Ci水體中污染物的濃度（mg/L）；Kx、Ky分別為污染物在x、y方向上的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；kd污染物的降解系數(shù)，1/s；Sm為排放負(fù)荷量。

2.3 模型構(gòu)建

2.3.1 計(jì)算范圍

黃石市大冶工業(yè)廢水入江排污口主要對(duì)長江黃石、武穴保留區(qū)水質(zhì)可能產(chǎn)生影響，考慮到該排污口上游還有支流韋源河入江，且下游約7.6 km處有黃石新港物流園區(qū)污水處理廠入河排污口。因此，二維模型計(jì)算上邊界為韋源河河口，下邊界為陽新縣黃顙口鎮(zhèn)長江取水口，全長17.5 km。

2.3.2 計(jì)算網(wǎng)格

綜合考慮排污口所處河段的河道河勢(shì)、可能影響的范圍及水文資料等因素，依據(jù)長江干流的水下地形，對(duì)計(jì)算范圍內(nèi)河段采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行剖分。其中，排污口上游1 km，下游5 km 河段的三角形網(wǎng)格面積控制在100 m2內(nèi)，其余部分三角形網(wǎng)格面積控制在1500～10 000 m2范圍內(nèi)，共產(chǎn)生43 458個(gè)三角形網(wǎng)格（見圖2）。

2.3.3 模型初始邊界條件及參數(shù)率定

上游邊界條件選用2003 年三峽水庫運(yùn)行以來近10 年最枯月平均流量8582 m3/s 作為設(shè)計(jì)流量，下游水位邊界采用黃石水位站對(duì)應(yīng)水位，按比降推算為8.180 m，COD、NH3-N 背景濃度分別取排污河段長江水質(zhì)監(jiān)測(cè)值10.00、0.17 mg/L。

模型中的主要參數(shù)參考相關(guān)報(bào)告和文獻(xiàn)中的取值，并通過率定對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。模型率定采用2016年11月3～4日排污口上游500 m至下游1500 m 的實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，模型率定成果見表1。由表1 可知，模型實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的誤差均在可接受范圍內(nèi)，表明模型選擇的計(jì)算參數(shù)較為合理。通過實(shí)測(cè)值對(duì)模型率定，最終確定模型糙率取值范圍為0.018～0.030，COD、NH3-N 降解系數(shù)分別為0.18、0.12 d-1，水平擴(kuò)散系數(shù)與水平渦粘度相關(guān)聯(lián)，擴(kuò)散系數(shù)隨流場(chǎng)的變化而改變。

表1 流速與污染物濃度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比表

3 模擬成果與分析

3.1 組合工況

結(jié)合污水處理廠的排污特性，按照正常排污和非正常排污兩種工況進(jìn)行計(jì)算。

（1）正常排污工況是指污水處理廠正常運(yùn)行，排污口尾水滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，COD、NH3-N排放濃度分別為50、5 mg/L。

（2）非正常排污工況是指污水處理廠設(shè)施發(fā)生故障，不能正常處理污水，排污口尾水濃度為污水處理廠接管濃度。在實(shí)際情況中，雖然該類事件發(fā)生的概率極小，但存在可能性。當(dāng)污水處理廠設(shè)施發(fā)生故障，業(yè)主應(yīng)啟用應(yīng)急預(yù)案，污水應(yīng)進(jìn)入應(yīng)急池，并通知用水企業(yè)停產(chǎn)，迅速組織搶修，待污水處理設(shè)施恢復(fù)正常后，處理達(dá)標(biāo)后再排放，防止發(fā)生非正常排污工況。非正常排污工況COD、NH3-N排放濃度分別按202.23、35.91 mg/L計(jì)算。

排污口上游有支流韋源河匯入，且下游7.6 km有黃石新港污水處理廠退水，因此，尾水排江需要考慮疊加排污的影響。韋源河排江負(fù)荷采用韋源河河口水質(zhì)監(jiān)測(cè)成果，流量為13.29 m3/s，COD、NH3-N濃度分別為30.00、0.65 mg/L。汪仁、河西、大冶市工業(yè)廢水收集處理系統(tǒng)和大冶有色金屬有限公司排江尾水共用一個(gè)排污口排入長江，排放形式為岸邊排放，規(guī)劃近期排污量分別為6 萬t/d、3 萬t/d、3.25萬t/d、0.5萬t/d，故本排污口規(guī)劃近期排污量為12.75 萬t/d，即1.476 m3/s；黃石新港規(guī)劃近期排污量為2萬t/d，即0.231 m3/s。根據(jù)上述污染源的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及排污方案的組合，各計(jì)算工況參數(shù)見表2。

表2 各計(jì)算工況參數(shù)表

3.2 模擬成果

不同排污工況COD 和NH3-N 的擴(kuò)散情況見圖3～圖6和表3。由圖3～圖6和表3可知：

表3 COD和NH3-N影響范圍統(tǒng)計(jì)表

（1）正常排污工況。COD在排污口下游1 864.7 m×124.1 m處摻混均勻，河道恢復(fù)背景濃度；NH3-N在下游1 934.7 m×324.1 m處摻混均勻，河道恢復(fù)背景濃度，未形成明顯的污染物帶。

（2）非正常排污工況。COD 在排污口下游

4 759.7 m×515.9 m處摻混均勻，河道恢復(fù)背景濃度；NH3-N在下游6 386.9 m×619.2 m處摻混均勻，河道恢復(fù)背景濃度。

3.3 排污口對(duì)水功能區(qū)水質(zhì)影響分析

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）規(guī)定的不同水質(zhì)的濃度限值，排污口在正常排污和非正常排污兩種工況下排污的影響范圍見表3。

排污口所在水功能區(qū)為長江黃石、武穴保留區(qū)，水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅲ類。結(jié)合圖3～圖6及表3，在正常排污工況下，排污口下游未形成超過Ⅲ類水質(zhì)的污染帶，對(duì)水功能區(qū)水質(zhì)無明顯影響。在非正常排污工況下，COD在排污口附近形成53.6 m×33.7 m的超Ⅲ類水污染帶，在排污口下游184.9 m×62.3 m處恢復(fù)Ⅲ類水質(zhì)；NH3-N 在排污口附近形成249.5 m×41.2 m 的超Ⅲ類水污染帶，在排污口下游374.1 m×69.4 m 處恢復(fù)Ⅲ類水質(zhì)。非正常工況下對(duì)下游河道水質(zhì)有一定影響，但未顯著改變水功能區(qū)水質(zhì)。

3.4 排污口對(duì)下游取水戶的影響分析

排污口下游14.9 km 有黃顙口鎮(zhèn)長江取水口。經(jīng)模擬計(jì)算，本排污口雖然基本不會(huì)對(duì)下游取水口造成影響，但當(dāng)發(fā)生非正常排污時(shí)，應(yīng)將下游黃顙口鎮(zhèn)長江取水口作為重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象，加強(qiáng)取水口附近水域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

本文通過建立二維水動(dòng)力水質(zhì)模型，對(duì)黃石市大冶工業(yè)廢水收集處理系統(tǒng)入江排污口正常排污工況和非正常排污工況開展模擬計(jì)算，分析了污染物對(duì)該區(qū)域水環(huán)境的影響程度。在正常排污工況下，本排污口對(duì)區(qū)域水質(zhì)無明顯影響；在非正常排污工況下，排污口對(duì)下游河道水質(zhì)有一定影響，但未顯著改變水功能區(qū)水質(zhì)。