水質模型在入河排污口設置技術中的應用

劉祥棟 ，李吉學 ，王立萍 ，焦 慶

（1.山東省水文水資源勘測局，山東 濟南250014；2.濟寧水文水資源勘測局 ，山東 濟寧 272019）

1 問題的提出

開展排污口設置及環境影響的技術研究是為更好的保護水資源，改善水環境，促進水資源可持續利用提供技術支撐。也是貫徹落實水利部22號令《入河排污口監督管理辦法》和水利部水資源〔2005〕79號文《關于加強入河排污口監督管理工作的通知》精神的重要體現。要按照水功能區的需求確定保護目標，再核定水域納污能力，提出限制排污總量的意見，管理入河排污口，逐步使水域達標。

以王樓礦井項目區為例，利用丹麥DHI公司的水環境數值模擬軟件MIKE11建立了模擬河段的水流水質數值模擬系統，開展排污口設置及環境影響的技術研究。為各級水行政主管部門審批入河排污口設置方案以及建設單位合理設置入河排污口提供科學依據。

2 水質模型 （MIKE11）的建立

水質模型提供一種預測自然過程和人類活動對河流水庫系統中水的物理特性、化學特性和生物特性影響的手段，廣泛應用于評價來自廢水處理的廢水負荷的影響。或者來自其它各種點源和非點源污染物負荷的影響。

通過深入分析研究區域水文氣象、自然地理、河道和水流特性以及水污染的特點，應用DHI公司的水環境數值模擬軟件MIKE11來建立模擬河段的一維水流水質數值模擬系統。結合實測河道大斷面資料、2004年和2005年實測水文、水質數據。應用模型參數自動優選方法率定水動力模型和水質模型的參數值，進行模型的率定和驗證工作。

2.1 建立模型

目前，在世界上處理地表水問題的專業軟件中，Mike11是最受歡迎的一個河流模擬系統。它是DHI20多年經驗與開發的結晶。以求解圣維南方程組作為理論基礎，并帶有對流擴散，水質生態，泥沙傳輸，降雨徑流，洪水預報，實時操作及潰壩模擬等多種模塊。主要用于河口、河流、灌溉系統和其他內陸水域的水文學、水力學、水質和泥沙傳輸模擬，在防汛洪水預報、水資源、水量、水質管理、水利工程規劃設計論證等方面均可得到廣泛應用。

2.1.1 水動力模型

水動力模型所用的描述一維非恒定水流運動規律的基本方程為圣維南方程組，其數學表達式為：

式中：Q為流量；A為斷面面積；q為旁側入流；h為水深；C為謝才阻力系數；R為水力半徑；α為動量系數，一般取值為1。

糙率n也是水流數學模型中唯一需要確定的參數，它主要反應了水流、泥沙、河道特性等多種因素的綜合阻力作用。

2.1.2 水質模擬

描述物質在水體中輸運的一維非恒定流對流擴散基本方程為：

式中：C為模擬水質指標濃度；D為擴散系數；Q為流量；A為斷面面積；K為綜合衰減系數；C2為源匯項濃度；q為旁側入流。

水質方程中需要確定的參數有兩個：擴散系數D和綜合衰減系數K。擴散系數是反應河流縱向混合特性的重要參數，它主要受水流條件、斷面特征及河道形態等因素的影響。污染物綜合衰減系數是對污染物在水體中物理、化學和生化反應過程的一個綜合描述，包括了河道自凈、沉降、吸附等復雜的反應過程。

2.2 水流水質模擬模型計算單元概化和模型輸入

一維水流、水質基本方程加上實際河流的邊界情況，即構成了研究河段的數值模擬系統。對于此次研究的洙趙新河梁山閘以下至南陽湖入口河段，總長度為24km，考慮到在入湖口上游500m處建有劉官屯控制閘，人為調控著洙趙新河與南陽湖的水流連通關系，建立的一維水流水質數值模擬模型的模擬范圍為梁山閘下至劉官屯閘位置，總模擬河段長23.5km。利用收集到的26個實測大斷面資料，對模擬河段進行水下地形的數值概化，河道縱向空間計算步長為500m；采用有限差分法，對水流、水質基本方程進行離散求解。

上邊界：采用梁山閘處實測水質數據和梁山閘下泄流量。

下邊界：水質下邊界設定與劉官屯閘運用情e況有關。劉官屯閘關閉時，流量為0，水質濃度處理為劉官屯閘開啟時，采用南陽湖南陽站水位作為邊界條件，受南陽湖水位頂托作用，水流為雙向流e動，當水從洙趙新河流向南陽湖時，水質濃度處理為；當水從南陽湖流向洙趙新河時，將進入模擬河段的物質量加入到下邊界計算斷面上，水質濃度處理為C=Cbf+（Cout-Cbf）e-tmix， 式中，Cbf為南陽湖進入洙趙新河的入流濃度，Cout為流向改變前洙趙新河的出流濃度，tmix為流向改變時間。

3 模型參數率定與驗證

3.1 模型參數率定

使用2005年3月1日至11月30日實測水流資料和實測水質資料進行模型參數的率定。

通過模型試算，對實測數據和模型中的計算值進行對比分析，來率定水質模型中的參數，使兩者擬合最好（見圖1～4）。通過參數率定，最終確定整個模擬河段內糙率取值為n=0.028。擴散系數 D=525m2/s，BOD5綜合衰減系數K=0.003/h，CODCr綜合衰減系數 K=0.0082/h。

3.2 模型驗證

驗證計算是模型應用前必須做的工作，它是驗證模型可用性的重要環節。利用率定好的水流、水質模型參數，進行2004年水流、水質的數值模擬，并對比分析模型計算值與實測值。圖2為梁山閘下實測水位與模型計算水位的對比圖，模型計算值較好的擬合了實測值，水流模型參數取值比較合理，建立的一維水流模型可以應用于預測計算。結合模型率定成果和驗證情況，在現有資料基礎上，可以認為水質模型的參數取值還是比較合理，可以應用于水質預測計算。

圖1 2005年梁山閘下實測水位與計算水位對比圖

圖2 2004年梁山閘下實測水位與計算水位對比圖

圖3 2005年洙趙新河入湖口實測BOD5與計算值對比圖

圖4 2005年洙趙新河入湖口實測CODcr與計算值對比圖

4 水功能區水質數學模擬分析

4.1 水質預測設定條件

預測河段上邊界來水流量受梁山閘調度控制，采用梁山閘1980～2005年26年實測資料進行頻率計算，求得頻率90%的枯水年放水量3535萬m3，并選用最不利典型年1989年的泄流過程。

分別按洙趙新河現狀水質條件下和規劃水質條件下的水質，進行預測分析，現狀水質采用2004年和2005年實測水質的平均值，規劃水質為地表水Ⅲ類水質標準限值。

4.2 水質預測方法

考慮南水北調工程要求，分為調水期11月～翌年5月和汛期6～10月兩個水期。預測河段受梁山閘和劉官屯閘兩個節制閘運用的影響，為受人控制河道，閘門調度使用對該河段水量影響較大。

在頻率90%枯水年中11月、12月和3月出現了上游梁山閘關閉沒有下泄水量的情況，同時考慮到冬季1～2月份存在的河道封冰情況，對調水期間11月～翌年3月采用完全混合水質模型來進行水質預測計算，從偏安全角度出發，不考慮污染物降解作用。

調水期4～5月份，頻率90%枯水年中梁山閘有少量放水，同時存在農業灌溉用水，模擬河段呈現一定流動狀態，采用一維非恒定流水質模型進行水質預測計算。

汛期6～10月劉官屯閘開啟泄洪放水，洙趙新河與南陽湖連通，一維流動特征比較明顯，采用一維非恒定流水質模型進行水質預測計算。

排污條件：排污口作為源項處理，考慮排污口布設在 距 離 入 湖 口 1km、2km、3km、5km、10km、15km 和20km7種情況；廢污水為連續均勻排放，排放濃度考慮經處理后正常排放濃度和異常未處理污水濃度兩種情況。

4.3 計算工況

根據南水北調工程要求，水質預測計算中分為調水期和汛期兩個水期。按照采用的水質預測計算方法不同，將調水期分為11月～翌年3月、4～5月兩個時期。在不同計算水期水質預測中，分別考慮河道本底水質為現狀水質和規劃水質兩種狀態，排污口布設在距離入湖口 1、2、3、5、10、15、20km 位置，排污水平為正常排放和事故排放兩種情況，水質預測計算工況組合見表1，共有58種計算工況。

表1 水質預測計算工況組合表

4.4 預測結果及分析

根據上述58種計算工況下，王樓礦井入河排污口設置從不同水期模擬計算結果分析，排污口設置后對洙趙新河水質沒有明顯的影響。在正常排污條件下，污染物濃度貢獻率BOD5為0.03mg/L左右，CODcr為0.06mg/L左右。在上游來水符合功能區地表水Ⅲ類水質目標時，在正常排污和事故排污條件下，洙趙新河CODcr和BOD5濃度值均不超過Ⅲ類水標準值，對洙趙新河水功能區（水域）水質、生態環境和第三者權益不會造成影響。

5 結 語

水污染防治是一項復雜的系統工程，涉及面廣，治理難度大，為確保南水北調東線工程水質達到Ⅲ類水標準，必須加強入河排污口的監督管理。要通過法律、行政、經濟、技術和工程等綜合措施，實施以節水為本，清潔生產，治污為先，配套截污導流、污水資源化和流域綜合整治工程，形成“治理、截流、導流、回用、整治”一體化的治污工程體系，實現污水資源化。

通過首次對排污口設置及環境影響的技術研究解決了南四湖湖西河道長期由于地形復雜，無法率定參數，建立水流水質模型的難題。解決了投資2.635億元、設計年生產能力45萬t的王樓礦井入河排污口設置的難題，既滿足了生產急需，又保護了南四湖的水環境，并促進當地經濟與社會發展，為山東省排污口設置管理提供了科學的技術方法，促進了入河排污口設置的規范化管理，為水資源的可持續利用提供了科學依據。

[1]建設項目水資源論證導則〔S〕.北京：中國水利水電出版社，2005.

[2]張炎齋,黃永生,賴曉珍等.蚌埠市楊臺子污水處理廠排污口論證報告〔R〕.安徽省蚌埠:淮河水資源保護科學研究所,2004.