閩江下游感潮河段城市排污規劃對飲用水源水質影響研究*

石成春

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閩江下游感潮河段城市排污規劃對飲用水源水質影響研究*

石成春

福州市環境科學研究院

以閩江下游福州城區感潮河段為研究區間，分析了福州城市取水、排污布局規劃和水源地水質情況，采用二維水動力～水質耦合模型預測了閩江下游南北港枯水期城市排污規劃對水源地水質的影響。結果表明，城市排污布局和強度對閩江下游福州段南北港水質影響總體可接受，各排污口附近約有4hm2的水域超過《地表水環境質量》（GB3838-2002）Ⅲ類標準；閩江口潮汐作用導致洋里和連坂排污口附近形成高濃度污染團，在東南水廠～馬尾水廠備用水源地之間回蕩，并隨著潮汐作用逐漸向下游逐漸緩慢輸移；感潮河段排污存在明顯的污染物上溯現象，北港排污上溯的影響距離接近西北區水廠水源地二級保護區邊緣；洋里和連坂排污口對東南區水廠水源地水質影響最為顯著，枯水期高潮時刻氨氮增量將達約0.15mg/L，疊加環境本底值后超過Ⅲ類水質標的概率大于90%，建議優化調整閩江下游排污和取水口布局，逐步將取水口向城市上游淮安段轉移，更換取消東南區水廠取水口。

閩江感潮河段 排污 水源地 影響

閩江下游福州段屬于強潮汐河口感潮河段，穿越福州市中心區，承擔著福州市供水和納污功能，近年來閩江口河床下切嚴重，咸潮上溯加劇，受潮汐影響，污染物輸送、擴散條件下降，城市取水口和排污口交錯布局導致城區部分水源地出現水質超標現象。新一輪福州市城市總體規劃將進一步擴大城市規模，規劃至2020年城市人口將增加118萬，城市建設用地增加133km2，新增城市排污規模將進一步加劇飲用水源地污染[1]。本文以閩江下游福州段南北港感潮河段為研究區間，在分析城市給排水規劃和水環境質量現狀基礎上，采用二維水動力~水質耦合模型預測評價規劃排污方案對城市飲用水源地水質的影響，為城市排污口和取水口布局優化調整和給排水專項規劃提供環境決策依據。

1 閩江下游感潮河段流域概況

閩江是福建省最大的河流，主流全長541 km，流域面積60992 km2；在福州市境內流域面積8000多km2，長約117 km，主要支流有安仁溪、梅溪、大目溪、溪源溪、陶江、大樟溪、源里溪、井下溪、小目溪、下洞江等[2]。閩江下游流經閩清、白沙、竹岐、候官，至南臺島北端淮安處被分為南北港兩支流，南港俗稱烏龍江，北港俗稱閩江，閩江福州段水系分布見圖1。

圖1 閩江下游福州段水系分布圖

2 城市排污和水源布局規劃

2.1 排污口布局規劃

閩江福州段從空間結構上可劃分為6個獨立的規劃排污區，分別為甘蔗荊溪分區、江北舊城區、南臺島分區、上街南嶼分區、南通分區、青口尚干分區、馬尾快安分區，規劃共設置甘蔗、荊溪、祥坂、金山、洋里、連坂、快安、旗山、南通和青口等10個排污口（見表1），研究區間內現共有7座污水廠，處理污水量為59萬噸/天，至2020年規劃污水排放總量達150.5萬噸/日，尾水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中一級B標準，即CODCr≤ 60mg/L，氨氮≤8mg/L。

表1 城市規劃排污口布局和排污量一覽表（單位：萬噸/天）

2.2 水源地布局

閩江北港現分布有西北區水廠水源地、東南區水廠水源地和馬尾備用水源地3個，南港有城門水廠水源地和義序水廠水源，現狀取水規模約102萬噸/日，規劃新增金山水廠取水口，位于閩江南港旗山排污口對岸上游約1 km處。城區中西北區水廠水源地取水量最大，占閩江總取水量的71%，閩江福州城區段水源地和排污區交錯布局情況見圖2。

表2 規劃取水口和取水量一覽表（單位：萬噸/天）

注：本表僅統計城市中心區在閩江南北港的取水量，未考慮甘蔗荊溪、上街南嶼、南通、青口尚干等片區取水。

圖2 排污口及水源地保護區位置示意圖

3 水源地水質現狀分析

福州市區污染型工業已基本完成了向“南北兩翼”羅源灣和江陰工業區搬遷，水源地污染主要來源于城市、城郊生活排污。圖3表明，2006年~2010年福州市區飲用水源地水環境功能區達標率在97.5%~99.8%之間，水源地水質總體上趨于穩定，并保持在較好的水平，但北港的鰲峰洲和南港的城門水源地存在水質超標現象，鰲峰洲水源地2009年5月、12月氨氮超標，導致2009年集中式飲用水水源地水質達標率明顯下降；城門水源地糞大腸菌群偶爾出現超標現象[3]。

圖3 2006～2010年市區飲用水水源地水質達標率

水質調查結果表明（見圖4），西北區水源地位于閩江福州段城區上游，高錳酸鹽指數在2.5~3.0mg/L，氨氮穩定在0.2mg/L左右，水質可穩定達到《地表水環境質量標準》（GB3838- 2002）中Ⅱ類水質標準；城門水源地位于閩江南港，高錳酸鹽指數在3.7~4.7mg/L，氨氮在0.26~0.33mg/L之間，氨氮指標能達到GB3838-2002中Ⅱ類水質標準，高錳酸鹽指數處于Ⅱ~Ш類水質標準之間；東南區水源地位于閩江北港城區中部，受城市排污影響嚴重，水質相對最差，其高錳酸鹽指數在4.5~4.8mg/L，氨氮在0.74~1.26mg/L，氨氮指標平均值已經接近Ш類水質標準，甚至出現了超標現象。從水質變化趨勢分析，高錳酸鹽指數和氨氮指標月變化趨勢相對平穩，其中高錳酸鹽指數變化小于1mg/L，氨氮指標變化幅度小于0.2mg/L（剔除1月份超標數據）。因此，研究中采用逐月算術平均值作為環境本底值。

4 水環境預測模型建立

4.1 模型研究區域

模型研究區域為閩江下游竹歧~白巖潭段水域，計算水平面設置為羅星塔零點水位，水下地形采用2008年福建省港航局勘測中心相關調查資料。

4.2 水動力模型

4.2.1理論模型

理論模型采用二維正壓深度平均流動力模型，根據河道特征暫不考慮氣壓水平變化、風應力及側向摩擦，保留局部慣性項、平流項、水平壓強梯度力、柯氏力、底摩擦，二維垂向平均流水動力方程如下[4-5]：

采用右旋直角坐標系，面與平均海平面重疊，軸向上為正。、分別為方向和方向的垂向平均流速；為相對于面的水位，為瞬時水深，=+；為相對于平面的水深絕對值；為柯氏參數；為底摩擦系數；為重力加速度。初始條件為：=0時，===0；邊界條件為：對于開邊界水位，ζ=sin()；對于固體邊界，取流速法向分量為零，u=0。

4.2.2差分網格及方程離散化

采用直角坐標系下B型網格，網格步長=== 25m，=2秒。邊界條件：竹歧開邊界水位取實測水位，白巖潭邊界根據白巖潭8個主要分潮(KKMNOPQS)調和常數，確定其開邊界水位邊界條件。岸灘邊界的變化由計算格點水深來判別。

4.2.3模型驗證

水動力模型驗證資料采用《閩江下游南港航道整治工程可行性研究勘察工程水文泥沙測驗報告》提供的2008年2月23~24日水文測驗資料，取S-S以及文山里、騾洲、峽南、解放大橋共14個水位測站以及H、K、W共3個河流測站數據，觀測站位布設見圖5。主要測站模型計算值與觀測值驗證曲線見圖6。

圖5 水文測驗站位分布

潮位驗證曲線表明，無論潮水位過程還是高、低水位值和出現時間，計算與實測均符合良好，表明數值計算的位相比較準確。大部分潮流流速觀測值與計算值接近，潮流方向的模擬值與實測值也基本一致，表明計算的流速位相與實測值吻合良好，能夠模擬研究區間的河流潮汐運動特性。

4.3 水質模型

水質模型采用二維非恒定對流~擴散輸送模型，建立二維水動力~水質耦合模型預測排污方案對閩江感潮河段水質的影響，水質控制方程如下：

其中：為污染物濃度；，分別為方向和方向的全流，由水動力模型計算得到；為單位時間排入單位面積的污染源強；各污染物假設為保守物質；K、K為、方向的擴散系數；由于計算時間較短，保守起見暫不考慮污染物降解作用。邊界條件：

陳興偉、藍琳[5~7]等曾對閩江二維非恒定對流~擴散輸送模型水質預測精度進行率定驗證，誤差可控制在15%以內，K取15、K取0.3。本研究枯水期模擬計算采用2009年12月27～29日竹歧水文站和白巖潭站實測過程水位數據，污染源考慮規劃排污口的排污增量。

5 結果與討論

5.1 排污規劃對閩江水環境質量的影響

枯水期尾水正常和事故排放全潮情景下CODMn、氨氮濃度增量預測結果見圖7。規劃排污方案對閩江北港的水環境壓力明顯大于南港，特別是對北港東南區水廠~馬尾備用水廠取水口之間長約12km的水域污染較為嚴重，約有4hm2的水域超過《地表水環境質量標準》Ⅲ類水質標準，超標區域主要位于洋里排污口和連坂排污口附近水域，約占該段水域面積的0.7%。通過一個潮周期震蕩，洋里~快安排污口之間約3km水域的高錳酸鹽指數增量可達1.5mg/L以上，氨氮增量可達0.45mg/L以上，在排污量較大的洋里和連坂排污口附近形成污染物濃度高值區。若發生事故性排放，水質影響顯著加劇，超Ⅲ類水質標準的水域面積將達約19hm2，在閩江北港東南區水廠~馬尾備用水廠取水口形成高污染區，導致上述兩個水源地高錳酸鹽指數、氨氮等水質超標。此外，由于甘蔗排污口水域河道較淺，在排污區附近也出現了一個小范圍的濃度超標區，污染物進入主河道后衰減、擴散速率較快。規劃排污方案對閩江南港的水質影響相對較小，主要原因是南港規劃排污量相對較小，且近年來南北港分流比發生了較大的變化，南港水量增大，江面寬闊，有利于污染物的輸送和擴散；值得注意的是，本次計算暫將南通排污區設在文山洲濕地河岔內，污染物擴散條件較弱，因此存在高濃度超標區域，在項目環評中應進一步優化該排污口位置。

5.2 潮汐作用對污染物擴散的影響

閩江口屬強潮陸相河口，潮型為正規半日潮，每日潮汐有兩個周期，每個周期歷時約12小時50分，其中漲潮約5個小時，落潮7小時15分。閩江口潮區界和潮流界動力源于太平洋的潮波，原閩江下游潮流界只到洪山左橋，潮區界只到侯官河段。水口電站建成運行后，閩江下游天然來砂量銳減，加之河道無序采砂，導致了閩江下游河床嚴重下切，水位大幅度下迭，枯水期潮流界從洪山左橋向上延伸至閩侯鴻尾河段，潮區界從侯官河段向上延伸到閩清河段，整個閩江下游取水和排污河段均受河口潮汐控制[2,8]。

研究表明，枯水期高潮時刻，洋里、連坂排污口排放的污染物在漲潮流作用下向上游輸送、擴散，COD濃度增量大于1mg/L、氨氮濃度增量大于0.15mg/L的污染物上溯距離將達約3.3km。枯水期低潮時刻，污染物在上游來水和退潮引力作用下向閩江口輸送、擴散，相對漲潮時刻污染程度較輕，高污染濃度區間主要分布在洋里~快安排污口之間約3km的水域，COD濃度增量大于0.7mg/L、氨氮濃度增量大于0.08mg/L。根據高潮、低潮時刻和全潮的預測水動力~水質模擬計算結果，閩江口潮汐作用和河床下切不利于南北港的污染物輸送和擴散能力，在北港東南水廠~快安排污口之間形成隨漲落潮而移動的高污染團，經過一個潮周期震蕩，高濃度污染團中心逐漸向下游緩慢輸移，存在明顯的污染物上溯現象，最大上溯距離接近西北區水廠水源地二級保護區邊緣。

圖8 枯水期高潮、低潮時刻CODMn、氨氮濃度增量預測結果

5.3 對水源地水質影響

西北區水廠水源地位于北港上游河段，受潮汐影響相對較小，在計算水文條件下，祥坂、金山、洋里、連坂排污口的污染物上溯對其影響較小。東南區水廠水源地位于祥坂、金山排污口下游，洋里和連坂排污口上游，潮汐作用很大程度上降低了該河段的污染物擴散和輸送能力，高潮時刻高錳酸鹽指數增量將達1.0mg/L，氨氮增量將達約0.15mg/L，疊加環境本底值后高錳酸鹽指數已經接近Ⅲ類水質標準的限值，氨氮指標超標概率可達90%以上。在事故排放情況下，枯水期高潮時刻東南區水廠水源地附近高錳酸鹽指數最大增量可達3mg/L，氨氮可達到0.28mg/L，污染較為嚴重，需關閉水廠取水口。

6 結論與建議

1）福州市區南北港目前飲用水源地水質良好，規劃排污方案對閩江南北港水質影響總體上可以接受，在各排污口附近約4hm2局部水域水質超過《地表水環境質量標準》(GB3838 -2002）Ⅲ類標準。

2）潮汐作用不利于閩江下游福州城區段的污染物輸送和擴散能力，北港東南水廠~快安排污口之間形成隨漲落潮而移動的高污染團，經過一個潮周的震蕩，高濃度污染團中心向下游逐漸緩慢輸送，且存在明顯的污染物上溯現象，最大上溯距離接近西北區水廠水源地二級保護區邊緣。

3）潮汐作用導致洋里和連坂排污口對東南區水廠水源地產生明顯的污染，高潮時刻，高錳酸鹽指數增量將達1.0mg/L，氨氮增量將達約0.15mg/L，疊加本底值后高錳酸鹽指數已經接近Ⅲ類標準限值，氨氮指標超標概率達90%以上。

4）建議城市給水規劃應逐步優化調整排污和取水口布局，逐步將取水口向城市上游淮安段轉移，取消金山水廠取水口規劃，更換取消東南區水廠取水口，改由原厝水源地供水，近期東南區水廠應在光明港一支河水閘關閉且落潮后1~2h后取水；建議規劃遠期應調整青口取水口、福清峽南取水口、長樂炎山取水口、馬尾旺岐取水口，改由淮安取水口或大樟溪水源地取水。

[1] 福州市城鄉規劃局，中國城市規劃設計研究院．福州市城市總體規劃研究報告(2010～2020)[R]．2009.

[2] 劉修德. 福建省海灣數模與環境研究-閩江口[M]. 北京: 海軍出版社, 2009.

[3] 福州市環境保護局. 福州市環境質量公報（2006~2010）[M]. 2010.

[4] 梁志宏. 感潮河流復雜邊界水流水質動床數學模型的研究與應用[D]. 廣州: 暨南大學, 2006.

[5] 藍琳. 閩江下游北港河段污染物運動特性模擬與分析[J]. 環境科學與管理, 2008,33(12):52-56.

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福州市科技計劃項目2007-S-109，福州市城鄉規劃局資助項目（2010年）。