肇慶高新區東排渠補水量初探

楊倩何磊喻懷義郭濤

（1廣州市環境保護科學研究院 廣東廣州 510620 2廣東工貿職業技術學院 廣東廣州 510510）

1 前言

1.1 肇慶高新區發展狀況

肇慶國家高新技術產業開發區（以下簡稱“高新區”）設立于1998年，2010年9月，經國務院批準成功升級為國家級高新區。“十一五”期間，高新區實現從省級產業園區到國家級高新區的升級轉型，園區經濟實力不斷增強，切實建設有效的污染治理設施、提高水體自凈能力、做好環境管理工作十分必要。

1.2 高新區納污水體狀況

高新區處于東面北江與南面綏江交匯處，區內河網水系包括區內唯一一條河流獨水河，以及人工建造的北主排渠、北二支排渠、東排渠、長岸排渠等，均是自北呈放射狀流向轄區南端，注入北江和綏江匯合處，其中東排渠是高新區內最主要的納污水體。

目前，東排渠水質僅為劣Ⅴ類，COD和氨氮是主要污染物，水質較差的主要原因是：①區內污水集中處理系統建設相對滯后，污水管網不能正常運行，長期的生活污水、工業、農業等污水缺乏集中有效的處理。②北江正常水位較低，江水不能自然流入區內排渠，加上龍湖水庫庫容近年縮減明顯，水量不足，導致區內排渠常年處于少水或無水狀態，排渠水環境容量小，水體自凈功能下降。

1.3 高新區未來排污格局

根據高新區總體規劃，區內農業產值比例將逐步下降，農業源污染將大大將少，隨著人口和經濟的發展，工業和生活污染產生隨之增長，因此工業源和生活源是高新區水污染主要來源。到2020年，高新區擬建成南北污水處理系統，主要收集處理全區工業與生活污水，主要以將軍大街為界，南部第一污水處理廠與北部第二污水處理廠分別收集處理南部和北部地區的污水，如圖1。兩污水處理廠尾水排至東排渠。

根據高新區未來人口增長與經濟發展情況，推算出第一和第二污水處理廠到2020年污水處理規模分別為7萬t/天和5萬t/天。由于未來高新區污水處理系統覆蓋全區，排水系統完善，面源污染大大減少，因此本研究在排污格局上主要考慮兩污水廠的污染排放。

圖1 高新區污水處理廠分布圖

1.4 研究意義

為改善水環境質量，高新區著力加快污水處理設施建設并規劃開展必要的補水調水工程，在污水能集中處理并達標排放的基礎上，擬以北江水作引水補水水源，提高東排渠納污能力，對高新區經濟與環境可持續發展有著重大意義。因此，本文擬對東排渠需要的補水量進行初步探索和研究，為開展補水工程建設和相關管理、決策工作提供參考建議。

在工作實踐中，對于較為細小或偏遠的河流，往往缺乏水文監測站，也缺乏完整歷史監測數據，只了解部分水文情況，而重新開展監測在時間上或經費上不允許，在此條件下要精確建模計算則非常困難。本文采用了基于excel的河道需水量初步試算法，該方法適用于日常管理中需要初步或粗略而快速地了解河道大概需水量的情況，尤其對河網關系相對簡單的非感潮河流，在缺乏水文、地形數據資料且暫沒有條件開展相關監測工作，未能建立精確的水環境模型的條件下，該方法顯得較為簡便、快捷。

2 東排渠水環境容量計算

水環境容量是指某一水環境單元在特定的環境目標下所能容納的污染物的最大負荷，其大小與水體特征、水質目標及污染物特性有關[1,2]。本文通過東排渠水環境容量計算，初步分析東排渠水環境容量特點和補水的必要性。

2.1 計算模式

東排渠為細長單向河流，可采用結合不均勻系數的流量法對水環境容量進行簡單估算，計算公式如下：

式中：α——不均勻系數，東排渠較窄，河寬15～30m，本文參考于雷等[3]研究結果，對河寬小于55m的河流不均勻系數取1，即不進行不均勻系數修正；W——水環境容量，t/a；Cs——控制斷面水質標準，mg/L，水質目標執行《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅳ類標準；Q——河水流量，m3/s，采用 90%保證率最枯月平均流量（東排渠通過龍王廟水庫的興利調節，可以達到1.55 m3/s）；CR——上游斷面污染物濃度，mg/L，上游來水濃度執行Ⅱ類標準；k——污染物降解系數，1/d，COD和氨氮分別取0.15和0.08；u——斷面平均流速，m/s，根據流速與流量的關系進行估算；x——上、下斷面間的距離，m，本文主要考慮東排渠上游至匯入獨水河閘口處長約12公里的河段。

2.2 流速與流量關系響應推導

在實際應用中，模型計算往往缺乏研究所采用流量對應的流速數據，而本實例同樣是水文數據缺乏，且僅已知流量一項，數據條件不足，本文就現有條件推導流速與流量的近似關系以作流速近似估算。根據謝才公式其中c是謝才系數為水力半徑，n是糙率，i是坡降），以及在一定條件下，流速是流量的函數，因此可根據流量數據進行流速的近似估算，簡單推導如下：

2.3 計算結果

根據以上模式計算東排渠水環境容量：COD是933.73噸/年，氨氮是55.42噸/年。根據兩個污水廠的處理規模和設計出水濃度，估計2020年污水處理廠滿負荷運行時COD和氨氮總排污量每年分別可達約1500噸和200噸。可見，東排渠現狀水環境容量較少，雖然污水廠排水將對河道有一定補水作用，但第二污水處理廠排水未能達到地表水Ⅳ類標準，污染物濃度較高，東排渠要消納兩大污水廠排污量有一定難度，因此需要進一步開展河道需水量研究，以考慮是否需要對河道開展補水工程措施。

3 東排渠需水量計算

未來東排渠主要受納高新區兩大污水廠排出的污水，其中第一污水處理廠出水口處于距離下游控制斷面1000米處，其出水經過深度處理，COD和氨氮將達到地表水Ⅳ類標準；而第二污水處理廠出水口處于距離下游控制斷面8500米處，COD和氨氮設計出水濃度分別為40毫克/升和8毫克/升。

本文通過一維水質模型，采用試算法計算使控制斷面達到水質目標（Ⅳ類）時需要增加的水體流量，由于東排渠擬考慮引取北江水，其補水水質參考北江水質（Ⅱ類）。本研究中河流流速隨著補水流量的變化而變化，無法通過監測獲取，若模型中采用定值流速進行計算，則會忽視河流流量補給后相應流速變化，因此本文利用excel建立流量-流速動態變化模式，考慮流速隨流量變化而變化的情況，并采用試算法進行河流需水量初步計算。

3.1 計算模式

采用一維水質模型計算[4]，公式如下：

式中，c—排放口下游x處的污染物濃度，mg/L；x—計算點離開始點(排放口)的距離，m；u—河水流速，m/s；k—降解系數，1/d；Qp—廢水排放量，m3/s；cp—污染物濃度，mg/L；Qh—河水流量，m3/s；ch—排放口上游污染物濃度，mg/L。

以上公式適用于只有1個排口的情況，但由于本實例有2個排口，所以根據上述一維水質模型原理對公式進行調整，實際計算中應用下式進行計算：

式中，x1—兩污水廠排口距離，m；x2—計算點離處于下游的第一污水處理廠排口的距離，m；u—河水流速，m/s，本次計算根據前述流速和河流流量的數量關系，建立動態響應模式，即流速隨流量試算值的變化而變化；Q1、Q2—污水廠廢水排放量，m3/s，采用第一、第二污水廠設計規模；c1、c2—污水廠污染物濃度，mg/L，采用污水廠設計出水濃度；k——同上，取值同前；Qh——河水流量，m3/s，為所求之量；ch—按照上游來水水質目標要求。

3.2 模擬計算方法

利用excel編輯相應的公式，采用試算法對河流需要的流量Qh進行計算。具體步驟為：1）對所有相關變量選定相應單元格，根據各變量的函數關系在單元格內編輯相應計算式；2）輸入公式中相關已知量及參數定值；3）選取一流量值開始進行試算，本實例中可知該流量值大于現狀流量才需補水，可從小到大進行試算，當選取的流量值對應的控制斷面污染物濃度接近而小于標準值，則該流量為所需流量；4）計算此流量與現狀流量之差便是河流需要增加的流量值。

3.3 計算結果

本文研究的污染物主要是COD和氨氮，經計算可知，對于COD，河道已有水量已經能滿足河道需水要求，但對于氨氮，由于污水中氨氮濃度較高，需要增加相應的流量，以增加河道水環境容量，經計算，相對于現狀，2020年東排渠需要增加流量2.01 m3/s。

在本實例中有兩個排口，較一個排口的情況復雜。實際上由于第一污水處理廠出水已經達到水質目標，其污染排放對控制斷面達標影響可以忽略，甚至由于污染物衰減作用，其排水有一定的補水作用，但又由于排口距離控制斷面比較近，污染物衰減效果較小，所以補水作用極微，基本可以忽略。因此，若基于本實例的特殊性不考慮第一污水處理廠，對需水量計算影響并不大，對問題的研究可以更為簡化。為使本文計算方法更具普遍性和科學性，本文仍按照兩個排口的實際情況考慮和研究。

4 結語

得增加多少水體流量才標準，第二污水處理：由于第一污水處理4.1通過對東排渠需水量的初步研究，現在東排渠到2020年需要增加水流量約2 m3/s。本文應就補水調水工程方案做更深入的研究，進一步研究和核算河道需水量以核定工程方案補水量。

4.2 本文采用了一維水質模型對東排渠需水量進行計算，且利用流量和流速的關系建立了動態響應模型，利用excel軟件采用試算法進行了計算，方法簡便快捷，易于掌握，較為適用于日常環保管理工作，尤其在對結果精確度要求不高、工作時間緊迫以及數據資料較缺的情況下，不失為一種簡易、便捷的方法。

[1]熊風,羅潔.河流水環境容量計算模型分析[J].中國測試技術,2005，1，31(1).

[2]李勱,李巖,韓政,王勃,慕金波.黃河三角洲河流水環境容量研究[J].山東科學.2007,4,20(2).

[3]于雷,吳舜澤,范麗麗,徐毅.水環境容量一維計算中不均勻系數研究[J].環境科學與技術,2008.31(1).

[4]馬歡,李亞強.松花江哈爾濱江段水環境容量計算對比研究[J].哈爾濱商業大學學報（自然科學版）,2007,23(4).