橋梁工程對(duì)入河排污口污染范圍影響模擬研究

閔志華,辛小康

(1.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶402160；2.長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所,湖北武漢430051)

橋梁工程對(duì)入河排污口污染范圍影響模擬研究

閔志華1,辛小康2

(1.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶402160；2.長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所,湖北武漢430051)

為識(shí)別涉河橋梁工程對(duì)入河排污口污染范圍的影響,借助于MIKE 21 FM和AD模型,以長(zhǎng)江干流宜昌滬渝高速路橋江段為研究對(duì)象,模擬分析了橋梁工程對(duì)河流水位、流速的影響以及對(duì)其上游某入河排污口污染范圍的影響。結(jié)果顯示,橋梁工程上游水位比天然情況增加,下游一定范圍內(nèi)流速較天然情況減小,橋墩斷面兩側(cè)邊灘流速有所增加；而入河排污口不同濃度對(duì)應(yīng)的污染帶長(zhǎng)度和寬度均有所增加；表明橋梁工程會(huì)增加其上游附近的入河排污口污染帶的影響范圍,在開(kāi)展入河排污口設(shè)置論證時(shí),應(yīng)充分考慮涉河工程的疊加影響。

橋墩；入河排污口；水質(zhì)模型；影響范圍

0 引 言

《中華人民共和國(guó)水法》(2002)和《中華人民共和國(guó)水污染防治法》(2008)規(guī)定：“建設(shè)單位在江河、湖泊新建、改建、擴(kuò)建排污口的,應(yīng)當(dāng)征得水行政主管部門(mén)或者流域管理機(jī)構(gòu)的同意”。2003年水利部頒布的《入河排污口監(jiān)督管理辦法》規(guī)定,建設(shè)單位在取得水行政主管部門(mén)或流域管理機(jī)構(gòu)入河排污口設(shè)置同意時(shí),需要編制入河排污口設(shè)置論證報(bào)告。目前,編制入河排污口設(shè)置論證報(bào)告,分析入河排污口設(shè)置影響的主要手段是水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,但受制于水文資料、河道地形資料和涉水工程設(shè)計(jì)資料的欠缺,建立水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型未能充分考慮擬設(shè)排污口鄰近的其他涉水工程對(duì)其污染范圍的影響。錢(qián)小娟[1]等采用平面二維水質(zhì)模型研究了長(zhǎng)江南通段大型排污口退水對(duì)長(zhǎng)江水質(zhì)的影響,模型未考慮蘇通長(zhǎng)江大橋的影響。王旭[2]等采用平面二維水質(zhì)模型研究了長(zhǎng)江攀枝花江段多排污口耦合作用下的水質(zhì)狀況,但攀枝花江段倮果大橋、寶鼎大橋、法拉大橋等多座橋梁未作為影響因素加以考慮。

橋梁等涉水工程對(duì)河流水動(dòng)力條件會(huì)產(chǎn)生明顯影響。水動(dòng)力條件的變化,會(huì)進(jìn)一步影響污染物的輸運(yùn)及分布。實(shí)際上,《中華人民共和國(guó)防洪法》(2015)規(guī)定,建設(shè)跨河、穿河、穿堤、臨河的橋梁、碼頭等涉水工程方案應(yīng)充分論證其對(duì)行洪的影響,說(shuō)明涉水工程會(huì)對(duì)河流水動(dòng)力條件的影響。本文借助于平面二維水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,研究橋梁工程對(duì)入河排污口污染范圍的影響范圍及程度,為科學(xué)開(kāi)展入河排污口設(shè)置論證工作提供借鑒和支撐。

1 研究方法

涉河建筑物對(duì)局部河流水位、流速的影響,以及對(duì)污染物平面分布的分析研究多借助于平面二維水動(dòng)力水質(zhì)模型。本研究借助于丹麥水力學(xué)研究所(DHI)研發(fā)的MIKE 21系列軟件進(jìn)行模擬研究。

1.1 模型控制方程

MIKE21水動(dòng)力(FM)及污染物對(duì)流擴(kuò)散(AD)模塊控制方程由描述水流運(yùn)動(dòng)的納維-斯托克斯方程組和描述污染物質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散的對(duì)流擴(kuò)散方程組成。其中,納維-斯托克斯方程組由水流連續(xù)性方程、沿水流方向(x方向)的動(dòng)量方程和垂直水流方向(y方向)的動(dòng)量方程組成。模型控制方程

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2 模型求解方法

目前無(wú)論是描述水動(dòng)力過(guò)程的淺水方程組,還是描述物質(zhì)輸運(yùn)的對(duì)流擴(kuò)散方程,都無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的經(jīng)典數(shù)學(xué)方法求其理論解。因此,目前廣泛采用數(shù)值方法求得其近似解。對(duì)于淺水方程組,MIKE21FM采用有限體積法進(jìn)行離散和求解,采用Riemann近似解計(jì)算網(wǎng)格單元的對(duì)流通量,采用Roe格式估算網(wǎng)格單元交界面的附加變量,通過(guò)采用線性梯度重構(gòu)技術(shù)離散方法具有二階精度。對(duì)于污染物輸運(yùn)方程,MIKE21AD采用一階精度的有限體積法進(jìn)行離散和求解,迎風(fēng)方向的網(wǎng)格單元污染物濃度值采用邊界值。為減少數(shù)值震蕩效應(yīng),使用TVD-MUSCL格式進(jìn)行限制[3]。

1.3 橋墩及排污口概化處理

橋墩會(huì)占用一定的河道過(guò)水面積,同時(shí)會(huì)改變其附近的水動(dòng)力場(chǎng),形成墩柱繞流的水流結(jié)構(gòu)。在數(shù)值模型中準(zhǔn)確模擬橋墩等建筑物周?chē)乃鹘Y(jié)構(gòu)仍然是目前研究的難點(diǎn)與熱點(diǎn)[4]。本研究采用修改河道高程法與添加附加阻力法的方式進(jìn)行近似模擬。修改河道高程法,即根據(jù)橋墩所在的位置及橋墩形狀,設(shè)置局部加密網(wǎng)格,然后根據(jù)橋墩的臺(tái)面高程,修改對(duì)應(yīng)網(wǎng)格單元的地形高程值(見(jiàn)圖1)。

圖1 橋墩所在河段水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計(jì)算網(wǎng)格示意

附加阻力法首先將橋墩看作是欄污柵形式的阻水建筑物,橋墩局部阻力系數(shù)

(5)

式中,s為橋墩的寬度；b為橋墩的間距；θ為橋墩對(duì)水平方向的傾角；β為橋墩的形狀系數(shù)。然后將局部阻力系數(shù)轉(zhuǎn)化為糙率的形式。即

(6)

式中,H為平均水深,概化后橋墩區(qū)域所在網(wǎng)格的局部綜合糙率系數(shù)為

(7)

將入河排污口概化為一個(gè)連續(xù)排放的點(diǎn)源,通過(guò)MIKE21FM在排污口所在位置添加點(diǎn)源,并設(shè)置點(diǎn)源的排放流量和污染物濃度。

2 研究案例

2.1 計(jì)算范圍

本研究以長(zhǎng)江中游宜昌江段為計(jì)算案例,計(jì)算范圍為宜昌磨盤(pán)溪～云池共計(jì)約20 km的長(zhǎng)江干流江段。該江段磨盤(pán)溪下游2.5 km處建設(shè)了滬渝高速路橋跨越長(zhǎng)江,該橋梁有6處橋墩位于長(zhǎng)江河道,橋墩為圓柱型,直徑6 m,橋墩對(duì)長(zhǎng)江干流水動(dòng)力產(chǎn)生影響,模型計(jì)算范圍見(jiàn)圖2。

圖2 長(zhǎng)江宜昌江段水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍示意

2.2 計(jì)算工況

采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算宜昌某化工企業(yè)排污口尾水對(duì)受納水體水質(zhì)的影響程度及范圍,重點(diǎn)研究橋梁工程建設(shè)前、后,排污口尾水對(duì)受納水體水質(zhì)影響的變化。該排污口污水排放量為0.5 m3/s,主要污染物的COD。根據(jù)GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》,該化工企業(yè)尾水需達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn),對(duì)應(yīng)的COD排放濃度為100 mg/L。

模擬研究?jī)煞N水文工況：一般枯水期和洪水期。枯水期選擇三峽水庫(kù)生態(tài)下泄水量5 300 m3/s作為模型上邊界條件,以云池對(duì)應(yīng)的水位50.5 m作為模型下游邊界條件；洪水期選擇三峽水庫(kù)保障下游防洪安全的最大下泄流量56 700 m3/s作為模型上游邊界條件,以云池?cái)嗝鎸?duì)應(yīng)的水位61.1 m作為模型下游邊界條件。

模擬研究?jī)煞N工程工況：橋梁工程建設(shè)前和橋梁工程建設(shè)后。模擬計(jì)算工況及對(duì)應(yīng)的水文、水質(zhì)條件見(jiàn)表1。

表1 水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計(jì)算工況

2.3 背景濃度

模型計(jì)算時(shí)COD背景濃度取研究江段上游宜昌水文站多年實(shí)測(cè)濃度的平均值。由于長(zhǎng)江COD濃度背景較低,目前針對(duì)化學(xué)需氧量監(jiān)測(cè)的指標(biāo)為CODMn。宜昌水文站2010年～2014年逐月CODMn濃度變化見(jiàn)圖3。可以看出,該江段CODMn濃度為3.5 mg/L以下,平均值為2.5 mg/L,根據(jù)GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,該指標(biāo)滿足地表水Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)相關(guān)的研究,長(zhǎng)江CODMn和COD的轉(zhuǎn)換關(guān)系為1∶5,設(shè)定本模型的COD背景濃度為12.5 mg/L。

圖3 長(zhǎng)江宜昌水文站斷面高錳酸鹽指數(shù)濃度變化

2.4 模型參數(shù)取值

根據(jù)水動(dòng)力水質(zhì)模型控制當(dāng)成,模型主要參數(shù)為河道糙率n和綜合衰減系數(shù)Kd。河道糙率是衡量邊壁形狀的不規(guī)則性、粗糙度及整齊程度等因素影響水流結(jié)構(gòu)的綜合性系數(shù)。天然河道糙率n值的影響因素比較復(fù)雜,在長(zhǎng)江相關(guān)的水動(dòng)力水質(zhì)模擬工作中,一些研究者得出了糙率的率定值[5- 8]。本文宜昌江段河道糙率取值0.025,橋墩所在的網(wǎng)格設(shè)置附加阻力后糙率取值為0.036。

綜合衰減系數(shù)是反映河流(河段)對(duì)某種污染物的綜合自凈能力,包括污染物的分解、轉(zhuǎn)化、沉降、生物吸收等物理、化學(xué)和生化過(guò)程。如果模擬河段上下游設(shè)有對(duì)照斷面和控制斷面,則可以根據(jù)兩斷面的實(shí)測(cè)濃度按照對(duì)數(shù)公式[9]推算綜合衰減系數(shù)。國(guó)內(nèi)已有大量文獻(xiàn)介紹了不同河流COD的綜合衰減系數(shù),涉及長(zhǎng)江干支流的部分文獻(xiàn)成果見(jiàn)[10-14]表3。本文根據(jù)已有的相關(guān)文獻(xiàn)選取COD綜合衰減系數(shù)為0.12/d。

3 研究結(jié)果與討論

3.1 橋梁工程對(duì)河流水位的影響

5 300 m3/s和56 700 m3/s兩種不同水文條件時(shí),橋墩對(duì)河流水位的影響主要表現(xiàn)為橋墩上游的水位壅高,5 300 m3/s流量條件下,橋墩上游水位平均壅高0.005～0.01 m,影響范圍為橋梁上游2.5 km的河道；56 700 m3/s流量條件下,橋墩上游水位平均壅高0.1～0.2 m,影響范圍為橋梁上游2.5 km的河道。可見(jiàn),橋梁工程占用一定河道面積后對(duì)橋墩上游河流水位產(chǎn)生影響,特別是洪水期對(duì)河流水位的影響更為明顯。同時(shí),橋墩下游水位有一定的降低,但影響范圍不明顯。

3.2 橋梁工程對(duì)水流流速的影響

兩種不同水文條件下水流流速的變化(圖略)主要表現(xiàn)為橋墩所在的斷面下游河道流速有所減小：5 300 m3/s流量條件下,流速減小0.05 m/s以內(nèi)；56 700 m3/s流量條件下,流速減小0.05～0.1 m/s。同時(shí),由于橋墩減少了斷面過(guò)水面積,所在斷面兩側(cè)的邊灘流速增加：5 300 m3/s流量條件下,流速增加0.05 m/s以內(nèi)；56 700 m3/s,流速增加了0.2 m/s。

3.3 橋梁工程對(duì)排污口污染范圍的影響

本文考慮入河排污口設(shè)置在橋墩上游附近的情形,56 700 m3/s水文條件下無(wú)橋梁工程和有橋梁工程入河排污口附近的污染物濃度分布(圖略)顯示,不同濃度的污染帶長(zhǎng)度和寬度均有所增加,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。12.52～12.53 mg/L(較背景濃度12.5 mg/L增加0.02～0.03 mg/L)污染帶的長(zhǎng)度增加了500 m,寬度增加了20 m。12.53～12.54 mg/L(較背景濃度12.5 mg/L增加0.03～0.04 mg/L)污染帶長(zhǎng)度增加了200 m,寬度增加了15m。12.54～12.55 mg/L(較背景濃度12.5 mg/L增加0.04～0.05 mg/L)污染帶長(zhǎng)度增加了100 m,寬度增加了10 m。

表2 有、無(wú)橋梁工程影響入河排污口污染帶范圍統(tǒng)計(jì)

4 研究結(jié)論

涉河橋梁工程的橋墩附近形成墩柱繞流流態(tài),一定程度上改變了河流水動(dòng)力特性,進(jìn)而會(huì)對(duì)入河排污口污染帶范圍產(chǎn)生影響。長(zhǎng)江干流宜昌段水動(dòng)力水質(zhì)模型計(jì)算結(jié)果表明：

(1)橋梁工程上游水位較天然情況增加,洪水期56 700 m3/s流量條件下,平均增加0.1～0.2 m；枯水期5 300 m3/s流量條件下水位壅高值稍小。

(2)橋墩斷面下游一定范圍內(nèi)流速較天然情況減小,洪水期56 700 m3/s流量條件下,減小值0.05～0.1 m/s。橋墩斷面兩側(cè)邊灘流速增加。

(3)以橋墩上游附近擬設(shè)排污口為例(污水量0.5 m3/s,COD排放濃度100 mg/L),洪水期56 700 m3/s流量條件下,不同濃度污染帶長(zhǎng)度和寬度均有所增加。說(shuō)明橋梁工程會(huì)增加其上游附近的入河排污口污染帶的影響范圍,因此在開(kāi)展入河排污口設(shè)置論證時(shí),應(yīng)充分考慮涉河工程的影響。

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(責(zé)任編輯 陳 萍)

Simulation Study of the Influence of Bridge Projects on Pollution Range of Sewage Outlet in River

MIN Zhihua1, XIN Xiaokang2

(1. Chongqing Water Resources and Electric Engineering College, Chongqing 402160, China;2. Changjiang Water Resources Protection Institute, Wuhan 430051, Hubei, China)

In order to identify the influence of bridge projects on pollution range of sewage outlets in river, a numerical water quality model is established with the MIKE 21 FM and AD software. Taking Yichang Section of Yangtze River which contains the bridge of Shanghai to Chongqing Highway as research object, the influences of bridge project on water level, water velocity and pollution range are studied. The results show that: (a) comparing with non-bridge condition, the water level in the upstream of bridge is increased, the flow velocity in the downstream is decreased while the velocity in beach is increased; and (b) the length and width of pollution plume for different concentration are synchronously increased. It is indicated that the bridge project will increase the pollution range of sewage outlets, and the superposition effect for river cross projects should be fully considered in design argument．

bridge pier; sewage outlet; water quality model; influence range

2016- 05- 08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51309031)；重慶水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研重點(diǎn)項(xiàng)目(K201508)；重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院教改項(xiàng)目(2014022)

閔志華(1980—),男,湖北五峰人,副教授,主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)、教學(xué)研究工作；辛小康(通訊作者)．

X820.3

A

0559- 9342(2017)03- 0005- 04