入河排污口設置論證常用數學模型探討

(四川省水文水資源勘測局，成都，610036)

在開展項目環境影響評價或入河排污口設置論證工作中，對入河排污口設置影響分析時，分析擬建項目對水環境的影響，常采用數學模型法預測廢污水入河后對河道的影響范圍及程度。污染物一般分持久性污染物、非持久性污染物，其中持久性污染物主要包括重金屬、不易降解的有毒有機物、放射性物質等；非持久性污染物是在環境中受沉降、吸附、微生物等外界環境作用下，易發生形態間的相互轉化，物理化學性質易發生變化的污染物，如廢污水中主要污染指標化學需氧量、生化需氧量、氨氮、總磷、總氮等均屬此類。不同性質的污染物，排入河道后其污染物的分布特征、影響范圍和程度不同，因此，預測模型會有所不同。

1 常用數學模型研究

1.1 混合過程段長度估算

(1)HJ 2.3-2018計算公式

在《環境影響評價技術導則 地表水環境》(HJ 2.3-2018)中提出了排污口廢污水入河后混合過程段長度估算公式：

(1)

式中：Lm——混合段長度，m；

B ——水面寬度，m；

a——排放口到岸邊的距離，m；

u——斷面流速，m/s；

Ey——污染物橫向擴散系數，m2/s。

Ey采用泰勒公式估算，即：

(2)

式中：H——河道平均水深，m；

g——重力加速度，m2/s；

S——河道比降，m/m；

其余符號同前。

(2)HJ 2.3-1993計算公式

在《環境影響評價技術導則 地表水環境》(HJ 2.3-1993)中，排污口廢污水入河后混合過程段長度估算公式如下：

(3)

式中各符號同前式(1)、式(2)。

在入河排污口設置實際事例中，為滿足監督檢查需要，按環保要求，入河排污口應設置為明管明排或明渠明排，潛沒和河中排放方式一般不予允許，因此，較多入河排污口設置在岸邊，此時排污口與岸邊距離為0，故：

公式(1)簡化為：

(4)

公式(3)簡化為：

(5)

1.2 廢污水入河后污染物濃度分布

在分析中一般采用一維、二維模型計算污染物濃度的分布。

1.2.1 一維模型

在《環境影響評價技術導則 地表水環境》(HJ 2.3-2018)中一維模型中引入了簡化、分類判別條件a(O′Connor數)和Pe(貝克來數)。

(6)

(7)

當a≤0.027、Pe≥1時，對流降解模型為：

(8)

當a≤0.027、Pe<1時，對流擴散降解模型為：

(9)

(10)

1.2.2 二維恒定均勻河流模型

(1)二維模型濃度分布公式

在《環境影響評價技術導則 地表水環境》(HJ 2.3-2018)中二維模型考慮岸邊反射影響的寬淺型平直恒定均勻河流，離岸點源穩定排放的濃度分布公式為：

(11)

而在環境系統分析(高等教育出版社)中，寬淺型平直恒定均勻河流，岸邊點源穩定排放的濃度分布為：

(12)

式中：C0——起始斷面背景濃度，mg/L；

C(x，y)——排污口下游x(m)斷面污染物濃度，mg/L；

K——污染物綜合衰減系數，1/s；

C污——排污口污染物排放濃度，mg/L；

Q污——排污口廢水排放量，m3/s；

ux——設計流量下污染帶內縱向平均流速，m/s；

H——設計流量下污染帶起始斷面平均水深，m；

Ey——橫向擴散系數，m2/s；

B——河寬，m；

x——計算點距排污口距離，m；

n——反射次數。

比較上面公式(11)和公式(12)，公式(11)未考慮排污口下游河道內自身污染物降解，對岸反射亦只考慮1次。

(2)污染帶最大長度Lm

在不考慮降解和對岸反射時，岸邊排放的超標污染帶最大長度Lm計算公式如下：

(13)

式中：Cs——劃定超標污染帶分界的目標濃度，m/s；

Ey——橫向擴散系數，m2/s；其余同上。

(3)污染帶最大寬度Bm

在不考慮降解和對岸反射時，岸邊排放的超標污染帶最大寬度Bm計算公式如下：

(14)

公式符號同上。

(4)羽流寬度和羽流混合區平均濃度

羽流指廢污水入河后，在河道內形成的高于河道本底濃度5%的污染帶，羽流寬度指廢污水入河后在排污口下游不同距離所形成的該條污染帶的最大寬度。《入河排污口設置論證報告技術導則》(征求意見稿)中，采用混合區模型STREAMIX I預測羽流寬度和羽流區污染物平均濃度。

羽流寬度公式如下：

(15)

混合區平均濃度公式如下：

(16)

C0——排污口上游背景濃度，mg/L；

Q——河道流量，m3/s；

Bmix——羽流寬度，m。

其余符號同前。

2 入河排污口設置對水域影響應用實例

本次以天府新區彭山青龍生活污水處理廠入河排污口設置為例，分析不同數學模型情況下入河排污口設置后影響范圍特征值。

天府新區彭山青龍生活污水處理廠位于眉山市彭山區青龍鎮，金馬河下游段，錦江入岷江匯口上游約8km處，該污水處理廠規模為5000m3/d，排放執行標準為《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》(DB 51/2311-2016)城鎮污水處理廠標準。毗鄰的青龍工業園區污水處理廠處理規模為10000m3/d，排放執行標準為《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》(DB 51/2311-2016)工業園區污水處理廠標準。兩座污水處理廠業主和運營單位相同，處理后達標尾水經消毒和計量后，再混合接入同一根尾水管，將尾水輸送至岷江右岸后，排入岷江。

2.1 充分混合所需河段長度

根據污水處理廠入河排污口所在河段流量、流速、平均水深和河道比降等數據，尾水入河后與河道水體達到充分混合所需長度如表1。

表1尾水入河后與河道水體充分混合所需長度及時長

從上表可以看出，兩個公式的計算結果，混合所需長度相差20.5%。

2.2 二維模型排污口下游影響范圍分析

2.2.1 排污口斷面河道污染物背景濃度

在入河排污口上游約1.09km袁河壩、入河排污口下游約2.91km吳河壩處各設立了水功能區常規水質監測斷面，實行間月監測。在袁河壩至入河排污口之間無其他排污口、無支流河流匯入，岷江(金馬河)右岸建有堤防，左岸為自然水域岸線。因此，可采用排污口上游袁河壩監測數據作為排污口斷面背景濃度。本次選擇高錳酸鹽指數、氨氮、總磷作為分析評價因子，兩斷面2018年1月-2019年1月數據如下表2。

表2袁河壩、吳河壩水質監測數據

本次以2018年1月-2019年1月的平均值作為排污口斷面背景濃度值。因袁河壩和吳河壩兩斷面化學需氧量均未檢出(<15mg/L)，自然水體中一般CODCr/ CODMn=2.5mg/L～3.5mg/L，本次按3.5mg/L取值，背景濃度CODCr為11.3mg/L。

青龍園區污水處理廠和青龍生活污水處理廠正常工況和非正常工況情況下，排放河道的污染物濃度見表3。

表3尾水入河濃度計算表

2.2.2 污染物綜合衰減系數

污染物綜合衰減系數實測法一般在分析河段選取河道順直、水流穩定、中間無支流匯入、無排污口的河段，分別在河段上游(A點)和下游(B點)布設采樣點，監測污染物濃度值，并同時測驗水文參數以確定斷面平均流速。綜合衰減系數(K)按下式計算：

式中：u——設計流量下河道斷面的平均流速，m/s；

ΔX——上下斷面之間距離，m；

CA——上斷面污染物濃度，mg/L；

CB——下斷面污染物濃度，mg/L。

因青龍生活污水處理廠擬設置在岷江的入河排污口還未啟用。袁河壩～吳河壩河段自2015年開始監測以來均無排污口，亦無支流匯入，兩斷面采樣日期相同，僅采樣時間不同，從2015年7月至2019年1月共有21個測次，只是每個監測日未對當時流速進行測量，其流速采用曼寧公式推求。2015年7月-2019年1月期間數據如下表4。

表4岷江袁河壩—吳河壩河段綜合自凈系數推算表

由于實驗室測量誤差、環境溫度等影響，通過各次監測數據計算的綜合自凈系數差異較大，以各次監測數據計算的綜合自凈系數均值與通過濃度均值計算的值總體差異不大。以各次監測值計算的綜合自凈系數均值作為預測值。

2.2.3 尾水入河后污染帶最大長度與最大寬度

計算污染帶最大長度和最大寬度，需先確定超標污染帶邊界濃度，達多大時為超標。一般在入河排污口設置論證中，以水功能區水質管理目標為取值標準。青龍生活污水處理廠入河排污口所在河段水功能區為岷江彭山、眉山開發利用區內的岷江彭山眉山袁河壩過渡區，水質管理目標為Ⅲ類，因此，判定超標污染帶的邊界污染物濃度按地表水Ⅲ類確定。根據入河排污口尾水量、排放濃度及河道內流量及背景濃度，按上文公式(13)、公式(14)計算，其污染帶最大長度和寬度如下表5。

表5退水入河后形成的超標污染帶最大長度和寬度計算

2.2.4 二維模型排污口下游污染物濃度分布

本次按公式(11)、公式(12)分別對污水處理廠正常排放情況下，入河排污口下游污染物濃度進行預測，按公式(11)預測結果見表6～表8；公式(12)預測結果見表9～表11。

表6正常排放入河排污口下游CODCr濃度分布

注：x=10.1m為CODCr超標污染帶最大長度；y=1.66m為CODCr超標污染帶最大寬度。

表7正常排放入河排污口下游NH3-N濃度分布

注：x=9.0m為NH3-N超標污染帶最大長度；y=1.56m為NH3-N超標污染帶最大寬度。

表8正常排放入河排污口下游TP濃度分布

注：x=1054.2m為TP超標污染帶最大長度；y=16.96m為TP超標污染帶最大寬度。

表9正常排放入河排污口下游CODCr濃度分布

注：x=10.1m為CODCr超標污染帶最大長度；y=1.66m為CODCr超標污染帶最大寬度。

表10正常排放入河排污口下游NH3-N濃度分布

注：x=9.0m為NH3-N超標污染帶最大長度；y=1.56m為NH3-N超標污染帶最大寬度。

表11正常排放入河排污口下游TP濃度分布

注：x=1054.2m為TP超標污染帶最大長度；y=16.96m為TP超標污染帶最大寬度。

從上表對比分析可以得出，因公式(11)在計算排污口下游污染物濃度時，未考慮河道內污染物降解，預測濃度比公式(12)計算值偏高，以污染帶最大長度、最大寬度計算的污染物濃度與判定超標污染帶邊界濃度最接近。在排污口下游距離越遠，公式(12)的超標污染帶最大長度越小，如總磷，按公式(11)計算，超標污染帶最大長度已大于76.79km，而公式(12)計算結果，在排污口下游12.0km處總磷濃度達到地表水Ⅲ類，即污染帶最大長度為12.0km，遠小于公式(11)計算值。

由于公式(11)未考慮河道內污染物降解，在排污口下游污染物計算濃度理論上將一直高于排污口背景濃度。

2.2.5 羽流寬度及混合區平均濃度

按公式(14)、公式(15)計算羽流寬度及混合區平均濃度，其值見表12。

表12排污口下游污染帶羽流寬度及混合區平均濃度

排污口下游距離(m)羽流寬度(m)羽流混合區平均濃度正常事故CODCrNH3-NTPCODCrNH3-NTP0.51.0830.421.980.371228.8918.932.81311.5324.821.510.318165.1613.502.04522.1620.861.170.280120.109.651.50143.0518.060.940.25488.236.931.11763.7416.820.830.24274.115.730.9479.04.5815.810.750.23362.594.750.80810.14.8515.550.730.23059.714.500.774206.8214.320.620.21945.703.310.6055010.7913.210.530.20833.062.230.45210015.2612.650.480.20326.691.680.37550034.1211.900.420.19618.180.960.2731054.249.5411.720.400.19416.040.770.247200068.2411.600.400.19314.740.660.231400096.5011.510.390.19213.730.580.2195000107.8911.490.390.19213.480.560.2166000118.1911.470.380.19213.290.540.214

3 結語

入河排污口設置對水環境的影響，按不同公式和數學模型計算，其影響范圍差異較大，特別是尾水入河后污染物降解至排污口上游背景濃度所需河段長度，不同數學模型所計算的結果，其差異最為明顯。建議入河排污口下游污染物濃度預測，若采用寬淺河流二維數學模型時，充分考慮河道內污染物自身降解作用。為驗證預測結果的準確性，在青龍鎮生活污水處理廠入河排污口正式投用后，開展尾水入河量、污染物入河濃度和岷江河道流速、流量的同步跟蹤監測。