基于MIKE21模型的長江中環(huán)排污口水質影響分析

劉晨輝，劉思飔，李 丹,3，嚴江涌，呂燦翔

(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計研究院，武漢 430064；2.湖北省水利水電科學研究院，武漢 430070；3.武漢大學計算機學院，武漢 430072)

0 引 言

習近平總書記指示：“要把修復長江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置，共抓大保護，不搞大開發(fā)”，明確指出了長江生態(tài)環(huán)境保護的重要性。長江河道水文條件復雜，生態(tài)敏感因素多，環(huán)境影響范圍大，在長江河段新建或改擴建排污口，需謹慎分析其對長江水質的影響。據(jù)統(tǒng)計，長江經(jīng)濟帶現(xiàn)有入河排污口23 830 個，年污水排放總量195.21 億t[1]。按照國家相關法律法規(guī)要求，開展入河排污口設置論證工作，是規(guī)范入河排污口監(jiān)管，減少或避免流域水污染的重要措施。分析排污口污水排放對所在河段的水質影響情況，是入河排污口設置論證的重要工作之一[2]。

目前比較流行的入河污染物排放影響分析方法是采用先進的水動力數(shù)值模擬軟件，根據(jù)排污口項目的污水排放總量、污染物排放濃度，建立排入河道的水動力學模型，模擬典型污染物在河道中擴散過程，分析其對河道水質的影響范圍和影響程度。[3-5]可供選擇的水動力數(shù)值模擬軟件主要有荷蘭的Delft 3D模型、英國的InfoWorks模型、美國的SMS模型、丹麥的MIKE模型和其他自主研發(fā)的軟件模型，其中丹麥水利環(huán)境研究所(DHI)開發(fā)的MIKE系列軟件是目前國際上應用較為廣泛的水動力學模型之一，得到了廣泛的使用和工程驗證，可信度較高[6-8]。

本文采用MIKE 21 模型中的水動力模塊和對流擴散模塊，建立了荊州中環(huán)入河排污口所在長江河段二維水動力學模型，模擬排放污水中主要污染物在長江河段中的遷移和分布情況，分析其對河段水質的影響范圍和影響程度，為排污口設置提供合理性評價依據(jù)。該研究方法對長江中下游河段開展排污口影響分析工作有一定借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

中環(huán)排污口全稱中環(huán)水業(yè)有限公司污水處理廠排污口，中環(huán)污水處理廠位于湖北省荊州市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，主要承接荊州紡織服裝工業(yè)園內企業(yè)的生產(chǎn)廢水和日常生活污水，處理達標后排入長江。中環(huán)排污口位于長江左岸荊江大堤746+950處，東經(jīng)112°17′20.89″，北緯30°14′30.04″，研究區(qū)位置見圖1。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

中環(huán)污水處理廠一期工程已于2008年建成，入河污水排放規(guī)模為3.0 萬m3/d，項目二期工程擬在一期基礎上進行擴建，增加入河排污量2.3 萬m3/d，即達到5.3 萬m3/d，年污水排放量達到1 794 萬t。

2 模型計算原理

2.1 水動力控制方程

MIKE21二維水動力模型基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并服從Boussinesq假定和靜水壓力的假定。

水動力控制方程組(Navier-Stokes方程)為：

(1)

(2)

(3)

式中：t為時間；x，y為笛卡爾坐標；η為水位；d為靜止水深；h=d+η，為總水深；u，v分別為x，y方向上的速度分量；f=2ωsinψ，為Coriolis系數(shù)，ω為地球自轉角速度，ψ為當?shù)鼐暥龋籫為重力加速度；ρ為水密度；Ax、Ay為應力分項；S為源項；us、vs為源項水流流速。

(4)

2.2 污染物運移方程

污染物運移基本方程是污染物在水體中擴散遷移規(guī)律的數(shù)學描述，考慮污染物運移過程中的對流、擴散和降解等因素，運移方程為：

(5)

式中：C為各典型污染物濃度；Dx、Dy為各典型污染物在x、y方向上的擴散系數(shù)；P為各典型污染物降解項；S為各典型污染物的排放源匯項；其他字母含義同運動方程。

2.3 數(shù)值模擬處理方法

(1)CFL數(shù)。MIEK21水動力模型采用空間離散法對水動力方程求解，用三角非結構網(wǎng)格對模型區(qū)域進行劃分，在垂向σ分層的基礎上，在笛卡爾坐標系和球面坐標系向下用單元中心的有限體積法計算。

對于笛卡爾坐標下的淺水方程式，CFL定義為：

(6)

式中：h為總水深；u和v為流速在x和y方向的分量；g是重力加速度；Δx和Δy是x和y方向的特征長度；Δt是時間間距；Δx和Δy近似于三角形網(wǎng)格的最小邊長；水深和流速值則是發(fā)生在三角形的中心。

污染物運移方程式在笛卡爾坐標上的CFL數(shù)是定義為：

(7)

笛卡爾坐標下的淺水方程式變量示意圖見圖2。

圖2 笛卡爾坐標下的淺水方程式變量示意圖

在水動力方程和污染物傳輸(擴散)方程的時間積分使用顯式法，為維持模型穩(wěn)定，模擬時間間隔選定必須使Courant-Friedrich Levy(CFL)值小于1。理論上如果CFL小于1，模型便可穩(wěn)定運行。然而CFL的計算只是一個推測性的，因此模型依然會違反CFL準則而發(fā)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象，為解決這一問題，一般將CFL臨界值從1降為0.8。

(2)干濕邊界。一般來說，數(shù)值模擬區(qū)域中常有部分單元網(wǎng)格是處在干濕交替區(qū)，為了避免模型計算出現(xiàn)不穩(wěn)定，必須設定一個干水深度、半干濕或淹沒深度、濕水深度。通常設定濕水深度為0.1 m，淹沒深度為0.05 m，干水深度為0.005 m。當濕水深度很小時，模型可能會產(chǎn)生不合理的高流速而造成非穩(wěn)定流態(tài)。

(3)初始流場條件。首先通過設定模型上游和下游邊界的水位、流量來獲得區(qū)域內各單元的水位值，然后以此為初始條件運行模型直至流場穩(wěn)定，最后提取該穩(wěn)定流場作為下一步正式模擬的初始流場條件。

3 模擬建立

3.1 數(shù)字高程模型建立

利用項目區(qū)長江河段1∶10 000實測水下地形圖，讀取相應高程點數(shù)據(jù)，建立計算區(qū)河道的數(shù)字高程模型。在選定范圍內劃分計算網(wǎng)格，計算區(qū)最大網(wǎng)格尺寸Smax=2 500 m2；對排污口附近網(wǎng)格加密，加密區(qū)最大網(wǎng)格尺寸Smax=400 m2，網(wǎng)格最小角度26°。計算區(qū)共劃分網(wǎng)格總數(shù)20 729 個，計算節(jié)點10 884 個。

計算區(qū)河段數(shù)字高程模型網(wǎng)格圖見圖3，計算區(qū)河道模擬流場示意圖見圖4。

圖3 計算區(qū)河段數(shù)字高程模型圖

圖4 計算區(qū)河段流場模擬圖

3.2 模型率定及驗證

排污口斷面在2011年12月18日進行了流速、水位觀測，采用該實測流速、水位資料對水質模型進行對比分析驗證。模型的上邊界條件采用沙市水文站當日實測流量5 840 m3/s，下邊界水位采用同時段沙市水文站實測水位按長江水面比降推算得到，為27.63 m(黃海，下同)。

模擬結果與實測數(shù)據(jù)比較：排污口斷面處，水位模擬值28.48 m，與實測水位值28.47 m基本一致；距左岸50 m處流速模擬值0.63 m/s，與實測值0.58 m/s相差8.6%，距左岸80 m處流速模擬值0.86 m/s，與實測值0.86 m/s一致。模型計算成果與實測資料對比見表1。流速對比見圖5。

經(jīng)分析，模型模擬的水位、流速成果與實測數(shù)據(jù)基本吻合，說明本次設計的平面二維數(shù)學模型能較好地模擬所在長江河段的水流運動特性，可以用于河段的水質影響分析研究。

3.3 模型邊界條件

(1)邊界水文條件。項目排污口地處長江中游沙市河灣鹽卡至木沉淵段，排污口上游約35 km為引江濟漢工程取水口，取水口至排污口區(qū)間僅有虎渡河，模型上邊界條件采用引江濟漢工程取水口處考慮三峽調度后P=90%保證率最枯月平均流量5 480 m3/s。下邊界條件采用該流量對應下邊界處長江水位(由沙市站水位推算)，為27.56 m。

表1 模型驗證計算結果比較表

圖5 排污口斷面模擬流速與實測流速對比圖

(2)典型污染物指標。根據(jù)項目污水處理廠尾水所含污染物種類及長江水質特征，為充分論證污染物排放影響，選取COD、BOD5、NH3-N、苯胺類和六價鉻作為模型預測指標。

(3)背景濃度。背景濃度參考項目區(qū)長江河段蝦子溝、觀音寺水質監(jiān)測站水質監(jiān)測成果，COD的背景濃度為11.13 mg/L，BOD5為2 mg/L，NH3-N為0.23 mg/L，苯胺類和六價鉻沒有檢出。

(4)模型主要參數(shù)。模型中的河床糙率、橫向擴散系數(shù)和污染物衰減系數(shù)等主要參數(shù)根據(jù)率定試算得到，在模擬范圍不同區(qū)域擬定不同的值，主槽糙率取值范圍0.017～0.025，灘地平均糙率為0.030，橫向擴散系數(shù)為0.3 m2/s，模型中COD衰減系數(shù)取值0.15 /d，BOD5衰減系數(shù)取值0.18 /d，NH3-N衰減系數(shù)取值0.10 /d，苯胺類和六價鉻難以降解，衰減系數(shù)均取0。

(5)計算工況。根據(jù)污水處理廠現(xiàn)狀和擴建后、正常運行和事故運行條件下污水排放情況，擬定了以下4種工況進行計算：

工況1：現(xiàn)狀污水排放規(guī)模3.0 萬m3/d條件下，污水處理廠正常運行，入河污染物按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中一類A標準排放；

工況2：現(xiàn)狀污水排放規(guī)模3.0 萬m3/d條件下，考慮污水處理廠出現(xiàn)異常情況，污水處理效率極低或基本未處理，入河排放水質按照中環(huán)污水處理廠入廠水質考慮。

工況3：污水處理廠改擴建后，污水排放規(guī)模達到5.2 萬m3/d，污水處理廠正常運行，入河污染物按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中一類A標準排放；

工況4：污水處理廠改擴建后，污水排放規(guī)模達到5.2 萬m3/d，考慮污水處理廠出現(xiàn)異常情況，污水處理效率極低或基本未處理，入河排放水質按照中環(huán)污水處理廠入廠水質考慮。

各工況條件下中環(huán)污水處理廠入河污染物排放量及排放濃度見表2。

表2 各工況入河污染物排放量及排放濃度表

4 模擬結果分析

4.1 模型計算結果

采用MIKE 21模型對4種排污工況下的入河污染物擴散情況進行模擬，并對模型計算結果進行分析，采用項目所在長江河段水功能區(qū)水質管理目標Ⅱ類水質作為標準限值。各典型污染物Ⅱ類水質標準限值見表3。

表3 典型污染物Ⅱ類水質標準限值 mg/L

各工況下典型污染物擴散模擬影響范圍見表4，工況4條件下COD、BOD5、NH3-N擴散影響范圍模型見圖6～8。

工況1條件下，中環(huán)排污口維持現(xiàn)狀污水排放規(guī)模3.0萬m3/d，排污口正常運行時，COD、BOD5、NH3-N、苯胺類和六價鉻濃度超過Ⅱ類標準限值的范圍均小于模型計算網(wǎng)格精度范圍20 m，對所在江段水質基本無影響。

表4 各工況模擬入河污染物擴散影響距離表 m

圖8 工況4條件下NH3-N影響范圍

工況2條件下，中環(huán)排污口維持現(xiàn)狀污水排放規(guī)模3.0 萬m3/d，排污口事故運行時，污水直排入江，COD、BOD5、NH3-N下游擴散影響距離為808～2 239 m，橫向擴散影響距離為50～129 m，苯胺類和六價鉻濃度超過Ⅱ類標準限值的范圍均小于模型計算網(wǎng)格精度范圍20 m。

工況3條件下，中環(huán)排污口擴建后，污水排放規(guī)模達到5.2 萬m3/d，排污口正常運行時，COD、BOD5、NH3-N、苯胺類和六價鉻濃度超過Ⅱ類標準限值的范圍均小于模型計算網(wǎng)格精度范圍20 m，對所在江段水質基本無影響。

工況4條件下，中環(huán)排污口擴建后，污水排放規(guī)模達到5.2 萬m3/d，排污口事故運行時，污水直排入江，COD、BOD5、NH3-N下游擴散影響距離為894～3 118 m，橫向擴散影響距離為64～14 6m，苯胺類和六價鉻濃度超過Ⅱ類標準限值的范圍均小于模型計算網(wǎng)格精度范圍20 m。

從結果分析可知，中環(huán)污水處理廠排污口擴建后，正常運行工況對所在江段水質基本無影響，事故運行時，考慮污水未經(jīng)處理直排入江，對所在江段水質影響范圍也非常有限。因此，本排污口擴建工程不會對所在水功能區(qū)長江荊州觀音寺過渡區(qū)的水質產(chǎn)生明顯影響。

4.2 成果合理性分析

根據(jù)水質模型計算成果，中環(huán)排污口污染物排放對該江段水質影響范圍較小。考慮排污口所在長江荊州段枯水期流量較大，且本項目排污口位于長江彎道處急流沖刷江段，在江心洲與江岸間形成一處窄深河槽，水深與流速均比較大，導致入河污染物的擴散及濃度衰減速度較快，符合水 體擴散規(guī)律，計算成果是合理的。

5 結 語

本文采用MIKE 21水動力學模型，模擬長江中環(huán)排污口排放污水中COD、BOD5、NH3-N、苯胺類和六價鉻等典型污染物在長江中擴散情況，分析污染物排放對所在江段水質影響范圍和程度。分析工作的要點是采用實測水位、流量資料對模型進行驗證和參數(shù)率定，保證計算結果的精確度。結果表明MIKE 21水動力學模型對入河污染物在長江河段擴散模擬具有良好的適應性，能較真實地反映河段排污擴散情況，可作為入河排污口水質影響分析的評價依據(jù)。

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