強潮河段船閘下游排污口污染物擴散規律研究

汪彥 余杰 吳騰

摘 要：強潮河段潮流動力作用明顯，污染物的擴散規律復雜。以錢塘江口八堡船閘為研究對象，建立二維污染物擴散數學模型，研究典型不利條件下船閘下游污水處理廠排污口污染物擴散規律。研究結果表明，事故濃度下，枯水小潮時，污染物上溯的最遠距離為排污口上游4.7km范圍;枯水中潮時，污染物最上溯至排污口上游12.5km范圍;枯水大潮時，污染物最上溯至排污口上游12.5km范圍。不同條件下，污染物均能上溯至八堡船閘。該研究可為八堡船閘后期運行管理提供參考。

關鍵詞：強潮河段;數學模型;污染物;應急處理

中圖分類號：U641.1? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）03-0133-03

1概述

根據貨運量發展趨勢以及城市環境保護的要求，開辟京杭運河錢塘江溝通工程第二通道，新建八堡船閘已成為必然趨勢。八堡船閘位于錢塘江S型彎道段的凹岸。八堡船閘下游 1500m有七格污水處理廠排污口，對于錢塘江河口而言，潮動力占絕對主要的地位。感潮河段因受潮汐影響，水流流態和水質狀況非常復雜：水流在下泄過程中既受上游來流的影響，又受下游潮水的頂托作用;河流中的污水因潮汐漲落作用沿河道來回回蕩，滯留時間增加，加重了對沿途的水質影響[1-3]。因此該河段水流流場、污染物濃度場的變化較為復雜，排污口上下游會形成一定范圍的污染帶[4]。該排污口的污染物在潮流作用下能夠擴散至上游八堡船閘引航道，并可能經過船閘進一步擴散至上游河段。有學者采用Delft 3D水力水質數值模擬軟件對青義涪江特大橋施工過程中懸浮物濃度進行模擬，得到不同施工方案下該區域的濃度場，為施工方式選擇提供了參考依據[5]。類似的研究也在京滬高鐵雙排筑壩圍堰施工和鋼棧橋施工兩種施工方案中進行了開展，研究結果工程圍堰施工起到很好的指導作用[6]。

八堡船閘為新建船閘，該區域為強潮河口區，為了使水污染事故造成的環境災害減小到最低程度，有必要對水污染事故造成的污染水體的遷移進行時空預測與模擬分析[7]，為行政主管部門制定管理應變決策提供科學依據。開展下游七格污水處理廠排污口污染物擴散研究顯得尤為迫切。對于此類典型強潮河口中潮動力對于污染物稀釋擴散作用的探討，不僅豐富了潮汐河口的相關研究理論，也可為潮汐河口水環境治理和水資源利用提供科學依據。研究感潮河段的水動力和污染物輸移轉化規律具有重要的理論意義和實用價值。

2模型的建立與驗證

2.1基本方程

守恒型二維淺水方程與對流擴散方程耦合的矢量表達式為[8]：

2.2 模擬區域

錢塘江聞家堰以上為近口段，河流徑流作用為主，聞家堰至澉浦間為河口段，徑流、潮流互相作用。澉浦以下為口外海濱。在本研究中，平面二維大范圍數學模型的上邊界在聞家堰，下邊界在澉浦，網格采用曲線正交網格，網格布置如圖1所示。圖2為排污口和八堡船閘位置圖。計算域內的網格布設考慮水流、地形梯度的差異，對船閘口門區域的計算網格作進一步加密，以便更好地反映該區域水流特征，保證流場模擬精度。

2.3模型的驗證

模型驗證資料為2009年5月21日至5月31日實測潮位站點資料，驗證站點包括七堡、倉前、鹽官潮位資料。潮位驗證過程如圖3所示。給出了倉前、七堡、鹽官的實測潮位資料與模型模擬計算值的對比結果，模擬值與實測值符合良好，可為水質模型提供良好的水動力學條件。

3污染物擴散條件的選取

3.1典型水動力條件

模型工況主要考慮在不同流量情況下，下游不同潮位過程的工況組合。本研究主要關注在于污染物上溯到八堡船閘的可能性。因此，這里并不考慮極端洪水情況，例如五十年一遇或是一百年一遇這樣的極端洪水。因為在這些極端洪水情況下，污染物上溯的可能性很小。模擬區域上下游邊界均為2009年實測水位邊界。針對不同上游流量，這里選取了洪季（5月）、平季（8月）、枯季（12月）三個月份，分別對這三個月份進行模擬，每個月份包括了大、中、小潮。分別提取數據進行分析。

3.2污染物排放條件

參考浙江省人民政府批準發布DB33/2169-2018《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》省級強制性地方標準。其中，現有污水處理廠的排放限制為不超過40mg/L，將來新建污水處理廠不超過30mg/L。這里的COD是指重鉻酸鉀指數，而非高錳酸鉀指數，重鉻酸鉀指數一般大于高錳酸鉀指數。七格污水處理廠為已建工程，故取不超過40mg/L為排污口COD 濃度。七格污水處理廠已有污水處理能力（包括一、二、三期）為日處理污水120萬噸，目前已建成四期處理能力為30萬噸，合計150萬噸每天，換算成流量為17.36m3/s。上述為本模型七格污水處理廠排污口COD排放流量和濃度設置參數。

4八堡船閘下游排污口污染物擴散規律

圖4、5、6分別顯示了枯水小潮、中潮、大潮條件下完整潮周期污染物最大濃度增量分布。最大濃度增量分布顯示了在模擬空間一個完整潮周期內污染物濃度最大變化范圍。最大污染物濃度增量分布顯示了污染物濃度分布隨時間變化的特征，其空間分布范圍要比平均濃度分布范圍要更廣。圖4顯示了枯水小潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布。相比枯水小潮完整潮周期污染物平均濃度分布，污染物最大濃度增量分布的上游范圍上溯至排污口上游4.7km范圍。靠近排污口污染物最大濃度增量最大，隨著距離排污口越遠，污染物最大濃度增量減小。同時在下游15.5km至22.2km范圍的污染物最大濃度增量出現一個高峰，顯示出污染物的外移過程。圖4中一個值得注意的現象是在排污口附近的污染物最大濃度增量存在向上游擴散的趨勢。這一現象在局部放大圖中看得更為清晰。在該圖中，八堡船閘附近的COD濃度達到2.1mg/L，該區域比八堡船閘對岸以及上游丁壩群的污染物最大濃度增量要高，顯示了在枯水期潮動力作用使得污染物上溯的可能性。

圖5顯示了枯水中潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布。相比枯水中潮完整潮周期污染物平均濃度分布和枯水小潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布，枯水中潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布的上游范圍上溯至排污口上游12.5km范圍。靠近排污口污染物最大濃度增量最大，隨著距離排污口越遠污染物最大濃度增量減小。同時在下游10.7km至18.4km范圍的污染物最大濃度增量出現一個極低值區域，其值在0附近，而在對應的枯水中潮完整潮周期污染物平均濃度分布中，該區域值在1.8mg/L附近。這兩者的不同顯示出在該區域的污染物濃度分布較為穩定，污染物濃度分布在潮周期內基本不隨時間變化。在該區域下游，污染物最大濃度增量開始增加，顯示出污染物的外移過程。相比枯水小潮，圖5中完整潮周期污染物最大濃度增量分布，隨著潮動力作用的增強，污染物最大濃度增加范圍也進一步上溯。其中，八堡船閘以及上游附近的COD 濃度達到2.2mg/L，相比枯水小潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布上溯范圍和濃度都相應增加，顯示了潮動力作用使得污染物上溯的可能性增加。

圖6顯示了枯水大潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布。相比枯水大潮完整潮周期污染物平均濃度分布和枯水中潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布，枯水大潮污染物最大濃度增量分布的上游范圍上溯至排污口上游12.5km范圍。靠近排污口污染物最大濃度增量最大。與枯水中潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布類似之處在于，在下游10.5km至17.4km范圍的污染物最大濃度增量出現一個極低值區域，其值在0附近，對應的枯水大潮完整潮周期污染物平均濃度分布中，該區域值在2.7mg/L附近。其原因與枯水中潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布類似，在于該區域的污染物濃度分布較為穩定，污染物濃度分布在潮周期內基本不隨時間變化。在該區域下游，污染物最大濃度增量開始增加，顯示出污染物的外移過程，該區域在大缺口附近出現局部最大值。相比枯水小潮和中潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布，圖中污染物上溯現象更為顯著。此時，污染物的最大濃度增加在排污口上游比下游還大。說明隨著潮動力作用的增強，污染物最大濃度增加范圍上溯更為顯著。其中，八堡船閘以及上游整體丁壩群附近的COD濃度達到2.5mg/L，相比枯水小潮和中潮完整潮周期污染物最大濃度增量分布上溯范圍和濃度都相應增加，突出顯示了潮動力在污染物上溯過程中的重要作用。

5結論

在枯水條件下八堡船閘下游排污口污染物具有上溯的可能性。事故濃度下，枯水小潮時，污染物上溯的最遠距離為排污口上游4.7 km范圍，下游15.5km至22.2km范圍的污染物最大濃度增量出現一個高峰;枯水中潮時，污染物最上溯至排污口上游12.5km范圍，下游10.7km至18.4km范圍的污染物出現峰值;枯水大潮時，污染物最上溯至排污口上游12.5km范圍，在下游10.5km至17.4km范圍的污染物最大濃度。八堡船閘后期管理運行過程中，應考慮下游排污口污染物上溯的影響，制定對應的應急處理措施。

參考文獻：

[1]何振強，方詩標，陳永明.錢塘江感潮河段污染物遷移擴散數值分析[J].環境科學學報，2017，5，57-62.

[2]劉坤，楊正宇.MIKE軟件在水體富營養化研究中的應用[J].給水排水，2009，35（s1），456-459.

[3]盧士強，林衛青，徐祖信.蘇州河環境整治二期工程水質影響數值模擬[J].長江流域資源與環境，2006，15，228-231.

[4]唐永鑾.珠江干流的湍流擴散和彌散過程及其模擬.水利學報，1985，8，42～50.

[5]張樂嫣.青義涪江特大橋施工對濃度場影響模擬研究[D].西南交通大學.2012.

[6]席英偉，付永勝.京滬高速鐵路跨陽澄湖特大橋不同施工方案SS濃度場模擬研究[J].四川環境，2012，31，12-16.

[7]姚炎明，李佳，周大成.錢塘江河口段潮動力對污染物稀釋擴散作用探討[J].水力發電學報，2005，24，99-104.

[8]趙棣華，戚晨，庾維德，等.平面二維水流-水質有限體積法及黎曼近似解模型[J].水科學進展，2000，11（4）：368-374.

基金項目：浙江省交通運輸廳科技計劃項目（編號2020015）。