二維水動力水質模型在入河排污口設置中的應用

楊 麗，范楊臻，閆偉偉，解凌飛

（1.湖北省水利水電科學研究院 湖北省水利水電科技推廣中心，武漢 430070；2.湖北省水利水電規劃勘測設計院，武漢 430064）

0 引言

開展水污染綜合防治和水環境規劃管理是目前河湖水環境治理亟需解決的重要任務，而采用水動力-水質數值模型進行模擬是開展這類任務的重要依據[1，2]。目前水動力-水質模型的研究及應用已經涉及廣泛的水污染控制的實際問題。

水動力水質模型已應用于排污口布設、污染物遷移過程、水環境質量評價等河湖水環境保護的各個方面。李娜等[3]采用MKE21模擬了上游污染物排放對城市取水口的影響時間和影響程度；黃瑞等[4]采用二維水動力模型對長江溢油事故進行了數值模擬預測；黃燕等[5]采用二維水質模型模擬了不同排污口位置對河道水質的影響；鮑自力等[6]采用二維水質模型，計算多個排污口對長江馬鞍山段水質的影響。 本文采用二維水動力水質模型（MIKE21），以黃石市大冶工業廢水收集處理系統入江排污口為例，對污水處理廠在正常排污工況和事故排污工況兩種情形下污染物在長江中的輸移過程進行量化預測，為區域水污染防治和水污染綜合防治提供參考。

1 研究區域概況

論證排污口位于黃石市棋盤州，四大家魚保護區下游50 m 處，牯牛洲洲尾下游約1.3 km 處，韋源河口下游約2.4 km 處，新港排污口上游約7.6 km處。二維模型計算上邊界為韋源河河口，下邊界為陽新縣黃顙口鎮長江取水口，全長17.5 km，項目分析論證范圍示意圖見圖1。區域水功能區劃情況：排污口上游為長江黃石開發利用區（二級水功能區為長江黃石西塞山飲用水源、工業用水區），水質管理目標為Ⅲ類；排污口所在區域為長江黃石～陽新保留區（右岸），水質管理目標為Ⅲ類。

本文主要對大冶市工業廢水收集處理系統近期規模3.25 萬m3/d 進行論證。黃石市汪仁污水處理廠、河西污水處理廠、大冶有色金屬有限公司和大冶市工業廢水收集處理系統排江尾水共用一個排污口排入長江。

2 計算方案及模型構建

采用MIKE21水動力水質數值模型預測排污口在設計水文條件下不同入河污水排放方案對長江水質的影響范圍。根據該排污口的污染物排放特征，結合環境影響評價相關指標，選取COD、NH3-N作為評價因子分析評價。

2.1 計算方案

通常情況下，枯水季節是天然河道中污染物擴散最不利的時期，河流的水質問題一般出現在枯水期。考慮到長江水文特征及三峽水庫的建成運行，本文選用三峽水庫開始運行后最枯月平均流量作為設計流量，計算在正常工況和非正常工況下污水處理廠尾水排江對長江水質的影響范圍。

2.2 二維水動力水質模型

污染物輸移模擬是建立在水動力模擬成果的基礎上，本文的水動力模擬基于Navier-Stokes 方程，由連續性方程和動量方程組成；污染物的輸移模擬基于對流擴散方程。

2.2.1 二維水動力方程

式中：u、v分別為x、y方向的流速速度，m/s；z為水位，m；h為水深，m；f為科氏力系數，f=2Ωsinθ，其中Ω為地球旋轉的角頻率；θ為當地緯度；γt為紊動黏性系數，m2/s。

2.2.2 二維對流擴散方程

式中：Ci水體中污染物的濃度（mg/L）；Kx、Ky分別為污染物在x、y方向上的擴散系數，m2/s；kd污染物的降解系數，1/s；Sm為排放負荷量。

2.3 模型構建

2.3.1 計算范圍

黃石市大冶工業廢水入江排污口主要對長江黃石、武穴保留區水質可能產生影響，考慮到該排污口上游還有支流韋源河入江，且下游約7.6 km處有黃石新港物流園區污水處理廠入河排污口。因此，二維模型計算上邊界為韋源河河口，下邊界為陽新縣黃顙口鎮長江取水口，全長17.5 km。

2.3.2 計算網格

綜合考慮排污口所處河段的河道河勢、可能影響的范圍及水文資料等因素，依據長江干流的水下地形，對計算范圍內河段采用非結構網格進行剖分。其中，排污口上游1 km，下游5 km 河段的三角形網格面積控制在100 m2內，其余部分三角形網格面積控制在1500～10 000 m2范圍內，共產生43 458個三角形網格（見圖2）。

2.3.3 模型初始邊界條件及參數率定

上游邊界條件選用2003 年三峽水庫運行以來近10 年最枯月平均流量8582 m3/s 作為設計流量，下游水位邊界采用黃石水位站對應水位，按比降推算為8.180 m，COD、NH3-N 背景濃度分別取排污河段長江水質監測值10.00、0.17 mg/L。

模型中的主要參數參考相關報告和文獻中的取值，并通過率定對各個參數進行調整。模型率定采用2016年11月3～4日排污口上游500 m至下游1500 m 的實際監測結果，模型率定成果見表1。由表1 可知，模型實測值與計算值的誤差均在可接受范圍內，表明模型選擇的計算參數較為合理。通過實測值對模型率定，最終確定模型糙率取值范圍為0.018～0.030，COD、NH3-N 降解系數分別為0.18、0.12 d-1，水平擴散系數與水平渦粘度相關聯，擴散系數隨流場的變化而改變。

表1 流速與污染物濃度實測值與計算值對比表

3 模擬成果與分析

3.1 組合工況

結合污水處理廠的排污特性，按照正常排污和非正常排污兩種工況進行計算。

（1）正常排污工況是指污水處理廠正常運行，排污口尾水滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A標準，COD、NH3-N排放濃度分別為50、5 mg/L。

（2）非正常排污工況是指污水處理廠設施發生故障，不能正常處理污水，排污口尾水濃度為污水處理廠接管濃度。在實際情況中，雖然該類事件發生的概率極小，但存在可能性。當污水處理廠設施發生故障，業主應啟用應急預案，污水應進入應急池，并通知用水企業停產，迅速組織搶修，待污水處理設施恢復正常后，處理達標后再排放，防止發生非正常排污工況。非正常排污工況COD、NH3-N排放濃度分別按202.23、35.91 mg/L計算。

排污口上游有支流韋源河匯入，且下游7.6 km有黃石新港污水處理廠退水，因此，尾水排江需要考慮疊加排污的影響。韋源河排江負荷采用韋源河河口水質監測成果，流量為13.29 m3/s，COD、NH3-N濃度分別為30.00、0.65 mg/L。汪仁、河西、大冶市工業廢水收集處理系統和大冶有色金屬有限公司排江尾水共用一個排污口排入長江，排放形式為岸邊排放，規劃近期排污量分別為6 萬t/d、3 萬t/d、3.25萬t/d、0.5萬t/d，故本排污口規劃近期排污量為12.75 萬t/d，即1.476 m3/s；黃石新港規劃近期排污量為2萬t/d，即0.231 m3/s。根據上述污染源的統計數據及排污方案的組合，各計算工況參數見表2。

表2 各計算工況參數表

3.2 模擬成果

不同排污工況COD 和NH3-N 的擴散情況見圖3～圖6和表3。由圖3～圖6和表3可知：

表3 COD和NH3-N影響范圍統計表

（1）正常排污工況。COD在排污口下游1 864.7 m×124.1 m處摻混均勻，河道恢復背景濃度；NH3-N在下游1 934.7 m×324.1 m處摻混均勻，河道恢復背景濃度，未形成明顯的污染物帶。

（2）非正常排污工況。COD 在排污口下游

4 759.7 m×515.9 m處摻混均勻，河道恢復背景濃度；NH3-N在下游6 386.9 m×619.2 m處摻混均勻，河道恢復背景濃度。

3.3 排污口對水功能區水質影響分析

根據《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）規定的不同水質的濃度限值，排污口在正常排污和非正常排污兩種工況下排污的影響范圍見表3。

排污口所在水功能區為長江黃石、武穴保留區，水質管理目標為Ⅲ類。結合圖3～圖6及表3，在正常排污工況下，排污口下游未形成超過Ⅲ類水質的污染帶，對水功能區水質無明顯影響。在非正常排污工況下，COD在排污口附近形成53.6 m×33.7 m的超Ⅲ類水污染帶，在排污口下游184.9 m×62.3 m處恢復Ⅲ類水質；NH3-N 在排污口附近形成249.5 m×41.2 m 的超Ⅲ類水污染帶，在排污口下游374.1 m×69.4 m 處恢復Ⅲ類水質。非正常工況下對下游河道水質有一定影響，但未顯著改變水功能區水質。

3.4 排污口對下游取水戶的影響分析

排污口下游14.9 km 有黃顙口鎮長江取水口。經模擬計算，本排污口雖然基本不會對下游取水口造成影響，但當發生非正常排污時，應將下游黃顙口鎮長江取水口作為重點保護對象，加強取水口附近水域的水質監測。

4 結論

本文通過建立二維水動力水質模型，對黃石市大冶工業廢水收集處理系統入江排污口正常排污工況和非正常排污工況開展模擬計算，分析了污染物對該區域水環境的影響程度。在正常排污工況下，本排污口對區域水質無明顯影響；在非正常排污工況下，排污口對下游河道水質有一定影響，但未顯著改變水功能區水質。