入河排污口设置论证常用数学模型探讨

(四川省水文水资源勘测局，成都，610036)

在开展项目环境影响评价或入河排污口设置论证工作中，对入河排污口设置影响分析时，分析拟建项目对水环境的影响，常采用数学模型法预测废污水入河后对河道的影响范围及程度。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属、不易降解的有毒有机物、放射性物质等；非持久性污染物是在环境中受沉降、吸附、微生物等外界环境作用下，易发生形态间的相互转化，物理化学性质易发生变化的污染物，如废污水中主要污染指标化学需氧量、生化需氧量、氨氮、总磷、总氮等均属此类。不同性质的污染物，排入河道后其污染物的分布特征、影响范围和程度不同，因此，预测模型会有所不同。

1 常用数学模型研究

1.1 混合过程段长度估算

(1)HJ 2.3-2018计算公式

在《环境影响评价技术导则 地表水环境》(HJ 2.3-2018)中提出了排污口废污水入河后混合过程段长度估算公式：

(1)

式中：Lm——混合段长度，m；

B ——水面宽度，m；

a——排放口到岸边的距离，m；

u——断面流速，m/s；

Ey——污染物横向扩散系数，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；

其余符号同前。

(2)HJ 2.3-1993计算公式

在《环境影响评价技术导则 地表水环境》(HJ 2.3-1993)中，排污口废污水入河后混合过程段长度估算公式如下：

(3)

式中各符号同前式(1)、式(2)。

在入河排污口设置实际事例中，为满足监督检查需要，按环保要求，入河排污口应设置为明管明排或明渠明排，潜没和河中排放方式一般不予允许，因此，较多入河排污口设置在岸边，此时排污口与岸边距离为0，故：

公式(1)简化为：

(4)

公式(3)简化为：

(5)

1.2 废污水入河后污染物浓度分布

在分析中一般采用一维、二维模型计算污染物浓度的分布。

1.2.1 一维模型

在《环境影响评价技术导则 地表水环境》(HJ 2.3-2018)中一维模型中引入了简化、分类判别条件a(O′Connor数)和Pe(贝克来数)。

(6)

(7)

当a≤0.027、Pe≥1时，对流降解模型为：

(8)

当a≤0.027、Pe<1时，对流扩散降解模型为：

(9)

(10)

1.2.2 二维恒定均匀河流模型

(1)二维模型浓度分布公式

在《环境影响评价技术导则 地表水环境》(HJ 2.3-2018)中二维模型考虑岸边反射影响的宽浅型平直恒定均匀河流，离岸点源稳定排放的浓度分布公式为：

(11)

而在环境系统分析(高等教育出版社)中，宽浅型平直恒定均匀河流，岸边点源稳定排放的浓度分布为：

(12)

式中：C0——起始断面背景浓度，mg/L；

C(x，y)——排污口下游x(m)断面污染物浓度，mg/L；

K——污染物综合衰减系数，1/s；

C污——排污口污染物排放浓度，mg/L；

Q污——排污口废水排放量，m3/s；

ux——设计流量下污染带内纵向平均流速，m/s；

H——设计流量下污染带起始断面平均水深，m；

Ey——横向扩散系数，m2/s；

B——河宽，m；

x——计算点距排污口距离，m；

n——反射次数。

比较上面公式(11)和公式(12)，公式(11)未考虑排污口下游河道内自身污染物降解，对岸反射亦只考虑1次。

(2)污染带最大长度Lm

在不考虑降解和对岸反射时，岸边排放的超标污染带最大长度Lm计算公式如下：

(13)

式中：Cs——划定超标污染带分界的目标浓度，m/s；

Ey——横向扩散系数，m2/s；其余同上。

(3)污染带最大宽度Bm

在不考虑降解和对岸反射时，岸边排放的超标污染带最大宽度Bm计算公式如下：

(14)

公式符号同上。

(4)羽流宽度和羽流混合区平均浓度

羽流指废污水入河后，在河道内形成的高于河道本底浓度5%的污染带，羽流宽度指废污水入河后在排污口下游不同距离所形成的该条污染带的最大宽度。《入河排污口设置论证报告技术导则》(征求意见稿)中，采用混合区模型STREAMIX I预测羽流宽度和羽流区污染物平均浓度。

羽流宽度公式如下：

(15)

混合区平均浓度公式如下：

(16)

C0——排污口上游背景浓度，mg/L；

Q——河道流量，m3/s；

Bmix——羽流宽度，m。

其余符号同前。

2 入河排污口设置对水域影响应用实例

本次以天府新区彭山青龙生活污水处理厂入河排污口设置为例，分析不同数学模型情况下入河排污口设置后影响范围特征值。

天府新区彭山青龙生活污水处理厂位于眉山市彭山区青龙镇，金马河下游段，锦江入岷江汇口上游约8km处，该污水处理厂规模为5000m3/d，排放执行标准为《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》(DB 51/2311-2016)城镇污水处理厂标准。毗邻的青龙工业园区污水处理厂处理规模为10000m3/d，排放执行标准为《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》(DB 51/2311-2016)工业园区污水处理厂标准。两座污水处理厂业主和运营单位相同，处理后达标尾水经消毒和计量后，再混合接入同一根尾水管，将尾水输送至岷江右岸后，排入岷江。

2.1 充分混合所需河段长度

根据污水处理厂入河排污口所在河段流量、流速、平均水深和河道比降等数据，尾水入河后与河道水体达到充分混合所需长度如表1。

表1尾水入河后与河道水体充分混合所需长度及时长

从上表可以看出，两个公式的计算结果，混合所需长度相差20.5%。

2.2 二维模型排污口下游影响范围分析

2.2.1 排污口断面河道污染物背景浓度

在入河排污口上游约1.09km袁河坝、入河排污口下游约2.91km吴河坝处各设立了水功能区常规水质监测断面，实行间月监测。在袁河坝至入河排污口之间无其他排污口、无支流河流汇入，岷江(金马河)右岸建有堤防，左岸为自然水域岸线。因此，可采用排污口上游袁河坝监测数据作为排污口断面背景浓度。本次选择高锰酸盐指数、氨氮、总磷作为分析评价因子，两断面2018年1月-2019年1月数据如下表2。

表2袁河坝、吴河坝水质监测数据

本次以2018年1月-2019年1月的平均值作为排污口断面背景浓度值。因袁河坝和吴河坝两断面化学需氧量均未检出(<15mg/L)，自然水体中一般CODCr/ CODMn=2.5mg/L～3.5mg/L，本次按3.5mg/L取值，背景浓度CODCr为11.3mg/L。

青龙园区污水处理厂和青龙生活污水处理厂正常工况和非正常工况情况下，排放河道的污染物浓度见表3。

表3尾水入河浓度计算表

2.2.2 污染物综合衰减系数

污染物综合衰减系数实测法一般在分析河段选取河道顺直、水流稳定、中间无支流汇入、无排污口的河段，分别在河段上游(A点)和下游(B点)布设采样点，监测污染物浓度值，并同时测验水文参数以确定断面平均流速。综合衰减系数(K)按下式计算：

式中：u——设计流量下河道断面的平均流速，m/s；

ΔX——上下断面之间距离，m；

CA——上断面污染物浓度，mg/L；

CB——下断面污染物浓度，mg/L。

因青龙生活污水处理厂拟设置在岷江的入河排污口还未启用。袁河坝～吴河坝河段自2015年开始监测以来均无排污口，亦无支流汇入，两断面采样日期相同，仅采样时间不同，从2015年7月至2019年1月共有21个测次，只是每个监测日未对当时流速进行测量，其流速采用曼宁公式推求。2015年7月-2019年1月期间数据如下表4。

表4岷江袁河坝—吴河坝河段综合自净系数推算表

由于实验室测量误差、环境温度等影响，通过各次监测数据计算的综合自净系数差异较大，以各次监测数据计算的综合自净系数均值与通过浓度均值计算的值总体差异不大。以各次监测值计算的综合自净系数均值作为预测值。

2.2.3 尾水入河后污染带最大长度与最大宽度

计算污染带最大长度和最大宽度，需先确定超标污染带边界浓度，达多大时为超标。一般在入河排污口设置论证中，以水功能区水质管理目标为取值标准。青龙生活污水处理厂入河排污口所在河段水功能区为岷江彭山、眉山开发利用区内的岷江彭山眉山袁河坝过渡区，水质管理目标为Ⅲ类，因此，判定超标污染带的边界污染物浓度按地表水Ⅲ类确定。根据入河排污口尾水量、排放浓度及河道内流量及背景浓度，按上文公式(13)、公式(14)计算，其污染带最大长度和宽度如下表5。

表5退水入河后形成的超标污染带最大长度和宽度计算

2.2.4 二维模型排污口下游污染物浓度分布

本次按公式(11)、公式(12)分别对污水处理厂正常排放情况下，入河排污口下游污染物浓度进行预测，按公式(11)预测结果见表6～表8；公式(12)预测结果见表9～表11。

表6正常排放入河排污口下游CODCr浓度分布

注：x=10.1m为CODCr超标污染带最大长度；y=1.66m为CODCr超标污染带最大宽度。

表7正常排放入河排污口下游NH3-N浓度分布

注：x=9.0m为NH3-N超标污染带最大长度；y=1.56m为NH3-N超标污染带最大宽度。

表8正常排放入河排污口下游TP浓度分布

注：x=1054.2m为TP超标污染带最大长度；y=16.96m为TP超标污染带最大宽度。

表9正常排放入河排污口下游CODCr浓度分布

注：x=10.1m为CODCr超标污染带最大长度；y=1.66m为CODCr超标污染带最大宽度。

表10正常排放入河排污口下游NH3-N浓度分布

注：x=9.0m为NH3-N超标污染带最大长度；y=1.56m为NH3-N超标污染带最大宽度。

表11正常排放入河排污口下游TP浓度分布

注：x=1054.2m为TP超标污染带最大长度；y=16.96m为TP超标污染带最大宽度。

从上表对比分析可以得出，因公式(11)在计算排污口下游污染物浓度时，未考虑河道内污染物降解，预测浓度比公式(12)计算值偏高，以污染带最大长度、最大宽度计算的污染物浓度与判定超标污染带边界浓度最接近。在排污口下游距离越远，公式(12)的超标污染带最大长度越小，如总磷，按公式(11)计算，超标污染带最大长度已大于76.79km，而公式(12)计算结果，在排污口下游12.0km处总磷浓度达到地表水Ⅲ类，即污染带最大长度为12.0km，远小于公式(11)计算值。

由于公式(11)未考虑河道内污染物降解，在排污口下游污染物计算浓度理论上将一直高于排污口背景浓度。

2.2.5 羽流宽度及混合区平均浓度

按公式(14)、公式(15)计算羽流宽度及混合区平均浓度，其值见表12。

表12排污口下游污染带羽流宽度及混合区平均浓度

排污口下游距离(m)羽流宽度(m)羽流混合区平均浓度正常事故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 结语

入河排污口设置对水环境的影响，按不同公式和数学模型计算，其影响范围差异较大，特别是尾水入河后污染物降解至排污口上游背景浓度所需河段长度，不同数学模型所计算的结果，其差异最为明显。建议入河排污口下游污染物浓度预测，若采用宽浅河流二维数学模型时，充分考虑河道内污染物自身降解作用。为验证预测结果的准确性，在青龙镇生活污水处理厂入河排污口正式投用后，开展尾水入河量、污染物入河浓度和岷江河道流速、流量的同步跟踪监测。