排污口设置对感潮河段水环境影响研究

肖 洵，逄 勇，2，刘一童，胥瑞晨

(1.河海大学环境学院，南京 210098；2. 河海大学 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，南京 210098)

1 引 言

尽管目前长江流域水资源开发利用程度还不高，总体水质尚可，但也面临着水污染的严峻挑战[1]。水利部下达给长江流域的“三条红线”管理目标中规定长江流域水功能区水质达标率2020年应达到87%[2]。随着长江流域水资源和水能资源开发利用程度不断提高，生态环境保护的压力进一步增大。为实现流域社会经济可持续发展，必须加强对入河排污总量控制监督[3]。在满足水功能区(或水域)保护要求的前提下，分析论证入河排污口设置对水功能区、水生态和第三者权益的影响，提出水资源保护措施，优化入河排污口设置方案是必不可少的[4]。

水质数学模型描述了污染物在水体中的迁移转化，用于研究水体的污染、自净过程并进行水质的模拟预测，是水体污染防治以及水环境管理的重要工具。水质数学模型建立在水动力模型的基础上。排污口设置论证一般采用一维水质模型和完全混合模型进行水环境影响预测，但是由于长江感潮河段的特殊性，其污染物影响预测应考虑到潮流、潮波的影响。故本文采用二维非稳态水质水动力模型，以滨江污水处理厂排污口设置为例,考虑最不利情况以及感潮河段潮流、潮波的影响，对泰兴滨江排污口设置方案进行分析论证，优化排污口设置，从而尽量降低污染物排放对长江水环境的影响。

2 研究方法

水动力模型的建立是进行污染预测的根基。流动动力学模型可以分为一维、二维以及三维模型。一维模型主要用于大流域情形下繁杂河网的数值模拟[5]，二维模型主要适用于可以忽略成层作用的湖泊、河流、河口等的数值模拟[6]。三维模型用于模拟复杂流体动力条件下沉积物的状态。本文主要是河流污染物扩散的模拟，因此本文采用二维非稳态水质水动力模型,对排污口对第三方的影响进行预测分析[7-8]。

2.1 水动力模型基本方程

笛卡尔坐标系下二维水动力控制方程是不可压流体三维雷诺Navier-Stokes平均方程沿水深方向积分的连续方程和动量方程，可用如下方程表示[9]：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

(3)

横向应力Tij包括粘滞阻力、紊流摩擦阻力和差动平流摩擦阻力，可用垂向流速平均的涡粘方程来计算：

(4)

2.2 水质模型基本方程

水质方程是以质量平衡方程为基础的。采用垂向平均的二维水质模型。二维水质输移方程为：

(5)

式中：Ci—污染物浓度；U、V—x、y方向上的流速分量；Ex、Ey—x、y方向上的扩散系数；Ki—污染物降解系数；Si—污染物底泥释放项。

3 泰兴市滨江污水处理厂情况及排污口方案设置

3.1 泰兴市滨江污水处理厂概况

泰兴滨江污水厂为已建项目，厂址位于长江泰兴工业、农业用水区旁[10]。泰兴市滨江污水处理厂的污水主要来源于泰兴城区(主要是滨江镇)生活用水，排水规模为11万t/d，经中水回用后实际外排量合计9.5万t/d。

3.2 周边敏感目标

根据对评价区域的调查及现场实地查勘，确定研究水域内水环境保护目标共2个，分别为上游的滨江水厂工业用水取水口和下游的芦坝港断面(芦坝港断面位于长江泰兴天星洲保留区与长江泰兴工业、农业用水区交界处)。水环境保护目标位置示意图见图1，保护目标基本情况见表1。

表1 论证范围内水保护目标基本情况统计表Tab.1 Statistical of basic situation of water protection targets within the argumentation scope

图1 研究区域水功能区划及敏感目标位置分布Fig.1 Water function zoning and location map of sensitive targets in the study area

3.3 排污口方案设置

为保障污水进入长江前达到GB3838-2002《地表水质量标准》Ⅳ类水质标准，滨江污水处理厂项目方拟建一处生态湿地，拟建排污口通过地埋式管道接入沿江大道东侧的人工湿地处理后尾水达到地表水Ⅳ类水质标准后由内河再进入长江泰兴工业、农业用水区。考虑到滨江污水处理厂位置以及与沿江大道交叉的河道有洋思港、新段港和友联中沟3个，为了尽量降低污染物排放对长江的影响，故拟设置以下3个排污口建设方案进行分析比选：方案一，污水处理厂尾水经地埋式管道在洋思港与沿江大道交汇处排入沿江大道东侧人工湿地处理后排入新段港和友联中沟；方案二，污水处理厂尾水经地埋式管道在新段港与沿江大道交汇处排入沿江大道东侧人工湿地处理后排入新段港和友联中沟；方案三，污水处理厂尾水经地埋式管道在友联中沟与沿江大道交汇处排入沿江大道东侧人工湿地处理后排入新段港和友联中沟。

排污口方案设置、生态湿地位置详见图2。

4 水环境数学模型构建

4.1 模型计算区域及计算条件

本次拟构建长江(马鞍山-堡镇段)二维非稳态水量水质数学模型。模型的水下高程利用南京-堡镇长江实际地形图(CAD总体平面图)、马鞍山-南京航道地形图的地形数据。

图2 泰兴滨江污水厂排污口设置方案比选Fig.2 Comparison and selection of sewage outlet setting scheme of Taixing Binjiang wastewater treatment plant

模型计算时间步长为△t=300s，计算总时长为30d。

根据水文年鉴中2013年12月大通逐日平均流量资料作为上边界。水文年鉴中2013年12月堡镇站、灵甸港站水位资料作为下边界。以Ⅱ类水作为长江水质边界。初始水位取水位年鉴资料平均水位，为2.5m。起始时刻流速设为0。

在模型计算时，将模型划分三角形网格，模型计算范围见图3。

图3 模型计算范围Fig.3 Model calculation range chart

4.2 模型率定验证

工程考虑最不利枯水期条件下，选取2013年12月21～31日在南京站、镇江站2个水文站监测资料，对模型水动力进行率定。根据率定得到长江河道主槽糙率高度的取值范围定为0.010～0.02；风拖曳系数为0.001～0.001 5；各水文站的水位计算结果与实测值对比结果见图4、图5。

选取2013年12月21～31日在营船港站、崇西闸站2个水文站监测资料，对模型水动力进行验证，水文站的水位计算结果与实测值对比结果见图6、图7。模型计算结果的水位绝对误差最大为19cm，因此本次所建模型能够较好的适用于计算区域的水动力模拟。排污口周围涨急、落急流速计算结果图见图8、图9。

图4 南京站计算值与实测值对比Fig.4 Comparison of calculated and measured values of Nanjing Hydrological Station

图5 镇江站计算值与实测值对比Fig.5 Comparison of calculated and measured values of Zhenjiang Hydrological Station

图6 营船港站计算值与实测值对比Fig.6 Comparison of calculated and measured values of Yinchuangang Hydrological Station

图7 崇西闸站计算值与实测值对比Fig.7 Comparison of calculated and measured values of Chongxizha Hydrological Station

图8 尾水入江处局部流场(涨急)Fig.8 Partial flow field map of tail water into the river under the time when the speed of the rising tide reaches its maximum

图9 尾水入江处局部流场(落急)Fig.9 Partial flow field map of tail water into the river under the time when the ebb tide speed reaches its maximum

4.3 模型计算方案

考虑泰兴市滨江污水处理有限公司经中水回用后实际外排污水量合计9.5万 t/d。排水通道分别有新段港以及友联中沟2处，故模型按不同入江通道进行水量分配，考虑最不利情况，对污水处理厂正常排放工况和事故排放工况进行水环境影响预测[11]。

(1)预测因子

根据水污染物排放识别的变化情况及纳污水体水质控制因子[12]，确定污水厂正常排放时，水环境影响预测因子为：COD、氨氮、总磷。

(2)设计水文、水质条件

结合现有对长江口潮汐特征[13]，取90%水文保证率作为计算的边界水文条件[14]。取长江水功能区边界水质Ⅱ类水质浓度作为边界水质条件[9]。

(3)预测方案

工况1、工况2：本项目正常运行。污水处理厂尾水借助新段港入江4万t/d，借助友联中沟入江5.5万t/d。污水厂出水按照《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》一级A标准外排，经过湿地净化后水质可达《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)准Ⅳ类水，排入长江。模型计算时，排入长江的COD、氨氮、总磷浓度分别为30、1.5、0.3mg/L。考虑最不利情况，工况1、工况2分别预测在上述条件下污染物于涨急、落急时刻释放情况。

工况3、工况4：本项目正常运行。污水处理厂尾水9.5万t/d全部借助新段港入江通道排放。污水厂出水按照一级A标准外排，经过湿地净化后水质可达地表水准Ⅳ类水，排入长江。此工况下污水入江处距离泰州市三水厂取水口距离最近，涨急释放时刻下为正常排放对芦坝港断面的最不利情形。模型计算时，排入长江的COD、氨氮、总磷浓度分别为30、1.5、0.3mg/L。考虑最不利情况，工况3、工况4分别预测在上述条件下污染物于涨急、落急时刻释放情况。

工况5、工况6：本项目正常运行。污水处理厂尾水9.5万t/d全部借助友联中沟河道入江。污水厂出水按照一级A标准外排，经过湿地净化后水质可达地表水准Ⅳ类水，排入长江。此工况下污水入江处距离芦坝港断面距离最近，落急释放时刻下为正常排放对芦坝港断面的最不利情形。模型计算时，排入长江的COD、氨氮、总磷浓度分别为30、1.5、0.3mg/L。考虑最不利情况，工况5、工况6分别预测在上述条件下污染物于涨急、落急时刻释放情况。

工况7：污水厂及湿地净化装置事故运行。模型考虑最不利情况，全部尾水9.5万t/d借助新段港河道入江，入江尾水即为污水厂接管废水，COD、氨氮、总磷浓度分别为500、35、5mg/L。考虑最不利情况，工况7预测在上述条件下污染物于涨急时刻释放情况。

工况8：污水厂及湿地净化装置事故运行。模型考虑最不利情况，全部尾水9.5万t/d全部借助友联中沟河道入江，入江尾水即为污水厂接管废水，COD、氨氮、总磷浓度分别为500、35、5mg/L。考虑最不利情况，工况8预测在上述条件下污染物于落急时刻释放情况。

预测方案及源强信息见表2。

表2 预测方案及源强信息表Tab.2 Prediction schemes and source intensity informations

4.4 对功能区水质及第三方影响分析

依据各方案设计条件，入江后COD、氨氮、总磷浓度影响预测结果见图10～图17。

根据上述模型预测结果，各方案下污水厂正常排放以及事故排放入江后中各污染物的水质增量预测见表3，叠加本底值后浓度表见表4。长江现状本底值参考2015年1月29日至2015年1月31日连续3天的监测值：COD浓度<10mg/L、氨氮浓度为0.3 mg/L、总磷浓度为0.086 mg/L。

表3 本次排污口项目正常排放对敏感目标水质预测浓度增量表Tab.3 The increase of the predicted concentration of sensitive targets under the normal discharge of sewage outlet (mg/L)

表4 本次排污口项目正常排放对敏感目标水质预测浓度表Tab.4 The predicted concentration of sensitive targets’s water quality under the normal discharge of sewage outlet (mg/L)

图10 工况1 COD、氨氮、总磷预测结果Fig.10 COD, ammonia nitrogen and total phosphorus prediction results under working condition 1

图11 工况2 COD、氨氮、总磷预测结果Fig.11 COD, ammonia nitrogen and total phosphorus prediction results under working condition 2

图12 工况3 COD、氨氮、总磷预测结果Fig.12 COD, ammonia nitrogen and total phosphorus prediction results under working condition 3

图13 工况4 COD、氨氮、总磷预测结果Fig.13 COD, ammonia nitrogen and total phosphorus prediction results under working condition 4

图14 工况5 COD、氨氮、总磷预测结果Fig.14 COD, ammonia nitrogen and total phosphorus prediction results under working condition 5

图15 工况6 COD、氨氮、总磷预测结果Fig.15 COD, ammonia nitrogen and total phosphorus prediction results under working condition 6

图16 工况7 COD、氨氮、总磷预测结果Fig.16 COD, ammonia nitrogen and total phosphorus prediction results under working condition 7

图17 工况8 COD、氨氮、总磷预测结果Fig.17 COD, ammonia nitrogen and total phosphorus prediction results under working condition 8

根据计算结果，由表3、表4以及图10～图17，正常排放对上下游敏感目标影响分析如下：

(1)对滨江水厂工业取水口影响分析

泰州滨江水厂工业取水口位于精细化工园区西侧，距新段港尾水入江口上游约100m处。由表4，正常排放情况对泰州滨江水厂工业取水口影响较小。涨急条件下，通过新段港排水水量较大时，是最不利条件。此时，滨江水厂工业取水口最大氨氮浓度增量达0.16 mg/L，与长江取水口处本底监测值叠加后仍符合(GB3838-2002)《地表水环境质量标准》Ⅱ类水要求。同时滨江水厂为工业用水取水口，叠加后水质变化不影响正常取用。

(2)对芦坝港断面影响分析

芦坝港断面位于友联中沟入江口下游900m处，依据长江水功能区划水质要求，芦坝港断面为Ⅱ类水质要求。由表4可知，正常排放落急时刻，通过友联中沟排水，芦坝港考核断面浓度氨氮最大浓度增量达0.13 mg/L，与本底值叠加后仍可达到功能区Ⅱ类水质。因此本项目尾水正常排放时芦坝港断面水质影响较小。

由此表明，正常排放时，上游泰州滨江水厂工业取水口、下游芦坝港断面水质能保持在Ⅱ类水范围内。

由表3、表4以及图14～图15可知，事故排放时，泰州滨江水厂工业取水口与芦坝港断面水质局部超Ⅱ类水。特别是下游芦坝港断面，无论是从哪个入江通道入河均会受到影响。因此，为避免对长江局部水环境产生不良影响，应做好安全防范措施，杜绝污染事故的发生[15]。

对比方案一(工况一、二)、方案二(工况二、三)以及方案三(工况三、四)在涨潮、落潮情况下的污染物扩散情况可知，涨潮情况下污染物通过新段港排出时(工况三)对上游敏感目标影响最大，落潮情况下污染物通过友联中沟排出时(工况六)对下游敏感目标影响最大。通过对比可知，方案一(工况一、二)的尾水分别通过新段港以及友联中沟排出时，对上游以及下游的敏感目标影响较小，为推荐方案。

5 结 论

本文以泰兴滨江污水处理厂入河排污口设置为例，分析了长江感潮河段，8种工况下排污口尾水排放对长江的影响。由第4节可知，泰兴滨江水厂工业取水口位于新段港上游约100m，排口下游水功能区(长江泰兴天星洲保留区)的起始断面位于友联中沟下游900m。由上节预测可知，泰兴滨江水厂工业取水口、芦坝港断面位于正常排放预测混合区之外，该取水口以及断面水质不受本项目正常尾水排放的影响，仍能保持现状。事故排放时，泰州滨江水厂工业取水口与芦坝港断面水质局部超过Ⅱ类水水质，对于下游芦坝港断面，无论尾水是从哪个入江通道入河，长江水质均会受到影响。因此，应做好风险防范措施，制定好应急预案，严格杜绝事故的发生。通过方案比选，可以看出通过新段港、友联中沟两个入河通道入河(工况一、二)对上游以及下游的敏感目标影响较小，是推荐的最佳方案。研究成果可为长江感潮河段环境风险预测分析与评价提供依据，亦对优化排污口设置起到参考借鉴作用。