浅谈MIKE 21数模在闽江竹岐饮用水源地划分中的应用

王 莹

(福建省水利水电勘测设计研究院，福建 福州 350001)

平潭及闽江口水资源配置工程是福建省重大水利基础设施工程，是解决闽江口区域水资源安全保障问题的关键性工程。《福建省主体功能区区划》已将闽江竹岐水源保护区列为省级水源保护区。目前，我国针对河流型饮用水水源保护区划分主要采用经验类比法和数值模型计算法[1]。MIKE模型具有用户界面良好、模型网格节点布设灵活，便于局部加密，能精确拟合弯曲河道边界，具有算法可靠、计算稳定、界面友好、前后处理方便等突出优点[2]。本文采用MIKE 21模型计算竹岐取水口上下游污染物排放对其水质的影响，为进一步结合《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ/T338-2018)[3]对水源地进行划分提供技术支撑。

1 研究区域概况

福建省平潭及闽江口水资源配置(一闸三线)工程水资源配置以大樟溪为主、闽江干流补充，共同解决平潭及闽江口地区供水问题。闽江竹岐～大樟溪引水工程取水点选在闽江竹岐水文站上游约500m处，终点为大樟溪莒口闸。

闽江下游与本规划水源地距离较近的水源地主要有闽侯县自来水公司水源保护区、上街镇清源水厂侯官水源保护区和福州市飞凤山水厂水源保护区。各水源地的水源一级保护区水质执行《地表水环境标准》(GB3838-2002)Ⅱ类标准，二级水源保护区执行Ⅲ类标准。

竹岐取水口上游现有白沙污水处理站，下游现有闽侯县县城污水处理厂和竹岐污水处理厂。白沙污水处理站近期规模1000 t/d，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。闽侯县县城污水处理厂设计日处理规模近期1.5万t，远期3万t，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。闽侯县竹岐乡污水处理厂近期规模2.0万m3/d，远期规模达到5.0万m3/d。污水经过处理达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002的一级A标准。

2 模型建立

采用无结构网格的平面二维MIKE 21FM模型计算COD和氨氮变化情况。

2.1 模型验证

利用2008年大小潮期实测数据对闽江下游感潮河段水动力参数进行率定与验证，断面潮量偏差小于10%，可以较好地适用于闽江下游河段的水动力模拟(见图1)。

图1 竹岐断面大潮和小潮流量率定结果

2.2 径流和潮型选择

模型上边界水口坝址受大坝系统控制，其水文条件采用90%保证率最枯月平均流量作为设计径流量。感潮河段区间有许多支流汇入，本次计算选取较大的支流大樟溪作为边界。下游潮区边界选取大潮、小潮两种潮型进行工况计算，给定典型枯水期小潮日(2008年12月22日)和大潮日(2008年12月14)琯头及梅花(琅岐大桥)实测水位随时间的变化值。

2.3 计算条件选取

计算水域的水位值大致赋予平均水深；浓度通量，闭边界上规定为零，水文开边界初始浓度按Ⅱ类水标准赋予。

模型上、下开边界COD和氨氮的浓度取近三年枯水期的浓度平均值。水口坝址和大樟溪按COD浓度为12mg/L，氨氮浓度0.3mg/L，琯头和梅花按COD浓度15mg/L，氨氮浓度0.5mg/L取值。

排污口排放时执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级A标准。此处仅对几个污水厂远期排水量情况进行事故排放和正常排放两种工况进行模拟。因几个污水处理厂排污口均离闽江干流较近，从最不利角度考虑，本次计算均按排污口设置在闽江干流上来考虑。正常排放情况下，氨氮源强浓度为15mg/L，COD源强浓度为60mg/L；事故排放情况下，氨氮源强浓度为45mg/L，COD源强浓度为500mg/L。

3 结果分析

3.1 污水厂正常排放情况分析

如图2～图5所示，正常排放情况下，3个污水厂对闽江水体水质的影响很小，COD和氨氮浓度值均能达到Ⅱ类水质标准。

图2 正常排污大潮涨迄、落迄时COD浓度值

图3 正常排污大潮涨迄、落迄时氨氮浓度值

图4 正常排污小潮涨迄、落迄时COD浓度值

图5 正常排污小潮涨迄、落迄时氨氮浓度值

3.2 污水厂事故排放情况分析

如图6～图9所示，大潮期COD浓度最大值为14.8mg/L，氨氮浓度最大值为0.34mg/L，小潮期COD浓度最大值为14.8mg/L，氨氮浓度最大值为0.42mg/L，均为Ⅱ类水环境标准。可见事故排水情况下，由于排水量较小，白沙污水处理站、闽侯污水处理厂和竹岐污水处理厂对闽江水体水质影响不大。三个污水厂中，竹岐污水处理厂污染带扩散范围最广，以下仅对竹岐污水处理厂污染带扩散情况进行分析。大潮涨迄情况下COD 15mg/L扩散范围在35m以内，氨氮0.5mg/L浓度扩散范围小于30m，大潮落迄情况下COD 15mg/L扩散范围不到10m，氨氮0.5mg/L浓度扩散范围亦不到15m；小潮涨迄情况下COD 15mg/L浓度扩散范围小于10m，氨氮0.5mg/L浓度扩散范围不到5m，小潮落迄情况下COD 15mg/L浓度扩散范围小于15m，氨氮0.5mg/L浓度扩散范围亦不到15m。可见竹岐污水厂远期规模事故排放污染范围不大，对闽江水体影响范围有限。

图6 事故排污大潮涨迄、落迄时COD浓度值

图7 事故排污大潮涨迄、落迄时氨氮浓度值

图8 事故排污小潮涨迄、落迄时COD浓度值

图9 事故排污小潮涨迄、落迄时氨氮浓度值

4 结论

模型计算结果表明，污水厂正常和事故排放情况下，对闽江水体水质影响不大，这主要是因为污水厂排水量占闽江水量的比例很小，污染物进入闽江很快就被稀释降解。本文以闽江竹岐取水口为模型研究对象，探讨上下游污水厂排放对水源地上下游水域水质影响程度，为后期闽江竹岐水源地划分提供技术支撑，有利于对水源地水质变化有更直观的了解，提高水源地划分范围的可信度。