强潮河段船闸下游排污口污染物扩散规律研究

汪彦 余杰 吴腾

摘 要：强潮河段潮流动力作用明显，污染物的扩散规律复杂。以钱塘江口八堡船闸为研究对象，建立二维污染物扩散数学模型，研究典型不利条件下船闸下游污水处理厂排污口污染物扩散规律。研究结果表明，事故浓度下，枯水小潮时，污染物上溯的最远距离为排污口上游4.7km范围;枯水中潮时，污染物最上溯至排污口上游12.5km范围;枯水大潮时，污染物最上溯至排污口上游12.5km范围。不同条件下，污染物均能上溯至八堡船闸。该研究可为八堡船闸后期运行管理提供参考。

关键词：强潮河段;数学模型;污染物;应急处理

中图分类号：U641.1           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）03-0133-03

1概述

根据货运量发展趋势以及城市环境保护的要求，开辟京杭运河钱塘江沟通工程第二通道，新建八堡船闸已成为必然趋势。八堡船闸位于钱塘江S型弯道段的凹岸。八堡船闸下游 1500m有七格污水处理厂排污口，对于钱塘江河口而言，潮动力占绝对主要的地位。感潮河段因受潮汐影响，水流流态和水质状况非常复杂：水流在下泄过程中既受上游来流的影响，又受下游潮水的顶托作用;河流中的污水因潮汐涨落作用沿河道来回回荡，滞留时间增加，加重了对沿途的水质影响[1-3]。因此该河段水流流场、污染物浓度场的变化较为复杂，排污口上下游会形成一定范围的污染带[4]。该排污口的污染物在潮流作用下能够扩散至上游八堡船闸引航道，并可能经过船闸进一步扩散至上游河段。有学者采用Delft 3D水力水质数值模拟软件对青义涪江特大桥施工过程中悬浮物浓度进行模拟，得到不同施工方案下该区域的浓度场，为施工方式选择提供了参考依据[5]。类似的研究也在京沪高铁双排筑坝围堰施工和钢栈桥施工两种施工方案中进行了开展，研究结果工程围堰施工起到很好的指导作用[6]。

八堡船闸为新建船闸，该区域为强潮河口区，为了使水污染事故造成的环境灾害减小到最低程度，有必要对水污染事故造成的污染水体的迁移进行时空预测与模拟分析[7]，为行政主管部门制定管理应变决策提供科学依据。开展下游七格污水处理厂排污口污染物扩散研究显得尤为迫切。对于此类典型强潮河口中潮动力对于污染物稀释扩散作用的探讨，不仅丰富了潮汐河口的相关研究理论，也可为潮汐河口水环境治理和水资源利用提供科学依据。研究感潮河段的水动力和污染物输移转化规律具有重要的理论意义和实用价值。

2模型的建立与验证

2.1基本方程

守恒型二维浅水方程与对流扩散方程耦合的矢量表达式为[8]：

2.2 模拟区域

钱塘江闻家堰以上为近口段，河流径流作用为主，闻家堰至澉浦间为河口段，径流、潮流互相作用。澉浦以下为口外海滨。在本研究中，平面二维大范围数学模型的上边界在闻家堰，下边界在澉浦，网格采用曲线正交网格，网格布置如图1所示。图2为排污口和八堡船闸位置图。计算域内的网格布设考虑水流、地形梯度的差异，对船闸口门区域的计算网格作进一步加密，以便更好地反映该区域水流特征，保证流场模拟精度。

2.3模型的验证

模型验证资料为2009年5月21日至5月31日实测潮位站点资料，验证站点包括七堡、仓前、盐官潮位资料。潮位验证过程如图3所示。给出了仓前、七堡、盐官的实测潮位资料与模型模拟计算值的对比结果，模拟值与实测值符合良好，可为水质模型提供良好的水动力学条件。

3污染物擴散条件的选取

3.1典型水动力条件

模型工况主要考虑在不同流量情况下，下游不同潮位过程的工况组合。本研究主要关注在于污染物上溯到八堡船闸的可能性。因此，这里并不考虑极端洪水情况，例如五十年一遇或是一百年一遇这样的极端洪水。因为在这些极端洪水情况下，污染物上溯的可能性很小。模拟区域上下游边界均为2009年实测水位边界。针对不同上游流量，这里选取了洪季（5月）、平季（8月）、枯季（12月）三个月份，分别对这三个月份进行模拟，每个月份包括了大、中、小潮。分别提取数据进行分析。

3.2污染物排放条件

参考浙江省人民政府批准发布DB33/2169-2018《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》省级强制性地方标准。其中，现有污水处理厂的排放限制为不超过40mg/L，将来新建污水处理厂不超过30mg/L。这里的COD是指重铬酸钾指数，而非高锰酸钾指数，重铬酸钾指数一般大于高锰酸钾指数。七格污水处理厂为已建工程，故取不超过40mg/L为排污口COD 浓度。七格污水处理厂已有污水处理能力（包括一、二、三期）为日处理污水120万吨，目前已建成四期处理能力为30万吨，合计150万吨每天，换算成流量为17.36m3/s。上述为本模型七格污水处理厂排污口COD排放流量和浓度设置参数。

4八堡船闸下游排污口污染物扩散规律

图4、5、6分别显示了枯水小潮、中潮、大潮条件下完整潮周期污染物最大浓度增量分布。最大浓度增量分布显示了在模拟空间一个完整潮周期内污染物浓度最大变化范围。最大污染物浓度增量分布显示了污染物浓度分布随时间变化的特征，其空间分布范围要比平均浓度分布范围要更广。图4显示了枯水小潮完整潮周期污染物最大浓度增量分布。相比枯水小潮完整潮周期污染物平均浓度分布，污染物最大浓度增量分布的上游范围上溯至排污口上游4.7km范围。靠近排污口污染物最大浓度增量最大，随着距离排污口越远，污染物最大浓度增量减小。同时在下游15.5km至22.2km范围的污染物最大浓度增量出现一个高峰，显示出污染物的外移过程。图4中一个值得注意的现象是在排污口附近的污染物最大浓度增量存在向上游扩散的趋势。这一现象在局部放大图中看得更为清晰。在该图中，八堡船闸附近的COD浓度达到2.1mg/L，该区域比八堡船闸对岸以及上游丁坝群的污染物最大浓度增量要高，显示了在枯水期潮动力作用使得污染物上溯的可能性。

图5显示了枯水中潮完整潮周期污染物最大浓度增量分布。相比枯水中潮完整潮周期污染物平均浓度分布和枯水小潮完整潮周期污染物最大浓度增量分布，枯水中潮完整潮周期污染物最大浓度增量分布的上游范围上溯至排污口上游12.5km范围。靠近排污口污染物最大浓度增量最大，随着距离排污口越远污染物最大浓度增量减小。同时在下游10.7km至18.4km范围的污染物最大浓度增量出现一个极低值区域，其值在0附近，而在对应的枯水中潮完整潮周期污染物平均浓度分布中，该区域值在1.8mg/L附近。这两者的不同显示出在该区域的污染物浓度分布较为稳定，污染物浓度分布在潮周期内基本不随时间变化。在该区域下游，污染物最大浓度增量开始增加，显示出污染物的外移过程。相比枯水小潮，图5中完整潮周期污染物最大浓度增量分布，随着潮动力作用的增强，污染物最大浓度增加范围也进一步上溯。其中，八堡船闸以及上游附近的COD 浓度达到2.2mg/L，相比枯水小潮完整潮周期污染物最大浓度增量分布上溯范围和浓度都相应增加，显示了潮动力作用使得污染物上溯的可能性增加。

图6显示了枯水大潮完整潮周期污染物最大浓度增量分布。相比枯水大潮完整潮周期污染物平均浓度分布和枯水中潮完整潮周期污染物最大浓度增量分布，枯水大潮污染物最大浓度增量分布的上游范围上溯至排污口上游12.5km范围。靠近排污口污染物最大浓度增量最大。与枯水中潮完整潮周期污染物最大浓度增量分布类似之处在于，在下游10.5km至17.4km范围的污染物最大浓度增量出现一个极低值区域，其值在0附近，对应的枯水大潮完整潮周期污染物平均浓度分布中，该区域值在2.7mg/L附近。其原因与枯水中潮完整潮周期污染物最大浓度增量分布类似，在于该区域的污染物浓度分布较为稳定，污染物浓度分布在潮周期内基本不随时间变化。在该区域下游，污染物最大浓度增量开始增加，显示出污染物的外移过程，该区域在大缺口附近出现局部最大值。相比枯水小潮和中潮完整潮周期污染物最大浓度增量分布，图中污染物上溯现象更为显著。此时，污染物的最大浓度增加在排污口上游比下游还大。说明随着潮动力作用的增强，污染物最大浓度增加范围上溯更为显著。其中，八堡船闸以及上游整体丁坝群附近的COD浓度达到2.5mg/L，相比枯水小潮和中潮完整潮周期污染物最大浓度增量分布上溯范围和浓度都相应增加，突出显示了潮动力在污染物上溯过程中的重要作用。

5结论

在枯水条件下八堡船闸下游排污口污染物具有上溯的可能性。事故浓度下，枯水小潮时，污染物上溯的最远距离为排污口上游4.7 km范围，下游15.5km至22.2km范圍的污染物最大浓度增量出现一个高峰;枯水中潮时，污染物最上溯至排污口上游12.5km范围，下游10.7km至18.4km范围的污染物出现峰值;枯水大潮时，污染物最上溯至排污口上游12.5km范围，在下游10.5km至17.4km范围的污染物最大浓度。八堡船闸后期管理运行过程中，应考虑下游排污口污染物上溯的影响，制定对应的应急处理措施。

参考文献：

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[3]卢士强，林卫青，徐祖信.苏州河环境整治二期工程水质影响数值模拟[J].长江流域资源与环境，2006，15，228-231.

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基金项目：浙江省交通运输厅科技计划项目（编号2020015）。