入河排污口设置对水环境影响研究——以宜兴市工业污水处理厂为例

包子云，李 冰，王向华，傅银银

(江苏环保产业技术研究院股份公司，南京 210000)

引 言

随着长三角城市工业的迅猛发展和城市化的快速推进，太湖流域污水排放量日益增加，环境风险也随之上升[1]。论证入河排污口设置对水环境的影响，优化排污口设置方案，对预防流域水污染、保护水生态环境具有重要意义[2～4]。

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[5]。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[6-7]，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[8]，三维模型用于模拟复杂流体动力条件下沉积物的状态[9]。太湖流域河网密布，水系纵横交错，故本文采用一维河网非恒定流水动力模型，预测排污口对水环境的影响，以期为太湖流域环境风险分析与评价提供依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

宜兴市工业污水处理厂建设规模为2.5万t/d(中水回用30%)，位于武宜运河以东，荆溪北路以西。本项目污水排放口设置在烧香河与武宜运河交汇处下游约500m处，烧香河南岸，地理坐标为北纬31°27′26.04″ 东经119°52′52.19″。根据省政府批准的《江苏省地表水(环境)功能区划》，本项目尾水受纳河道烧香河为“烧香河宜兴缓冲区”(水功能区2020年水质目标为Ⅲ类)。

1.2 模型基本原理

1.2.1 水量模型基本方程

水量计算的微分方程是建立在质量和动量守恒定律基础上的圣维南方程组，以流量和水位为未知变量，并补充考虑漫滩和旁侧入流的完全形式圣维南方程组为：

(1)

式中：Z为水位；Q为流量；x为沿水流方向距离；t为时间；BW为调蓄宽度，包括滩地在内的全部河宽；q为单位河长旁侧入流；u为断面平均流速；g为重力加速度；A为主槽过水断面面积；B为主流断面宽度；n为糙率；R为水力半径。采用Abbott-Ionescu六点隐式有限差分格式离散控制方程组。

1.2.2 水质模型基本方程

河网对流传输移动问题的基本方程为：

(2)

(3)

式(2)是河道方程，式(3)是河道叉点方程。式中：Q，Z是流量计水位；A是河道面积；Ex是纵向分散系数；C是水流输送的物质浓度；Ω是河道叉点—节点的水面面积；j是节点编号；I是与节点j相联接的河道编号；Sc是与输送物质浓度有关的衰减项，Sc=Kd·A·C；Kd是衰减因子；S是外部的源或汇项。对时间项采用向前差分，对流项则采用上风格式，扩散项采用中心差分格式[10]。

1.3 模型参数率定及验证

本次将利用太湖流域江苏段和宜兴市耦合模型进行宜兴市工业污水厂的水环境影响预测分析。水环境预测分析采用套网格方法，太湖河网模型给宜兴河网模型提供水文边界条件，本项目影响预测工作采用宜兴河网模型进行计算。

1.3.1 太湖河网模型构建及率定

1.3.1.1 模型概化

太湖河网模型构建范围北至长江，东至望虞河，西至宜溧山区，南至宜兴。根据概化后的河网、湖泊在输水能力和调蓄能力两个方面必须与实际河网、湖泊相近或基本一致的基本原则，将太湖流域望虞西岸地区的一级至五级一级部分六级河道进行概化，共概化125条河流。综合考虑流域平原区和山丘区的降雨、蒸发、下渗等水文过程、地下水中物质的变迁过程、地表径流的物质移动扩散、污染源排放等流域范围内水与物质的主要迁移途径，分别设置了降雨径流及沿江水利枢纽、入湖河流节制闸相关模块。概化结果见图1。

图1 太湖河网模型河网概化图Fig.1 River network generalization of Taihu River network model

1.3.1.2 水量模型参数率定

太湖河网水量模型选取了2017年太湖流域17个地区代表站实测水位，对模型水位进行率定验证，率定结果表明：水动力模型计算结果与实测值模拟较好，水位与流量相对误差均在30%以内，模型计算结果的水位绝对误差最大为12cm，河道糙率为0.01～0.02之间，太湖河网模型较好的模拟了太湖流域河网的水动力变化情况，可以为本次宜兴河网模型的计算提供水动力边界条件，部分实测计算水位对比见图2。

图2 部分实测计算水位对比图Fig.2 Comparison of some measured and calculated water levels

1.3.2 宜兴河网水环境数学模型构建

1.3.2.1 河网概化

评价区域内河道众多，相互交织成网，模拟计算时将天然河网进行合并、概化，河道采用设计坡降、梯形断面进行概化，概化断面用底高、底宽和边坡三要素来描述。根据上述河网数学模型构建基本原则，对研究区域水系进行概化，概化共40条河流。概化结果见图3。

图3 研究区域及河网概化图Fig.3 Study area and river network generalization map

1.3.2.2 水量模型参数率定

模型糙率采用太湖河网模型率定结果，率定得到模型糙率值为0.01～0.02。

1.3.2.3 水质模型参数率定

以2017年1～3月每月一次的实测水质资料为基础，选取世纪大桥、西氿大桥、东氿、王婆桥、漕桥5个断面进行水质降解系数率定。各率定断面的相对误差均在30%以内，浓度值吻合较好，各断面水质计算结果和实测值对比见表1～表3。率定得到COD降解系数为0.08～0.15d-1，氨氮降解系数为0.05～0.10d-1，TP降解系数为0.05～0.10d-1。在进行氟化物预测时，从保守角度考虑，选取氟化物的降解系数为0进行预测。

表1 各水环境质量率定断面COD计算值和实测值相对的误差表Tab.1 Relative error between calculated value and measured value of COD (%)

表2 各水环境质量率定断面氨氮计算值和实测值相对的误差表Tab.2 Relative error between calculated value and measured value of ammonia nitrogen (%)

表3 各水环境质量率定断面TP计算值和实测值相对的误差表Tab.3 Relative error between calculated value and measured value of TP (%)

1.4 预测方案

考虑最不利情况(水体自净能力最差，水环境容量最小)，在枯水期分别对污水厂正常排放工况(中水回用30%)(工况1)、非正常情况(未回用排放)(工况2)及事故排放工况(尾水全部直排)(工况3)进行水环境影响预测。各工况下的污染物源强信息见表4。

表4 预测方案污染物排放源强Tab.4 Pollutant emission concentrations of the prediction scheme

计算的控制断面为：沙塘港桥、静堂大桥、武宜运河与烧香港交汇处下游500 m、世纪大桥、社渎港桥、东氿，共6个控制断面，其中世纪大桥东氿、沙塘港桥、社渎港桥、静堂大桥为江苏省考断面。静堂大桥、武宜运河与烧香港交汇处下游500 m两个输出断面是考虑烧香港逆流的最不利情况下，分析对于烧香港宜兴工业污水厂上游和对武宜运河的影响，其余断面考虑正向流情况进行分析计算。通过计算以上6个控制断面在不同方案下的污染物浓度变化，分析工业污水厂运行对研究区域水环境的影响。

2 结果与分析

2.1 工况1(枯水期正常排放)结果预测

根据上述预测方案，得到各个控制断面在污水厂正常运行情况下的枯水期平均预测浓度，如表5所示。为反映污水厂运行后控制断面水质随时间变化情况，输出各控制断面在枯水期不利情况下1个月的水质浓度，由于模型运行的前几天值未稳定，被视为无效值，因此舍弃掉一个月中前五天的计算值，输出其余26天的计算值，污水厂正常排放情况下控制断面水质浓度随时间变化结果见图4～图6。

表5 方案1排污口下游污染物浓度预测结果表Tab.5 Prediction results of pollutant concentration downstream of sewage outfall in scheme 1 (mg/L)

图4 静堂大桥断面(方案1)各污染物浓度变化Fig.4 Variation of pollutant concentrations in Jingtang bridge section (scheme 1)

图5 武宜运河与烧香港交汇处下游500m断面(方案1)各污染物浓度变化Fig.5 Variation of pollutant concentrations at 500m section downstream of the intersection of Wuyi canal and Shaoxiang gong (scheme 1)

图6 沙塘港桥断面(方案1)各污染物浓度变化Fig.6 Variation of pollutant concentrations in Shatang gang bridge section (scheme 1)

正常工况下，静堂大桥、沙塘港桥断面的COD、氨氮、氟化物浓度均满足地表水Ⅲ类标准。静堂大桥断面的COD、氨氮、总磷、氟化物浓度分别为17.6、0.32、0.12、0.42mg/L，能满足10%安全余量要求。该断面污水厂尾水贡献值分别为0.1、0.09、0.01、0.03mg/L，分别占预测值的0.57%、28.13%、8.33%、7.14%；沙塘港桥断面的COD、氨氮、总磷、氟化物浓度分别为17.11、0.88、0.17、0.72mg/L，能满足10%安全余量要求。该断面污水厂尾水贡献值分别为0.46、0.05、0.01、0.02mg/L，分别占预测值的2.69%、5.68%、5.88%、2.78%。对世纪大桥、社渎港桥、东氿控制断面几乎无影响。

2.2 工况2(枯水期非正常排放)结果预测

根据上述预测方案，得到各个控制断面在污水厂正常运行情况下的枯水期平均预测浓度，如表6所示。污水厂非正常排放情况下控制断面水质浓度随时间变化结果见图7～图9。

表6 方案2排污口下游污染物浓度预测结果表Tab.6 Prediction results of pollutant concentrations downstream of sewage outfall in scheme 2 (mg/L)

图7 静堂大桥断面(方案2)各污染物浓度变化Fig.7 Variation of pollutant concentrations in Jingtang bridge section (scheme 2)

图8 武宜运河与烧香港交汇处下游500m断面(方案2)各污染物浓度变化Fig.8 Variation of pollutant concentrations at 500m section downstream of the intersection of Wuyi canal and Shaoxiang gong (scheme 2)

图9 沙塘港桥断面(方案2)各污染物浓度变化Fig.9 Variation of pollutant concentrations in Shatang gang bridge section (scheme 2)

非正常工况下，静堂大桥、沙塘港桥断面的COD、氨氮、氟化物浓度均满足地表水Ⅲ类标准。静堂大桥断面的COD、氨氮、总磷、氟化物浓度分别为17.69、0.33、0.12、0.43mg/L；沙塘港桥断面的COD、氨氮、总磷、氟化物浓度分别为17.3、0.9、0.17、0.73mg/L。相比有中水回用(方案1)的情况下，无中水回用(方案2)情况下的污染物浓度增加更大一些，并且这一现象在静堂大桥、沙塘港桥、武宜运河与烧香港交汇处下游500 m控制断面较为明显，对世纪大桥、社渎港桥、东氿控制断面几乎无影响。

2.3 工况3(枯水期事故排放)结果预测

根据预测方案，得到各个控制断面在污水厂正常运行情况下的枯水期平均预测浓度，如表7所示。污水厂非正常排放情况下控制断面水质浓度随时间变化结果见图10～图12。

表7 方案3排污口下游污染物浓度预测结果表Tab.7 Prediction results of pollutant concentrations downstream of sewage outfall in scheme 3 (mg/L)

图10 静堂大桥断面(方案3)各污染物浓度变化图Fig.10 Variation of pollutant concentrations in Jingtang bridge section (scheme 3)

图11 武宜运河与烧香港交汇处下游500m断面(方案3)各污染物浓度变化图Fig.11 Variation of pollutant concentrations at 500m section downstream of the intersection of Wuyi canal and Shaoxiang gong (scheme 3)

图12 沙塘港桥断面(方案3)各污染物浓度变化图Fig.12 Variation of pollutant concentrations in Shatang gang bridge section (scheme 3)

事故工况下，将对下游造成不同程度的水质超标影响，污水流入烧香港、武宜运河，会对烧香港、武宜运河及太湖水环境造成较大影响，因此为了保持烧香港、武宜运河及太湖的水质现状，应杜绝污水事故排放，并提出防止风险事故的措施对策及发生风险污染事故后的应急措施，避免对水环境造成污染。

3 结 论

3.1 本文以宜兴市工业污水处理厂为例，分析了3种工况下排污口尾水排放对水环境的影响。在正常工况下，污水处理厂的运行削减了大量污染物，显著降低入河的污染负荷，各控制断面均能满足10%安全余量要求，对水质目标影响较小。非正常工况下，污染物浓度增加更大一些，但各断面仍可满足水质目标要求。事故工况下，将对下游造成不同程度的水质超标影响，对水环境影响较大，因此应严格杜绝污水事故排放。

3.2 本文通过建立一维河网非恒定流水动力模型，预测入河排污口污染物在水体中的变化情况。研究成果可为太湖流域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。