一维水动力水质模型在入河排污口设置中的应用

王亚芹，仇茂龙，陆一奇

(1.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231；2.浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江 杭州 310016；3. 杭州市河道与农村水利管理服务中心，浙江 杭州 310000)

随着经济的快速发展，农村城镇化进程加快，污水处理厂的建设已驶入了快车道，入河排污口设置的论证工作也显得愈加重要[1-4]。笔者采用MIKE11软件中的水动力模块和对流扩散模块，搭建杭嘉湖区域及旧馆污水处理厂局部河网水动力水质模型，模拟分析旧馆污水处理厂入河排污口建设对周边河网水环境功能区水质的影响，为排污口设置论证提供合理的评价依据[5-6]。

1 项目概况

1.1 污水处理厂基本情况

旧馆污水处理厂位于湖州市南浔区旧馆镇三桥村旧馆路北侧、织旧路东侧，污水处理总规模2.5×104m3/d，其中一期规模1.5×104m3/d，本次论证分析一期规模。污水预处理采用格栅+旋流沉砂池+混凝沉淀的工艺，生化处理采用水解酸化-A/A/O+MBR的工艺，深度处理采用次氯酸钠消毒方案。

1.2 出水标准

水质指标中COD,NH3-N,TN和TP执行《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》(DB 33/2169—2018)标准限值[7]，其他指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准[8]。

1.3 入河排污口概况

入河排污口设在頔塘右岸，排污口下游为頔塘与长兜港汇合口。入河排污口尾水排放管采用重力流，排放方式为岸边排放，排污口排放管底标高1.84 m，可防止河水倒灌。

1.4 排入水体概况

入河排污口排入河道为頔塘，根据采样检测,现状水质为Ⅲ类，根据《浙江省水功能区水环境功能区划分方案(2015)》，所在水功能区目标水质为Ⅲ类。

2 入河排污口设置论证

2.1 论证范围

入河排污口位于杭嘉湖平原河网区域，所在区域全年水流自西向东为主，洪水期自南向北，枯水期太湖回水自北向南。平原河道水流流速较低，污水处理厂排放污水对周边河道水质影响较大，论证区域考虑污水处理厂附近可能产生影响的河流水系。确定论证范围涵盖旧馆镇及南浔城区的主要河道，包括頔塘、罗溇和幻溇等河道(图1)，頔塘南北约4.5 km，总面积约70 km2。

图1 入河排污口设置论证范围示意图

2.2 区域纳污能力分析

区域纳污能力计算选取控制指标COD,NH3-N和TP。概化排污口在水功能区的分布，认为污染物排放沿河均匀分布，对某一河流小范围内存在偏差，但综合反映了区域河网污染物排放的平均状态[9-10]。计算公式[11]为

式中：W河网为整个河网的剩余纳污能力，t/年；W功能区为功能区纳污能力，t/年；V河网为功能区河段槽蓄量，m3；Q0为进口断面的入流流量，m3/s；Cs为水体目标水质标准值，mg/L；C0为进口断面水质浓度，mg/L；q为旁侧入流流量，m3/s；V河网为设计水文条件下整个河网槽蓄量，m3；k为污染物综合衰减系数，d-1；l为功能区河长，m；L河网为河网总河长，m。

2.2.1 污染物综合衰减系数

本次论证污染物综合衰减系数借鉴杭嘉湖平原地区以往的工作和研究成果[12-13]，在《浙江省太湖流域水环境综合治理引排工程对改善杭嘉湖水环境作用分析》中COD，NH3-N和TP的综合衰减系数取值0.072 d-1，作为论证借用成果。

2.2.2 计算水位确定

頔塘河流设有三里桥、南浔水文站，根据两站1991—2016年实测水位系列，得到该区多年平均水位为1.27 m。对三里桥站、南浔站历年最低水位排频，得到90%年最低水位分别为0.66，0.58 m。入河排污口位于两站中间，故多年平均水位为1.27 m，90%年最低水位为0.62 m。

2.2.3 河网计算容积的确定

水体容积计算河道断面采用区域最新水域调查实测成果，计算方法为

式中：V为设计水位下的河网水体容积，m3；Vi为第i河段水体容积m3；DLi为上下游断面间距，m；Ai为上下游平均过水断面面积，m2；Dxi,j为断面测点距，m；hi,j为设计水位下的断面各测点水深，m。

2.2.4 纳污能力计算结果

经计算，论证区域在90%保证率水位条件下，COD现状纳污能力为4 675.37 t/年，NH3-N现状纳污能力为385.28 t/年，TP现状纳污能力为16.36 t/年。根据调查，论证区域现状COD，NH3-N和TP入河总量分别为2926.79，292.71，10.15 t/年，包括湖州南浔振浔污水处理有限公司入河排污口、湖州中环水务有限责任公司入河排污口、湖州金洁水务股份有限公司入河排污口、湖州巨力铝型材料有限公司入河排污口、湖州恒溢食品加工有限公司入河排污口、湖州尼邦铝业有限公司入河排污口6个主要排污口。

旧馆污水处理厂建成后，污水排放标准执行《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》(DB 33/2169—2018)，本次设计污水排放量为1.5×104t/d，各污染物新增排放量分别为164.25，11.61，1.64 t/年。因此，在90%保证率的水位条件下，论证区域各指标现状剩余纳污能力COD为1 584.33 t/年，NH3-N为80.96 t/年，TP为4.57 t/年。

2.3 对水质影响分析

2.3.1 计算方法和模型

采用MIKE11软件搭建南浔区及周边河网水动力水质模型，模拟分析旧馆污水处理厂工程建设对周边水质的影响[14-21]。

一维水动力学模型控制方程为Saint-Venant方程组，即

式中：x为空间坐标，m；t为时间坐标，s；Q为断面流量，m3/s；A为过流断面面积，m2；q为旁侧入流单宽流量，m2/s；C为谢才系数；R为水力半径；α为动量校正系数；g为重力加速度，m/s2；Z为对应河流断面位置的水位，m。

水质控制方程为一维对流扩散方程：

式中：C为物质质量浓度，mg/L；C2为源/汇质量浓度，mg/L；K为衰减系数，d-1；D为纵向扩散系数，m2/s。

2.3.2 河网概化

本次局部一维河网水动力水质数学模型涵盖了旧馆污水处理厂周边的主要河道。模拟的河道主要有頔塘、罗溇港、南横塘、幻溇港、汤溇港和双林塘等74条。模型计算采用断面426个，涉及水闸、泵站36座。

2.3.3 边界条件

本次一维河网水动力水质数学模型考虑了水位、流量和水质3种边界属性。模型验证计算选择2014年该地区的实测水文条件。

1) 水动力边界

西面为湖州船闸2014年实测逐日流量过程；西南面为双林站和乌镇站2014年实测逐日水位过程；东面为平望站2014年实测逐日水位过程。平原产水量根据2014年的降雨、蒸发资料及不同地类面积(水面、水田、旱地、其他)，采用不同方法推求。

2) 水质边界

水质分析指标选取COD和NH3-N，分别采用三里桥站、平望站、重兆大桥站和练市站4个站点，2014年实测水质数据。

2.3.4 污染源概化

污染源考虑点源和面源污染。点源污染包括6个排污口，其中3个为污水处理厂，3个为生产企业。面源污染通过降雨径流聚集的污染物汇入水系，覆盖范围包括整个计算区域的河网，降雨资料通过当地的水文测站获取。

2.3.5 水动力模型验证

选取頔塘上的南浔站水位过程作为验证对象，局部河网水动力模型验证结果见图2。由图2可见:模型计算的水位过程和峰值均与实测值相符，表明建立的局部河网模型概化和参数选取基本合理。

图2 2014年南浔站水位过程验证

2.3.6 水质模型验证

以COD和NH3-N为分析指标，模拟南浔河网2014年全年COD和NH3-N质量浓度的变化情况。选取旧馆断面实测污染物浓度数据，与模型计算结果进行对比，见图3—图4。模型计算值与实测值吻合较好，说明模型参数设置基本合理。

图3 旧馆断面COD实测值与计算值对比

图4 旧馆断面NH3-N实测值与计算值对比

2.3.7 水质预测评价

水质预测评价确定3个计算方案，分别是工程实施前正常排放、工程实施后正常排放、工程实施后事故排放。

模型计算边界考虑如下：水质考虑頔塘现状水质为Ⅲ类，确定COD为17.5 mg/L，NH3-N为0.75 mg/L；流量根据浔溪大桥站2001—2017年长系列流量资料，历年月最小流量，采用P-Ⅲ型频率曲线适线得到频率90%的年最小流量为17.6 m3/s；水位采用1991—2016年双林站、菱湖站、乌镇站和南浔站4个站点的实测水位系列，适线得到90%年最低水位分别为0.62，0.65，0.55 m和0.58 m。

根据计算得出頔塘各断面污染物浓度，最终得到頔塘在工程建设前后的水质变化，见图5—图6。

图5 頔塘沿线COD质量浓度变化情况

图6 頔塘沿线NH3-N质量浓度变化情况

根据分析，入河排污口正常排放工况下，頔塘沿程COD质量浓度增加影响至排污口上游3 317 m，增加0.01 mg/L；COD增量最大在排污口下游2 396 m，质量浓度增加1.94 mg/L，增幅15.41%。頔塘沿程NH3-N质量浓度增加影响至排污口上游2 812 m，增加0.02 mg/L；NH3-N增量最大在排污口下游1 237 m，浓度增加0.05 mg/L，增幅7.35%。入河排污口排放存在事故排放，即管道破损或污水处理系统未能正常运行导致超标排放的情况。在事故工况下，污水处理厂的污水排放浓度高于正常工况。事故排放与工程实施前相比，頔塘沿程COD质量浓度增加影响至排污口上游3 317 m，增加0.01 mg/L；COD增量最大在排污口下游390 m，浓度增加20.49 mg/L，增幅达到1.12倍。頔塘沿程NH3-N质量浓度增加影响至排污口上游2 812 m，增加0.85 mg/L；NH3-N增量最大在排污口下游390 m，增加1.91 mg/L，增幅达到2.25倍。

综上，在现旧馆镇污水处理厂未建时，由于中环水务排污口的设置,頔塘(罗溇至幻溇段)水质指标值相对处于较高的状态。本次工程建成后，入河排污口正常排放对頔塘沿程水质影响较小，事故工况下，由于排放水质明显高于排放标准，对頔塘(罗溇至幻溇段)沿程水质影响较为明显。

3 结 论

笔者采用MIKE11水动力水质模型，模拟旧馆污水处理厂入河排污口排放污水中COD和NH3-N典型污染物在河网中的扩散演变情况，分析入河污染物对论证范围内水质的影响程度和范围。计算模型验证和率定均采用实测水质数据和水位数据，保证模型计算的准确性。得到结果显示在正常排放工况下，入河排污口对河道沿线水质的影响有限，水质保持在Ⅲ类；事故工况下，对河道沿线水质影响较大，建议加强工程运行管理，建立应急预案，避免事故工况的发生。本次应用表明；MIKE11水动力水质模型对污染物在河道水体中的扩散模拟具有较强的适用性，能够较为准确地反映水体中污染物的扩散和演变趋势，可以作为入河排污口设置论证中水质影响分析的依据。