基于一二维数值联解模型的袁河水质预测与评价研究

周宜一，唐扬，张明婷

（1.铭瑞环境科技（南京）有限公司,江苏 南京 210000；2.江苏环保产业技术研究院股份公司,江苏 南京 210000；3.南京市计量监督检测院,江苏 南京 210000）

0 引言

随着环境影响评价制度在我国不断深化,技术导则难度及审批要求不断提高,地表水预测与评价工作逐渐成为环评工作中的难点。在评价工作中,时常会由于局域水文及水质参数的缺失,导致二维数学模型的建立缺乏合理边界条件,朱秋菊[1]等研究人员逐渐探索出相关方法,通过研究联解条件将一二维水动力数学模型有效统一,然而尚未出现通过一维河网水质模型得到二维水质模型的实例。作者在实际工作结合已有经验,基于成熟应用的MIKE 系列软件,利用一二维数学模型进行联解思路,通过一维河网模型的运行计算得到二维水域的边界条件,从而推动二维水域模型的合理运行,使得评价工作有据可循。

1 数学模型

1.1 研究范围

本次研究范围为相邻新余高新技术产业开发区的袁河及其主要支流。新余市境内支流属赣江水系,袁河横贯全区东西,大部分支流以南北向注入袁河,水系呈叶脉状,袁河在新余境内主要支流有孔目江、濛河、南安江等。袁河发源于萍乡市武功山北麓新泉乡,是新余市境内最大水系,属于赣江一级支流,主流长235 km,其中经新余市境内的长度约125 km,自西向东穿城而过,是新余工农业用水和纳污的主要河流。河床平均坡降比为0.00026,河宽在100 m～250 m 范围。平均流量104.8 m3/s,其中枯水期最小流量3.0 m3/s,丰水期流量为535 m3/s,最大洪水流量5860 m3/s,最大洪水水位48.87 m。

新余高新技术产业开发区规划有3 座污水处理厂：城东污水处理厂（近期处理污水规模8 万·t/d,远期16 万·t/d）,新余市高新区污水处理厂（近期处理污水规模4 万·t/d,远期8 万·t/d）以及电镀集控区污水处理厂（近期与远期处理污水规模均为0.562 万·t/d）。

1.2 水环境数学模型建立

1.2.1 一维河网水环境数学模型建立

（一）模型概化

（1）河网数学模型构建基本原则

为便于计算,须将评价范围内河网进行概化。将天然河网进行合并、概化,概化河道为水平底坡、梯形断面,概化断面用底高、底宽和边坡三要素来描述。概化时将主要的输水河道纳入计算范围,将次要的河道和水体根据等效原理,归并为单一河道和节点,使概化前后河道的输水能力相等、调蓄能力不变。当这些次要的平行河道具有断面资料,且首末节点相同时,根据过水能力相同的原理,求得合并概化河道的断面参数。

（2）模型河网概化

根据河网数学模型构建基本原则,对新余高新技术产业开发区主要纳污河流及支流进行概化,共概化出3 条河流,具体信息见图1。

图1 评价区域河网概化结果

（3）模型污染源概化

污染源主要分为点源和非点源,其中点源包括排入污水厂的城镇生活源和工业企业源,非点源一般包括未接入城市污水管网的城镇生活源、农村生活源、农田面源和畜禽源等。本次主要考虑城东污水处理厂,新余市高新区污水处理厂以及电镀集控区污水处理厂等3 座污水处理厂排口的点源概化。

（4）模型边界选取

根据河网概化的结果,选取3 个开边界,包括孔目江、袁河。模型的边界条件即为各有开边界河流的各时段的流量和水质实测值。水文条件选取90%水文保证率的典型年,同时考虑沿河水工建筑的调度方式。

（二）模型参数选取及率定

（1）水量模型参数率定

根据研究区域各水文站逐月水文资料,利用建立的河网模型和设定的边界条件进行计算,对水量模型进行率定。模型率定得到河道糙率值为0.017～0.024。

由图2 可知：水位率定计算结果与实测值平均相对误差约为29%,流量率定计算结果与实测值平均相对误差约为25%。各水文站的水量模型计算值与实测值吻合较好,说明各河道糙率值可用于本项目建立的水量水质模型。

图2 水量模型孔目江入口计算值与实测值对比图

（2）水质模型参数率定

根据新余高新区环保局提供的典型年控制断面全年的水质监测资料,利用建立的河网模型和设定的边界条件进行计算,对水质模型进行率定。率定得到高锰酸盐指数的降解系数为0.08 d-1～0.1 d-1,氨氮的降解系数为0.05 d-1～0.07 d-1,总磷的降解系数为0.07 d-1～0.09 d-1,率定后的模型计算值和实测值的对比结果见图3。

图3 孔目江入口断面水质参数计算值与实测值对比图

由图3 可知：高锰酸盐指数计算结果与实测值平均相对误差约为13%,氨氮的计算结果与实测值平均相对误差约为48%,TP 计算结果与实测值平均相对误差约为26%。各断面的水质模型的计算值与实测值吻合较好,说明各水质降解参数可用于本次评价。

1.2.2 一二维联解条件

根据水位连续条件,一、二维模型在联解点上应该满足以下条件[2]：

水位条件：Z1=Z2

流量条件：Q1=∫uξHξdξ

式中：Z1为一维模型在内边界断面上的水位；Z2为二维模型在内边界上各节点的平均水位；uξ为二维模型在一二维模型连接断面法向上的流速；Q1为一维模型在一二维模型连接断面上的流量。

一二维模型联解主要思想为将一维模型通过流转换为二维模型,将二维模型通过水位转换为一维模型。首先,消元连接二维模型和一维模型的计算部分,从而获得计算部分方程作为用于一维模型的边界的控制方程。在求解一维模型和二维模型的连接部分上的物理量之后,分别将它们替换为一、二维模型计算所有计算点上的物理量。

基于建立的一维河网水环境数学模型,获取目标评价范围内任意节点的水文水质模拟数据,从而作为本次二维模型边界条件。本次一维水环境模型由MIKE11 软件中HD 与AD 模块建立完成,二维水环境模型由MIKE21 软件中Flow Model FM 模块建立完成。

2 孔目江水质预测与评价

本次预测选择一期最不利条件（枯水期）进行预测,根据城东污水厂、高新区污水厂、电镀集控区污水处理厂现状及近远期规划排水方案,确定本次预测方案,见表1。

表1 水环境预测方案

根据《江西省地表水（环境）功能区划》,研究范围内孔目江、袁河执行《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中的Ⅲ类水质标准。

3 讨论与结论

3.1 讨论

根据建立的评价区域一维水网模型,利用一二维连接方式,分别建立城东污水厂排口范围及高新区污水厂及电镀集控区污水处理厂排口范围的二维水动力模型。根据制定的预测方案,完成现状工况、规划近期工况、规划远期工况下的预测模拟结果。其中,高新区污水厂及电镀集控区污水处理厂排口紧邻,城东污水厂与上述2 座污水厂距离较远,两者单独成图。见图4～图8。

图4 现状工况下 城东污水厂排口下游2 km 范围内CODMn、NH3-N、TP 模拟结果

图5 现状工况下 高新区污水厂及电镀集控区污水处理厂排口下游2 km 范围内CODMn、NH3-N、TP 模拟结果

图6 近期及远期规划工况下 城东污水厂排口下游2 km 范围内CODMn、NH3-N、TP 模拟结果

图7 近期及远期规划工况下 高新区污水厂及电镀集控区污水处理厂排口下游2 km 范围内CODMn、NH3-N、TP 模拟结果

图8 远期规划工况下 高新区污水厂及电镀集控区污水处理厂排口下游2 km 范围内CODMn、NH3-N、TP 模拟结果

根据以上预测结果可知,现状工况下,城东污水厂CODMn污染带长450 m,NH3-N 污染带长480 m,TP 污染带长880 m,高新区污水厂及电镀集控区污水处理厂CODMn污染带长550 m,NH3-N 污染带长600 m,TP 污染带长800 m。近期规划工况下,城东污水厂CODMn污染带长550 m,NH3-N 污染带长280 m,TP 污染带长980 m,高新区污水厂及电镀集控区污水处理厂CODMn污染带长620 m,NH3-N 污染带长500 m,TP污染带长350 m。远期规划工况下,高新区污水厂及电镀集控区污水处理厂CODMn污染带长400 m,NH3-N污染带长500 m,TP 污染带长850 m。

综上所述,根据城东污水厂、高新区污水厂、电镀集控区污水处理厂现状及近远期规划排水方案确定的预测方案下,在不同工况下,各排口排污对水域污染物都产生一定量贡献,但CODMn、NH3-N、TP 均未出现超标情况。

3.2 结论

本次研究采用MIKE21 水动力学及水质模型,模拟城东污水厂、高新区污水厂、电镀集控区污水处理厂排污口排放污水中CODMn、NH3-N、TP 等典型污染物在袁河中扩散情况,采用一、二维联解数学模型,分别建立评价区域城东污水厂排口范围及高新区污水厂及电镀集控区污水处理厂排口范围的二维水动力模型。根据制定的预测方案,完成现状工况、规划近期工况、规划远期工况下的预测模拟结果。结果显示在不同工况下,各排口排污对水域污染物都产生一定量贡献,但CODMn、NH3-N、TP 均未出现超标情况。本次研究通过大量基础数据尝试了一二维数值联解模型的建立工作,并取得一定成果,在今后类似评价中,将针对模拟结果的合理性与科学性进行深入研究。