長江南通段大型排污口退水影響預測

錢小娟，肖玉兵，陳 艷

(江蘇省水文水資源勘測局南通分局，江蘇南通 226006)

長江南通段為感潮河段，受上游地表徑流和潮汐的雙重影響，使得水流流場、污染物濃度場的變化較復雜，該河段的排污口上下游經常形成一定范圍的污染帶，因此對該段水流水質的研究只能利用數學模型進行數值模擬［1-2］。

筆者運用二維非恒定水流水質耦合模型，對典型水文條件下長江南通段觀音山污水處理廠、開發區第一污水處理廠大型尾水入江整合排污口大小潮期間污染物COD 的濃度場變化規律進行研究，為該江段的退水影響預測提供技術依據。

1 水量、水質模型的建立

1.1 控制方程組

長江南通段江面開闊，水面寬度遠遠大于其水深，根據水環境特征選用平面二維數學模型進行數值計算，描述平面二維水深平均非恒定淺水方程組如下［3］:

a. 連續性方程

b. 動量方程

c. 水質輸運方程

式中:h 為水深;u，v 分別x，y 向垂線平均水平流速分量;ρi為i 處污染物質量濃度;g 為重力加速度;s0x，s0y分別為x，y 向的河底底坡;sfx，sfy分別為x，y 向的摩阻底坡;Dix，Diy分別為x，y 向污染物擴散系數;K 為污染物降解系數;Si為污染物源匯項。

1.2 初始條件及邊界條件

1.2.1 初始條件

初始條件為u = u0，v = v0，z = z0(z 為水面高程)，ρ=ρ0。

1.2.2 邊界條件

流量及水位邊界條件:上邊界給定為流量過程，下邊界給定為水位過程。

1.3 模型參數的選擇

模型參數的選擇參照長江南通段的參數率定驗證結果，模型糙率選值范圍為0.018 ～0.025［4］，深槽糙率小于淺灘糙率。COD 降解系數為KCOD=0.2/d［5］，縱向及橫向擴散系數分別取為Dix=60 m2/s，Diy=0.6 m2/s［6］。

1.4 模型的建立與驗證

模型采用有限體積法離散微分方程進行數值模擬［7-8］。為了驗證模型的可靠性，筆者對長江南通段自2009 年9 月3—5 日大潮和2009 年9 月10—12日小潮過程進行了模擬。該段屬非穩態強潮汐河段，模型的上邊界選于天生港附近，下邊界選于新江海河河口附近，計算區域長約44 km，概化為9 152個網格，9 471 節點，網格單元的邊長一般為120 m，時間步長為2 s，利用實測潮位資料作為邊界條件。

圖1 長江南通段大潮漲、落急流場分布

圖2 徐六涇潮位驗證結果

圖3 流速驗證結果

文中分別對大小潮漲急、落急2 個時刻特征進行水流模擬，大潮模擬流場見圖1，潮位和流速驗證分別為圖2 和圖3 所示。由圖2 可以看出:水位率定誤差小于0.1 m 的占80%，僅個別誤差超過0.25 m;由圖3 可以看出:流速驗證的誤差小于0.1 m/s 的占70%，除個別點和時刻外，其平均誤差小于20%。驗證結果表明，流場空間分布基本合理，潮位過程線及流速驗證精度較高，說明該模型能夠較好地模擬實際水流情況。

2 整合排污口概況

由于南通市給水和排水規劃缺乏銜接并且規劃相對滯后，使得長江南通段的取水口和排水口布局不合理，最突出的問題表現在長江南通狼山—老洪港飲用水水源、景觀娛樂用水區內既有狼山水廠、洪港水廠兩區域水廠取水口，還分布著觀音山污水處理廠和開發區第一污水處理廠兩個大型入江排污口，影響了水源地的供水水質。狼山水廠、洪港水廠現狀供水規模為120 萬t/d，近期2015 年總取水規模為200 萬t/d，是南通市的主要供水水源;而觀音山污水處理廠近期尾水排放規模為5.5 萬t/d，距離下游洪港水廠取水口4.2 km，位于洪港水廠取水口的準保護區內。另一個開發區污水處理廠近期尾水排放規模為10.3 萬t/d，距離下游洪港水廠取水口2.5 km，并在其取水口二級保護區的范圍內。針對這一不合理情況，為加強飲用水水源地保護，保障供水安全，南通市人民政府決定將上述兩大排污口整合搬遷至下游長江南通第二開發區工業用水區內。觀音山污水處理廠、開發區第一污水處理廠整合排污口位置示意圖見圖4。

3 整合排污口尾水排放的影響分析

3.1 尾水排放源強的確定

觀音山污水處理廠、開發區第一污水處理廠整合排污口設置于南通開發區的水山碼頭下游附近，排放口距岸邊約1300 m，-8 m 等深線(85 高程)。正常排放工況下，污染物排放初始源強為15.8 萬t/d，ρ(COD)排放質量濃度為50 mg/L。

假設事故工況時，由于觀音山污水處理廠和開發區第一污水處理廠分開運行，一般不會同時造成事故，因此典型事故排放源強按照設計進水質量濃度和進水量計算，選擇兩個污水處理廠中污染物排放量大的源強計算。開發區第一污水處理廠設計規模比觀音山污水處理廠要大，因此事故排放源強以開發區第一污水處理廠的事故排放量來計，即事故排放工況下，污染物初始排放源強為10.3 萬t/d，ρ(COD)排放質量濃度為500 mg/L。

3.2 設計水文條件的確定

典型年的選取根據大通站多年實測最小月平均流量系列，經頻率分析計算得90%保證率的最小月平均流量為7870 m3/s，大通水文站1979 年1 月的平均流量為7 220 m3/s，接近于該流量值。因此確定以1979 年1 月為典型月。選用下游同步潮位過程作為下邊界條件。應用一維水動力學模型進行設計水文條件的計算，得到評價區域上、下邊界的水位過程，并以此作為計算區域二維水動力模擬的邊界條件。

3.3 正常工況時污染物濃度增量模擬分析

圖4 擬建排污口位置示意圖

計算區域由于受上游徑流和下游潮汐的共同作用，水流漲落交替出現，呈明顯的雙向流特征。污染物排入水體后，受到水流的對流和紊動擴散作用，一方面順著水流方向縱向輸送，一方面向四周橫向擴散，在排污口附近形成一擴散混合帶，該混合帶隨著流程的增加，經過擴散和自凈的共同作用，污染物濃度不斷減小。小潮時由于潮汐動力的減弱，河流擴散能力變小，污染物較大潮的時候不易擴散。

預測結果表明，大潮期間整合排污口COD 質量濃度增量大于0.5 mg/L 的分布范圍約為縱向3.94 km、橫向660 m;COD 質量濃度增量大于6 mg/L 的混合區分布范圍約為縱向330 m，橫向120 m。小潮期間COD 質量濃度增量大于0.5 mg/L 的分布范圍約為縱向2.97 km，橫向740 m;COD 質量濃度增量大于6 mg/L 的混合區分布范圍約為縱向760 m，橫向350 m。混合區內COD 的質量濃度增量疊加本底值后超出了Ⅲ類水質目標。

整合排污口距離上游江山農化企業取水口為5.8 km，距離下游蘇通大橋為3.3 km，正常工況下對江山農化取水口的最大質量濃度增量為0.03 mg/L，疊加本底值后COD 質量濃度為16.03 mg/L，符合Ⅲ類水質目標要求;對蘇通大橋的最大質量濃度增量為0.14 mg/L，疊加本底值后COD 質量濃度為12.14 mg/L，符合Ⅱ類水質目標要求。整合排污口搬遷至下游后距離上游老洪港水廠較遠，約為9 km，因此在正常情況下不會對老洪港水廠飲用水水源地的水質造成影響。觀音山污水處理廠、開發區第一污水處理廠的排污口從長江南通狼山—老洪港飲用水水源、景觀娛樂用水區內整合后搬遷至下游長江南通第二開發區工業用水區，這將有效改善洪港水廠、狼山水廠取水口的水質狀況，符合水功能區管理要求，具體見表1、圖5。

表1 正常工況下污染因子COD 質量濃度增量及擴散范圍

3.4 事故工況時水環境影響分析

預測結果表明，大潮期間整合排污口COD 質量濃度增量大于0.5 mg/L 的最大面積為6.23 km2，具體范圍在下游3.53 km 左右，上游影響至2.64 km 左右，縱向跨度約6.17 km，橫向影響范圍在1.58 km以內;COD 質量濃度增量大于10 mg/L 的高濃度區分布范圍:大潮期間最大為0.95 km2，具體跨度縱向約2.33 km，橫向約540 m。

圖5 大潮期間正常排放時COD 質量濃度增量等值線分布

小潮時COD 質量濃度增量大于0.5 mg/L 的最大面積為4.93 km2，縱向總跨度約5.45 km，橫向影響范圍在1.5 km 以內。小潮時由于水力條件不利于污染物擴散，雖然總的污染物擴散范圍小于大潮，但在排口附近形成高濃度污染物中心，COD 質量濃度增量大于10 mg/L 的高濃度區分布范圍:小潮期間最大為1.18 km2，具體跨度縱向約2.41 km，橫向約650 m。

事故排放將會導致大量高濃度污水排入長江，從而嚴重影響排口上下游水環境，破壞水生態系統。因此污水處理廠應加強管理，杜絕事故排放，保證污水處理設施正常運行。

4 結 語

筆者根據長江南通段的水動力、污染物輸移特征，建立了平面二維非穩態水流水質耦合模型。模型應用無結構網格剖分計算區域，采用有限體積法及黎曼近似解離散控制方程，將二維模擬轉化為求解一系列局部一維問題，從而模擬出計算江段典型水文條件下的水流過程和相應的排污口退水污染物輸運擴散過程。利用實測資料驗證結果表明，無論是流場的整體形態，還是驗證點的水位、流速都與實際情況符合較好，模型計算精度較高。利用該模型可進一步預測排污口退水對環境影響范圍和程度，為排污口設置論證、環境影響評價，提供技術依據。

采用的四邊形網格適合于淺水方程的計算，但該網格在河岸附近邊界的貼合不是很好，比較理想網格劃分方案的是在河道主槽應用四邊形網格，在河岸附近用三角形網格擬合邊界，因此在今后的計算研究中可考慮采用四邊形-三角形混合網格。

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