肇慶高新區(qū)東排渠補(bǔ)水量初探

楊倩何磊喻懷義郭濤

（1廣州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 廣東廣州 510620 2廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東廣州 510510）

1 前言

1.1 肇慶高新區(qū)發(fā)展?fàn)顩r

肇慶國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)（以下簡稱“高新區(qū)”）設(shè)立于1998年，2010年9月，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)成功升級為國家級高新區(qū)。“十一五”期間，高新區(qū)實現(xiàn)從省級產(chǎn)業(yè)園區(qū)到國家級高新區(qū)的升級轉(zhuǎn)型，園區(qū)經(jīng)濟(jì)實力不斷增強(qiáng)，切實建設(shè)有效的污染治理設(shè)施、提高水體自凈能力、做好環(huán)境管理工作十分必要。

1.2 高新區(qū)納污水體狀況

高新區(qū)處于東面北江與南面綏江交匯處，區(qū)內(nèi)河網(wǎng)水系包括區(qū)內(nèi)唯一一條河流獨水河，以及人工建造的北主排渠、北二支排渠、東排渠、長岸排渠等，均是自北呈放射狀流向轄區(qū)南端，注入北江和綏江匯合處，其中東排渠是高新區(qū)內(nèi)最主要的納污水體。

目前，東排渠水質(zhì)僅為劣Ⅴ類，COD和氨氮是主要污染物，水質(zhì)較差的主要原因是：①區(qū)內(nèi)污水集中處理系統(tǒng)建設(shè)相對滯后，污水管網(wǎng)不能正常運行，長期的生活污水、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等污水缺乏集中有效的處理。②北江正常水位較低，江水不能自然流入?yún)^(qū)內(nèi)排渠，加上龍湖水庫庫容近年縮減明顯，水量不足，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)排渠常年處于少水或無水狀態(tài)，排渠水環(huán)境容量小，水體自凈功能下降。

1.3 高新區(qū)未來排污格局

根據(jù)高新區(qū)總體規(guī)劃，區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)產(chǎn)值比例將逐步下降，農(nóng)業(yè)源污染將大大將少，隨著人口和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)和生活污染產(chǎn)生隨之增長，因此工業(yè)源和生活源是高新區(qū)水污染主要來源。到2020年，高新區(qū)擬建成南北污水處理系統(tǒng)，主要收集處理全區(qū)工業(yè)與生活污水，主要以將軍大街為界，南部第一污水處理廠與北部第二污水處理廠分別收集處理南部和北部地區(qū)的污水，如圖1。兩污水處理廠尾水排至東排渠。

根據(jù)高新區(qū)未來人口增長與經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，推算出第一和第二污水處理廠到2020年污水處理規(guī)模分別為7萬t/天和5萬t/天。由于未來高新區(qū)污水處理系統(tǒng)覆蓋全區(qū)，排水系統(tǒng)完善，面源污染大大減少，因此本研究在排污格局上主要考慮兩污水廠的污染排放。

圖1 高新區(qū)污水處理廠分布圖

1.4 研究意義

為改善水環(huán)境質(zhì)量，高新區(qū)著力加快污水處理設(shè)施建設(shè)并規(guī)劃開展必要的補(bǔ)水調(diào)水工程，在污水能集中處理并達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上，擬以北江水作引水補(bǔ)水水源，提高東排渠納污能力，對高新區(qū)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展有著重大意義。因此，本文擬對東排渠需要的補(bǔ)水量進(jìn)行初步探索和研究，為開展補(bǔ)水工程建設(shè)和相關(guān)管理、決策工作提供參考建議。

在工作實踐中，對于較為細(xì)小或偏遠(yuǎn)的河流，往往缺乏水文監(jiān)測站，也缺乏完整歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，只了解部分水文情況，而重新開展監(jiān)測在時間上或經(jīng)費上不允許，在此條件下要精確建模計算則非常困難。本文采用了基于excel的河道需水量初步試算法，該方法適用于日常管理中需要初步或粗略而快速地了解河道大概需水量的情況，尤其對河網(wǎng)關(guān)系相對簡單的非感潮河流，在缺乏水文、地形數(shù)據(jù)資料且暫沒有條件開展相關(guān)監(jiān)測工作，未能建立精確的水環(huán)境模型的條件下，該方法顯得較為簡便、快捷。

2 東排渠水環(huán)境容量計算

水環(huán)境容量是指某一水環(huán)境單元在特定的環(huán)境目標(biāo)下所能容納的污染物的最大負(fù)荷，其大小與水體特征、水質(zhì)目標(biāo)及污染物特性有關(guān)[1,2]。本文通過東排渠水環(huán)境容量計算，初步分析東排渠水環(huán)境容量特點和補(bǔ)水的必要性。

2.1 計算模式

東排渠為細(xì)長單向河流，可采用結(jié)合不均勻系數(shù)的流量法對水環(huán)境容量進(jìn)行簡單估算，計算公式如下：

式中：α——不均勻系數(shù)，東排渠較窄，河寬15～30m，本文參考于雷等[3]研究結(jié)果，對河寬小于55m的河流不均勻系數(shù)取1，即不進(jìn)行不均勻系數(shù)修正；W——水環(huán)境容量，t/a；Cs——控制斷面水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L，水質(zhì)目標(biāo)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)；Q——河水流量，m3/s，采用 90%保證率最枯月平均流量（東排渠通過龍王廟水庫的興利調(diào)節(jié)，可以達(dá)到1.55 m3/s）；CR——上游斷面污染物濃度，mg/L，上游來水濃度執(zhí)行Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)；k——污染物降解系數(shù)，1/d，COD和氨氮分別取0.15和0.08；u——斷面平均流速，m/s，根據(jù)流速與流量的關(guān)系進(jìn)行估算；x——上、下斷面間的距離，m，本文主要考慮東排渠上游至匯入獨水河閘口處長約12公里的河段。

2.2 流速與流量關(guān)系響應(yīng)推導(dǎo)

在實際應(yīng)用中，模型計算往往缺乏研究所采用流量對應(yīng)的流速數(shù)據(jù)，而本實例同樣是水文數(shù)據(jù)缺乏，且僅已知流量一項，數(shù)據(jù)條件不足，本文就現(xiàn)有條件推導(dǎo)流速與流量的近似關(guān)系以作流速近似估算。根據(jù)謝才公式其中c是謝才系數(shù)為水力半徑，n是糙率，i是坡降），以及在一定條件下，流速是流量的函數(shù)，因此可根據(jù)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行流速的近似估算，簡單推導(dǎo)如下：

2.3 計算結(jié)果

根據(jù)以上模式計算東排渠水環(huán)境容量：COD是933.73噸/年，氨氮是55.42噸/年。根據(jù)兩個污水廠的處理規(guī)模和設(shè)計出水濃度，估計2020年污水處理廠滿負(fù)荷運行時COD和氨氮總排污量每年分別可達(dá)約1500噸和200噸。可見，東排渠現(xiàn)狀水環(huán)境容量較少，雖然污水廠排水將對河道有一定補(bǔ)水作用，但第二污水處理廠排水未能達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，污染物濃度較高，東排渠要消納兩大污水廠排污量有一定難度，因此需要進(jìn)一步開展河道需水量研究，以考慮是否需要對河道開展補(bǔ)水工程措施。

3 東排渠需水量計算

未來東排渠主要受納高新區(qū)兩大污水廠排出的污水，其中第一污水處理廠出水口處于距離下游控制斷面1000米處，其出水經(jīng)過深度處理，COD和氨氮將達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)；而第二污水處理廠出水口處于距離下游控制斷面8500米處，COD和氨氮設(shè)計出水濃度分別為40毫克/升和8毫克/升。

本文通過一維水質(zhì)模型，采用試算法計算使控制斷面達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)（Ⅳ類）時需要增加的水體流量，由于東排渠擬考慮引取北江水，其補(bǔ)水水質(zhì)參考北江水質(zhì)（Ⅱ類）。本研究中河流流速隨著補(bǔ)水流量的變化而變化，無法通過監(jiān)測獲取，若模型中采用定值流速進(jìn)行計算，則會忽視河流流量補(bǔ)給后相應(yīng)流速變化，因此本文利用excel建立流量-流速動態(tài)變化模式，考慮流速隨流量變化而變化的情況，并采用試算法進(jìn)行河流需水量初步計算。

3.1 計算模式

采用一維水質(zhì)模型計算[4]，公式如下：

式中，c—排放口下游x處的污染物濃度，mg/L；x—計算點離開始點(排放口)的距離，m；u—河水流速，m/s；k—降解系數(shù)，1/d；Qp—廢水排放量，m3/s；cp—污染物濃度，mg/L；Qh—河水流量，m3/s；ch—排放口上游污染物濃度，mg/L。

以上公式適用于只有1個排口的情況，但由于本實例有2個排口，所以根據(jù)上述一維水質(zhì)模型原理對公式進(jìn)行調(diào)整，實際計算中應(yīng)用下式進(jìn)行計算：

式中，x1—兩污水廠排口距離，m；x2—計算點離處于下游的第一污水處理廠排口的距離，m；u—河水流速，m/s，本次計算根據(jù)前述流速和河流流量的數(shù)量關(guān)系，建立動態(tài)響應(yīng)模式，即流速隨流量試算值的變化而變化；Q1、Q2—污水廠廢水排放量，m3/s，采用第一、第二污水廠設(shè)計規(guī)模；c1、c2—污水廠污染物濃度，mg/L，采用污水廠設(shè)計出水濃度；k——同上，取值同前；Qh——河水流量，m3/s，為所求之量；ch—按照上游來水水質(zhì)目標(biāo)要求。

3.2 模擬計算方法

利用excel編輯相應(yīng)的公式，采用試算法對河流需要的流量Qh進(jìn)行計算。具體步驟為：1）對所有相關(guān)變量選定相應(yīng)單元格，根據(jù)各變量的函數(shù)關(guān)系在單元格內(nèi)編輯相應(yīng)計算式；2）輸入公式中相關(guān)已知量及參數(shù)定值；3）選取一流量值開始進(jìn)行試算，本實例中可知該流量值大于現(xiàn)狀流量才需補(bǔ)水，可從小到大進(jìn)行試算，當(dāng)選取的流量值對應(yīng)的控制斷面污染物濃度接近而小于標(biāo)準(zhǔn)值，則該流量為所需流量；4）計算此流量與現(xiàn)狀流量之差便是河流需要增加的流量值。

3.3 計算結(jié)果

本文研究的污染物主要是COD和氨氮，經(jīng)計算可知，對于COD，河道已有水量已經(jīng)能滿足河道需水要求，但對于氨氮，由于污水中氨氮濃度較高，需要增加相應(yīng)的流量，以增加河道水環(huán)境容量，經(jīng)計算，相對于現(xiàn)狀，2020年東排渠需要增加流量2.01 m3/s。

在本實例中有兩個排口，較一個排口的情況復(fù)雜。實際上由于第一污水處理廠出水已經(jīng)達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)，其污染排放對控制斷面達(dá)標(biāo)影響可以忽略，甚至由于污染物衰減作用，其排水有一定的補(bǔ)水作用，但又由于排口距離控制斷面比較近，污染物衰減效果較小，所以補(bǔ)水作用極微，基本可以忽略。因此，若基于本實例的特殊性不考慮第一污水處理廠，對需水量計算影響并不大，對問題的研究可以更為簡化。為使本文計算方法更具普遍性和科學(xué)性，本文仍按照兩個排口的實際情況考慮和研究。

4 結(jié)語

得增加多少水體流量才標(biāo)準(zhǔn)，第二污水處理：由于第一污水處理4.1通過對東排渠需水量的初步研究，現(xiàn)在東排渠到2020年需要增加水流量約2 m3/s。本文應(yīng)就補(bǔ)水調(diào)水工程方案做更深入的研究，進(jìn)一步研究和核算河道需水量以核定工程方案補(bǔ)水量。

4.2 本文采用了一維水質(zhì)模型對東排渠需水量進(jìn)行計算，且利用流量和流速的關(guān)系建立了動態(tài)響應(yīng)模型，利用excel軟件采用試算法進(jìn)行了計算，方法簡便快捷，易于掌握，較為適用于日常環(huán)保管理工作，尤其在對結(jié)果精確度要求不高、工作時間緊迫以及數(shù)據(jù)資料較缺的情況下，不失為一種簡易、便捷的方法。

[1]熊風(fēng),羅潔.河流水環(huán)境容量計算模型分析[J].中國測試技術(shù),2005，1，31(1).

[2]李勱,李巖,韓政,王勃,慕金波.黃河三角洲河流水環(huán)境容量研究[J].山東科學(xué).2007,4,20(2).

[3]于雷,吳舜澤,范麗麗,徐毅.水環(huán)境容量一維計算中不均勻系數(shù)研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2008.31(1).

[4]馬歡,李亞強(qiáng).松花江哈爾濱江段水環(huán)境容量計算對比研究[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2007,23(4).