污水處理廠尾水排放對圩區(qū)河道水環(huán)境影響預測

胡琦玉， 孫志鵬， 陸義媛

(1.南大環(huán)境規(guī)劃設計研究院(江蘇)有限公司， 江蘇 南京 210093；2.南京大學環(huán)境規(guī)劃設計研究院股份公司， 江蘇 南京 210093)

蕪湖—馬鞍山段沿江片區(qū)屬于典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，圩區(qū)河道內(nèi)受到圩堤、閘壩的調(diào)控，外受長江的影響。在不同的調(diào)度方式下，污水處理廠尾水排放對受納水體的影響也不相同，在開展污水處理廠建設工程事前，采用合理的方法預測新上項目排水對受納水體的影響，并制定合理的排放方案，對于保護長江水環(huán)境具有重要意義。

對排放廢水類建設項目布局優(yōu)化多基于水環(huán)境影響模擬預測，在最初發(fā)展階段，研究主要聚焦于基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的數(shù)學模型，S-P模型在水體質(zhì)量模擬歷史上具有開創(chuàng)性地位[1]，在此模型基礎上發(fā)展了大量的早期模型。隨著計算機技術的發(fā)展，水質(zhì)模擬相關的軟件從20世紀70年代之后被大量使用，1970年開創(chuàng)性提出的QUAL模型[2]被改進并發(fā)展了該系列的、適用于不同情景下的模型。依托于圣維南方程[3]的MIKE11模型的出現(xiàn)標志著地表水質(zhì)模擬進入了新的階段，該模型是由丹麥水利研究院DHI在1970年提出[4-5]，近年來在國內(nèi)水體污染模擬和水污染治理方面有大量的應用。

此外，對于圩區(qū)和平原區(qū)河網(wǎng)的水文和水質(zhì)問題，近年來也有不少學者進行了研究。姚琪等[6-10]從區(qū)域的層面上對平原河網(wǎng)區(qū)域內(nèi)部水污染物的遷移擴散進行了模擬，并從宏觀層面上提出了水污染治理的思路。

實際上，圩區(qū)水系最終均將匯入外部水系，且匯入處基本均受水利工程控制，因此，除了研究建設項目對圩區(qū)內(nèi)部的影響之外，還應綜合考慮項目建成之后片區(qū)排水對外部受納水體的影響。本文以安徽蕪湖城南污水處理廠擴建工程為例，依托前人水環(huán)境數(shù)學模型的研究成果進行水質(zhì)模擬，統(tǒng)籌考慮了污水處理廠尾水排放對圩內(nèi)水系漳河和外部水系長江的影響，并提出了結論意見，為決策部門提供了技術支撐。

1 研究案例概況

1.1 污水處理廠概況

本次研究的污水處理廠現(xiàn)狀處理能力為10萬m3/d，尾水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級A標準，主要污染物質(zhì)量濃度為ρ(COD)≤50mg/L、ρ(NH3-N)≤5mg/L、ρ(TP)≤0.5mg/L；擬擴建至20萬m3/d，同時開展尾水提標改造，提標后尾水執(zhí)行標準優(yōu)于一級A，主要污染物質(zhì)量濃度為：ρ(COD)≤30mg/L、ρ(NH3-N)≤2mg/L、ρ(TP)≤0.4mg/L。

污水處理廠尾水經(jīng)廠區(qū)北側澛港排水渠明渠排出，進入麻風圩內(nèi)部水系，最終由澛港排灌站和麻浦橋排灌站排入漳河后最終進入長江。

1.2 水系及水利調(diào)度情況

(1)圩內(nèi)水系圩內(nèi)水系主要是天子港、澛港鎮(zhèn)水系及高新區(qū)水系等，均為小型河道，現(xiàn)狀圩內(nèi)水系主要收集雨水及臨近居民和企業(yè)的生活工業(yè)廢污水，雨污合流后通過圩內(nèi)澛港排灌站和麻浦橋排灌站排放進入漳河，澛港排灌站排澇規(guī)模為6.0 m3/s，麻浦橋排灌站排澇規(guī)模為8.0 m3/s。圩內(nèi)水系現(xiàn)狀水質(zhì)較差，長期處于劣Ⅴ類水平。

(2)漳河。漳河縱貫南陵縣境，下游為南陵縣與繁昌縣的界河。自南向北，至澛港入長江。全長115 km，流域面積1 360 km2。漳河入江口處建有澛港閘，澛港閘共14孔，單孔凈寬11.8 m，總凈寬165.2 m。設計流量3 600 m3/s，校核流量4 800 m3/s。澛港閘正常蓄水位8.5 m。閘門調(diào)度規(guī)則為：洪水期澛港閘全部開啟；非洪水期澛港閘與上游十甲任閘聯(lián)合進行興利調(diào)度，外江水位高于8.5 m時，澛港閘全開，外江水位低于8.5 m且外江水位低于內(nèi)河水位時，澛港閘和十甲任閘控制下泄流量，直至澛港閘閘上水位為9 m；控制運用使得澛港閘上水位8.5～9 m。澛港閘上水位低于8.5 m時，澛港閘及十甲任閘除滿足下游河道的其他需求外，不在增加下泄量。正常情況下，漳河流向為自北向南入江，在澛港閘和十甲任閘均長期關閉時，會存在一定的往復流。漳河水質(zhì)相對較好，可維持在Ⅲ類水平。

(3)長江。長江蕪湖河段上起繁昌縣三山河口(頭棚)，下迄蕪湖市東西梁山，河道全長49.8 km，河道走向在大拐處為90°轉(zhuǎn)彎，以上為東西向，以下為南北向。工程位置處下游弋磯山設有蕪湖水(潮)位站，上游設有大通水文站，是長江下游最后一個徑流、泥沙控制站。據(jù)統(tǒng)計，大通站多年平均徑流量為8 980億m3，實測歷年最大流量為92 600 m3/s(1954年8月1日)，歷年最小流量為4 620 m3/s(1979年1月31日)，多年平均流量28 600 m3/s。長江段水質(zhì)較好，可維持在Ⅱ～Ⅲ類水平。

1.3 水環(huán)境保護目標概況

本次研究案例涉及的水環(huán)境保護目標包括長江、澛港橋(國控斷面，位于澛港閘閘上)、蕪湖市四水廠飲用水源地各級保護區(qū)、蕪湖市一水廠飲用水源地各級保護區(qū)、蕪湖市二水廠飲用水源地各級保護區(qū)、蕪湖市備用水源地各級保護。污水處理廠、水系及水環(huán)境保護目標分布見圖1。

2 水環(huán)境數(shù)學模型構建

尾水排放可能造成水質(zhì)影響范圍為圩區(qū)水系、漳河和長江。采用河流一維模型預測排水對圩區(qū)水系和漳河的影響，采用長江二維非穩(wěn)態(tài)水量水質(zhì)數(shù)學模型預測排水對長江的影響。

2.1 一維穩(wěn)態(tài)模型

預測公式為

(1)

ρ0=(ρp·Qp+ρh·Qh)/(Qp+Qh)

(2)

圖1 污水處理廠及區(qū)域水系概況圖

式中：ρx為流經(jīng)x距離后污染物質(zhì)量濃度，mg/L；ρ0為初始斷面的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；x為沿河段的縱向距離，m；u為設計流量下河道斷面的平均流速，m/s；ρp為排放廢水中污染物的質(zhì)量濃度，mg/L；ρh為上游來水污染物的質(zhì)量濃度，mg/L；Qp為污水排放量，m3/s；Qh為河流上游來水流量，m3/s。

2.2 長江二維非穩(wěn)態(tài)水量水質(zhì)數(shù)學模型

2.2.1 水量模型基本方程及求解方法

(1)水量模型基本方程

對于水平尺度遠大于垂直尺度的情況，由于水深、流速等水力參數(shù)沿垂直方向的變化比沿水平方向的變化要小，因此，將三維流動的控制方程沿水深積分，并取水深平均，可得到沿水深平均的二維淺水流動質(zhì)量和動量守恒控制方程組。其連續(xù)性方程、x和y方向動量方程，可分別表示為

(3)

(4)

(5)

式中:H為水深，H=h+ζ；ζ、h分別為水位和水深；p、q分別為x、y方向上的流通通量；c為謝才系數(shù)；g為重力加速度；f為科氏力系數(shù)；ρ為水的密度；W、Wx、Wy分別為風速及在x、y方向上的分量；fw為風阻力系數(shù)；τxx、τxy、τyy為有效剪切力分量。

(2)方程數(shù)值離散

采用隱式交替方向(ADI)技術對潮流模型質(zhì)量和動量方程進行離散，所得的矩陣方程用追趕法求解，各微分項和重要系數(shù)均采用中心差分格式，防止離散過程中可能發(fā)生的質(zhì)量和動量失真及能量失真，Taylor級數(shù)展開的截斷誤差可達到二階至三階精度。

2.2.2 水質(zhì)模型基本方程及求解方法

(1)水質(zhì)模型基本方程

水質(zhì)方程是以質(zhì)量平衡方程為基礎的。由于三維水質(zhì)輸移方程包涵很多不可確定的參數(shù)，在現(xiàn)有條件下，模型的驗證存在困難，考慮到資料及模型計算工作量等因素，采用垂向平均的二維水質(zhì)模型。二維水質(zhì)輸移方程為

(6)

式中：Ci為污染物濃度；u、v為x、y方向上的流速分量；Ex、Ey為x、y向上的擴散系數(shù)；Ki為污染物降解系數(shù)；Si為污染物底泥釋放項。

(2)方程數(shù)值解

對每一時間步長的計算采用剖開算子法進行，具體分平流項、擴散項、源匯項對垂向二維水質(zhì)模型進行求解。

2.2.3 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分及地形概化

根據(jù)2013年長江實測地形資料，對區(qū)域進行網(wǎng)格劃分和地形概化，采用三角形網(wǎng)格進行劃分，可有效貼合彎曲河道不規(guī)則岸線，其中網(wǎng)格邊長約60～180 m，共形成16 446個節(jié)點，32 892個計算網(wǎng)格，同時利用水下地形數(shù)據(jù)對計算區(qū)域進行地形內(nèi)插，見圖2。

圖2 長江安徽蕪湖、馬鞍山段計算區(qū)域模型地形圖

2.3 設計水文條件及主要參數(shù)選取

2.3.1 一維穩(wěn)態(tài)模型設計水文條件及主要參數(shù)選取

漳河流域枯水期水深為3.37 m。根據(jù)泵站歷史運行調(diào)度資料統(tǒng)計，通過澛港站和麻浦橋站的排放水量比約為1∶6.5。麻浦橋站排放時長約為8 h，間歇時長約為15 h。澛港站排放時長約為6 h，間歇時長超過15 h，非汛期基本處于關閉狀態(tài)。

水質(zhì)降解系數(shù)取用經(jīng)驗值，KCOD=0.16d-1，KNH3-N=0.1d-1。

2.3.2 二維非穩(wěn)態(tài)模型設計水文條件及主要參數(shù)選取

(1)設計水文條件

收集長江大通水文站近10年月平均流量，采用頻率分析法分析得到50%、90%保證率對應的流量分別為23 900 m3/s、7 220 m3/s，分別作為豐水期和枯水期的設計水文條件。

(2)水動力模型參數(shù)選取

本次構建的模型糙率參數(shù)引用同類研究成果[11]，糙率系數(shù)取值范圍為0.017～0.028。

(3)水質(zhì)模型參數(shù)選取

水質(zhì)降解系數(shù)參考同類型研究成果[12]，長江安徽蕪湖、馬鞍山段KCOD=0.2d-1，KNH3-N=0.18d-1。

3 模型應用

3.1 預測方案及源強

考慮到澛港水系現(xiàn)狀水質(zhì)較差，長江和漳河上均有水環(huán)境敏感目標，為減輕對重要水體的影響，在現(xiàn)狀自排方案的基礎上制定機排方案，即在長江水質(zhì)受到污染，需要啟用漳河備用水源地時或者汛期圩區(qū)內(nèi)排水壓力較大時采用泵站將尾水直接排入長江。

3.1.1 自排方案

主要影響時段為枯水期和平水期，主要受影響水體為圩內(nèi)水系和漳河，由于經(jīng)過提標改造之后，污水處理廠的出水水質(zhì)優(yōu)于圩內(nèi)水系現(xiàn)狀水質(zhì)，因此不再對圩內(nèi)水系進行單獨分析。將整個圩內(nèi)水系作為一個控制單元，以入漳河的兩個泵站作為排水點。基于泵站現(xiàn)狀調(diào)度規(guī)則，制定如下2個方案：

方案1：污水處理廠在現(xiàn)狀排水量以及排水水質(zhì)條件下，經(jīng)現(xiàn)狀圩內(nèi)水系通過麻浦橋泵站、澛港泵站排放，分析在90%保證率下對漳河水環(huán)境的影響(對照方案)；

方案2：污水處理廠提標改造擴建后滿負荷正常運行，圩內(nèi)水系經(jīng)綜合整治后水質(zhì)達到Ⅴ類水，水系通過麻浦橋、澛港泵站排放，分析在90%保證率下對漳河水環(huán)境的影響；

根據(jù)《關于蕪湖市城南污水處理廠二期擴建工程入河排污口設置》的批復(水審〔2019〕5號)，城南污水處理廠提標擴建過程中同步實施澛港水系等相關區(qū)域水環(huán)境綜合整治措施，在2020年二期工程投入使用時，確保麻浦橋、澛港泵站前池水質(zhì)不低于地表水Ⅴ類水質(zhì)標準。故可認為當圩內(nèi)水系水質(zhì)不低于地表水Ⅴ類水質(zhì)標準時，方可啟動麻浦橋泵站和澛港泵站排放圩內(nèi)水，故自排方案不考慮污水處理廠事故工況。具體方案詳見表1。

表1 自排工況預測方案及排污口源強一覽表

3.1.2 機排方案

主要受影響時段為汛期(豐水期)，但不排除非汛期漳河備用水源地啟用期間，主要受影響水體為長江，分別分析汛期以及非汛期條件下城南污水處理廠尾水正常排放和事故排放對長江水環(huán)境的影響。方案詳見表2。

表2 機排方案預測方案及排污口源強一覽

方案3：污水處理廠提標擴建后滿負荷正常運行，尾水機排入長江，污染物濃度執(zhí)行設計標準，分析在50%保證率下對長江水環(huán)境的影響；

方案4：污水處理廠提標改造擴建后滿負荷非正常運行，尾水機排入長江，污染物濃度為該廠設計進水水質(zhì)濃度，分析在50%保證率設計水文太偶見下對長江水環(huán)境的影響；

方案5：污水處理廠提標改造擴建后滿負荷正常運行，尾水機排入長江，污染物濃度為該廠設計進水水質(zhì)濃度，分析在90%保證率設計水文條件下對長江水環(huán)境的影響；

方案6：污水處理廠提標改造擴建后滿負荷非正常運行，尾水機排入長江，污染物濃度為該廠設計進水水質(zhì)濃度，分析在90%保證率設計水文條件下對長江水環(huán)境的影響。

3.2 預測結果

(1)自排方案

根據(jù)相關要求，當圩內(nèi)水系水質(zhì)不低于地表水Ⅴ類水質(zhì)標準時，方可啟動麻浦橋排澇站和澛港排澇站排放圩內(nèi)水。與對照方案相比，方案2對漳河的影響呈減弱狀態(tài)，對漳河和長江水質(zhì)具有改善作用，漳河上國控斷面水質(zhì)仍能達標。在澛港閘開啟排水時段，排水不會對漳河上備用水源地產(chǎn)生不利影響，亦不會對長江干流各保護目標產(chǎn)生不利影響。但在特殊時段澛港閘關閉期間(防洪需要或長江水質(zhì)受到污染漳河備用水源地啟用期間)圩區(qū)內(nèi)排水會對漳河備用水源地產(chǎn)生不利影響。

(2)機排方案

①汛期機排：尾水正常排放工況下COD和NH3-N影響長度和影響范圍較少，同時COD和NH3-N均無超標現(xiàn)象。排污口附近水域水質(zhì)受尾水影響，變?yōu)镮II類水，影響長度為0.2 km，影響面積為0.01 km2，影響范圍較小；對長江干流各保護目標均無影響，保護目標處水質(zhì)仍可達標；核算斷面的COD、NH3-N質(zhì)量濃度分別為12.66 mg/L、0.34 mg/L，按照II類水標準進行核算，核算斷面的安全余量大于環(huán)境質(zhì)量標準的10%，滿足要求，同時利民路水廠取水口水質(zhì)達標。

污水處理廠在事故排放時，COD和NH3-N均出現(xiàn)超標現(xiàn)象，超標范圍面積分別為0.36 km2和0.37 km2。各保護目標COD、NH3-N增量增加，國家環(huán)境監(jiān)測點和利民路水廠取水口水質(zhì)類別由II類變?yōu)镮II類，利民路水廠取水口水質(zhì)超標，核算斷面的COD、NH3-N質(zhì)量濃度分別為18.63 mg/L、0.97 mg/L，水質(zhì)超標。

方案3和方案4污染物濃度包絡線見圖3和圖4。

圖3 方案3 COD和NH3-N包絡線圖

圖4 方案4 COD和NH3-N包絡線圖

②非汛期機排：非汛期排水產(chǎn)生的影響大于汛期，排污口附近水域水質(zhì)受尾水影響，變?yōu)镮II類水，影響長度為0.28 km，影響面積為0.02 km2，影響范圍仍較小；對長江干流各保護目標均無影響，保護目標處水質(zhì)仍可達標；核算斷面的COD、NH3-N質(zhì)量濃度分別為12.66 mg/L、0.34 mg/L，按照II類水標準進行核算，核算斷面的安全余量大于環(huán)境質(zhì)量標準的10%，滿足要求，同時利民路水廠取水口水質(zhì)達標。

污水廠在事故排放時，COD和NH3-N均出現(xiàn)超標現(xiàn)象，超標范圍面積分別為0.49 km2和0.50 km2，對長江干流各保護目標均無影響，保護目標處水質(zhì)仍可達標；國家環(huán)境監(jiān)測點和利民路水廠取水口水質(zhì)類別均發(fā)生變化，水質(zhì)超標；核算斷面的COD、NH3-N質(zhì)量濃度分別為26.48 mg/L、1.76 mg/L，水質(zhì)超標，不滿足要求。

方案5和方案6污染物質(zhì)量濃度包絡線見圖5和圖6。

圖5 方案5 COD和NH3-N質(zhì)量濃度包絡線圖

4 結 論

(1)非汛期啟用污水處理廠自排口，與現(xiàn)狀排水方案相比，污水處理廠擴建并提標改造后尾水排放對圩區(qū)水系和漳河水質(zhì)均有改善作用。此種情況下排水一方面有助于維持圩區(qū)河道的生態(tài)水位，另一方面有利于改善圩區(qū)水質(zhì)；但由于圩區(qū)內(nèi)河道現(xiàn)狀水質(zhì)較差，必須在泵站前池水質(zhì)可達Ⅴ類及以上水平，方可開啟麻浦橋排澇站和澛港排澇站向漳河排水。若出于防汛或排澇需要必須排水，則建議就地建設地埋式污水處理設備，確保泵站前池出水達到Ⅴ類及以上水平。

(2)當漳河備用水源地啟用或者汛期區(qū)域內(nèi)排澇壓力較大時，為減輕尾水排放對備用水源地的影響或減輕排水對排澇的壓力，啟用機排口，同時關閉澛港閘，根據(jù)預測可知，無論汛期還是非汛期，尾水正常排入長江水環(huán)境影響較小，水環(huán)境保護目標不受影響，但是尾水事故排放會對長江產(chǎn)生一定的

不利影響，建議污水處理廠嚴格監(jiān)管，杜絕事故排放。

綜上可知，圩區(qū)河道污水處理廠尾水排放預測時，應充分考慮圩區(qū)內(nèi)水利工程的調(diào)度規(guī)則、受納水體的環(huán)境保護目標、水體水文情勢等因素制定預測方案，根據(jù)預測結果提出合理的排水方案，為行政主管部門提供科學依據(jù)。