太湖流域某污水處理廠尾水排放對平原河網(wǎng)區(qū)域水環(huán)境影響分析

吳一亞，李小虎，崔小愛，張逸

（1.江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份公司，江蘇南京210037；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210098）

近年來，隨著區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人口不斷增加，污水收集管網(wǎng)布設(shè)覆蓋越來越全面，各地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠現(xiàn)有處理規(guī)模已無法滿足區(qū)域內(nèi)廢水量的增加速率。同時，根據(jù)江蘇省新發(fā)布的地方標(biāo)準(zhǔn)《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》（DB32/1072?2018）要求，對流域保護(hù)區(qū)內(nèi)的城鎮(zhèn)污水處理廠提出較嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造及擴(kuò)建工作勢在必行。

本文以太湖流域某城鎮(zhèn)污水處理廠為例，在評價(jià)區(qū)域內(nèi)部分污染因子本底值已超標(biāo)的情況下，根據(jù)尾水排放情況及平原河網(wǎng)地區(qū)的水文條件，采用平原河網(wǎng)一維水動力、水質(zhì)模型，分析主要河道水文、水質(zhì)變化影響情況。

1 預(yù)測內(nèi)容、預(yù)測因子及預(yù)測范圍

1.1 預(yù)測內(nèi)容

在污水處理廠改擴(kuò)建及提標(biāo)改造工程完成后，基于不同預(yù)測情景在考慮受納水體雙向流的情況下，預(yù)測分析尾水排口對周邊水域水環(huán)境的影響。

1.2 預(yù)測因子

根據(jù)評價(jià)水域環(huán)境功能區(qū)劃、水質(zhì)現(xiàn)狀以及污水廠排污特征等因素，決定預(yù)測因子為COD、NH3?N、TP、TN、石油類、硫化物、苯胺、鎳。

1.3 預(yù)測范圍

污水處理廠位于太湖流域，二期工程完工后，污水廠排污口移至京杭運(yùn)河上。綜合考慮區(qū)域水文特征、河勢特征及污染物遷移特征，確定地表水環(huán)境影響評價(jià)范圍：京杭運(yùn)河為自常州三山港交匯口斷面至無錫梁溪河交匯口斷面約38km的河段；錫溧運(yùn)河為自直湖港交叉口斷面至京杭運(yùn)河交叉口斷面長約6.3km的河段，具體評價(jià)范圍見圖1。

圖1 水環(huán)境影響評價(jià)范圍

由于評價(jià)區(qū)域內(nèi)河道眾多，相互交織成網(wǎng)。建立模型時由于工作量及資料的限制，模擬計(jì)算時將天然河網(wǎng)進(jìn)行概化，河道采用設(shè)計(jì)坡降、梯形斷面進(jìn)行概化，概化斷面用底高、底寬和邊坡三要素來描述。概化時將主要的輸水河道納入計(jì)算范圍，將次要的河道和水體根據(jù)等效原理，歸并為單一河道和節(jié)點(diǎn)，使概化前后河道的輸水能力相等、調(diào)蓄能力不變。當(dāng)這些次要的平行河道具有斷面資料，且首末節(jié)點(diǎn)相同時，可以用水力學(xué)的方法，根據(jù)過水能力相同的原理，求得合并概化河道的斷面參數(shù)。對于水系內(nèi)不參加水流輸送的一些小河、池塘等，其調(diào)蓄作用不可忽視，故采用調(diào)蓄不變原則模擬概化河網(wǎng)以外的調(diào)蓄作用，使概化前后河道的總調(diào)蓄容積不變。一般來說，在進(jìn)行河網(wǎng)湖庫概化時，除了要滿足輸水能力與調(diào)蓄能力相似外，主要遵循以下原則：主要河道不要合并；次要的起輸水作用的小河道，可以幾條河合并成一條概化河道；更小的基本上不起輸水作用的河道作為陸域上的調(diào)蓄水面處理；中小型湖泊、塘壩可概化為調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)。根據(jù)以上原則對主要河道進(jìn)行概化［1］，概化河網(wǎng)見圖2。

圖2 研究區(qū)域模型概化河網(wǎng)示意圖

2 預(yù)測方法

根據(jù)受納水體水文特征，采用混合過程段長度估算公式推算得項(xiàng)目污水排入受納水體后污染物混合過程段距離。混合過程段內(nèi)污染物分布計(jì)算采用平直河流混合過程段二維穩(wěn)態(tài)混合衰減模式；污染物充分混合后，采用平原河網(wǎng)一維水動力、水質(zhì)模型，分析主要河道水文、水質(zhì)變化影響情況。

2.1 平原河網(wǎng)水量模型［2］

2.1.1 單一河道控制方程

描述明渠一維非恒定流的基本方程為一維Saint?Venant方程組：

式中：t—時間坐標(biāo)；x—空間坐標(biāo)；Q—流量；Z—水位；U—斷面平均流速；n—糙率；A—過流斷面面積；B—主流斷面寬度；BW—水面寬度（包括主流寬度B及僅起調(diào)蓄作用的附加寬度）；R—水力半徑。

2.1.2 邊界條件

邊界條件是河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型的主要約束條件，本模型考慮了兩種邊界屬性，分別為外部邊界和內(nèi)部邊界。外部邊界即開邊界，是指控制計(jì)算區(qū)域內(nèi)、外水體交換的約束條件，開邊界在模型運(yùn)算中是必不可少的［2］，本次模型共設(shè)置3個開邊界（按上游流量下游水位的原則設(shè)置，共設(shè)置1個水位邊界，2個流量邊界）；內(nèi)部邊界是指模型計(jì)算范圍內(nèi)以點(diǎn)源及面源形式給出的取、排水口等，本次模型共設(shè)置1個內(nèi)部邊界（污水處理廠新建排口）。

模型計(jì)算過程中，污水處理廠的尾水受納水體中京杭大運(yùn)河附近水文站近10年水文監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，得到河道預(yù)測范圍邊界處在90%保證率下的水位或流量，并以此作為京杭運(yùn)河本次模擬的水文邊界條件；而錫溧運(yùn)河則利用國家“十三五”水專項(xiàng)研究中建立的全太湖流域河網(wǎng)模型及研究區(qū)域部分河道流量的實(shí)測資料，同時考慮該河段上取、排水口的影響，計(jì)算得到水文邊界條件。河網(wǎng)水量模型水動力邊界條件信息見表1。

表1 水量模型水動力邊界條件信息表

2.2 河網(wǎng)地區(qū)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型［3］

2.2.1 單一河道控制方程

描述河網(wǎng)中單一河道污染物質(zhì)運(yùn)動及濃度變化規(guī)律的控制方程為：帶源的一維對流擴(kuò)散方程，形式如下：

式中：C—污染物質(zhì)的斷面平均濃度；U—斷面平均流速；A—斷面面積；Ex—縱向分散系數(shù)；S—單位時間內(nèi)、單位河長上的污染物質(zhì)排放量；K—污染物降解系數(shù)；x—空間坐標(biāo)；t—時間坐標(biāo)。

2.2.2 邊界條件

本次預(yù)測的是污水廠二期工程完工后各河道內(nèi)的污染物濃度增量，因此入流斷面所處水質(zhì)邊界條件均取為0，出流斷面按第二類邊界條件控制。

3 污染源強(qiáng)

污水處理廠二期工程擬新增1.5×104m3/d污水處理規(guī)模。由于原排污口建設(shè)存在部分遺留問題，將同時并改一期工程排口，與新增的二期工程共用新建排污口，一、二期總污水處理規(guī)模為3×104m3/d。此次預(yù)測過程中，污水處理廠的污水排放量將以最不利情況3×104m3/d代入模型計(jì)算。正常情況下，出水水質(zhì)指標(biāo)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918?2002）中一級A標(biāo)準(zhǔn)及《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》（DB32/1072?2018）。具體尾水污染物源強(qiáng)見表2。

表2 尾水污染物源強(qiáng)

4 預(yù)測工況選擇

論證范圍內(nèi)的河流流態(tài)共有3種，具體見表3。根據(jù)該區(qū)域水系水文特征，京杭運(yùn)河、錫溧運(yùn)河存在順流、逆流兩種流態(tài)，出現(xiàn)時間比平均約為9:1。根據(jù)水文資料統(tǒng)計(jì)分析，京杭大運(yùn)河近十年最枯月順流（從北往南）平均流量為10.3m3/s(對應(yīng)水位3.4m)，逆流（從南向北）平均流量4.2m3/s(對應(yīng)水位3.12m)；錫溧運(yùn)河順流（從西向東）流量值為1.03m3/s，逆流（從東向西）平均流量為0.97m3/s。京杭大運(yùn)河近十年平水年順流（從北往南）月平均流量為28.3m3/s(對應(yīng)水位3.82m)；錫溧運(yùn)河平均流量3.95m3/s。依據(jù)不同流態(tài)情況下污染物的遷移路徑分析可知，當(dāng)出現(xiàn)京杭大運(yùn)河逆流及京杭大運(yùn)河與錫溧運(yùn)河同時順流這兩種情況下，新建排污口排放污染物將不會對錫溧運(yùn)河水質(zhì)造成影響，僅當(dāng)京杭大運(yùn)河順流同時錫溧運(yùn)河逆流時，新建排污口排放的污染物才會對錫溧運(yùn)河水質(zhì)造成影響。根據(jù)受納水體水文特征、污水處理廠規(guī)模，確定預(yù)測工況見表4。

表3 論證范圍內(nèi)河流流態(tài)表

表4 預(yù)測工況

5 預(yù)測結(jié)果

5.1 枯水年正常排放水環(huán)境影響分析

5.1.1 混合過程段影響分析

混合過程段長度計(jì)算結(jié)果見下表：

表5 枯水年正常排放時不同工況下京杭運(yùn)河混合過程段長度

混合過程段內(nèi)污染物分布計(jì)算采用平直河流混合過程段二維穩(wěn)態(tài)混合衰減模式；計(jì)算得到各工況下混合過程段內(nèi)污染物濃度（以COD為例）分布見表6。

5.1.2 充分混合段影響分析

根據(jù)上述工況，采用河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到正常排放情況下各典型斷面見圖3。

圖3 預(yù)測斷面分布圖

污水處理廠枯水年正常排放情況下，預(yù)測結(jié)果顯示：

（1）京杭大運(yùn)河順流及錫溧運(yùn)河順流條件下，污水處理廠尾水排放對京杭運(yùn)河的水質(zhì)產(chǎn)生一定程度的影響。監(jiān)測斷面上部分特征因子的背景濃度已超過標(biāo)準(zhǔn)限值（COD、NH3?N、TP、硫化物、苯胺、石油類及鎳超標(biāo)率為0；總氮超標(biāo)率為100%），在進(jìn)行濃度疊加后其對應(yīng)的濃度不滿足相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（COD、TP、NH3?N、硫化物、苯胺及石油類超標(biāo)率為0，總氮超標(biāo)率為100%，鎳超標(biāo)率為30%）；該排放條件下未對錫溧運(yùn)河水質(zhì)造成影響。

該種工況下，京杭運(yùn)河預(yù)測范圍下邊界處COD疊加本底值后濃度占相應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限定濃度的55.6%（占標(biāo)率）；TN疊加本底后占標(biāo)率為396%；NH3?N疊加本底后占標(biāo)率為93.3%；TP疊加本底后占標(biāo)率為84.3%；硫化物疊加本底后占標(biāo)率為6.6%；苯胺疊加本底后占標(biāo)率為18%；石油類疊加本底后占標(biāo)率為6.4%；鎳疊加本底后占標(biāo)率為100%。

表6.1 枯水年正常排放時混合過程段內(nèi)COD濃度分布 單位：mg/L工況1、2京杭運(yùn)河順流

表6.2 枯水年正常排放時混合過程段內(nèi)COD濃度分布 單位：mg/L工況3京杭運(yùn)河逆流

COD、氨氮、TN、總磷、硫化物、苯胺、石油類、鎳分別會對排污口下游15.6km、15.7km、15.9km、16.3km、16.8km、17.3km、17.6km、2.6km范圍(即濃度貢獻(xiàn)值大于零的范圍)造成影響；預(yù)測范圍內(nèi)COD、TP、NH3?N、硫化物、苯胺及石油類濃度疊加值均可以達(dá)到GB3838?2002中Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，排污口下游2600m范圍內(nèi)鎳濃度影響值無法達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，預(yù)測范圍內(nèi)總氮濃度均無法達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求（背景超標(biāo)嚴(yán)重）。

（2）京杭大運(yùn)河順流及錫溧運(yùn)河逆流條件下，污水處理廠尾水排放對京杭運(yùn)河及錫溧運(yùn)河的水質(zhì)產(chǎn)生一定程度的影響。監(jiān)測斷面上部分特征因子的背景濃度已超過標(biāo)準(zhǔn)限值（COD、NH3?N、TP、硫化物、苯胺、石油類及鎳超標(biāo)率為0；總氮超標(biāo)率為100%），在進(jìn)行濃度疊加后其對應(yīng)的濃度不滿足相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（COD、TP、NH3?N、硫化物、苯胺及石油類超標(biāo)率為0，總氮超標(biāo)率為100%，鎳超標(biāo)率為30%）；監(jiān)測斷面上部分特征因子的背景濃度已超過標(biāo)準(zhǔn)限值（COD、NH3?N、TP、硫化物、苯胺、石油類及鎳超標(biāo)率為0；總氮超標(biāo)率為100%），在進(jìn)行濃度疊加后其對應(yīng)的濃度也不滿足相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（COD、硫化物、苯胺及石油類超標(biāo)率為0，總氮超標(biāo)率為100%，NH3?N超標(biāo)率為60%，鎳超標(biāo)率為80%）。

該種工況下，京杭運(yùn)河預(yù)測范圍下邊界處COD疊加本底值后濃度占相應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限定濃度的55.7%（占標(biāo)率）；TN疊加本底后占標(biāo)率為397%；NH3?N疊加本底后占標(biāo)率為93.5%；TP疊加本底后占標(biāo)率為84.3%；硫化物疊加本底后占標(biāo)率為6.6%；苯胺疊加本底后占標(biāo)率為18%；石油類疊加本底后占標(biāo)率為6.4%；鎳疊加本底后占標(biāo)率為100%。

錫溧運(yùn)河預(yù)測范圍上邊界處COD疊加本底值后濃度占相應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限定濃度的56.3%（占標(biāo)率）；TN疊加本底后占標(biāo)率為256%；NH3?N疊加本底后占標(biāo)率為97.5%；TP疊加本底后占標(biāo)率為54.7%；硫化物疊加本底后占標(biāo)率為16.9%；苯胺疊加本底后占標(biāo)率為19%；石油類疊加本底后占標(biāo)率為8.2%；鎳疊加本底后占標(biāo)率為100%。

COD、氨氮、TN、總磷、硫化物、苯胺、石油類、鎳分別會對京杭運(yùn)河排污口下游16.1km、16.3km、16.6km、16.9km、17.3km、18.0km、18.2km、2.9km范圍(即濃度貢獻(xiàn)值大于零的范圍)造成影響；預(yù)測范圍內(nèi)COD、TP、NH3?N、硫化物、苯胺及石油類濃度疊加值均可以達(dá)到GB3838?2002中Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，排污口下游2900m范圍內(nèi)鎳濃度影響值無法達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，預(yù)測范圍內(nèi)總氮濃度均無法達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求（背景超標(biāo)嚴(yán)重）。

（3）京杭大運(yùn)河逆流條件下，污水處理廠尾水排放對京杭運(yùn)河水質(zhì)產(chǎn)生一定程度的影響。監(jiān)測斷面上部分特征因子的背景濃度已超過標(biāo)準(zhǔn)限值（COD、NH3?N、TP、硫化物、苯胺、石油類及鎳超標(biāo)率為0；總氮超標(biāo)率為100%），在進(jìn)行濃度疊加后其對應(yīng)的濃度不滿足相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（COD、TP、硫化物及苯胺超標(biāo)率為0，總氮超標(biāo)率為100%，NH3?N、鎳超標(biāo)率為40%）；該排放條件下未對錫溧運(yùn)河水質(zhì)造成影響。

該種工況下，京杭運(yùn)河預(yù)測范圍上邊界處COD疊加本底值后濃度占相應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限定濃度的62.1%（占標(biāo)率）；TN疊加本底后占標(biāo)率為428%；NH3?N疊加本底后占標(biāo)率為106.2%；TP疊加本底后占標(biāo)率為90.3%；硫化物疊加本底后占標(biāo)率為7.2%；苯胺疊加本底后占標(biāo)率為26%；石油類疊加本底后占標(biāo)率為19%；鎳疊加本底后占標(biāo)率為105%。

COD、氨氮、TN、總磷、硫化物、苯胺、石油類、鎳分別會對排污口上游13.6km、13.7km、

13.9km、14.1km、15.5km、15.7km、15.8km、6.8km范圍(即濃度貢獻(xiàn)值大于零的范圍)造成影響；預(yù)測范圍內(nèi)COD、TP、硫化物、苯胺及石油類濃度疊加值均可以達(dá)到GB3838?2002中Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，排污口上游6800m范圍內(nèi)鎳濃度影響值無法達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，排污口上游6500m范圍內(nèi)氨氮濃度影響值無法達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，預(yù)測范圍內(nèi)總氮濃度均無法達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求（背景超標(biāo)嚴(yán)重）。

5.2 平水年正常排放水環(huán)境影響分析

5.2.1 混合過程段影響分析

計(jì)算得到平水年正常排放時京杭運(yùn)河混合過程段長度見下表：

表7 枯水年正常排放時不同工況下京杭運(yùn)河混合過程段長度

計(jì)算得到各工況下混合過程段內(nèi)污染物濃度（以COD為例）分布見表8。

表8 平水年正常排放時混合過程段內(nèi)COD濃度分布 單位：mg/L

5.2.2 充分混合段影響分析

根據(jù)上述工況，采用河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到正常排放情況下預(yù)測結(jié)果顯示：

污水處理廠尾水排放對京杭運(yùn)河的水質(zhì)產(chǎn)生一定程度的影響。監(jiān)測斷面上部分特征因子的背景濃度已超過標(biāo)準(zhǔn)限值（COD、硫化物及苯胺超標(biāo)率為0；總氮超標(biāo)率為100%；NH3?N超標(biāo)率為90%；TP超標(biāo)率為60%），在進(jìn)行濃度疊加后其對應(yīng)的濃度不滿足相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（COD、硫化物、苯胺、鎳及石油類超標(biāo)率為0、總氮超標(biāo)率為100%、NH3?N超標(biāo)率為90%、TP超標(biāo)率為60%）；該排放條件下未對錫溧運(yùn)河水質(zhì)造成影響。

該種工況下，京杭運(yùn)河預(yù)測范圍上邊界處COD疊加本底值后濃度占相應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限定濃度的50.8%（占標(biāo)率）；TN疊加本底后占標(biāo)率為342%；NH3?N疊加本底后占標(biāo)率為126.6%；TP疊加本底后占標(biāo)率為48.7%；硫化物疊加本底后占標(biāo)率為6.2%；苯胺疊加本底后占標(biāo)率為26%；石油類疊加本底后占標(biāo)率為2.8%；鎳疊加本底后占標(biāo)率為100%。

COD、氨氮、TN、總磷、硫化物、苯胺、石油類、鎳分別會對排污口下游15.5km、15.7km、16.0km、17.3km、14.4km、16.5km、18.1km、0.5km范圍(即濃度貢獻(xiàn)值大于零的范圍)造成影響；預(yù)測范圍內(nèi)COD、硫化物、苯胺、鎳及石油類濃度疊加值均可以達(dá)到GB3838?2002中Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，排污口下游2000m范圍內(nèi)總磷濃度影響值無法達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，預(yù)測范圍內(nèi)總氮濃度均無法達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求（背景超標(biāo)嚴(yán)重）。

6 結(jié)論

（1）根據(jù)污水處理廠水環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測結(jié)果顯示，評價(jià)區(qū)域內(nèi)部分污染因子的現(xiàn)狀本底值已臨界或是超過標(biāo)準(zhǔn)限值，進(jìn)而導(dǎo)致疊加污水廠增量后污染進(jìn)一步加重。由水環(huán)境預(yù)測結(jié)果可知，污水廠建設(shè)導(dǎo)致的周圍水系污染物濃度增量（占標(biāo)率）較小，不會對區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生較大的不利影響。在區(qū)域內(nèi)相關(guān)水環(huán)境整治方案和消減措施實(shí)施后，河道污染物本底濃度減小的同時自凈能力得到提升，因此總體水質(zhì)將得到顯著改善。

（2）近年來，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，水環(huán)境問題正日益突出。污水處理廠擴(kuò)建提標(biāo)改造完成后，可一定程度削減區(qū)域內(nèi)向河道等地面水體的污染物排放量，使各河段分散的點(diǎn)源集中處理，為整個區(qū)域水環(huán)境綜合整治奠定基礎(chǔ)，為改善河道水質(zhì)作出貢獻(xiàn)。對改善城市水環(huán)境質(zhì)量、削減污染物排放量、社會與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。