污水廠尾水對河流水質控制斷面水質影響分析

張樹杰

（廣東省廣州生態環境監測中心站，廣東 廣州 510000）

廣州地處珠江三角洲河網水系，受到上游季節性變化較強的徑流和外海潮汐的共同影響，水動力過程與污染物遷移擴散規律十分復雜。為了更好地模擬本區域內的水動力與水質過程，根據廣州市32家污水處理廠尾水排放情況和珠江三角洲河網區的水文條件，采用一維感潮河網水動力-水環境模型來進行水環境影響的預測分析，為地表水的水質管理提供技術依據。

1 城市污水廠對河流水質控制斷面水質影響的分析流程

納污河網水動力-水環境的模型選擇的是平水年的豐水期、平水期、枯水期作為評價水期，分別模擬計算在一個潮周期的影響平均值，來評估廣州市各主要城市污水處理廠的尾水排放對珠江三角洲河網區廣州市轄區內水質控制斷面水質的影響。采用了一維感潮河網建立了水動力-水環境模型，并對珠江三角洲的河網區進行模擬，城市污水廠對河流水質控制斷面水質影響的分析流程分為兩部分，首先需要構建水環境數學模型并對構建的模型進行驗證，再對結果進行計算以及對其影響進行分析評估。

2 模型介紹

一維河網水環境模型共概化河道309條，汊點195個，劃分河道斷面1 764個。6個上部邊界分別為高要（西江）、石角（北江）、博羅（東江）、老鴉崗（流溪河）、潭江地區的石咀和石井河石井；其下邊界為八大口門，分別為虎門、洪奇瀝、蕉門、橫門、雞啼門、磨刀門、虎跳門、崖門。一維河網模型范圍以及32個污水廠、13個水質保持的斷面狀況如圖1所示。

圖1 一維河網水環境模型范圍以及污水廠、水質斷面位置

3 構建水環境數學模型

3.1 模型控制方程介紹

3.1.1 水動力模塊

河網可以分解為多個單一河道，并將每一河道中相鄰的兩個斷面間河段設置為微段，不同河道的交叉點可以定義為汊點[1]。針對明渠中的非恒定水流運動，可以借助一維圣維南方程組進行描述，可用如下方程式表述：

式中，H表示斷面水位；Q表示流量；B表示不同水位下的水面寬度，qL表達為旁側部分的入流流量；表示平均流速；A為過水斷面面積；g為重力加速度；R是水力半徑；Cs表達為謝才系數；x，t是位置和時間變量。

流量連接條件：表達為：

式中，表達為流經斷面進入到節點的平均流量。動力連接條件：各支汊河道處在汊點處的流體動力學特性基本一致，滿足伯努利方程：

差分格式結合連續性方程（1），代入到動力學方程（2），可以得到河道中首末斷面的水位流量，其關系表達如下：

其中H1，Q1，HM，QM，分別作為河網中的第條河道的斷面水位、流量以及末端面的水位、流量值，數組表達為系數值，可以通過公式推導求解。

3.1.2 物質輸移模塊

物質于對流擴散方程的表達，河網一維物質對于流擴散問題解決采用的方程式如下：

式中：Ex表達為縱向分散系數；C表達為水流中的物質濃度；Sc表達為內部源的匯項（數值為正值表示為源，數值為負值表達為匯），可進一步分解為兩項Sc=Ins-AKcr C，等式右邊第一項Ins表示與物質濃度C無關的內部源匯項，第二項表示與物質濃度C有關的動力學反應項，其中Kcr為反應速率；Ins表示和物質濃度C不發生關系的內部源匯項，Kcr表達為反應速率；Wc表達為外源輸入項；j表達為汊點編號；I為與汊點j相連接的河道編號；NL為汊點連接斷面個數[2，3]。其它的變量所表達的意義同上。

模型差分格式的表達和求解：

本文采用修正過的一維水質模型，基于河段控制體，采用了隱式差分迎風格式，離散微分方程，借助流向調節因子rc與rd，可以將4種流態表達為離散方程，并統一到相同的方程中，經整理后，線性隱式差分方程組的表達為：

式中：ai，bi，ci是系數，由公式推導所得；Ci是i控制體時段末的物濃度；n是某一河道的斷面數。

在河網計算中，一般對于不與邊界節點發生連接的河道，由于其首、末斷面濃度未知，因此此河道上N個斷面的濃度也是未知，最多可以獲得N-1個方程，無法直接求解，此時可利用汊點方程式借助“河段-汊點-河段”的算法加以求解。

3.2 模型參數設置

結合廣州污水廠尾水對城市河流水質影響的資料，選取2013年1月（枯水期）、7月（豐水期）和10月（平水期）3個典型水期作為模型模擬時段。

水質模型的計算范圍與一維河網區水動力模型的計算范圍一致，研究模擬的水質因子為BOD5、COD、氨氮、總氮、總磷和溶解氧。氨氮，COD，BOD5，總氮，總磷五種水質指標的降解系數分別取0.23/d，0.2/d，0.3143/d，0.39/d，0.15/d，一般認為上述物質在河道中的降解符合一級反應動力學方程：k=86.4（lnC1-lnC2）U/L。式中，C1，C2分別表達為河段上下不同斷面中的污染物濃，單位：mg/L；U為河段平均流速，單位：m/ s；L為河段上下斷面間距，單位：km；K為河流綜合降解系數，單位：/d。

3.3 模型驗證

選取部分站點進行枯水期和豐水期的水位流量驗證，驗證結果顯示，模型模擬的流量與實測基本吻合，因此認為一維河網水動力模型的計算結果基本合理。

4 結論

污水廠尾水排放對水質斷面影響最大的一般是上游距離斷面最近的污水處理廠，且其影響在枯水期最大，平水期次之，在豐水期最小。因此，應考慮按照季節對污水廠尾水排放量、污染物排放濃度進行統籌管理。

地表水水質控制斷面上游污水處理系統尾水排放造成的主要污染物氨氮、總磷濃度增量與該斷面標準限值的比值不高，說明污染主要來源于其它面源或未知點源的排放，即側面反映出污水廠管網的覆蓋范圍不夠、污水的收集處理率不高。因此，污水收集管網的建設與完善是提升地表水水質的關鍵所在。

總氮雖然不是河流地表水水質評價指標，但是污水廠尾水排放的總氮濃度高，且在各地表水水質控制斷面上由尾水排放造成的總氮濃度增量占該斷面標準限值的比例相對較大，即污水廠尾水排放更容易引起地表水中總氮濃度增高。由于總氮是海水水質評價的主要指標，且廣州市屬于近海城市，建議加強對污水廠尾水中總氮含量的削減，以減少入海河流中總氮污染物的總量。