入河排污口設置論證在杭嘉湖平原河網地區的實例應用

王亞芹，仇茂龍，陸一奇

（1.浙江同濟科技職業學院，浙江杭州 311231；2.浙江省錢塘江管理局勘測設計院，浙江杭州 310016；3.杭州市河道與農村水利管理服務中心，浙江杭州 310000）

隨著經濟的快速發展，農村城鎮化進程加快，污水處理廠的建設已駛入了快車道，入河排污口設置的論證工作也顯得愈加重要[1-2]。本文采用MIKE 11軟件中的水動力模塊和對流擴散模塊，搭建杭嘉湖區域及振潯污水處理廠局部河網水動力水質模型，模擬振潯污水處理廠入河排污口建設對周邊河網水環境功能區水質的影響，為排污口設置論證提供評價依據。

1 項目概況

1.1 污水處理廠基本情況

振潯污水處理有限公司位于湖州市南潯城區西北側，巨王木業南側，工程污水處理總規模5萬m3/d，其中一期規模3萬m3/d已建，本次論證分析總規模。

1.2 出水標準

根據“浙江省人民政府關于進一步加強太湖流域杭嘉湖地區水污染防治工作的通知”，振潯污水處理廠出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準。

1.3 入河排污口概況

工程入河排污口位于廠區西側，排入九里橋港（與頔塘連通），排污口經度120°23′75″、緯度30°52′02″，改擴建后不再修建新的尾水排放工程。根據采樣檢測排入水體現狀水質Ⅲ類，目標水質為Ⅲ類。

2 入河排污口設置論證

2.1 論證范圍

入河排污口位于杭嘉湖平原河網區域，所在區域全年水流自西向東為主，洪水期自南向北，枯水期太湖回水自北向南。平原河道水流流速較低，污水處理廠排放污水對周邊河道水質影響較大，論證區域考慮污水處理廠附近可能產生影響的河流水系。確定論證范圍涵蓋南潯城區主要河道，包括：頔塘、息塘、九里橋港、丁涇塘、白米塘、橫古塘、陽安塘等河道，區域總面積約109km2。

2.2 區域納污能力分析

區域納污能力計算選取指標COD、NH3-N、TP。概化排污口在水功能區的分布，認為污染物排放沿河均勻分布，對某一河流小范圍內存在偏差，但綜合反映了區域河網污染物排放的平均狀態[3]。計算公式如下：

式中：W河網為整個河網的剩余納污能力（t/a）；W功能區為功能區納污能力（t/a）；V為功能區河段槽蓄量（m3）；Q0為進口斷面的入流流量（m3/s）；Cs為水體目標水質標準值（mg/L）；C0為進口斷面水質濃度（mg/L）；q為旁側入流流量（m3/s）；V河網為設計水文條件下整個河網槽蓄量（m3）；k為污染物綜合衰減系數（d-1）；l為功能區河長（m）；L河網為河網總河長（m）。

2.2.1 污染物綜合衰減系數

本次論證污染物綜合衰減系數借鑒杭嘉湖平原地區以往的工作和研究成果[4]，在《浙江省太湖流域水環境綜合治理引排工程對改善杭嘉湖水環境作用分析》中COD、NH3-N、TP的綜合衰減系數取值0.072d-1，作為論證借用成果。

2.2.2 河網計算容積的確定

頔塘上設有南潯站國家基本水文站，根據南潯站1991—2016年實測水位系列，得到多年平均水位為1.22m。對南潯站歷年最低水位排頻，得到90%年最低水位為0.58m，南潯站位于振潯污水處理廠下游約3.5km，論證區域河網處于枯水期，水位較低，且水流交換作用較弱，河網水位趨于相同，因此以南潯站水位作為論證區域的代表水位，即0.58m。根據實測斷面與計算水位確定河網計算容積。

2.2.3 納污能力計算結果

經計算，論證區域在90%保證率的水位條件下，COD、NH3-N、TP現狀納污能力分別為3 756.47t/a、529.10t/a、75.13t/a，現狀入河總量分別為2 015.71t/a、201.96t/a、1.15t/a。包括湖州中環水務有限責任公司、湖州金潔水務股份有限公司等6個主要排污口。因此，論證區域內水域各指標現狀剩余納污能力分別為827.76t/a、236.14t/a、64.98t/a。

2.3 對水質影響分析

2.3.1 計算方法和模型

采用MIKE 11軟件搭建南潯區及周邊河網水動力水質模型，模擬分析振潯污水處理廠工程擴建對周邊水質的影響[5-6]。

水動力控制方程為Saint-Venant方程組：

式中：x和t分別為空間坐標（m）和時間坐標（s）；Q為斷面流量（m3/s）；A為過流面積（m2）；q為旁側入流單寬流量（m2/s）；C為謝才系數；R為水力半徑；α為動量校正系數；g為重力加速度（m/s2）。

水質控制方程是一維對流擴散方程：

式中：C為物質濃度（mg/L）；C2為源/匯濃度（mg/L）；K為污染物綜合衰減系數（d-1）；D為縱向擴散系數（m2/s）。

2.3.2 河網概化

本次一維河網水動力水質模型涵蓋了振潯污水處理廠周邊的主要河道，包括頔塘、息塘、九里橋港、丁涇塘、白米塘等32條河道。模型計算采用實測斷面297個，考慮水閘、泵站32座。

2.3.3 邊界條件

模型考慮了水位、流量、水質三種邊界屬性。模型驗證計算選擇2014年該地區的實測水文條件。

水動力邊界：西面為湖州船閘2014年實測逐日流量過程；西南面為雙林站和烏鎮站2014年實測逐日水位過程；東面為平望站2014年實測逐日水位過程。平原產水量根據2014年的降雨、蒸發資料及不同地類面積（水面、水田、旱地、其他），采用不同方法推求。

水質邊界：分別采用三里橋站、平望站、重兆大橋站、練市站4個站點2014年實測水質數據。

2.3.4 污染源概化

污染源考慮點源和面源污染。點源污染包括7個排污口，其中3個為污水處理廠，4個為生產企業。面源污染通過降雨徑流聚集的污染物匯入水系，覆蓋范圍包括整個計算區域的河網，降雨資料通過當地的水文測站獲取。

2.3.5 水動力模型驗證

選取南潯站水位過程作為驗證對象，河網水動力模型驗證結果顯示，模型計算的水位與實測值相符，表明建立的局部河網模型概化和參數選取基本合理。

2.3.6 水質模型驗證

以COD、NH3-N為驗證指標，模擬河網2014年全年COD、NH3-N濃度的變化情況。選取舊館斷面實測污染物濃度數據，與計算結果對比。驗證計算得到COD指標前3個月計算值與實測值誤差較大，分別為18%、19%、21%，后9個月均在3%以內；NH3-N指標前3個月計算值與實測值誤差分別為12%、18%、11%，后9個月均在5%以內。計算值與實測值吻合較好，說明模型參數設置基本合理。

2.3.7 水質預測評價

水質預測評價確定3個計算方案，分別是技改前正常排放，技改后正常排放，技改后事故排放。

模型計算邊界如下：水質考慮頔塘現狀水質為Ⅲ類，確定COD為17.5mg/L、NH3-N為0.75mg/L；流量根據潯溪大橋站2001–2017年長系列流量資料，采用P-III型頻率曲線適線得到90%年最小流量17.6m3/s；水位采用1991–2016年雙林站、烏鎮站和南潯站3個站點的實測水位系列，適線得到90%年最低水位分別為0.58m、0.62m、0.55m。

根據計算得出頔塘各斷面污染物濃度，最終得到頔塘在工程建設前后的水質變化（見圖1~圖2）。

圖1 頔塘COD濃度沿程變化

圖2 頔塘NH3-N濃度沿程變化

分析圖1~圖2，在技改工程完成后污水處理廠正常排放的工況下，頔塘河道沿程COD濃度增幅較小，排污口上游影響至650m處，COD濃度增加0.02mg/L，增量最大的是排污口下游1 335m處，濃度增加0.67mg/L。頔塘河道沿程NH3-N濃度的變化較COD敏感，排污口上游影響至650m處，NH3-N濃度增加0.01mg/L，增量最大的是排污口下游1 335m處，濃度增加0.09mg/L。在事故工況下，污水處理廠的廢水排放濃度高于正常工況，頔塘河道沿程COD濃度增幅較大，排污口上游影響至650m處，COD增加0.42mg/L，增量最大的是排污口下游1 335m處，增加15.08mg/L。頔塘河道沿程NH3-N濃度增幅較大，排污口上游影響至650m處，NH3-N增加0.05mg/L，增量最大為排污口下游1 335m處，增加1.49mg/L。

振潯污水處理廠技改后正常排放情況下，雖然排放廢水量增加，但對頔塘沿程水質影響較小，在可控范圍內；事故排放工況下，由于排放水體水質明顯較差，遠超出規定的排放標準，對頔塘沿程水質影響較大。

3 結論

采用MIKE 11水動力水質模型，模擬振潯污水處理廠入河排污口排放污水中COD、NH3-N污染指標在河網中的擴散演變情況，分析入河污染物對論證范圍內水質的影響程度和范圍。采用實測水質數據和水位數據，保證模型計算的準確性，得到結果顯示在正常排放工況下，入河排污口對河道沿線水質的影響有限，水質保持在Ⅲ類，事故工況下，對河道沿線水質影響較大，建議加強工程運行管理，建立應急預案，避免事故工況的發生。本次應用表明MIKE 11水動力水質模型對污染物在河道水體中的擴散模擬具有較強的適用性，能夠較為準確地反映水體中污染物的擴散和演變趨勢，可以作為入河排污口設置論證中水質影響分析的依據。