基于MIKE耦合模型的典型平原感潮河網地區排污口水環境影響研究

段志強，逄 勇，徐心彤，胡祉冰，徐若詩

（1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098；3.浙江省環境科技有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

長江經濟帶作為新時期國家區域發展格局的重中之重，依托長江黃金水道，是我國涵蓋面最廣、影響最大、與生態可持續發展息息相關的黃金經濟帶[1-2]。改革開放以來，長江流域社會經濟持續高速發展，以經濟發展為導向的資源過度利用型開發模式忽視了資源可持續利用和生態環境保護的重要性，區域協調發展受到嚴重制約[3-5]。 長江三角洲為典型的平原感潮河網地區，河網縱橫交錯，受潮汐和徑流的影響，水流狀態復雜[6]，且周圍沿江城市密集，污染物入河量大而集中，城市河道水動力條件較弱、水環境容量較小[7]，區域資源環境的壓力進一步增大。 而入河排污口是陸源污染負荷從岸上到河里的關鍵樞紐，通過數值模擬分析論證排污口設置，預測尾水中污染物的遷移轉化及擴散趨勢，對于流域生態環境保護具有重要意義[8]。

目前針對入河污染物排放水環境影響的研究一般采用數值模擬軟件，主要包括QUAL，EFDC，WASP，SWAT，MIKE 模型等[9-14]。 其中MIKE 系列模型因其模擬精度高且綜合性強，在水環境數值模擬中得到廣泛應用。王天澤等[15]將MIKE11 與MIKE21通過MIKE FLOOD 進行耦合，建立了城市暴雨洪水模型，模擬了現狀河道和規劃河道在不同條件下的洪水演進過程和淹沒風險；王淺寧等[16]利用MIKE耦合一維管網模型和地表漫流二維模型，對洪澇災害和超標準洪水應對進行分析；陳平等[17]建立MIKE一維及二維耦合的南澧河及兩岸保護區的水動力模型，并對100 a 一遇的洪水演進過程進行風險要素分析；欒震宇等[18]利用MIKE URBAN-MIKE21 耦合模型對湖南省新化縣的城市內澇情景進行模擬，并對地表漫流、城市易澇點和管道排水能力進行分析；李明等[19]基于MIKE11，ECO Lab 模塊及MIKE SHE構建了沙河水庫流域水動力及水質耦合模型，模擬污染物的遷移轉化，進而探究河道水質的改善方案。目前，MIKE 耦合模型在城市內澇和洪水演進的水動力模擬中應用廣泛，但是對于感潮河網地區的水質模擬研究較少。

本文以COD，NH3-N 和TP 為目標污染物，應用MIKE11 及MIKE21 模型的水動力模塊及對流擴散模塊，構建了泰興市感潮河網地區一維及長江泰興段二維耦合的水動力-水質模型，模擬泰興市某工業園區擬建入河排污口在不同工況下尾水中多元污染物在長江中的遷移轉化，計算不同潮汐狀況下污染帶的擴散范圍，分析污染物排放對長江水環境的影響。

1 研究區域概況

泰興市地處長三角洲沖積平原，南臨長江，受季風和潮汐的影響顯著，屬典型的平原感潮河網地區，河流縱橫交織，水網密布，以人工河渠為主，河流水位、流向、流速大多受到節制閘控制，另有部分天然洼地積水成條形或不規則水面，與人工河道溝通。區內及周邊主要河道包括長江（泰興段）、靖泰界河、天星港、焦土港、六圩港等。

泰興市某工業園區擬建排放規模為2 萬t/d 污水處理廠，擬設置入河排污口在六圩港，尾水經五圩港、六圩港后最終匯入長江，研究區域概況見圖1。

圖1 研究區域概況

2 研究方法

2.1 模型方程

2.1.1 河網模型

水動力基本方程是基于流量和水位交替網格的六點Abbott-Ionescu 隱式有限差分法求解的建立在質量和動量守恒定律基礎上的一維非恒定Saint-Venant 方程組，以流量Q(x,t)和水位Z(x,t)為未知變量，方程組為：

式中：Q 為流量；x 為沿水流方向空間坐標；Bw為調蓄寬度，包括灘地在內的全部河寬；z 為水位；t 為時間；q 為旁側入流流量，入流為正，出流為負；u 為斷面平均流速；g 為重力加速度；A 為主槽過水斷面面積；B 為主流斷面寬度；n 為糙率；R 為水力半徑。

河網對流傳輸的基本方程為：

式中：Ex為x 方向擴散系數；C 為模擬物質的濃度；Sc為與模擬物質濃度有關的衰減項，Sc=Kd·A·C；Kd為衰減因子；S 為源項。

2.1.2 長江模型

二維水動力控制方程是基于三向不可壓縮和雷諾值均布的Navier-Stokes 平均方程沿水深方向積分的連續方程和動量方程，服從Boussinesq 及靜水壓力假定，其二維非恒定淺水方程組如下[20]：

連續方程：

動量方程：

式中：x，y 為Cartesian 坐標；h=η+d，h 為總水深，η為水位，d 為靜水深；ρ 為水體密度；u 和v 為x，y 方向上速度分量；f=2 ωsinφ；表示Coriolis 因子（ω 是地球自轉的角速度，φ 是地理緯度）；Sxx，Sxy和Syy為輻射應力分量；Pa為大氣壓；us和vs為點源速度分量；Tij為橫向應力，包括粘滯力、紊流應力及水平對流摩擦力。

污染物在二維非均勻流中的對流擴散基本方程可以表示為：

式中：Ey為y 方向的擴散系數；Sk為動力轉換項。

2.2 耦合模型構建

一維河網模型計算范圍包括六圩港、五圩港、連復港、涌興港。 根據典型年研究區域內長江漲、落潮水利工程的調度資料及邊界處在90%枯水保證率條件下的水位和流量確定邊界水文條件。 以安浩[21]建立的里下河腹部區一維河網模型水動力率定結果為基礎，設置河道糙率為0.026。 根據長江實測水下地形數據，建立二維長江馬鞍山～高橋段及泰興段模型。 其中長江泰興段模型平均網格邊長約300 m，網格總數為1 545 個，局部加密段網格邊長約為50 m，二維模型計算范圍及水下地形見圖2。 初始水位取水文年鑒資料平均水位2.5 m，起始時刻流速設為0。 設置長江下游段主槽糙率的取值范圍為0.01～0.02，風拖曳系數為0.001 ～0.001 5，橫、縱向擴散系數分別為0.6 m2/s，60 ～120 m2/s，研究區域內COD，NH3-N，TP 等污染物降解系數見表1。

表1 研究區域污染物綜合降解系數

圖2 長江模型計算范圍及水下地形

根據一、 二維模型連接處動量守恒的原理采用標準連接，對河網模型及長江模型進行動態耦合。一、 二維的耦合根據流量與水位在連接斷面處相同的條件，由一維河網計算出連接河道末端的流量及水質濃度數值作為二維連接網格處的源項，二維模型計算的網格點水位及水質濃度數值以入流邊界的形式提供給一維河網模型的銜接點。 在銜接處的河網端點處給定一個虛擬的水位邊界，并且用作耦合模型的啟動邊界[21-22]，耦合模型網格劃分見圖3。

圖3 一、二維耦合模型網格劃分示意

2.3計算方案

根據建立的區域河網-長江泰興段水環境耦合模型，結合長江口潮汐特征，在設計水文條件下，泰興市某工業園區污水處理廠建成投運后，分別以正常、 事故工況下尾水排放后五圩港及六圩港入江口水質濃度作為長江模型污染源，分析尾水中COD，NH3-N 和TP 在漲急、 落急時刻釋放對長江水環境的影響，預測方案見表2。

表2 預測方案及污染物源強信息

3 結果與討論

3.1 模擬結果評價

根據2015年10月15日～22日南京站、 鎮江（二）站、江陰站、營船港站感潮水位數據對耦合模型水位模擬結果進行率定，各水文站的水位模擬結果與實測值對比結果見圖4。 根據Nash-Sutcliffe 效率系數Ens、 相對誤差RE 和判定系數R2驗證模型精度，計算得出Ens為0.910，RE 為5.8%，R2達到0.903，且一般認為，Ens≥0.5，R2≥0.6 時模擬結果較可靠[19,24]，故本次建立的耦合模型可較好的適用于研究區域的水動力模擬。

圖4 各站點水位模擬值與觀測值對比

研究選擇2015年10月17日～19日長江鎮江（二） 站至徐六涇站之間各水源地COD，NH3-N 和TP 的同步觀測數據對水質模型計算結果進行率定。 根據百分比偏差PBIAS 對水質模擬結果進行評價[19,25,26]，其中COD 平均偏差為3.86%，NH3-N 平均偏差為20.06%，TP 平均偏差為18.15%，模擬誤差PBIAS ≤25%，模擬結果優秀。各斷面水質模擬結果與實測值對比見圖5。

3.2 入江口水質濃度預測

不同工況下六圩港、 五圩港入江口水質濃度見表3。 由表3 可以看出，正常工況條件下，污水處理廠尾水經五圩港、六圩港匯入長江，各污染物濃度增量疊加水質現狀監測數據后，排污口下游2 條入江河流入江口處斷面水質均達到地表水Ⅲ類標準，其中六圩港入江口COD，NH3-N，TP 質量濃度增量分別為0.9，0.05，0.005 mg/L； 五圩港入江口處污染物質量濃度增量分別為0.7，0.05，0.005 mg/L。 事故工況條件下，污水廠尾水進入受納水體六圩港，2 條入江河流入江口斷面水質均超過GB 3838—2002 《地表水環境質量標準》中相應限值，其中六圩港COD，NH3-N，TP 質量濃度增量為13.5，1.01，0.17 mg/L，超標倍數分別為0.575，0.69，0.75； 五圩港質量濃度增量分別為12.8，0.91，0.133 mg/L，超標倍數分別為0.495，0.77，0.6。 模擬結果表明，相同工況下，同種污染物對2 條入江河流入江口斷面產生的質量濃度增量相近，這主要是因為2 條入江河道流量及流速幾乎相同；事故工況時污染負荷較高的尾水導致入江口處污染物濃度增量增大，入江污染物通量顯著增加。

表3 各工況下六圩港、五圩港入江口污染物濃度mg·L-1

3.3 潮汐作用下的污染物影響范圍

為研究不同潮汐條件下各類污染物擴散對長江水環境的影響，通過耦合模型計算得到不同工況下污水廠尾水中多元污染物在長江漲急、 落急時刻的濃度增量擴散范圍。預測影響范圍見圖6 和圖7。由圖6 和圖7 可以看出，不同工況下的污染帶范圍存在明顯差異。

圖6 正常工況TCOD，NH3-N，TP 濃度增量影響范圍

圖7 事故工況下COD，NH3-N，TP 濃度增量影響范圍

正常工況時，COD，NH3-N，TP 超過背景濃度的橫向擴散影響距離分別為150，100，111 m，漲急時縱向擴散影響距離分別為2 100，2 105，1 778 m，落急時縱向擴散影響距離分別為1 864，2 167，2 160 m。其中，漲急時，COD 質量濃度增量超0.3 mg/L 的面積為4 508 m2，占比1.74%，入江口處污染物質量濃度增量最高，在潮水向上頂托的作用下向上游遷移擴散，六圩港入江口形成的污染帶中COD 質量濃度增量由入江口0.34 mg/L 下降至0.052 mg/L，其他污染物濃度分布規律相似；落急時，污染帶中COD 質量濃度增量均未超過0.3 mg/L，六圩港入江口COD質量濃度增量由0.12 mg/L 下降至0.056 mg/L。 可見，污水廠正常排放后形成的污染帶范圍較小，漲潮期間水流向上流動不利于污染物輸移擴散，污染物濃度較高的區域相對于落潮時增大。

事故工況時，隨著污水廠排污負荷增大，入江口污染物濃度相應升高，五圩港、六圩港入江口污染物擴散疊加后的復合污染帶縱向影響范圍有所增大，而橫向擴散距離略有減小。漲急時，COD，NH3-N，TP超過背景濃度的縱向擴散影響距離分別增長122，673，440 m，其中COD 質量濃度增量基本超過0.3 mg/L，超1.0 mg/L 的面積為85 964 m2，在污染帶中占比35.7%； 落急時超過背景濃度的縱向擴散影響距離分別增長136，7，129 m，其中COD 質量濃度增量超1.0 mg/L 的面積在污染帶中占比為32.6%。可見，污水廠尾水事故排放后，入江污染物通量的增加使污染物濃度較大的區域占比增大，對污染物擴散范圍影響較大，污染帶隨排污量的增加而持續伸長，對長江水環境有一定程度的影響，應加強污水廠運行管理，避免事故的發生。

對比2 種方案下污染物在漲、 落潮的擴散情況可知，泰興市某工業園區污水廠擬設排污口尾水正常排放時，污染物排放濃度最低，污染帶范圍較小，對長江水生態環境影響范圍、 影響程度最小； 漲急時，污染物隨潮水向上游遷移擴散，五圩港、六圩港入江口處形成的復合污染帶有明顯上溯趨勢，上游污染帶長度相對較長，污染物擴散對上游水環境影響較大；落急時，污染物擴散帶向下游延伸，最遠可至六圩港入江口下游1.05 km；對于同一入江口處形成的污染帶，各污染物濃度隨縱向距離增加而逐漸削減，污染物高濃度區域比例隨入江污染物通量的增加而增大。

4 結論

本文以長江三角洲典型平原感潮河網地區泰興市為例，分析了長江感潮河段在污水處理廠正常、事故工況下尾水排放對長江水生態環境的影響。

（1）建立泰興市感潮河網-長江的水動力-水質耦合模型，并用2015年水文水質數據進行率定驗證，水動力模擬Ens，RE，R2分別為0.910，5.8%，0.903，水質模擬誤差PBIAS 小于25%，耦合模型精度較高，可較好的適用于計算區域內COD，NH3-N，TP 等污染物的遷移轉化模擬。

（2）新建排污口對入江口斷面產生濃度增量，六圩港入江口COD，NH3-N，TP 質量濃度正常排放時分別新增0.9，0.05，0.005 mg/L，事故排放時分別新增13.5，1.01，0.17 mg/L，污染物入江通量隨污水廠排污負荷的增加而增大。

（3）漲、落潮等水流情勢及污染物入江負荷的變化均會對長江污染帶擴散產生一定影響。 污染帶擴散趨勢與水流方向相一致。污水廠尾水正常排放時，污染帶范圍較小；事故排放時，隨著入江污染物通量的增加，污染物高濃度區域范圍增大，對長江水質影響較大，因此應加強污水處理廠的運行管理，各類污水達標排放，杜絕引入污染負荷較高的尾水。