基于水動力水質模型的金川河流域水質長效達標分析

陳黎明,俞 欣,金 哲,陳 晨,陳煉鋼,王高旭

(1.水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院水文水資源研究所,水文水資源及水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210029;2.南京市生態環境保護科學研究院,江蘇 南京 210023;3.宿遷市水利局,江蘇 宿遷 223800)

近年來,隨著中國城市化進程不斷加快、人口逐步增多,城市內排污規模不斷增大,排污壓力也隨之加大[1],同時,隨著城區河道空間擠占,生活污水直排、面源污染入河,加之截污控污不到位、污水管網泄露等問題的出現,導致城市河道污染日益嚴重[2]。2015年江蘇省政府發布《江蘇省水污染防治工作方案》,意在消除劣Ⅴ類、Ⅴ類水。通過南京市金川河全段進行水文調查、水質評價污染特征分析后發現,金川河全段污染物來源主要為生活污水排放與地表徑流污染,且目前水質各項指標特別是雨期水質狀況距預期水質目標仍有一定的差距。

國內外普遍應用數學模型對水質進行模擬與預測,探究水質變化規律與污染物在水體中遷移、轉化的過程,以便為水環境綜合管理提供科學有效的科學支撐[3]。目前,應用較為廣泛的模型主要有WASP、QUAL、EFDC和MIKE等綜合水質數學模型[4]。WASP可用于河流、湖泊水庫、海岸等流域層面水體水質變化的模擬,常用于探究點源與非點源污染問題[5-6]。QUAL模型屬于綜合水質模型,用于研究點源與非點源污染對受納水體水質的影響[7-8]。EFDC模型集成了水動力、水質、風浪、泥沙、重金屬及有毒物質、沉積成巖和水生植物等多種模塊,可用于不同需求的水質模擬分析[9-10]。MIKE模型可用于河網、河口、灘涂等水環境模擬,由于其通用性強、穩定性高、操作簡單而廣泛應用于中國諸多水環境的模擬,如松花江、太湖、長江以及蘇南運河等[11-16]。近些年國內也開發出了諸如IWIND、DHQM等軟件用于水環境管理[17-19]。通過水動力水質數學模型模擬計算可為水功能區納污能力分析、水功能區達標分析、入河排污口布局等水資源水環境保護規劃工作提供決策依據。

因此,本文在了解金川河流域污染成因的基礎上結合城市匯水特點,基于自主研發的水動力水質數學模型,構建了金川河一維河網模型,并針對金川河水質問題提出水質提升方案,采用數學模型對提升方案效果進行模擬與預測,開展金川河流域水質長效達標分析,為城市河網水污染治理與防控提供的科學依據。

1 研究區域

1.1 金川河區域概況

金川河是流經南京主城北部的長江支流,是南京城區內第二大水系,金川河發源于南京市的鼓樓崗和清涼山北麓,并與南京市的玄武湖湖泊相通,下游流經寶塔橋入長江。金川河(圖1)全長37.78 km,流域面積59.32 km2,分為內金川河和外金川河,其主要功能是接納沿岸地表徑流和生活污水。內金川河分為主流、東支、中支、西支及老主流;外金川河水系由西北護城河、城北護城河以及內金川河在金川門匯合,通過外金川河入江,沿途南十里長溝、張王廟溝、大廟溝、老虎山溝、郭家山溝直接或通過閘門接入城北護城河及外金川河。

圖1 金川河流域水系

金川河流域匯水區主要集中于南京市主城區,基本都是建成區,現狀下,晴天金川河河網上游的水源主要為化纖廠補水、玄武湖補水、外秦淮小桃園補水、城北污水處理廠尾水的生態補水,以及5座城北污水處理系統臨時水質凈化站補水(圖2),基本無其他水源入河;雨天降雨徑流通過主城區管網溢流進入河道。

圖2 金川河流域水系概化及邊界條件分布

1.2 金川河水質情況

根據2010—2018年的水質監測數據,金川河全河段水質狀況均為重度污染,主要污染物為氨氮、總磷、石油類。截至2018年底前,金川河8個主要監測斷面(紅山南路橋斷面、中央門橋斷面、翻水閘橋斷面、金川門泵站前池橋斷面、金川河泵站前池斷面、長平橋斷面、幕府西路橋斷面、寶塔橋斷面)水質常年處于劣Ⅴ類。其中金川河2013—2018年氨氮均值為6.7 mg/L,點次超標率87%;TP均值為0.7 mg/L,點次超標率88%。

2018年11月至2019年5月中旬期間,金川河流域全線進行清淤工程及河道整治。此后金川河流域各項生態補水及臨時水質凈化站等工程正常運行;晴天情況下,金川河流域所有生活污水納入管網,無污水入河,水質狀況良好;但雨天,由于老城區雨污分流部分采用截流井方式,雨量大時,雨水與污水混合導致城北污水處理廠進水濃度較低,擠占了污水處理廠處理能力且污水混合雨水一并入河,導致了雨天帶來的入河沖擊污染負荷使得流域水體水質變差。因此,流域內污染主要來源于城市生活污染源通過管網隨著降雨徑流入河以及流域本身降雨徑流產生的面源污染,導致金川河流域水質全年不能穩定達標的現狀。

2 金川河流域水動力水質模型構建

2.1 模型基本原理

2.1.1一維水動力模型

一維天然河道水流模型計算可歸結為求解一維非恒定流圣維南方程組,采用一維河網四點隱格式算法,適用于恒定流和非恒定流計算。以流量Q和水位Z為變量,考慮旁側入流q的一維非恒定流擴展后的圣維南方程組[10]為式(1)、(2):

(1)

(2)

式中Q——流量;h——水位;A——有效過水斷面面積,m2;A0——蓄水斷面積,m2;Sco、Sm——河道蜿蜒系數,是水位h的函數;x——沿主流向的縱向距離,m;t——時間,s;q——側向入流或出流(入流為正,出流為負),m3/s;β——動量校正系數;Wf——風對水面的阻力,m2/s2;L——側向流的動量。

方程的基本離散格式是四點加權隱式有限差分格式,離散后的非線性方程組利用求解效率高的Newton-Raphson迭代法求解。

2.1.2一維水質模型

(3)

式中t——時間步長;V——水質單元的體積;φ——水溫或者其他水質指標的濃度;Q——流量;Γ——自定義的離散系數;A——可組合的斷面的面積;S——源強以及沉降項。

初始的污染物濃度C0,采用實測數據代入。各河流入流邊界處污染物隨著水流進出該邊界,在入流邊界給定污染物濃度過程Ci(t),而在出流邊界處給以污染物濃度梯度d(Ci)/dn;污染源,研究區域內有相關的點源或面源,折算成入河水量及入河污染負荷量加入到模型中。

2.2 河網概化

研究區域內河道眾多,相互交織成網,概化時將研究區域內的主要的骨干河道(包括南十里長溝、城北護城河、張王廟溝、郭家山溝、內金川河主流、東支、中支、西支及老主流、西北護城河、外金川河、大廟溝、老虎山溝等干支流)納入計算范圍(圖2),并根據區域內的水域面積對次要河道及其他集水區域進行概化,結合水下地形資料,控制斷面間距在100～150 m,共計概化斷面350個,使區域內的河道整體的槽蓄量不變。

2.3 模型邊界條件

模型中主要考慮水動力和水質邊界,位置分布見圖2,具體如下。

a)水動力邊界條件。金川河流域各泵站補水的流量過程,主要包括臨時水質凈化站補水、玄武湖補水、化纖廠補水、外秦淮小桃園補水以及城北污水處理廠尾水等,通過點源的方式輸入模型中(表1);目前金川河流域晴天基本無污水入河;雨天降雨徑流通過管網溢流入河,根據南京市逐日的降雨量,通過徑流系數折算出徑流量(圖3),概化到每一河段上輸入模型中;充分考慮翻水閘影響,翻水閘給定常水位控制;金川河下游入長江干流閘門處給定水位6.8 m控制。

表1 金川河流域生態補水量

圖3 2019年5—6月金川河流域降雨徑流過程

b)水質邊界條件。金川河流域各種生態補水的水質狀況,通過點源的方式,根據實際的補水量和補水水質同步輸入模型中,其中城北污水處理廠尾水水質控制在氨氮濃度0.15 mg/L以內,其余生態補水點水質在0.50 mg/L左右,臨時水質凈化站出水氨氮濃度在1.50 mg/L以內;金川河流域內的面源,主要為管網內核算的逐日城市生活污染源匯同降雨徑流入河的面源污染,結合降雨均勻概化入附近的河段。金川河流域污染源調查范圍和河流水系分布,將金川河流域分為西北護城河、內金川西支、內金川老主流、內金川中支、內金川東支、內金川主流、外金川、大廟溝、老虎山溝、城北護城河、郭家大溝、張王廟溝、南十里長溝主流共計13個分區(圖4),分別核算其污染入河負荷量(圖5),概化到每一河段上輸入模型中。

圖4 金川河流域面源污染分區

圖5 2019年5—6月金川河流域氨氮入河負荷量過程

2.4 模型驗證

本文研究區域內金川河流域河網總體河床形態較為一致,模型中上游南十里長溝和城北護城河河段比降較大,糙率取值由0.035逐步過渡至0.032,下游其余河道基本位于主城區,河段比降較小,糙率取值自本河段上游0.032過渡至0.030。由于流域內尚無水文站點,結合水質監測斷面分布(圖1),2019年6月12日開展了水文現場補充監測。采用各斷面流量監測結果與模型計算結果進行了對比分析(表2),總體上實測值與計算值基本吻合,反映了流域的生態補水過程。

表2 各斷面流量實測值與計算值對比

另外,模型選取2019年5月15日至2019年6月30日金川河流域河網城北護城河中央門橋、翻水閘橋、西北護城河金川門泵站前池橋、內金川河主流金川河泵站、外金川河長平橋、寶塔橋等斷面水質監測數據,對金川河流域達標控制斷面超標嚴重的水質指標氨氮的綜合降解系數進行了率定驗證,確定了氨氮的綜合降解系數,上游南十里長溝、城北護城河、西北護城河水質相對較好氨氮綜合降解系數取值為0.08/d,張王廟溝、郭家山溝、內金川河主流、東支、中支、西支及老主流、大廟溝、老虎山溝等主要支流位于老城區,水質相對較差,氨氮綜合降解系數取值為0.10/d,外金川河氨氮綜合降解系數取值為0.09/d。

各斷面氨氮驗證結果見圖6,對比結果可以看出,各斷面計算值與實測值基本吻合,但個別斷面水質驗證結果相對較差,如金川河泵站前池計算值與實測值對比結果偏小,分析原因主要考慮受金川河泵站阻隔的影響,閘上水流流通性較差,容易出現局部靜水區導致局部水質較差,再加之受局部采樣點可能位于靜水區的影響,使得計算值較實測值偏小。總體上,模型模擬出的水質變化過程與實測的水質變化過程趨勢基本一致,其中更能精細地反映出2019年6月19日左右雨天降雨徑流攜帶部分污水通過管網溢流入河對河網水質的影響。

a)中央門橋

3 研究區域長效達標模擬分析

3.1 計算條件

根據金川河流域水質波動的特點,主要考慮降雨徑流混合生活污染源入河帶來的沖擊污染負荷對水體水質的影響,提出河網水質長效穩態達標的方案。目前城北污水處理廠進水NH3-N濃度在20 mg/L左右,根據南京市提質增效的目標,首先考慮今后城北污水處理廠進水濃度要比2018年提高10%;其次,考慮到短期城北污水處理廠提質增效10%后進一步提質增效的難度較大,擬進一步結合流域最大補水能力,補水量增加50%(約28.5萬t/d);再次,根據住建部門擬對南方污水處理廠進水濃度考核目標;同比例削減氨氮的入河負荷量,針對三種方案下金川河流域主要控制斷面水質長效達標狀況進行分析,具體計算方案見表3。

表3 計算方案

3.2 長效達標方案分析

a)方案一。城北污水處理廠提質增效10%。方案一城北污水處理廠提質增效10%主要體現在雨天入河污染負荷量的減少,因此雨天氨氮濃度的峰值都有所下降(表4),降低幅度約在9.5%左右,其中下游控制斷面寶塔橋斷面氨氮濃度最大值從3.13 mg/L下降至2.84 mg/L,降低了9.29%。從氨氮濃度和總磷濃度變化過程來看(圖7),晴天氨氮濃度變化較小,但大部分斷面峰值仍高于Ⅴ類水標準。

表4 金川河流域主要斷面各方案下氨氮濃度最大值對比

b)方案二。城北污水處理廠提質增效10%后補水量增加50%。方案二在方案一的基礎上金川河流域補水量增加50%,由于補水主要增加在晴天,雨天暫停補水,因此對各主要斷面氨氮濃度、總磷濃度的峰值基本無影響。從方案二氨氮濃度變化過程來看,補水量增加的影響主要體現在雨天結束后,隨著補水量的增加,大部分斷面氨氮濃度恢復至正常晴天補水狀態濃度時間提前1～2 d,且總體上晴天氨氮濃度要略低于補水量增加前。其中寶塔橋斷面還受城北污水處理廠尾水的影響,氨氮濃度總體變化較小,氨氮濃度最大值在2.83 mg/L左右,超過Ⅴ類水標準。

c)方案三。城北污水處理廠進水濃度為260 mg/L。方案三條件下,對比現狀工況,雨天氨氮濃度的峰值都明顯降低(表2),降低幅度在40%～43%。從氨氮濃度變化過程(圖5)來看,大部分斷面氨氮濃度僅雨天(5月26日、6月6日、6月18日、6月29日)峰值濃度高于Ⅴ類水標準,但其最大值從5～6 mg/L下降至2～3 mg/L,超標倍比明顯降低。其中寶塔橋斷面氨氮濃度最大值從3.13 mg/L下降至1.85 mg/L,降低了40.87%,寶塔橋斷面水質全過程基本達到Ⅴ類水標準,能夠滿足長效穩態達標的目標。

4 結論

本文采用金川河流域一維水動力水質模型,針對金川河水質不能穩定達標的問題,結合流域污水處理廠處理能力、補水能力、截污能力提升,擬定3種長效達標方案,對其水質提升效果進行預測分析。結果表明,在以南方污水處理廠考核目標進水濃度方案中,流域總入河污染負荷量將降低約44.4%左右,金川河流域河網水質氨氮濃度超標倍比明顯降低,其中寶塔橋斷面氨氮濃度降至1.85 mg/L,其水質全過程基本都能夠滿足Ⅴ類水標準。

總體而言,針對金川河流域此類城市建成區河道,河網中晴天基本無污水入河,結合生態補水,水質狀況較好;但雨天時雨水與管網中的污水混合入河帶來沖擊污染負荷使得流域水體水質變差,長期來看仍需在流域截污能力提升的基礎上,提高污水截留效率,加強雨污分流污水管網建設,使污水處理廠的進水濃度進一步提升,從而降低入河的總污染負荷量,同時結合生態補水,最后才能保證入江控制斷面水質長效穩態達標的目標。