基于EFDC 的排污口設置對淮河入海水道水環境影響研究

江雨蒙， 逄 勇， 馬秋霞， 羅 縉

（1.河海大學環境學院， 江蘇 南京 210098；2.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）

0 引言

淮河入海水道是中國東部地區水運交通的重要通道，其開發利用既可滿足淮河沿線地區的水需求，增大流域內排澇能力， 同時對沿岸城市的社會發展和區域間經濟的緊密聯系具有重要意義[1]。隨著淮河入海水道兩岸工農業的快速發展， 其在供應地方用水和排水需求的同時，也不可避免帶來環境破壞，導致周圍生態水環境壓力劇增。 而控制污染物的排放總量是改善水環境質量， 提高水功能區達標率的關鍵手段[2]。在滿足水（環境）功能區限排總量要求的前提下， 論證入河排污口設置是分析排污口對水環境保護目標影響的重要環節。 該論證可為流域內環境管理與規劃及水環境綜合治理提供科學依據， 為同類企業建設入河排污口設置論證工作提供建設性指導[3]。因此，依法開展排污口設置論證具有重要意義。

隨著區域水環境的水文水力模型發展， 水環境質量模型于21 世紀初開始逐漸成熟[4]。 可采用數值模擬方法分析入河污染物排放影響， 目前較流行的水環境模型主要包括Mike 系列模型、Delft-3D 模型和EFDC 等[5-7]。 EFDC 由美國弗吉尼亞海洋研究所發明，是美國國家環境保護局（EPA）推薦使用的水質水動力模型之一[8-9]。 該模型模塊主要包括水動力模塊、 水質模塊、 泥沙運輸模塊和污染物運輸模塊等，可用于模擬河流、湖泊和水庫中的一維、二維和三維物理化學過程[10]，已廣泛應用于水庫和河流的水動力、水質模擬研究。 董建武等[11]通過建立二維EFDC 耦合SWMM 模型，模擬城市內澇時水流溢出地面后的積水分布、積水水深及增長消退過程，為其他城市模擬暴雨內澇提供了建設性意見；李亞峰等[12]通過建立湯河水庫EFDC 模型， 對不同污染物在典型年的擴散影響情況進行研究， 為水庫對城市供水管理提供理論指導；謝培等[13]以三峽水庫為研究對象， 采用EFDC 模型模擬對水齡的影響因素進行研究分析；鄢碧鵬等[14]利用三維EFDC 模型計算不同補水方案對蠡湖水體SD 的改善效果， 為工程補水規模和運行方式提供依據；賈洪濤[15]通過建立烏江渡水庫EFDC 水溫模型， 對下泄低溫水對烏江渡壩前斷面和庫表水溫的分布情況進行模擬研究。

基于EFDC 模型中的水動力和水質模塊， 建立淮河入海水道二維非穩態水環境數學模型， 模擬明通污水處理廠尾水中污染物在淮河入海水道的遷移擴散、分布情況，對不同工況下污染物濃度增量進行計算，并分析其對入海水道水生態環境的影響，為周邊水環境管理提供有效依據。

1 研究概況

淮河入海水道淮安段位于淮河下游， 與蘇北灌溉總渠平行。 目前，入海水道分南偏泓與北偏泓，因其二期工程是在現狀工程基礎上進行擴挖河道、加固堤防，故入海水道河道將加寬，南、北泓將合并。為滿足園區內規劃需求， 明通污水處理廠擬將擴建污水處理廠排放規模設置為2.1 萬t/d。 目前其入河排污口位于淮河入海水道南泓北岸， 由于淮河入海水道二期工程的施工及運行需要，排污口改建后，尾水經調度河最終匯入淮河入海水道，水質目標執行GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類水標準。

2 研究方法

2.1 構建模型

2.1.1 EFDC 模型

（1）動量方程：

（2）連續方程：

（3）狀態方程：

（4）水質方程：

（5）溫度和鹽度輸移方程：

式中：u，v，w 分別是邊界擬合正交曲線坐標x，y，z方向上的速度分量；mx，my分別為水平坐標變換因子，m 為度量張量行列式的平方根，m=mxmy；Av 為垂向紊動黏滯系數；Kv 為垂向紊動擴散系數；f 為科里奧利系數；ρ 為混合質量密度，kg/m3；ρ0是參考質量密度，kg/m3；H 為總水深，m；h 為未擾動的z 坐標原點以下水深，m；p 為壓力，Pa；C 為因子質量濃度，mg/L；Sa 為鹽度，‰；T 為溫度，℃；ξ 為自由的勢能，J；Qu 和Qv 分別為動量在x 和y 方向的源匯項；QT是溫度的源匯項[16]。

2.1.2 一維穩態模型

由于調度河河段寬深比小， 污染物濃度在橫向上變化不大， 污染物可在較短河道內的斷面上均勻混合， 故采用一維穩態水環境數學模型模擬污染物沿調度河、十四中溝縱向的輸移過程。

河流一維穩態水環境數學模型計算公式[17-18]：

式中：ρ 為控制斷面水體污染物質量濃度，mg/L；W為污染源排污口的排污量，g/s；Q0=Bhu，Q0為河流流量，m3/s；B 為河寬，m；h 為河道平均深度，m；u 為水體的流速，m/s；C0為邊界水質質量濃度，mg/L；k為河流中水質降解系數，d-1；x 為污染源與控制斷面之間的縱向距離，m。

2.2 模型范圍

研究采用笛卡爾直角坐標系建立淮河入海水道淮安河段模型， 以總渠北閘、 淮阜控制調度閘為邊界，總長約42 km，概化出河道的網格系統見圖1。

圖1 淮河入海水道二期工程施工前、后的模型計算網格

淮河入海水道二期施工前， 每個網格邊長為117 m，寬為20 m，共劃分1 800 個網格；淮河入海水道二期工程施工后，入海水道河道加寬至300 m，每個網格邊長為140 m，寬為30 m，共劃分3 000 個網格。 計算時間設為20 d，時間步長設為60 s，研究中Z0粗糙度取值為0.02[19-20]。

2.3 模擬方案

為分析COD，NH3-N，TP 在入海水道施工前、后對淮河入海水道水環境的影響， 根據水文資料及現場勘察情況，同時考慮豐水期、枯水期水位的變化情況及明通污水處理廠排水事故的發生情況， 制訂淮河入海水道的水質模擬方案見表1。 當污水處理廠排污口正常排放，尾水出水水質均執行GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A 污染物排放標準；若發生排污口事故排放，尾水出水水質應綜合考慮明通污水處理廠廢水量、 進水水質和處理效果、應急事故池的調節能力。

表1 淮河入海水道二期施工前、后模擬方案

3 結果與討論

3.1 模型驗證

研究利用2021 年5 月～9 月淮河入海水道蘇嘴斷面水質COD，NH3-N，TP 濃度實測資料進行率定驗證，模型的邊界條件主要包括上游邊界流量（為入海水道南泓總渠北閘處逐日平均流量值）、下游邊界水位（同期淮阜控制調度閘站逐日平均水位值）、污水處理廠排污口處排放監測因子濃度（為該廠現狀排污口COD，NH3-N，TP 的排放濃度）及溫度（為淮安市內實測溫度）。

運用以上參數模擬計算出率定斷面（率定斷面位置見圖1）COD，NH3-N，TP 濃度，并將計算值與實測值進行對比，具體結果見圖2。

以百分比偏差系數PBIAS 和擬合優度R2評價模型的可靠性與有效性[21-22]，COD，NH3-N，TP 平均百分比偏差分別為3.17%，10.01%和17.42%， 擬合優度R2分別達到0.94，0.86，0.68。 在模擬水質污染物時，正常PBIAS ≤20%表示模擬結果優秀，R2≥0.6表示模擬結果達良好水平， 可見蘇嘴斷面水質模擬濃度與監測數據較為吻合，模型各參數取值合理，該模型可較為準確地模擬淮河入海水道污染物的遷移擴散情況。

3.2 水質模擬分析

利用上述邊界條件建立淮河入海水道淮安河段EFDC 模型，模擬計算入海水道二期工程施工前、后正常排放時預測因子COD，NH3-N 和TP 濃度增量，并疊加2021 年～2022 年淮河入海水道蘇嘴斷面監測數據，得出蘇嘴斷面水質均可達《地表水環境質量標準》Ⅲ類水標準。 入海水道二期工程啟用后，明通污水處理廠排污口尾水排入調度河后經十四中溝最終匯入淮河入海水道， 故施工后排污口至淮河入海水道斷面先采用一維穩態模型進行水質模擬。 考慮最不利情況，擬設調度河和十四中溝流量為0，計算尾水正常排放時調度河入十四中溝、 十四中溝入入海水道斷面處的水質預測因子濃度值， 具體見表2和表3。 當污水處理廠正常排放時，二期工程施工前COD，NH3-N 和TP 因子質量濃度在豐水期增量分別為0.910，0.094 和0.010 mg/L，其在枯水期增量分別為1.211，0.129 和0.014 mg/L； 二期工程施工后COD，NH3-N 和TP 質量濃度在豐水期增量分別為0.116，0.015 和0.003 mg/L， 其在枯水期增量分別為0.204，0.026 和0.002 mg/L。模擬結果表明，預測因子在相同排放濃度下， 流量越大污染物混合后的濃度越低，污染物擴散至蘇嘴斷面時其濃度增量越小，因此，斷面污染物增量與河道流量呈負相關關系。相較于枯水期，豐水期的各污染物濃度增量較小，原因是因為豐水期的流量比枯水期的流量大。 在二期工程施工加寬河道后， 水流速度變慢而污染物自身降解量增多， 故施工后蘇嘴斷面的污染物濃度增量低于施工前的濃度增量。

表2 二期工程施工后調度河及十四中溝水質指標預測mg·L-1

表3 正常排放工況下蘇嘴斷面各污染物濃度預測結果mg·L-1

入海水道二期工程施工后， 尾水排入調度河后經十四中溝最終匯入淮河入海水道的相關斷面預測結果見表4。

表4 二期工程施工后調度河及十四中溝水質預測結果mg·L-1

當發生事故排放時，在入海水道二期施工前、后蘇嘴斷面的水質指標濃度預測結果見表5。 由表5可以看出， 蘇嘴斷面水質可達《地表水環境質量標準》Ⅲ類水標準。 當污水處理廠發生事故排放時，二期工程施工前COD，NH3-N 和TP 因子質量濃度在豐水期增量分別為3.277，0.234 和0.028 mg/L，其在枯水期增量分別為4.296，0.320 和0.039 mg/L；二期工程施工后COD，NH3-N 和TP 因子質量濃度在豐水期增量分別為0.409，0.037 和0.006 mg/L，其在枯水期增量分別為0.714，0.063 和0.009 mg/L。 模擬結果顯示，預測因子在相同排放濃度下，蘇嘴斷面污染物負荷與正常排放工況下有類似規律， 污染物濃度增量與河道流量也呈負相關關系。 通過對比正常排放與事故排放工況可知， 當發生事故排放時入河污染負荷增加， 蘇嘴斷面各污染物濃度增量均顯著增大，高達尾水正常排放時的2.5～3.5 倍。

表5 事故排放工況下蘇嘴斷面各污染物濃度預測結果mg·L-1

綜上可知， 在污染物排放負荷及預測水期相同時， 淮河入海水道二期工程施工后蘇嘴斷面污染物濃度增量均有所降低。由表3 和表5 可以看出，在河道地形及污染物排放負荷相同時， 蘇嘴斷面枯水期污染物濃度增量均較豐水期高， 但由于枯水期污染物本底值均較豐水期濃度低， 因此表現出枯水期污染物預測濃度均低于豐水期。 各模擬方案在入海水道二期工程實施后發現， 當明通污水處理廠豐水期正常排放時（方案5）， 蘇嘴斷面中COD，NH3-N 和TP 濃度增量均最低，對蘇嘴斷面的水質影響程度均最小。

3.3 二期啟用后污染物的擴散影響

為評估污水處理廠尾水中污染物排放對淮河入海水道水環境的影響， 利用水動力水質模型模擬計算不同工況下COD 濃度增量的影響范圍，分析其遷移擴散規律。 由于污水處理廠擴建后的運行時間大多在入海水道二期啟用之后，因此，僅討論二期工程啟用后不同水期下COD 濃度增量的影響范圍，正常排放時COD 濃度增量等值線和事故排放時COD 濃度增量等值線分別見圖3 和圖4。

圖3 正常排放時COD 濃度增量等值線

圖4 事故排放時COD 濃度增量等值線

由圖3 和圖4 可以看出，不同工況條件下COD濃度增量的擴散范圍均存在明顯差別。正常排放時，豐水期和枯水期COD 質量濃度增量超過1.5 mg/L的影響面積分別為256，671 m2。 在河道地形和COD排放濃度相同時， 豐水期污染物遷移擴散后濃度較高的水域面積與枯水期相比有所減小， 原因是由于豐水期流量大于枯水期， 較大流量更有利于COD的稀釋擴散[23-24]。當發生事故排放時，豐水期和枯水期COD 質量濃度增量超過1.5 mg/L 的影響面積分別為1 253，3 251 m2，COD 濃度增量較高的水域面積的變化規律與正常排放工況相似。 比較可知，在相同預測水期下，尾水中污染負荷均增大，發生事故排放后COD 濃度較高的水域面積均顯著增加，約為正常排放后的5 倍。 由此看出，明通污水處理廠發生事故排放后尾水在淮河入海水道的擴散影響遠超于正常排放，故企業應加強日常管理，當事故發生時應立即采取防控措施，防止事故尾水進一步擴散。

4 結論

通過構建淮河入海水道EFDC 水環境數學模型， 對淮安明通污水處理廠尾水中COD，NH3-N 和TP 等污染物對蘇嘴斷面的水質影響進行預測，并對二期工程啟用后COD 在淮河入海水道淮安河段中的遷移擴散情況進行分析。

（1）利用淮河入海水道蘇嘴斷面水質實測數據對淮河入海水道EFDC 模型進行參數率定， 得出COD，NH3-N，TP 平均百分比偏差分別為3.17%，10.01%和17.42%，擬合優度R2分別為0.94，0.86，0.68， 表明該模型模擬污染物在淮河入海水道周邊水域的遷移擴散情況準確度較好。

（2）明通污水處理廠排污口對蘇嘴斷面產生污染物濃度增量，當預測因子在相同排放濃度下，斷面污染物濃度增量與河道流量均呈負相關關系， 故豐水期污染物濃度增量均較枯水期小。 在預測水期和排放濃度相同時， 淮河入海水道二期工程施工加寬河道后斷面污染物濃度增量均低于施工前的濃度增量。 當發生事故排放時，因入河污染負荷增加，故蘇嘴斷面污染物濃度增量均顯著增大， 但疊加本底值后水質仍滿足地表Ⅲ類水水質要求。

（3）淮河入海水道河道二期工程施工后，預測水期和污染負荷的變化均可對河道的污染帶擴散范圍產生影響。 在污染物排放濃度一定時，豐水期COD 濃度增量較高的水域面積均比枯水期小；當發生事故排放時，COD 濃度較高的水域面積均隨著污染負荷增大而顯著增加，因此明通污水處理廠應嚴格控制污染物排放，避免排放污染負荷較高的尾水。