基于一二維數值聯解模型的袁河水質預測與評價研究

周宜一，唐揚，張明婷

（1.銘瑞環境科技（南京）有限公司,江蘇 南京 210000；2.江蘇環保產業技術研究院股份公司,江蘇 南京 210000；3.南京市計量監督檢測院,江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著環境影響評價制度在我國不斷深化,技術導則難度及審批要求不斷提高,地表水預測與評價工作逐漸成為環評工作中的難點。在評價工作中,時常會由于局域水文及水質參數的缺失,導致二維數學模型的建立缺乏合理邊界條件,朱秋菊[1]等研究人員逐漸探索出相關方法,通過研究聯解條件將一二維水動力數學模型有效統一,然而尚未出現通過一維河網水質模型得到二維水質模型的實例。作者在實際工作結合已有經驗,基于成熟應用的MIKE 系列軟件,利用一二維數學模型進行聯解思路,通過一維河網模型的運行計算得到二維水域的邊界條件,從而推動二維水域模型的合理運行,使得評價工作有據可循。

1 數學模型

1.1 研究范圍

本次研究范圍為相鄰新余高新技術產業開發區的袁河及其主要支流。新余市境內支流屬贛江水系,袁河橫貫全區東西,大部分支流以南北向注入袁河,水系呈葉脈狀,袁河在新余境內主要支流有孔目江、濛河、南安江等。袁河發源于萍鄉市武功山北麓新泉鄉,是新余市境內最大水系,屬于贛江一級支流,主流長235 km,其中經新余市境內的長度約125 km,自西向東穿城而過,是新余工農業用水和納污的主要河流。河床平均坡降比為0.00026,河寬在100 m～250 m 范圍。平均流量104.8 m3/s,其中枯水期最小流量3.0 m3/s,豐水期流量為535 m3/s,最大洪水流量5860 m3/s,最大洪水水位48.87 m。

新余高新技術產業開發區規劃有3 座污水處理廠：城東污水處理廠（近期處理污水規模8 萬·t/d,遠期16 萬·t/d）,新余市高新區污水處理廠（近期處理污水規模4 萬·t/d,遠期8 萬·t/d）以及電鍍集控區污水處理廠（近期與遠期處理污水規模均為0.562 萬·t/d）。

1.2 水環境數學模型建立

1.2.1 一維河網水環境數學模型建立

（一）模型概化

（1）河網數學模型構建基本原則

為便于計算,須將評價范圍內河網進行概化。將天然河網進行合并、概化,概化河道為水平底坡、梯形斷面,概化斷面用底高、底寬和邊坡三要素來描述。概化時將主要的輸水河道納入計算范圍,將次要的河道和水體根據等效原理,歸并為單一河道和節點,使概化前后河道的輸水能力相等、調蓄能力不變。當這些次要的平行河道具有斷面資料,且首末節點相同時,根據過水能力相同的原理,求得合并概化河道的斷面參數。

（2）模型河網概化

根據河網數學模型構建基本原則,對新余高新技術產業開發區主要納污河流及支流進行概化,共概化出3 條河流,具體信息見圖1。

圖1 評價區域河網概化結果

（3）模型污染源概化

污染源主要分為點源和非點源,其中點源包括排入污水廠的城鎮生活源和工業企業源,非點源一般包括未接入城市污水管網的城鎮生活源、農村生活源、農田面源和畜禽源等。本次主要考慮城東污水處理廠,新余市高新區污水處理廠以及電鍍集控區污水處理廠等3 座污水處理廠排口的點源概化。

（4）模型邊界選取

根據河網概化的結果,選取3 個開邊界,包括孔目江、袁河。模型的邊界條件即為各有開邊界河流的各時段的流量和水質實測值。水文條件選取90%水文保證率的典型年,同時考慮沿河水工建筑的調度方式。

（二）模型參數選取及率定

（1）水量模型參數率定

根據研究區域各水文站逐月水文資料,利用建立的河網模型和設定的邊界條件進行計算,對水量模型進行率定。模型率定得到河道糙率值為0.017～0.024。

由圖2 可知：水位率定計算結果與實測值平均相對誤差約為29%,流量率定計算結果與實測值平均相對誤差約為25%。各水文站的水量模型計算值與實測值吻合較好,說明各河道糙率值可用于本項目建立的水量水質模型。

圖2 水量模型孔目江入口計算值與實測值對比圖

（2）水質模型參數率定

根據新余高新區環保局提供的典型年控制斷面全年的水質監測資料,利用建立的河網模型和設定的邊界條件進行計算,對水質模型進行率定。率定得到高錳酸鹽指數的降解系數為0.08 d-1～0.1 d-1,氨氮的降解系數為0.05 d-1～0.07 d-1,總磷的降解系數為0.07 d-1～0.09 d-1,率定后的模型計算值和實測值的對比結果見圖3。

圖3 孔目江入口斷面水質參數計算值與實測值對比圖

由圖3 可知：高錳酸鹽指數計算結果與實測值平均相對誤差約為13%,氨氮的計算結果與實測值平均相對誤差約為48%,TP 計算結果與實測值平均相對誤差約為26%。各斷面的水質模型的計算值與實測值吻合較好,說明各水質降解參數可用于本次評價。

1.2.2 一二維聯解條件

根據水位連續條件,一、二維模型在聯解點上應該滿足以下條件[2]：

水位條件：Z1=Z2

流量條件：Q1=∫uξHξdξ

式中：Z1為一維模型在內邊界斷面上的水位；Z2為二維模型在內邊界上各節點的平均水位；uξ為二維模型在一二維模型連接斷面法向上的流速；Q1為一維模型在一二維模型連接斷面上的流量。

一二維模型聯解主要思想為將一維模型通過流轉換為二維模型,將二維模型通過水位轉換為一維模型。首先,消元連接二維模型和一維模型的計算部分,從而獲得計算部分方程作為用于一維模型的邊界的控制方程。在求解一維模型和二維模型的連接部分上的物理量之后,分別將它們替換為一、二維模型計算所有計算點上的物理量。

基于建立的一維河網水環境數學模型,獲取目標評價范圍內任意節點的水文水質模擬數據,從而作為本次二維模型邊界條件。本次一維水環境模型由MIKE11 軟件中HD 與AD 模塊建立完成,二維水環境模型由MIKE21 軟件中Flow Model FM 模塊建立完成。

2 孔目江水質預測與評價

本次預測選擇一期最不利條件（枯水期）進行預測,根據城東污水廠、高新區污水廠、電鍍集控區污水處理廠現狀及近遠期規劃排水方案,確定本次預測方案,見表1。

表1 水環境預測方案

根據《江西省地表水（環境）功能區劃》,研究范圍內孔目江、袁河執行《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）中的Ⅲ類水質標準。

3 討論與結論

3.1 討論

根據建立的評價區域一維水網模型,利用一二維連接方式,分別建立城東污水廠排口范圍及高新區污水廠及電鍍集控區污水處理廠排口范圍的二維水動力模型。根據制定的預測方案,完成現狀工況、規劃近期工況、規劃遠期工況下的預測模擬結果。其中,高新區污水廠及電鍍集控區污水處理廠排口緊鄰,城東污水廠與上述2 座污水廠距離較遠,兩者單獨成圖。見圖4～圖8。

圖4 現狀工況下 城東污水廠排口下游2 km 范圍內CODMn、NH3-N、TP 模擬結果

圖5 現狀工況下 高新區污水廠及電鍍集控區污水處理廠排口下游2 km 范圍內CODMn、NH3-N、TP 模擬結果

圖6 近期及遠期規劃工況下 城東污水廠排口下游2 km 范圍內CODMn、NH3-N、TP 模擬結果

圖7 近期及遠期規劃工況下 高新區污水廠及電鍍集控區污水處理廠排口下游2 km 范圍內CODMn、NH3-N、TP 模擬結果

圖8 遠期規劃工況下 高新區污水廠及電鍍集控區污水處理廠排口下游2 km 范圍內CODMn、NH3-N、TP 模擬結果

根據以上預測結果可知,現狀工況下,城東污水廠CODMn污染帶長450 m,NH3-N 污染帶長480 m,TP 污染帶長880 m,高新區污水廠及電鍍集控區污水處理廠CODMn污染帶長550 m,NH3-N 污染帶長600 m,TP 污染帶長800 m。近期規劃工況下,城東污水廠CODMn污染帶長550 m,NH3-N 污染帶長280 m,TP 污染帶長980 m,高新區污水廠及電鍍集控區污水處理廠CODMn污染帶長620 m,NH3-N 污染帶長500 m,TP污染帶長350 m。遠期規劃工況下,高新區污水廠及電鍍集控區污水處理廠CODMn污染帶長400 m,NH3-N污染帶長500 m,TP 污染帶長850 m。

綜上所述,根據城東污水廠、高新區污水廠、電鍍集控區污水處理廠現狀及近遠期規劃排水方案確定的預測方案下,在不同工況下,各排口排污對水域污染物都產生一定量貢獻,但CODMn、NH3-N、TP 均未出現超標情況。

3.2 結論

本次研究采用MIKE21 水動力學及水質模型,模擬城東污水廠、高新區污水廠、電鍍集控區污水處理廠排污口排放污水中CODMn、NH3-N、TP 等典型污染物在袁河中擴散情況,采用一、二維聯解數學模型,分別建立評價區域城東污水廠排口范圍及高新區污水廠及電鍍集控區污水處理廠排口范圍的二維水動力模型。根據制定的預測方案,完成現狀工況、規劃近期工況、規劃遠期工況下的預測模擬結果。結果顯示在不同工況下,各排口排污對水域污染物都產生一定量貢獻,但CODMn、NH3-N、TP 均未出現超標情況。本次研究通過大量基礎數據嘗試了一二維數值聯解模型的建立工作,并取得一定成果,在今后類似評價中,將針對模擬結果的合理性與科學性進行深入研究。