平原河网污水治理工程中的水质模拟计算

宋金军,李若华,孙毛明,张舒羽,赵 鑫

(1.浙江杭州湾上虞工业园区管委会,浙江 上虞 312369;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

慈溪市位于浙江省宁波市西北部,是正在兴建的杭州湾大通道的枢纽城市,经济发达,随着城市发展,污水排放量显著增加,2006年前,大量工业废水和多数未经处理的生活污水经市区和各镇区内河排入河网水系,最终排入杭州湾,从而使内河和骨干河网水质受到严重的污染,河网水体多数属于Ⅴ类或超Ⅴ类水质,且超Ⅴ类水占大多数。因此,当地政府启动了市域污水治理工程,分为一期(2010年)和二期(2020年)[1]。主要的水质改善措施为:①扩大慈溪地区管网和污水处理能力;②采取多种方案扩大和调整宁波城市供水系统。具体如下:

措施①:采用相对集中的3厂方案,即在新建北部和东部2座污水处理厂,保留城区内现有的教场山污水处理厂;新建输送污水的干线管道;以及配套建设部分城区和各镇中心区污水收集系统,同时根据有关水利规划,拓宽河道,增加河道容积。措施②:从宁波市建设的“浙东引水工程”中引2.4亿m3Ⅲ类水供应到慈溪,从而改善整个平原河网的水质[2]。

①、②两措施示意图见图1。

图1 慈溪河网分布图

2 自然条件

慈溪内陆水域面积61.75 km2,其中平原水面面积43 km2,较长河道73条,中小型水库23座,山塘102处,河床坡降平缓,平均水深1.2～1.4 m。南北向河渠大都北流入海,主要有镇龙浦、淡水泓、松浦、徐家浦、高背浦、半掘浦、水云浦、四灶浦、陆中湾、三八江、建塘江等;东西向河道主要有快船江、公路横江、东横江、大古塘河、三塘横江、六塘河、八塘横江以及在建的九塘和十塘横江等。大小河道总长5400 km,正常水位河网蓄水量3796万m3,总蓄水量9221 m3,水库总库容1.42亿m3。全市多年平均径流5.12亿m3,人均占有量450 m3。该地区多年平均降水量1343.6 mm,但降水不平均,多集中在梅雨及台风期。

3 数学模型设计及验证

为准确计算①、②两个措施不同方案的效果,需建立水质数学模型进行计算。本工程属河网地区,水体流动缓慢,污染物垂向扩散充分,故采用一维模型计算,并在计算方案前进行了模型的验证。分别阐述如下:

3.1 模型方程

一维河网数学模型目的是对全市当前排放情况下的污染物节点进行模拟,并作为模型的验证。其基本方程为:

一维非恒定流动方程组:

上式中,Z(x,t)断面平均水位(m);Q(x,t)断面流量(m3/s);A(x,t)断面面积(m2);u(x,t)断面平均流速(m/s);C为谢才系数,qi为单位河长上的支流流量。

水质模型以对流扩散模型为基础,并考虑物理、化学与生化作用,本次计算主要为CODMn,其基本工作方程为:

式中,C为污染物浓度;D为污染物弥散系数,小河为1～5 m2/s,大河为5～20 m2/s;K为降解系数,0.09/d;C2为污染物的点源浓度;q为污染物的点源流量;X为空间步长,50～500 m;t为时间步长,5 s。

利用隐式有限差分格式求解对流扩散方程。

3.2 模型建立与验证

由于近年来慈溪市水利工程较多,情况变化快,河网没有系统的实测的水位、流量资料,所以本模型仅对水质进行了初步的验证。验证数据来自2002年 《浙江省地表水水环境容量测算与核定》中的污染源基础数据调查表,表中仅对工业废水、生活污水、农业退水、畜禽养殖排水的CODMn指标做了较详细的调查,其它指标未调查,验证时采用调查期的水文条件,并按实际情况分为4个河区,各区之间由内河闸门进行分割,河网概化见图2。以2002年调查的污染源作为污染源项,污水总量为16.98万m3/d,流量为1.97 m3/d,按实际调查值分配,具体见表1。山区流量和平原汇水量按汇流面积计算,出海流量按各出海闸门运行记录计算,内河间闸门运行亦按记录模拟。

图2 河网概化图

表1 2002年污染物排放统计表万m3/d

现状河道容积为3796万m3,一维河网模型概化河道容积为3750万m3,误差1.2%;规划河道容积为6321万m3,概化河道容积为6270m3,误差0.81%。在现状河道情况下进行计算,各验证点的计算结果值见表2,验证点对应位置见图2,验证相对误差在6%以内,精度较高。

表2 验证结果表 mg/L

图3为现状河网污染物浓度平衡后的水质分布图,图中单位为μ g/L。根据要求,工程完成后,慈溪市东部河网水质CODMn将达到6 mg/L以下(Ⅲ类水水质),西部河网水质CODMn将达到10 mg/L以下 (Ⅳ类水水质),这主要是出于西部人口及工业较多且包含了县城在内,而东部环境保护较好的因素考虑。从图中可见,在污染物浓度平衡后,除南部山区汇流入平原附近以后北部沿海几段河网外,全市河网水质均在6 mg/L以下。按项目的标准,西部河网超10 mg/L的区域为24.6%,全区平均浓度为9.56mg/L,而东部河网超6 mg/L的区域为81.3%,全区平均浓度为8.21 mg/L,不达标。

图3 现状河网CODMn浓度平衡图单位:μ g/L

3.3 方案计算

在工程实施后,大部分污水集中到图1中所示的3个污水处理厂,其中东部、北部两厂污水处理后排放到人工湿地,然后进入内河,北部厂一期排放量为10.0万m3/d,二期完成后排放规模为32万m3/d,东部厂一期排放量为5.0万m3/d,二期排放规模为10.0万m3/d。教场山处理厂目前处理能力约2万m3/d,正在扩建2.5万m3/d。

以一期的处理能力为计算条件,二期处理能力作为参考,规划期排污量以慈溪市总体规划的近期 (2010年)和远期 (2020年)发展规划为依据,2010年北部污水管网收集系统范围内生活污水和工业废水预计总量为18.94万m3/d,而北部厂收集量为9.81万m3/d,即有9.13万m3/d仍被排放到河网中(包括教场山污水处理厂一部分),生活污水和工业废水按其排放量比1.26∶1削减,即生活污水削减5.09万m3/d,工业废水削减4.05万m3/d。具体对于各污染源排放量的削减量,按2010年预计量削减,预计2010年各污染源生活污水排放量为2005年的1.49倍,工业废水为1.43倍,再按其产生量的比例消减。

根据水文情况的不同,慈溪河网1 a内枯水位、中水位、高水位的情况均会出现,但正常情况下河网保持中水位,水位到达高水位时,一般会根据天气情况,用沿海排涝闸启闭对水位进行控制,以防出现因降雨后排水不及时而发生涝灾。慈溪平原多、山地少,蓄水能力小,因此夏季蒸发量大或久旱无雨时可能出现枯水位情况。可见,对内河水网水质最不利的条件是平水位或枯水位情况下,此时沿海排涝闸关闭,污染物均蓄积在水网中,污染较严重,因此在确定计算方案时需分别考虑枯水位和中水位情况下的排污过程。根据慈溪市骨干河网总体规划,对规划河道在概化中予以反映。

在计算一、二期工程的情况下,再计算浙东引水工程实施后对慈溪市水质的影响。

污水处理厂排污口CODMn浓度取20 mg/L,浙东引水工程水质取CODMn浓度为5 mg/L。

根据以上条件,一期工程实施后,慈溪市河网水质CODMn浓度平衡图见图4。据统计,西部河网超10 mg/L的区域为19.9%,全区平均浓度为7.82 mg/L,而东部河网超6 mg/L的区域为84.5%,全区平均浓度为7.05 mg/L。

二期工程实施后,慈溪市河网水质CODMn浓度平衡图见图5。据统计,西部河网超10 mg/L的区域为8.3%,全区平均浓度为7.22 mg/L,而东部河网超6 mg/L的区域为25.1%,全区平均浓度为6.12 mg/L。

图4 一期工程后河网CODMn浓度平衡图

图5 二期工程后河网CODMn浓度平衡图

浙东引水工程实施后,慈溪市河网水质CODMn浓度平衡图见图6,整个河网水质将得到极大改善,全区河网基本为Ⅲ类水,仅3座污水处理厂附近有超标区域存在。

图6 二期工程+浙东引水工程后河网CODMn浓度平衡图

4 结果与讨论

(1)通过对现状河道的模拟与验证,误差在6%以内,可认为该一维水动力模型可以模拟慈溪市河网的水质情况;

(2)通过现状情况和一期工程后水质情况比较,可以发现全区Ⅲ类水质区域反而减少了,其原因为现状模拟时,由于4分区之间内河闸的存在,河网间水交换较少,因此在沿海一些作为平原水库的河道内水质较好。而一期工程完成后,处理后的污水首先排入内河,考虑到容积,各区块间的闸门不再存在,因此区块间水交换增加,导致Ⅲ类水区域减少,但全区平均CODMn浓度亦减少了,说明一期工程对改善整体水质是有用的。

(3)二期工程实施后,全区水质特别是东部河网区的水质得到较大改善,说明随着水处理能力的增强,对水质改善效果明显,但还没有达到东部区域基本达到Ⅲ类水的要求。

(4)浙东引水工程实施后,由于每年将引入Ⅲ类水2.4亿m3,相当于4倍于拓宽后的规划河道容积,对水质的改善效果明显;但由于浙东引水工程从源头到慈溪境内穿过经济发达地区,还需不断加强监测和控制,以免引入境内的水质被污染,进而影响内部河网水质的达标程度。

[1]北京永新环保有限公司.宁波市利用世行贷款水环境建设项目慈溪市市域污水治理工程一期工程子项目环境影响报告书[R].北京:北京永新环保有限公司,2004.

[2]孙毛明,张舒羽,韩曾萃,等.浙东河网水质改善措施研究[J].浙江水利科技,2007(6):6-9.