水质模型在入河排污口设置技术中的应用

刘祥栋 ，李吉学 ，王立萍 ，焦 庆

（1.山东省水文水资源勘测局，山东 济南250014；2.济宁水文水资源勘测局 ，山东 济宁 272019）

1 问题的提出

开展排污口设置及环境影响的技术研究是为更好的保护水资源，改善水环境，促进水资源可持续利用提供技术支撑。也是贯彻落实水利部22号令《入河排污口监督管理办法》和水利部水资源〔2005〕79号文《关于加强入河排污口监督管理工作的通知》精神的重要体现。要按照水功能区的需求确定保护目标，再核定水域纳污能力，提出限制排污总量的意见，管理入河排污口，逐步使水域达标。

以王楼矿井项目区为例，利用丹麦DHI公司的水环境数值模拟软件MIKE11建立了模拟河段的水流水质数值模拟系统，开展排污口设置及环境影响的技术研究。为各级水行政主管部门审批入河排污口设置方案以及建设单位合理设置入河排污口提供科学依据。

2 水质模型 （MIKE11）的建立

水质模型提供一种预测自然过程和人类活动对河流水库系统中水的物理特性、化学特性和生物特性影响的手段，广泛应用于评价来自废水处理的废水负荷的影响。或者来自其它各种点源和非点源污染物负荷的影响。

通过深入分析研究区域水文气象、自然地理、河道和水流特性以及水污染的特点，应用DHI公司的水环境数值模拟软件MIKE11来建立模拟河段的一维水流水质数值模拟系统。结合实测河道大断面资料、2004年和2005年实测水文、水质数据。应用模型参数自动优选方法率定水动力模型和水质模型的参数值，进行模型的率定和验证工作。

2.1 建立模型

目前，在世界上处理地表水问题的专业软件中，Mike11是最受欢迎的一个河流模拟系统。它是DHI20多年经验与开发的结晶。以求解圣维南方程组作为理论基础，并带有对流扩散，水质生态，泥沙传输，降雨径流，洪水预报，实时操作及溃坝模拟等多种模块。主要用于河口、河流、灌溉系统和其他内陆水域的水文学、水力学、水质和泥沙传输模拟，在防汛洪水预报、水资源、水量、水质管理、水利工程规划设计论证等方面均可得到广泛应用。

2.1.1 水动力模型

水动力模型所用的描述一维非恒定水流运动规律的基本方程为圣维南方程组，其数学表达式为：

式中：Q为流量；A为断面面积；q为旁侧入流；h为水深；C为谢才阻力系数；R为水力半径；α为动量系数，一般取值为1。

糙率n也是水流数学模型中唯一需要确定的参数，它主要反应了水流、泥沙、河道特性等多种因素的综合阻力作用。

2.1.2 水质模拟

描述物质在水体中输运的一维非恒定流对流扩散基本方程为：

式中：C为模拟水质指标浓度；D为扩散系数；Q为流量；A为断面面积；K为综合衰减系数；C2为源汇项浓度；q为旁侧入流。

水质方程中需要确定的参数有两个：扩散系数D和综合衰减系数K。扩散系数是反应河流纵向混合特性的重要参数，它主要受水流条件、断面特征及河道形态等因素的影响。污染物综合衰减系数是对污染物在水体中物理、化学和生化反应过程的一个综合描述，包括了河道自净、沉降、吸附等复杂的反应过程。

2.2 水流水质模拟模型计算单元概化和模型输入

一维水流、水质基本方程加上实际河流的边界情况，即构成了研究河段的数值模拟系统。对于此次研究的洙赵新河梁山闸以下至南阳湖入口河段，总长度为24km，考虑到在入湖口上游500m处建有刘官屯控制闸，人为调控着洙赵新河与南阳湖的水流连通关系，建立的一维水流水质数值模拟模型的模拟范围为梁山闸下至刘官屯闸位置，总模拟河段长23.5km。利用收集到的26个实测大断面资料，对模拟河段进行水下地形的数值概化，河道纵向空间计算步长为500m；采用有限差分法，对水流、水质基本方程进行离散求解。

上边界：采用梁山闸处实测水质数据和梁山闸下泄流量。

下边界：水质下边界设定与刘官屯闸运用情e况有关。刘官屯闸关闭时，流量为0，水质浓度处理为刘官屯闸开启时，采用南阳湖南阳站水位作为边界条件，受南阳湖水位顶托作用，水流为双向流e动，当水从洙赵新河流向南阳湖时，水质浓度处理为；当水从南阳湖流向洙赵新河时，将进入模拟河段的物质量加入到下边界计算断面上，水质浓度处理为C=Cbf+（Cout-Cbf）e-tmix， 式中，Cbf为南阳湖进入洙赵新河的入流浓度，Cout为流向改变前洙赵新河的出流浓度，tmix为流向改变时间。

3 模型参数率定与验证

3.1 模型参数率定

使用2005年3月1日至11月30日实测水流资料和实测水质资料进行模型参数的率定。

通过模型试算，对实测数据和模型中的计算值进行对比分析，来率定水质模型中的参数，使两者拟合最好（见图1～4）。通过参数率定，最终确定整个模拟河段内糙率取值为n=0.028。扩散系数 D=525m2/s，BOD5综合衰减系数K=0.003/h，CODCr综合衰减系数 K=0.0082/h。

3.2 模型验证

验证计算是模型应用前必须做的工作，它是验证模型可用性的重要环节。利用率定好的水流、水质模型参数，进行2004年水流、水质的数值模拟，并对比分析模型计算值与实测值。图2为梁山闸下实测水位与模型计算水位的对比图，模型计算值较好的拟合了实测值，水流模型参数取值比较合理，建立的一维水流模型可以应用于预测计算。结合模型率定成果和验证情况，在现有资料基础上，可以认为水质模型的参数取值还是比较合理，可以应用于水质预测计算。

图1 2005年梁山闸下实测水位与计算水位对比图

图2 2004年梁山闸下实测水位与计算水位对比图

图3 2005年洙赵新河入湖口实测BOD5与计算值对比图

图4 2005年洙赵新河入湖口实测CODcr与计算值对比图

4 水功能区水质数学模拟分析

4.1 水质预测设定条件

预测河段上边界来水流量受梁山闸调度控制，采用梁山闸1980～2005年26年实测资料进行频率计算，求得频率90%的枯水年放水量3535万m3，并选用最不利典型年1989年的泄流过程。

分别按洙赵新河现状水质条件下和规划水质条件下的水质，进行预测分析，现状水质采用2004年和2005年实测水质的平均值，规划水质为地表水Ⅲ类水质标准限值。

4.2 水质预测方法

考虑南水北调工程要求，分为调水期11月～翌年5月和汛期6～10月两个水期。预测河段受梁山闸和刘官屯闸两个节制闸运用的影响，为受人控制河道，闸门调度使用对该河段水量影响较大。

在频率90%枯水年中11月、12月和3月出现了上游梁山闸关闭没有下泄水量的情况，同时考虑到冬季1～2月份存在的河道封冰情况，对调水期间11月～翌年3月采用完全混合水质模型来进行水质预测计算，从偏安全角度出发，不考虑污染物降解作用。

调水期4～5月份，频率90%枯水年中梁山闸有少量放水，同时存在农业灌溉用水，模拟河段呈现一定流动状态，采用一维非恒定流水质模型进行水质预测计算。

汛期6～10月刘官屯闸开启泄洪放水，洙赵新河与南阳湖连通，一维流动特征比较明显，采用一维非恒定流水质模型进行水质预测计算。

排污条件：排污口作为源项处理，考虑排污口布设在 距 离 入 湖 口 1km、2km、3km、5km、10km、15km 和20km7种情况；废污水为连续均匀排放，排放浓度考虑经处理后正常排放浓度和异常未处理污水浓度两种情况。

4.3 计算工况

根据南水北调工程要求，水质预测计算中分为调水期和汛期两个水期。按照采用的水质预测计算方法不同，将调水期分为11月～翌年3月、4～5月两个时期。在不同计算水期水质预测中，分别考虑河道本底水质为现状水质和规划水质两种状态，排污口布设在距离入湖口 1、2、3、5、10、15、20km 位置，排污水平为正常排放和事故排放两种情况，水质预测计算工况组合见表1，共有58种计算工况。

表1 水质预测计算工况组合表

4.4 预测结果及分析

根据上述58种计算工况下，王楼矿井入河排污口设置从不同水期模拟计算结果分析，排污口设置后对洙赵新河水质没有明显的影响。在正常排污条件下，污染物浓度贡献率BOD5为0.03mg/L左右，CODcr为0.06mg/L左右。在上游来水符合功能区地表水Ⅲ类水质目标时，在正常排污和事故排污条件下，洙赵新河CODcr和BOD5浓度值均不超过Ⅲ类水标准值，对洙赵新河水功能区（水域）水质、生态环境和第三者权益不会造成影响。

5 结 语

水污染防治是一项复杂的系统工程，涉及面广，治理难度大，为确保南水北调东线工程水质达到Ⅲ类水标准，必须加强入河排污口的监督管理。要通过法律、行政、经济、技术和工程等综合措施，实施以节水为本，清洁生产，治污为先，配套截污导流、污水资源化和流域综合整治工程，形成“治理、截流、导流、回用、整治”一体化的治污工程体系，实现污水资源化。

通过首次对排污口设置及环境影响的技术研究解决了南四湖湖西河道长期由于地形复杂，无法率定参数，建立水流水质模型的难题。解决了投资2.635亿元、设计年生产能力45万t的王楼矿井入河排污口设置的难题，既满足了生产急需，又保护了南四湖的水环境，并促进当地经济与社会发展，为山东省排污口设置管理提供了科学的技术方法，促进了入河排污口设置的规范化管理，为水资源的可持续利用提供了科学依据。

[1]建设项目水资源论证导则〔S〕.北京：中国水利水电出版社，2005.

[2]张炎斋,黄永生,赖晓珍等.蚌埠市杨台子污水处理厂排污口论证报告〔R〕.安徽省蚌埠:淮河水资源保护科学研究所,2004.