MIKE11 AD模型在富阳市江南新城水环境改善方案研究中的应用

2012-07-09王志平顾希俊

浙江水利科技 2012年1期

赵海,王志平,顾希俊

(1.富阳市水利水电局,浙江富阳 311400;2.浙江广川工程咨询有限公司,浙江杭州 310020)

1 问题的提出

江南新城位于富阳市富春江南岸,杭千高速公路以北,包括春江街道、大源镇和灵桥镇3个镇(街道)部分行政范围区域,面积为38.2 km2。影响江南新城水环境的水系有富春江、洋浦江、大源溪、小源溪和中心渠、红渠等排水渠道。近年来由于江南新城的造纸业快速发展,水质趋于恶化,再加上规划的截污纳管和污水处理厂未全部实施到位,现状一部分未截污纳管的工业废水、污水处理厂排放的尾水及生活污水通过管渠分别排入永济浦、中心渠、红渠、洋浦江、大源溪及小源溪等河流,最终流入富春江(见图1)。为了改善江南新城的水环境,拟采用MIKE11 AD模型对江南新城片水环境进行分析研究,确定合理的引水方案。

图1 江南新城水系图

2 现状水系水质

江南新城区域内水系——富春江、洋浦江和大源溪均有水质监测站点,监测项目有pH、总磷、总氮、氨氮、高锰酸盐指数、溶解氧、生化需氧量等,监测周期为每年的丰水期、平水期和枯水期。

富春江富阳段年过境水量为336亿m3,自净能力较强,现状水质较好,每年水质监测各项指标年均值均达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》II类水质标准。

大源溪监测断面位于灵桥镇,主要监测项目为高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、总磷、溶解氧。监测结果表明,近几年大源溪的常年水质污染较重,属于V类水质。

中心渠水质监测项目为pH、氨氮、CODcr和五日生化需氧量,逢单月监测。中心渠水质非常差,历次监测结果均为劣V类水质,CODcr和BOD5超标严重,其中BOD5的超标准污染系数最高。

本文的MIKE11 AD模型采用污染系数最高的2010年BOD5污染物年平均值进行分析计算。2010年各水系BOD5污染物年均值监测结果见表1。

表1 2010年水系BOD5污染物监测年平均值表

3 污水规模及浓度

江南新城现状污水来源主要为未截污纳管的生活污水、造纸企业的工业污水、农业面源污染、底泥污染和污水处理厂的尾水等。

江南新城范围内现有3座污水处理厂,其中春南污水处理厂规模为25.0万m3/d,八一污水处理厂规模为15.0万m3/d,新盈嘉水务有限公司规模为15.0万m3/d。大源污水处理厂目前正在建设中,规模为10.0万m3/d。

现状截污纳管率,除八一污水处理厂处理范围的截污纳管率为95%,其余区块只有80%,远期规划整个江南新城截污纳管率达100%。近期污水总量79.4万m3/d,远期由于富阳市造纸产业规划的优化调整,污水排放总量减少到65.0万m3/d。污水处理规模汇总见表2。

表2 污水处理规模表万m3/d

对本文模型计算起主要作用的BOD5污染物浓度:未截污纳管的生活污水220 mg/L,未经过污水处理厂的工业污水300 mg/L,污水处理厂出来的尾水20 mg/L。模型中初始BOD5污染物浓度分近、远期考虑(见表3)。

表3 近、远期模型中初始BOD5污染物浓度表mg/L

4 MIKE11 AD(Advention-Dispersion)模型简介

MIKE11河流模型采用的是水动力数学模型 (HD),该模型可以根据不同地区的水流条件及亚临界水流,对从陡峭山区性河流到感潮河口的各种垂向均质水流条件进行模拟。MIKE11 AD模块是基于MIKE11 HD对物质在水体中对流扩散过程的模拟,该模型考虑污染物的对流扩散与线性降解,是一种简单的水质模型。其基本方程为:

式中:C为污染物浓度,mg/L;D为污染物弥散系数;A为断面过水面积,m2;Q为流量,m3/s;K为降解系数,s-1;C2为污染物的点源浓度,mg/L;q为污染物的点源流量,m3/s;x为空间步长,m;t为时间步长,s[1-2]。

5 MIKE11 AD模型计算

5.1 模型的建立

影响江南新城水环境的主要水系有富春江、洋浦江、大源溪和中心渠等排水渠道,由于中心渠作为附近各造纸厂集中输往春南污水处理厂的排污渠,水质很差,BOD5污染物浓度是大源溪的33倍。故现状在连通大源溪的沟渠上设有水闸(模型矩形框表示水闸)。江南新城MIKE11 AD模型水系概化见图2[3]。

图2 江南新城MIKE11 AD模型水系概化图

5.2 水质改善方案计算分析

为改善江南新城的水环境,在截污纳管、清除底泥和减少面源污染等工程措施的基础上,不引水方案,用模型计算分析水环境改善效果;引水方案,用模型计算分析改善水环境达到目标水质所需的最佳引水流量。

5.2.1 引水路线

江南新城地势平坦,各水系相互连通,使得从江南新城西侧富春江上游引优质水,经江南新城,冲淡、稀释和净化江南新城范围内水环境恶化的水体,再排入江南新城东侧富春江下游,最终经富春江使江水稀释和净化成为可能。具体线路是从富春江抽水入洋浦,向东输水,进入中心渠、新震龙浦、南浦、新纵浦、永济浦和沙田浦,向东经西闸排涝站和震龙排涝站入大源溪,再汇入富春江,向北经永济排涝站和南浦排涝站入富春江。

5.2.2 改善水质目标

现状江南新城片内水系水质不符合其水环境功能要求,根据江南新城各水系功能区的划分及现状水质条件,本文改善江南新城大源溪片水环境的水质目标为Ⅲ类,BOD5浓度为4.00 mg/L;改善中心渠片水环境的水质目标分2步:近期Ⅴ类,BOD5浓度为10.00 mg/L;远期Ⅲ类,BOD5浓度为4.00 mg/L。

5.2.3 水质改善分析方案

根据是否引水,分为引水和不引水。引水方案,根据时间分为近期引水、远期引水。分析各方案对江南新城水环境的改善效果,确定最优的引水方案。BOD5综合衰减系数 K1=0.65/d。各方案见表4。

5.2.4 水环境改善效果分析

根据上述方案,采用MIKE11 AD模型计算,选取2条江南新城最长且比较重要的水系——中心渠、大源溪,并在其沿程选取代表点,以其水质浓度变化分析该片区的水环境改善效果。

5.2.4.1 不引水方案

模型计算首先分析在不引水的条件下,近、远期水质改善效果。模型计算各代表点水质浓度见表5。

表4 水质改善分析方案

表5 不引水方案各代表点BOD5浓度表 mg/L

由表5可见,在不引水情况下,近期采用消减面源污染、清除底泥等工程措施,各渠道、河流水质有一定的改善,但由于污染物排放量的削减力度不够,各渠道、河流水质远未能达标,需在此基础上继续加大消减污染物力度和采取工程引水措施;远期江南新城100%全部截污纳管情况下,各渠道、河流水质都能得到明显改善,大源溪水质甚至可以保持Ⅱ类水质标准,达到功能区要求。对中心渠的水质改善最明显,污染物浓度降低至现状的约1/8,但中心渠因为没有新鲜水补充,水质很难从根本上改善,且渠道沿岸仍有一些面源污染流入,导致中心渠水质仍未能达到城市景观Ⅴ类的水质标准。

5.2.4.2 引水方案

不引水情况下,大源溪近期不能满足水质目标,还是必须采取引水措施,远期通过100%截污纳管、消减40%面源污染和清除底泥,同时有大源溪上游山区来的溪流,可以保障大源溪的水质达到目标水质。中心渠不论近期、远期都需要引水。下面采用MIKE11 AD模型计算各种引水流量条件下的关注点水质,确定合理的引水流量。

近期引水,考虑中心渠和大源溪,现状和目标水质相差较大,计算开始水闸关闭,主要改善中心渠水质,各代表点水质浓度见表6;打开水闸,连通整个江南新城片区,改善整个江南新城的水环境,各代表点水质浓度见表7。

表6 近期中心渠引水方案各代表点BOD5浓度表(水闸关闭)

由表6可知,水闸关闭,引水对中心渠的改善作用很大,引水流量10 m3/s时,能明显改善中心渠的水质,将中心渠的BOD5浓度从约120 mg/L降低至约9.20 mg/L,幅度很大,并且达到了中心渠Ⅴ类的目标水质,继续加大引水流量至40m3/s时,中心渠水质就能达到Ⅲ类。由于水闸的隔断,引水对大源溪没有任何改善。

表7 近期引水方案各代表点BOD5浓度表 (水闸开启)

由表7可知,近期水闸开启后,引水流量10 m3/s,中心渠达到Ⅴ类目标水质,水闸的开启,连通了各水系,使得大源溪的水质反而恶化到Ⅴ类,继续加大引水流量至40 m3/s时,整个江南新城片水环境则全部改善至Ⅲ类目标水质;远期大源溪靠上游溪流可以达到目标水质,引水主要改善中心渠水质,模型中水闸关闭,模型计算各代表点水质浓度见表8。

表8 远期中心渠引水方案各代表点BOD5浓度表

由表8可知,从富春江引水流量只需5 m3/s即可将江南新城水质改善至Ⅲ类目标水质,若引水流量加大至10 m3/s,还可以开闸改善大源溪片水环境。

综上所述,近期引水,若要将整个江南新城片全部改善至Ⅲ类水质目标,则从富春江引水流量需40 m3/s,显然不现实,所以采取近期合理引水流量10 m3/s,水闸关闭,只改善中心渠水质,中心渠水质能够达到Ⅴ类目标水质。远期引水在100%截污纳管的情况下,合理引水流量5 m3/s即可将江南新城水质改善至Ⅲ类目标水质。