福州城市排污规划布局的水环境影响研究

石成春

（福州市环境科学研究院，福州 350011）

福州城市排污规划布局的水环境影响研究

石成春

（福州市环境科学研究院，福州 350011）

以闽江下游福州城区段为研究区间，分析了闽江下游福州段的水环境质量现状，采用二维水动力-水质耦合模型研究了枯水期城市排污口布局和排污强度规划对水环境质量的影响。研究结果表明，感潮河段排污存在明显的污染物上溯现象，在东南区水厂至马尾水厂备用水源地之间形成高浓度污染团，洋里和连坂排污口对东南区水厂水源地水质影响最为显著，高潮时刻的高锰酸盐指数增量将达1.0mg/L，氨氮增量将达约0.15mg/L，叠加本底值后水质已接近Ⅲ类标准限值。建议逐步将取水口向城市上游淮安段转移，更换取消东南区水厂的取水口。

福州市;排污规划;水环境

前言

闽江是福建省最大的河流，主流全长541km，在福州市境内流域面积约8000km2，长约117km[1]。闽江福州段水系分布见图1。福州市区地处闽江下游，该河段属于强潮汐河口感潮段，承担着福州市的供水和纳污功能，受潮汐影响污染物输送、扩散条件下降，城市取水口和排污口交错布局导致城区部分水源地出现水质超标现象。根据福州市城市总体规划（2011—2020年），2020年城市人口将增加118万，新增城市排污规模将进一步加剧水源地水质污染[2]。本文以闽江下游福州段南北港感潮河段为研究区间，采用二维水动力-水质耦合模型预测分析规划排污口布局和排污强度对闽江下游水环境质量的影响，为城市排污口和取水口布局优化调整和给排水专项规划提供环境决策依据。

图1 闽江下游福州段水系分布图

1 福州市的城市排污口布局

福州市城区按照空间结构划分为6个独立的规划排污区，分别为甘蔗荆溪分区、江北旧城区、南台岛分区、上街南屿分区、南通分区、青口尚干分区、马尾快安分区，规划共设置甘蔗、荆溪、祥坂、金山、洋里、连坂、快安、旗山、南通和青口等10个排污口（见表1），研究区间内现共有7座污水厂，处理污水量为59万t/d，至2020年规划污水排放总量达150.5万t/d，尾水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级B标准，即CODCr≤60mg/L，氨氮≤8mg/L。闽江福州城区段水源地和排污口交错布局情况见图2。

表1 城市规划排污口布局和排污量一览表

图2 排污口及水源地保护区位置示意图

2 闽江福州段水质现状

本研究引用福州市城区闽江南北港3个水源地常规水质监测数据分析闽江福州段水质现状，结果如图3所示[3]。西北区水源地断面位于闽江福州段城区上游，高锰酸盐指数在2.5～3.0mg/L ，氨氮稳定在0.2mg/L左右，水质可稳定达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅱ类水质标准；城门水源地断面位于闽江南港，高锰酸盐指数在3.7～4.7mg/L，氨氮在0.26～0.33mg/L之间，氨氮指标能达到GB3838-2002中Ⅱ类水质标准，高锰酸盐指数处于Ⅱ～Ⅲ类水质标准之间；东南区水源地断面位于闽江北港城区中部，受城市排污影响严重，水质相对最差，其高锰酸盐指数在4.5～4.8mg/L，氨氮在0.74～1.26mg/L，氨氮指标平均值已经接近Ⅲ类水质标准，甚至出现了超标现象。从水质变化趋势分析，高锰酸盐指数和氨氮指标月变化趋势相对平稳，其中高锰酸盐指数变化幅度小于1mg/L，氨氮指标变化幅度小于0.2mg/L（剔除1月份超标数据）。因此 ，研究中采用逐月算术平均值作为环境本底值。

图3 各评价断面COD、氨氮月均值变化趋势

3 水环境预测模型建立

3.1 模型研究区域

模型研究区域为闽江下游竹歧—白岩潭段水域，计算水平面设置为罗星塔零点水位，水下地形采用2008年福建省港航局勘测中心相关调查资料。

3.2 水动力模型

（1）理论模型

理论模型采用二维正压深度平均流动力模型，根据河道特征暂不考虑气压水平变化、风应力及侧向摩擦，保留局部惯性项、平流项、水平压强梯度力、柯氏力、底摩擦，二维垂向平均流水动力方程如下[4、5]：

采用右旋直角坐标系，OXY面与平均海平面重叠，Z轴向上为正。u、v分别为X方向和Y方向的垂向平均流速；ζ为相对于OXY面的水位，H为瞬时水深，H=h+ζ；h为相对于OXY平面的水深绝对值；f为柯氏参数；r为底摩擦系数；g为重力加速度。初始条件为：t=0时，u=v=ζ=0；边界条件为：对于开边界水位，ζob=asin（ωt）；对于固体边界，取流速法向分量为零，un=0。

（2）差分网格及方程离散化

采用直角坐标系下B型网格，网格步长△s=△x=△y=25m，△t=2s。边界条件：竹歧开边界水位取实测水位，白岩潭边界根据白岩潭八个主要分潮（K1、K2、M2、N2、O1、P1、Q1、S2）调和常数，确定其开边界水位边界条件。岸滩边界的变化由计算格点水深来判别。

（3）模型验证

水动力模型验证资料采用《闽江下游南港航道整治工程可行性研究勘察工程水文泥沙测验报告》提供的2008年2月23—24日对南港进行的水文测验资料，取S1-S10以及文山里、骡洲、峡南、解放大桥共14个水位测站以及H3、K2、W2共3个河流测站数据，观测站位布设见图4。主要测站模型计算值与观测值验证曲线见图5。

潮位验证曲线表明，无论潮水位过程还是高、低水位值和出现时间，计算与实测均符合良好，表明数值计算的位相比较准确。大部分潮流流速观测值与计算值接近，潮流方向的模拟值与实测值也基本一致，表明计算的流速位相与实测值吻合良好，能够模拟研究区间的河流潮汐运动特性。

图4 水文测验站位分布

图5 各测站模型计算值与观测值验证曲线

3.3 水质模型

水质模型采用二维非恒定对流-扩散输送模型，建立二维水动力-水质耦合模型预测排污方案对闽江感潮河段水质的影响，水质控制方程如下：

其中：C为污染物浓度；U、V分别为x方向和y方向的全流，由水动力模型计算得到；S为单位时间排入单位面积的污染源强；各污染物假设为保守物质；Kx、Ky为x、y方向的扩散系数；由于计算时间较短，保守起见暂不考虑污染物降解作用。边界条件：

陈兴伟、蓝琳[5～7]等曾对闽江二维非恒定对流-扩散输送模型水质预测精度进行率定验证，误差可控制在15%以内，Kx取15、Ky取0.3。本研究枯水期模拟计算采用2009年12月27日到29日竹歧水文站和白岩潭站实测过程水位数据，污染源考虑规划排污口的排污增量。

4 结果与讨论

4.1 潮汐作用对污染物扩散的影响

闽江口属强潮陆相河口，潮型为正规半日潮，每日潮汐有两个周期，每个周期历时约12小时50分，其中涨潮约5个小时，落潮7小时15分。闽江口潮区界和潮流界动力源于太平洋的潮波，原闽江下游潮流界只到洪山左桥，潮区界只到侯官河段。水口电站建成运行后，闽江下游天然来砂量锐减，加之河道无序采砂，导致了闽江下游河床严重下切，水位大幅度下迭，枯水期潮流界从洪山左桥向上延伸至闽侯鸿尾河段，潮区界从侯官河段向上延伸到闽清河段，整个闽江下游取水和排污河段均受河口潮汐控制[1、8]。

根据高潮、低潮时刻和全潮的预测水动力-水质模拟计算结果，闽江口潮汐作用和河床下切不利于南北港的污染物输送和扩散能力，在北港东南区水厂-快安排污口之间形成随涨落潮而移动的高污染团，经过一个潮周期震荡，高浓度污染团中心逐渐向下游缓慢输移，且存在明显的污染物上溯现象，最大上溯距离接近西北区水厂水源地二级保护区边缘。污染物在上游来水和退潮引力作用下向闽江口输送、扩散，相对涨潮时刻污染程度较轻，枯水期低潮时刻高污染浓度区间主要分布在洋里-快安排污口之间约3km的水域，COD浓度增量大于0.7mg/L、氨氮浓度增量大于0.08mg/L；洋里、连坂排污口排放的污染物在涨潮流作用下向上游输送、扩散，枯水期高潮时刻，COD浓度增量大于1mg/L、氨氮浓度增量大于0.15mg/L的污染物上溯距离将达约3.3km，对东南区水厂水源地造成污染影响。（见图6）。

图6 枯水期高潮、低潮时刻CODMn、氨氮浓度增量预测结果

4.2 排污口规划对水质的影响

枯水期尾水正常和事故排放全潮情景下CODMn、氨氮浓度增量预测结果见图7。规划排污方案对闽江北港的水环境压力明显大于南港，特别是对北港东南区水厂-马尾备用水厂取水口之间长约12km的水域污染较为严重，约有4hm2的水域超过《地表水环境质量标准》Ⅲ类水质标准，超标区域主要位于洋里排污口和连坂排污口附近水域，约占该段水域面积的0.7%。通过一个潮周期震荡，洋里-快安排污口之间约3km水域的高锰酸盐指数最大增量值可达1.5mg/L以上，氨氮最大增量值可达0.45mg/L以上，在排污量较大的洋里和连坂排污口附近形成污染物浓度高值区。若发生事故性排放，水质影响显著加剧，超Ⅲ类水质标准的水域面积将达约19hm2，在闽江北港东南区水厂-马尾备用水厂取水口形成高污染区，导致上述两个水源地高锰酸盐指数、氨氮等指标超标。规划排污方案对闽江南港的水质影响相对较小，主要原因是南港规划排污量相对较小，且近年来南北港分流比发生了较大的变化，南港水量增大，江面宽阔，有利于污染物的输送和扩散。

图7 枯水期全潮CODMn、氨氮浓度增量预测结果

5 结论与建议

（1）福州市区南北港目前饮用水源地水质良好，规划排污方案对闽江南北港水质影响总体上可以接受，在各排污口附近约4hm2局部水域水质超过《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类标准。

（2）闽江河口潮汐作用导致北港的东南区水厂断面-快安排污口之间形成随涨落潮而移动的高污染团，高潮时刻东南区水厂水源地的高锰酸盐指数增量将达1.0mg/L，氨氮增量将达约0.15mg/L，叠加本底值后高锰酸盐指数已经接近Ⅲ类标准限值。

（3）建议更换取消东南区水厂取水口，改由原厝水源地供水，近期东南区水厂应在光明港一支河水闸关闭且落潮后1～2h后取水。

[1]刘修德.福建省海湾数模与环境研究—闽江口[M].北京：海军出版社，2009.

[2]福州市城乡规划局，中国城市规划设计研究院.福州市城市总体规划研究报告（2010—2020）[R].福州：福州市城乡规划局，2009

[3]福州市环境保护局. 福州市环境质量公报（2006—2010）[M].福州.福州市环保局，2010

[4]梁志宏. 感潮河流复杂边界水流水质动床数学模型的研究与应用[D]. 广州：暨南大学，2006.

[5]蓝琳. 闽江下游北港河段污染物运动特性模拟与分析[J].环境科学与管理，2008，33（12）：52-56.

[6]秦华鹏，王晟.感潮河流环境需水量预测及敏感性分析-以深圳河为例[J]. 环境科学学报，2005，25（7）：936-941.

[7]陈兴伟，等.闽江下游感潮河道水动力水质动态模拟研究[R]. 福州：福建师范大学，2007.

[8]刘梅冰，陈兴伟.闽江下游河道排污口设置的水质响应分析[J].台湾海峡，2007，26（2）：220-225.

Study on Water Environmental Impact for Layout of Urban Pollution Discharge in Fuzhou

SHI Cheng-chun
(Fuzhou Academy of Environmental Sciences, Fuzhou 350011, China)

The paper analyzes the water environmental quality in Fuzhou zone of lower reaches of Minjiang River by taking Fuzhou zone of lower reaches of Minjiang River as a research section, and sees an impact on the water environmental quality in accordance with the city pollution discharge arrangement and the intensity of pollution discharge during the low water period by applying a model study on twain dimension water dynamics-water quality coupling. The research result shows that high concentration pollution exists in the area of water source between the Southeast water plant and Mawei water plant, causing an obvious impact on water environmental quality in the area of water source of the Southeast water plant, the index increment of permanganate will reach at 1.0mg/L and increment of ammonia nitrogen will reach at 0.15mg/L during the tidemark, and the water quality after background value will be close to III kind criterion limit value. It is suggested that the water gap should be transferred to the higher reaches of the Huaian River and the water gap in Southeast water plant should be replaced or abolished.

Fuzhou; pollution discharge planning; water environment

X321

A

1006-5377（2012）02-0056-06

福州市科技计划项目2007-S-109，福州市城乡规划局资助项目（2010年）。

石成春（1973-），男，福建省长乐市人，博士，高级工程师，主要从事环境规划、污染控制和影响评价研究，发表论文20余篇。