多节点分段法在计算排污口对水功能区水质影响中的应用

龚 慧 ,姚 敏 ,邵 鹏 ,王 丽

（1.江苏省水文水资源勘测局常州分局，江苏 常州 213000；2.江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210000；3.盐城市水利工程质量监督站，江苏 盐城 224002；4.鲁南煤化工研究院，山东 济宁 272000）

0 引言

随着近年经济快速发展，工业及生活污水排放量不断增加，污水处理压力日益加剧，新建及改扩建污水处理厂势在必行。但排污口的设置论证须充分考察所在水功能区的水质现状和纳污能力[1-3]，及建设后对受纳水体、相邻水功能区、第三者的影响[4]，在确保不踩踏“三条红线”的前提下建设和管理排污口[5]。在实际论证工作中，水文条件往往错综复杂，通常存在多个支流口、取水口、其它排污口、考核断面等，简单的数值模型法难以全面准确地反映排污口设置对河流水质的影响[6-9]。本文利用一维水质模型[10-12]，多节点概化，分段计算新建入河排污口对河流水质的影响，为排污口设置提供参考。

1 研究区概况

溧阳市位于江苏省南部，苏、浙、皖三省交界处，隶属江苏省常州市，总面积1535 km2。溧阳市境内河流均属太湖流域南溪水系，东西向干流为北河、中河、南河，南北向干流为丹金溧漕河。北河是溧阳市北部排洪、引水、航运的骨干河道；南河自西向东穿越溧阳腹部经宜兴三氿入太湖；中河自西向东横贯溧阳腹部经宜兴西氿注太湖。丹金溧漕河自北向南先后与北河、中河、南河及腹部古渎河、常州河交接，也是交通航运骨干河道。溧阳市水系情况详见图1。

北河位于茅山山脉东南、宜溧山区以北，西起上兴镇东塘桥与上沛河相接，向东北穿越竹箦镇和别桥镇后，与丹金溧漕河贯通，东入长荡湖（又名洮湖），全长27.5 km，汇水面积343.3 km2，每年流入长荡湖水量约为0.37亿m3。根据北河代表站南渡水文站多年监测资料，北河多年平均水位为3.43 m（吴淞高程），多年平均流量为4.74 m3/s。

图1 溧阳市水系概况图

2 排污口及所在水功能区

2.1 排污口状况

根据设计资料，新建南渡污水处理厂位于溧阳市南渡镇旧县新材料工业园内，服务范围为南渡镇、竹箦镇、上兴镇镇区乡镇生活污水。近期服务人口19万人，服务总面积近520 km2。尾水排放规模为1.5万t/d，拟设计为岸边排放，排放方式为连续排放，即0.17 m3/s。排放口拟建于北河施家桥下游约570 m处，北河左岸，N31°28′51.46″E119°19′7.70″，具体位置见图2。

污水处理工艺为改良A2/O工艺，尾水排放执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级A标准。根据预测进、出水水质等相关资料，并按同类污水处理厂进行类比分析[13]，确立主要污染物进、出水浓度列于表1。

图2 排污口及所在水功能区位置图

表1 主要污染物进、出水浓度及污染物削减总量表图

经计算，新建南渡污水处理厂将大幅度削减区域内主要水污染物，将“就近排放、漫天排放、雨污合排”的乡镇生活污水经管网收集集中处理后排放，可以较大程度地改善乡镇地区水环境污染现状，可以大幅度削减末端受纳水体北河的污水负荷，对于改善区域内河道水环境具有积极意义。

2.2 相关水功能区及现状水质

北河西起东塘桥，东至洮湖，其中东塘桥～绸缪桥段长15.4 km，为“北河溧阳工业、农业用水区”；绸缪桥～入湖口段长12.1 km，为“北河溧阳别桥过渡区”。2020年水质目标均为Ⅲ类（《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002），下同）。

相关河湖有上兴河、上沛河、竹箦河、丹金溧漕河、长荡湖，2020年水质目标均为Ⅲ类。根据江苏省水环境监测中心常州分中心2014～2016年常规监测资料，论证范围内现状水质均达不到功能区目标水质，水环境现状不容乐观。

2.3 取用水户情况

通过调查、资料收集后确定论证范围内没有

在建、拟建取水口、入河排污口。

3 节点断面浓度计算方法

据《入河排污口设置论证基本要求（试行）》，按枯水期最不利环境设计水量条件下，以数值模型法计算预测入河排污口排污对水功能区水质影响，计算各节点处断面浓度[14]。分为正常排放、回用30%后排放和事故排放3种情况进行计算。

3.1 计算模型

根据《纳污能力计算规程》：北河河面宽约70 m，底宽15 m，多年平均水位为3.43 m（吴淞基面），宽深比不大（见图3），污染物质能在较短的时段内在断面内达到基本均匀混合，且污染物浓度在断面横向上变化不大；北河多年平均流量为4.74 m3/s，小于150 m3/s，属于中、小型河道，因此可选用河流一维模型计算[10-12，15]。

污染物浓度按式（1）计算。

式中:

图3 北河实测大断面图（2016年8月18日施测）

C0—初始断面的污染物浓度，mg/L；

Cx—流经x距离后的污染物浓度，mg/L；

x—沿河段的纵向距离，m；

u—设计流量下河道断面的平均流速，m/s；

K—污染物综合衰减系数，1/s；

排污口断面、汇流口水质浓度采用完全混合模式计算，公式如下：

式中：

Cwi—初始断面与废污水混合后的污染物浓度，mg/L;

Cp—废污水的污染物浓度，mg/L;

Q—初始断面的入流流量，m3/s;

Qp—废污水排放流量，m3/s；

3.2 计算河段

计算河段以入河排污口、相邻功能区交界断面及支流口为节点，分段进行计算[16]。

3.3 设计水文条件

采用近10年最枯月平均流量的均值作为设计流量[17]，以江苏省水文水资源勘测局常州分局别桥站和南渡站多年实测资料及沿线巡测流量资料（2016年8月18日施测）为基础，推算本项目拟设排污口段的设计流量为0.96 m3/s。推算各口门设计流量，见图4。

图4 各节点设计流量图

3.4 入流断面水质浓度（C0）的确定

入流断面水质浓度的初始值C0以上一水功能区目标水质确定。即以III类标准值，CODCr的C0＝20 mg/L；氨氮的C0＝1.0 mg/L。

3.5 综合衰减系数K

污染物综合衰减系数是反映污染物沿程变化的综合系数，采用经验公式[18-20]：

CODCr的K值公式：K=0.050+0.68u

NH3-N的K值公式：K=0.061+0.551u

计算河段设计流量、设计流速、综合衰减系数等详见表2。

表2 河段计算参数一览表

4 计算结果

4.1 正常排放

计算结果见表3和表4，结果表明：在最不利水量条件下，正常排放时排放口水域CODCr最大浓度点浓度为24.5 mg/L，氨氮最大浓度点浓度为1.60 mg/L；竹箦河与北河交汇口处，CODCr和氨氮浓度分别为21.2 mg/L和1.32 mg/L；绸缪桥断面CODCr和氨氮浓度分别为20.0 mg/L和1.24 mg/L丹金溧漕河与北河交汇口处，CODCr和氨氮浓度分别为19.8 mg/L和1.02 mg/L；北河入湖口处，CODCr和氨氮浓度分别为14.5 mg/L和0.71 mg/L。

由此可见，正常排放时CODCr、氨氮混合区对所在水功能区（北河溧阳工业、农业用水区）、相邻水功能区（竹箦河溧阳工业、农业用水区，丹金溧漕河溧阳渔业、农业用水区）及下游水功能区（北河溧阳别桥过渡区）水质均有一定影响，但下游功能区出流断面水质达标，对饮用水源区（洮湖常州饮用水水源、渔业用水区）水质无影响。

表3 正常排放下各节点断面CODCr浓度计算表

表4 正常排放下各节点断面氨氮浓度计算表

表5 回用30%后排放各节点断面CODCr浓度计算表

4.2 回用30%后排放

计算结果见表5和表6，结果表明：在最不利水量条件下，污水回用30%后排放，排放口水域CODCr、氨氮最大浓度点浓度相比于正常排放时，分别下降了4.9%和10.0%；竹箦河与北河交汇口处，CODCr和氨氮浓度分别下降了3.8%和8.3%；绸缪桥断面CODCr和氨氮浓度分别下降了4.0%和8.9%；丹金溧漕河与北河交汇口处，CODCr和氨氮浓度分别下降了0.5%和2.0%；北河入湖口处，CODCr和氨氮浓度分别下降了0.7%和1.4%。丹金溧漕河交汇口断面CODCr和氨氮基本达到水质管理目标三类标准值。

表6 回用30%后排放各节点断面氨氮浓度计算表

由此可见，回用30%后排放时CODCr、氨氮混合区对所在水功能区（北河溧阳工业、农业用水区）、相邻水功能区（竹箦河溧阳工业、农业用水区）及下游水功能区（北河溧阳别桥过渡区）水质均有一定影响，但污染物很快得到降解，下游功能区出流断面水质达标，对下游相邻水功能区（丹金溧漕河溧阳渔业、农业用水区）水质基本无影响，对饮用水源区（洮湖常州饮用水水源、渔业用水区）水质无影响。

4.3 事故排放

计算结果见表7和表8，结果表明：在最不利水量条件下，事故排放时排放口水域CODCr、氨氮最大浓度点浓度分别为正常排放的2.7倍和3.8倍；竹箦河与北河交汇口处，CODCr和氨氮浓度分别为正常排放的2.3倍和3.4倍；绸缪桥断面CODCr和氨氮浓度分别为正常排放的2.3倍和3.4倍；丹金溧漕河与北河交汇口处，CODCr和氨氮浓度分别为正常排放的1.2倍和1.4倍；北河入湖口处，CODCr和氨氮浓度分别为正常排放的1.2倍和1.4倍。

由此可见，事故排放对水功能区影响显著增大，对所在水功能区、相邻水功能区、下游水功能区及下游相邻水功能区水质均有影响。但对长荡湖饮用水源地水质无影响。

表7 事故排放下各节点断面CODCr浓度计算表

5 结论

通过采用多节点分段法计算北河新建排污口对水功能区的水质影响，可以看出，正常排放时CODCr和氨氮污染物对所在水功能区、相邻水功能区及下游水功能区水质均有一定影响，北河入湖口处CODCr和氨氮浓度分别为14.5 mg/L和0.71 mg/L污水回用30%后排放影响程度降低，影响范围缩小，对下游相邻水功能区水质基本无影响，北河入湖口处CODCr和氨氮浓度分别下降了0.7%和1.4%；事故排放时影响程度显著增大，北河入湖口处，CODCr和氨氮浓度分别为正常排放的1.2倍和1.4倍。因此考虑到北河及相关水功能区现状水质多未达标，应鼓励污水回用，减少排放量，并多方位采取措施加强流域水资源管理，改善河流水质，腾出纳污能力，同时应强化管理，防范并杜绝污水处理厂事故排放，以保障人民群众生活、生产和生态用水安全。

表8 事故排放下各节点断面氨氮浓度计算表