入河排污口污染物排放对水体水质影响研究

2019-10-08杜娟娟

水资源开发与管理 2019年9期

杜娟娟

(山西省水利水电科学研究院，山西太原 030002)

近年来，随着污水处理厂的不断兴建，水环境状况得到了较大的改善，但随之而来的尾水排放问题，又不同程度的加重了对河道或内河的水环境的污染。因此，入河排污口的污染物排放及尾水出路问题的研究十分迫切。

本文以湖北省江陵县产业园区污水处理厂为例，在对拟建排污口附近水域水环境分析的基础上，结合项目所在水功能区河道的水文、水生态等要求，运用数学模型对拟建污水处理厂排污口对河道水环境的影响进行了预测模拟，并对排污口设置的合理性进行了分析。以期对入河排污口的管理、水资源的可持续利用、环境保护与区域发展的协调提供科学的依据。

1 预测范围

拟建排污口所处河段水功能区为长江流域水功能区一级区划中的长江荆州保留区，全长82.50km，水质管理目标为Ⅱ类。综合考虑拟建工程可能影响范围、河段河势及水文站点等因素，计算河段范围确定为：进口断面位于污水排放口上游0.75km处，出口断面位于污水排放口下游3.65km处，采用曲线正交网格，共计1800个(网格划分见图1)。

图1 网格划分图

2 预测分析方法

根据长江荆州保留区水质管理目标和水生态保护要求，结合产业园主要规划产业类型排放物，本文选取COD、BOD5、NH3-N为主要的评价指标。采用平面二维水量和水质数学模型计算设计水文条件下入河废污水的影响范围以及影响程度，分析现状水平年污水处理厂正常排放和事故排放两种工况下，尾水排放对所在河段水功能区及水生态环境的影响。

3 污水处理厂概况

3.1 区域概况

江陵县经济开发区污水处理厂拟建入河排污口位于湖北省江陵县，产业园规划以能源石化、轻工、冶金机电、建材、食品加工产业为主，辅以物流仓储产业，规划面积23.31km2。全县多年平均降水量1106.70mm，汛期集中在4—9月。年平均日照时数1907h，年平均气温16.20℃，极端值最高39.20℃，最低-19℃，无霜期246～262天。该县多年平均地表水资源量为4.23亿m3，多年平均水资源总量4.86亿m3，人均水资源量1188m3，亩均水资源量309m3。

3.2 数据资料

3.2.1 水文条件

排污口位于长江江陵段，取本河段近期15年(2001—2016年)最枯月(2月)平均流量为设计流量。统计结果为：2001—2016年2月平均流量为5270m3/s，故本次计算的设计流量取5270m3/s。根据近期实测资料，规划排污口断面相应水位为26.50m，断面平均水深10.10m。

3.2.2 评价指标

排污口所在区段为长江荆州保留区，其水质管理目标为Ⅱ类，根据水功能区管理目标和要求，结合产业园主要规划产业，选取COD、BOD5、NH3-N作为评价指标，按《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅱ类水的标准计算。

3.2.3 背景浓度

采用湖北省水环境监测中心荆州分中心观音寺站现状水平年2月枯水期水质监测成果来确定背景浓度，其中，COD<10.00mg/L，BOD5<2.00mg/L，NH3-N=0.07mg/L，因此，本次背景浓度COD取10.00mg/L，BOD5取2.00mg/L，NH3-N取0.07mg/L。

3.2.4 排污浓度

该污水处理厂出水水质执行国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A排放标准。COD、BOD5、NH3-N的排放浓度分别为50mg/L、10mg/L、5mg/L。

计算中，产业园污水处理厂废污水排放考虑正常排放和非正常排放(事故排放)两种工况。正常排放工况下，产业园污水处理厂的污水处理后达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A排放标准；非正常排放工况下，考虑污水处理厂出现异常情况，污水处理效率极低或基本未处理，COD、BOD5、NH3-N的排放浓度分别为500mg/L、200mg/L、45mg/L。

4 二维水质水量模型及参数率定

4.1 二维模型

水量模型是基于二维边界层紊流方程组得到的，其在水平方向上采用的是曲线正交坐标变换，在垂直方向上采用的是sigma坐标变换，主要方程如下：

(1)

(2)

(3)

式中：u和v分别为曲线正交坐标x和y方向上的水平速度分量,m/s；mx和my为坐标变换因子,m=mxmy；H=h+ζ为总水深，h为河底高程，ζ为水位,m；p为压强,N/m2；f为Coriolis系数,s-1；Qu和Qv为动量源汇项,kg·m/s。

水质迁移转化基本方程为

(4)

式中：C为水质浓度，mg/L或g/m3；t为时间，d；Ux、Uy为纵向、横向的流速，m/d；Ex、Ey为纵向、横向的扩散系数，m2/d；SL为点源和非点源负荷，g/(m3·d)；SB为边界负荷率，g/(m3·d)；SK为动力转换项，g/(m3·d)。

4.2 参数率定

计算中涉及的主要参数有河床糙率、紊动黏性系数、复氧系数、BOD衰减速度常数、COD降解系数、硝化速度常数等。采用人工调试与最优化估值的方法来率定水质水量参数，并将出口断面流速的模拟值与实测值进行比较，见图2。由图2可知，模拟值与实测值较为吻合，符合模拟的要求，证明该模型可用于接下来的预测分析当中。

图2 流速模拟值与实测值对比图

5 预测结果

5.1 正常排放工况影响预测

规划排污口设置后，项目正常排放工况下，由于污染物排放浓度较低，未形成超标污染带，仅会对下游水域水质产生一定的浓度增量影响，因此采用浓度增量来统计正常排放工况下尾水排放的影响范围，COD、BOD5、NH3-N的浓度增量分别设为1.00mg/L、0.20mg/L、0.05mg/L。

现状水平年，排污口附近COD的浓度增量为1.00mg/L的纵向范围影响约26.50m，横向影响范围约2.50m；BOD5的浓度增量为0.20mg/L的纵向影响范围约22.60m，横向影响范围约3.20m；NH3-N的浓度增量为0.05mg/L的纵向影响范围约62.50m，横向影响范围约9.20m。

5.2 非正常排放工况影响预测

规划排污口设置后，项目事故排放工况下，由于事故排放量较大，部分指标会在排放口下游部分水域超过Ⅱ类水标准上限值，形成污染带(污染带范围见表1)，在排污口下游0.50km处，基本达到天然水质标准。

表1 事故排放工况下超标污染带范围

6 预测结果对水功能区水质的影响分析

通过平面二维水流水质模型分析计算可知：正常排放条件下，废污水进入长江后，与长江来流迅速混合，各项指标浓度急剧的下降，基本未形成污染带；非正常排放条件下，影响长度范围较正常排放大，现状水平年排放影响范围区域污染物浓度大于Ⅱ类标准限值的最大范围约为323.9m(纵向)×14.3m(横向)。该排污口的设置对下游水质影响范围有限，影响范围主要为河段左岸的排污口附近水域。