坪山河水质模拟研究

刘佳嘉 ，周祖昊 ，严子奇 ，刘 琳 ，朱家松 ，牛存稳 ，贾仰文 ，王 浩 ，5

（1.中国水利水电科学研究院，流域水循环模拟与调控国家重点实验室，100038，北京;2.水利部水资源与水生态工程技术研究中心，100038，北京; 3 中建水务环保有限公司，100037，北京;4.深圳大学，518000，深圳；5.水安全与水科学协同创新中心，210098，南京）

以深圳坪山河为研究对象，通过模拟污染物在管网和河道系统中的迁移转化、 污水厂污水处理排放等过程， 分析坪山河上洋交接断面水质变化情况， 为流域水质评价提供技术支持。

一、研究区概况

深圳坪山河是淡水河一级支流，位于东江淡水河上游， 属东江水系。坪山河流域地处北回归线以南，属南亚热带温暖湿润的海洋性季风气候。总体上，流域雨量充沛，但降雨季节分配不均，雨季集中在4—9 月，占全年降雨量的85%。 流域均为雨源性河流，长度较短，储水困难，坪山河流域近30%供水量为外调水。

近年， 坪山河流域经济迅猛发展， 城区面积占到流域的近40%，坪山河干流穿城而过，河道水质受人类活动影响非常大。 坪山河负担了过重的城市污染负荷，加之坪山河流域河流自净能力差、水环境容量小，河流水质污染生态恶化。 为解决干流水质污染问题，坪山河干流两岸铺设了截污干管，用于收集沿河排污并送入下游上洋污水厂进行处理。 上洋污水处理厂总处理规模 20 万 m3/d，2015 年实际处理量 14.9 万 m3/d。 截至 2015年，坪山河流域污水厂配套截污干管139.69 km， 待建污水管网460 km，主要为污水支管网。 支管网系统建设不完善，导致支流污水收集率低，污水大多直接排放到河道，是造成支流污染严重的主要原因。 另一方面，由于污水支管网建设不完善，导致旱季污水处理厂可处理的污水量不足，部分污水系抽取河道的水送入污水厂进行处理。 上洋交接断面位于污水厂下游深圳同惠州交接处。

图1 坪山河上洋交接断面水质模拟效果图

二、流域水质模拟过程

本研究在一般水质模拟过程基础上进行改进，模拟计算单元为子流域。 每个子流域内认为只有一条无分岔的河流， 采用忽略弥散项的稳态一维均匀水质模型进行模拟。 同时对每个子流域内概化1条污水管网和1 条雨污混流管网，或者无管网。 管网长度为子流域内连通到河流或者截污干管最长的长度，管道坡降认为同子流域坡降一致。

图2 坪山河流域污染物迁移转化平衡图

表1 水质模拟均方根误差

首先，根据污染物类型分面源污染和点源污染分别计算污染物产生量。 面源污染主要包括城镇地表径流冲刷污染、农药化肥施用污染；点源污染产生量包括工业点源污染和生活点源污染。 其中，地表径流冲刷污染产生量主要由地表径流量大小乘以地表径流中污染物浓度得出；农药化肥使用污染产生量采用农田面积乘以单位面积污染产污量得出；工业生活点源污染产生量由工业生活用水量乘以污水浓度得出。 对面源污染而言，实际污染产生量取决于当日是否有径流，如果没有径流则认为没有污染产生。

其次，计算点源和面源污染入河和入管网量。 根据子流域内的管网覆盖度将其分为直接入河量和入管网量；再根据城区雨污混流管和污水管比例将入管网量再细分进入雨污混流管的量和进入污水管的量。 这样细分的原因在于雨污混流管也接受雨水的进入。

第三，模拟河道管网中的污染迁移转化过程。 主要包括降解、沉积、底泥释放。 根据坪山河特点，在旱季对重点支流根据截污干管输水能力抽取河水送入污水厂进行处理。 雨污混流管和污水管先进入截污干管，如果超过干管输水能力，则多余的溢流进入干流。 对截污干管而言，首先接受上游干管进入量，再接受污水管进入量，再接受雨污混流管进入量，最后考虑抽取支流流量。

第四，污水厂处理排放。 根据污水厂处理规模， 接受截污干流来水，多出的部分溢流进入干流。 进入污水厂的部分则根据污水厂处理能力对污染物削减后排入干流。

三、水质模拟结果分析

由于坪山河流域相对较小，流域内没有气象和水文观测站点。 本研究采用深圳站气象资料作为气象条件，采用WEP-L 模型模拟水量边界条件， 收集 2012—2015 年深圳坪山新区城市工业、居民生活用水量，作为管道水量和污染模拟边界条件。 点源污染浓度、河道管网污染降解、沉积、底泥释放等相关水质参数参考文献及统计年鉴。 进行长系列模拟，得出坪山河上洋断面COD、NH3-N 和总磷浓度月变化过程，并同实测数据进行对比如图1 所示。 相关模拟结果均方根误差（RMSE）如表 1 所示。 从图 1和表1 中可以看出，模型基本能够反映流域水质变化过程。 采用模型模拟，统计分析了坪山河流域污染负荷平衡，如图2 所示。 本模型给出干支流、管网、污水处理厂等环节的污染迁移转化量， 对评估流域水质情况提供参考。 根据模拟结果，现状条件下，上洋断面COD 年均浓度为32.1 mg/L，为V 类水质；NH3-N 年均浓度为2.29 mg/L， 总磷年均浓度为 0.55 mg/L，为劣Ⅴ类水质。 因此，为了使未来2020年上洋交接断面水质达到Ⅳ类水质，需要从源头减排、过程阻断、末端治理等加强坪山河流域干流综合治理。

四、结 论

为了描述城市管网对流域河流水质变化的影响，本研究构建了考虑城市管网的河流水质模拟模型。 该模型将流域分成两种汇流路径： 天然水系以及城市管网系统， 分别进行污染的迁移转化模拟，同时也模拟了两个系统之间的水量污染交换。 以深圳坪山河流域作为应用实例， 模拟分析了坪山河上洋交接断面COD、NH3-N 和总磷的月变化过程， 对模型进行了验证。通过统计分析，给出干支流、管网、污水处理厂等环节的污染迁移转化量， 对评估流域水质情况提供参考。