污水处理厂尾水排放对圩区河道水环境影响预测

胡琦玉， 孙志鹏， 陆义媛

(1.南大环境规划设计研究院(江苏)有限公司， 江苏 南京 210093；2.南京大学环境规划设计研究院股份公司， 江苏 南京 210093)

芜湖—马鞍山段沿江片区属于典型的平原河网地区，圩区河道内受到圩堤、闸坝的调控，外受长江的影响。在不同的调度方式下，污水处理厂尾水排放对受纳水体的影响也不相同，在开展污水处理厂建设工程事前，采用合理的方法预测新上项目排水对受纳水体的影响，并制定合理的排放方案，对于保护长江水环境具有重要意义。

对排放废水类建设项目布局优化多基于水环境影响模拟预测，在最初发展阶段，研究主要聚焦于基于统计数据的数学模型，S-P模型在水体质量模拟历史上具有开创性地位[1]，在此模型基础上发展了大量的早期模型。随着计算机技术的发展，水质模拟相关的软件从20世纪70年代之后被大量使用，1970年开创性提出的QUAL模型[2]被改进并发展了该系列的、适用于不同情景下的模型。依托于圣维南方程[3]的MIKE11模型的出现标志着地表水质模拟进入了新的阶段，该模型是由丹麦水利研究院DHI在1970年提出[4-5]，近年来在国内水体污染模拟和水污染治理方面有大量的应用。

此外，对于圩区和平原区河网的水文和水质问题，近年来也有不少学者进行了研究。姚琪等[6-10]从区域的层面上对平原河网区域内部水污染物的迁移扩散进行了模拟，并从宏观层面上提出了水污染治理的思路。

实际上，圩区水系最终均将汇入外部水系，且汇入处基本均受水利工程控制，因此，除了研究建设项目对圩区内部的影响之外，还应综合考虑项目建成之后片区排水对外部受纳水体的影响。本文以安徽芜湖城南污水处理厂扩建工程为例，依托前人水环境数学模型的研究成果进行水质模拟，统筹考虑了污水处理厂尾水排放对圩内水系漳河和外部水系长江的影响，并提出了结论意见，为决策部门提供了技术支撑。

1 研究案例概况

1.1 污水处理厂概况

本次研究的污水处理厂现状处理能力为10万m3/d，尾水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准，主要污染物质量浓度为ρ(COD)≤50mg/L、ρ(NH3-N)≤5mg/L、ρ(TP)≤0.5mg/L；拟扩建至20万m3/d，同时开展尾水提标改造，提标后尾水执行标准优于一级A，主要污染物质量浓度为：ρ(COD)≤30mg/L、ρ(NH3-N)≤2mg/L、ρ(TP)≤0.4mg/L。

污水处理厂尾水经厂区北侧澛港排水渠明渠排出，进入麻风圩内部水系，最终由澛港排灌站和麻浦桥排灌站排入漳河后最终进入长江。

1.2 水系及水利调度情况

(1)圩内水系圩内水系主要是天子港、澛港镇水系及高新区水系等，均为小型河道，现状圩内水系主要收集雨水及临近居民和企业的生活工业废污水，雨污合流后通过圩内澛港排灌站和麻浦桥排灌站排放进入漳河，澛港排灌站排涝规模为6.0 m3/s，麻浦桥排灌站排涝规模为8.0 m3/s。圩内水系现状水质较差，长期处于劣Ⅴ类水平。

(2)漳河。漳河纵贯南陵县境，下游为南陵县与繁昌县的界河。自南向北，至澛港入长江。全长115 km，流域面积1 360 km2。漳河入江口处建有澛港闸，澛港闸共14孔，单孔净宽11.8 m，总净宽165.2 m。设计流量3 600 m3/s，校核流量4 800 m3/s。澛港闸正常蓄水位8.5 m。闸门调度规则为：洪水期澛港闸全部开启；非洪水期澛港闸与上游十甲任闸联合进行兴利调度，外江水位高于8.5 m时，澛港闸全开，外江水位低于8.5 m且外江水位低于内河水位时，澛港闸和十甲任闸控制下泄流量，直至澛港闸闸上水位为9 m；控制运用使得澛港闸上水位8.5～9 m。澛港闸上水位低于8.5 m时，澛港闸及十甲任闸除满足下游河道的其他需求外，不在增加下泄量。正常情况下，漳河流向为自北向南入江，在澛港闸和十甲任闸均长期关闭时，会存在一定的往复流。漳河水质相对较好，可维持在Ⅲ类水平。

(3)长江。长江芜湖河段上起繁昌县三山河口(头棚)，下迄芜湖市东西梁山，河道全长49.8 km，河道走向在大拐处为90°转弯，以上为东西向，以下为南北向。工程位置处下游弋矶山设有芜湖水(潮)位站，上游设有大通水文站，是长江下游最后一个径流、泥沙控制站。据统计，大通站多年平均径流量为8 980亿m3，实测历年最大流量为92 600 m3/s(1954年8月1日)，历年最小流量为4 620 m3/s(1979年1月31日)，多年平均流量28 600 m3/s。长江段水质较好，可维持在Ⅱ～Ⅲ类水平。

1.3 水环境保护目标概况

本次研究案例涉及的水环境保护目标包括长江、澛港桥(国控断面，位于澛港闸闸上)、芜湖市四水厂饮用水源地各级保护区、芜湖市一水厂饮用水源地各级保护区、芜湖市二水厂饮用水源地各级保护区、芜湖市备用水源地各级保护。污水处理厂、水系及水环境保护目标分布见图1。

2 水环境数学模型构建

尾水排放可能造成水质影响范围为圩区水系、漳河和长江。采用河流一维模型预测排水对圩区水系和漳河的影响，采用长江二维非稳态水量水质数学模型预测排水对长江的影响。

2.1 一维稳态模型

预测公式为

(1)

ρ0=(ρp·Qp+ρh·Qh)/(Qp+Qh)

(2)

图1 污水处理厂及区域水系概况图

式中：ρx为流经x距离后污染物质量浓度，mg/L；ρ0为初始断面的污染物质量浓度，mg/L；x为沿河段的纵向距离，m；u为设计流量下河道断面的平均流速，m/s；ρp为排放废水中污染物的质量浓度，mg/L；ρh为上游来水污染物的质量浓度，mg/L；Qp为污水排放量，m3/s；Qh为河流上游来水流量，m3/s。

2.2 长江二维非稳态水量水质数学模型

2.2.1 水量模型基本方程及求解方法

(1)水量模型基本方程

对于水平尺度远大于垂直尺度的情况，由于水深、流速等水力参数沿垂直方向的变化比沿水平方向的变化要小，因此，将三维流动的控制方程沿水深积分，并取水深平均，可得到沿水深平均的二维浅水流动质量和动量守恒控制方程组。其连续性方程、x和y方向动量方程，可分别表示为

(3)

(4)

(5)

式中:H为水深，H=h+ζ；ζ、h分别为水位和水深；p、q分别为x、y方向上的流通通量；c为谢才系数；g为重力加速度；f为科氏力系数；ρ为水的密度；W、Wx、Wy分别为风速及在x、y方向上的分量；fw为风阻力系数；τxx、τxy、τyy为有效剪切力分量。

(2)方程数值离散

采用隐式交替方向(ADI)技术对潮流模型质量和动量方程进行离散，所得的矩阵方程用追赶法求解，各微分项和重要系数均采用中心差分格式，防止离散过程中可能发生的质量和动量失真及能量失真，Taylor级数展开的截断误差可达到二阶至三阶精度。

2.2.2 水质模型基本方程及求解方法

(1)水质模型基本方程

水质方程是以质量平衡方程为基础的。由于三维水质输移方程包涵很多不可确定的参数，在现有条件下，模型的验证存在困难，考虑到资料及模型计算工作量等因素，采用垂向平均的二维水质模型。二维水质输移方程为

(6)

式中：Ci为污染物浓度；u、v为x、y方向上的流速分量；Ex、Ey为x、y向上的扩散系数；Ki为污染物降解系数；Si为污染物底泥释放项。

(2)方程数值解

对每一时间步长的计算采用剖开算子法进行，具体分平流项、扩散项、源汇项对垂向二维水质模型进行求解。

2.2.3 计算区域网格划分及地形概化

根据2013年长江实测地形资料，对区域进行网格划分和地形概化，采用三角形网格进行划分，可有效贴合弯曲河道不规则岸线，其中网格边长约60～180 m，共形成16 446个节点，32 892个计算网格，同时利用水下地形数据对计算区域进行地形内插，见图2。

图2 长江安徽芜湖、马鞍山段计算区域模型地形图

2.3 设计水文条件及主要参数选取

2.3.1 一维稳态模型设计水文条件及主要参数选取

漳河流域枯水期水深为3.37 m。根据泵站历史运行调度资料统计，通过澛港站和麻浦桥站的排放水量比约为1∶6.5。麻浦桥站排放时长约为8 h，间歇时长约为15 h。澛港站排放时长约为6 h，间歇时长超过15 h，非汛期基本处于关闭状态。

水质降解系数取用经验值，KCOD=0.16d-1，KNH3-N=0.1d-1。

2.3.2 二维非稳态模型设计水文条件及主要参数选取

(1)设计水文条件

收集长江大通水文站近10年月平均流量，采用频率分析法分析得到50%、90%保证率对应的流量分别为23 900 m3/s、7 220 m3/s，分别作为丰水期和枯水期的设计水文条件。

(2)水动力模型参数选取

本次构建的模型糙率参数引用同类研究成果[11]，糙率系数取值范围为0.017～0.028。

(3)水质模型参数选取

水质降解系数参考同类型研究成果[12]，长江安徽芜湖、马鞍山段KCOD=0.2d-1，KNH3-N=0.18d-1。

3 模型应用

3.1 预测方案及源强

考虑到澛港水系现状水质较差，长江和漳河上均有水环境敏感目标，为减轻对重要水体的影响，在现状自排方案的基础上制定机排方案，即在长江水质受到污染，需要启用漳河备用水源地时或者汛期圩区内排水压力较大时采用泵站将尾水直接排入长江。

3.1.1 自排方案

主要影响时段为枯水期和平水期，主要受影响水体为圩内水系和漳河，由于经过提标改造之后，污水处理厂的出水水质优于圩内水系现状水质，因此不再对圩内水系进行单独分析。将整个圩内水系作为一个控制单元，以入漳河的两个泵站作为排水点。基于泵站现状调度规则，制定如下2个方案：

方案1：污水处理厂在现状排水量以及排水水质条件下，经现状圩内水系通过麻浦桥泵站、澛港泵站排放，分析在90%保证率下对漳河水环境的影响(对照方案)；

方案2：污水处理厂提标改造扩建后满负荷正常运行，圩内水系经综合整治后水质达到Ⅴ类水，水系通过麻浦桥、澛港泵站排放，分析在90%保证率下对漳河水环境的影响；

根据《关于芜湖市城南污水处理厂二期扩建工程入河排污口设置》的批复(水审〔2019〕5号)，城南污水处理厂提标扩建过程中同步实施澛港水系等相关区域水环境综合整治措施，在2020年二期工程投入使用时，确保麻浦桥、澛港泵站前池水质不低于地表水Ⅴ类水质标准。故可认为当圩内水系水质不低于地表水Ⅴ类水质标准时，方可启动麻浦桥泵站和澛港泵站排放圩内水，故自排方案不考虑污水处理厂事故工况。具体方案详见表1。

表1 自排工况预测方案及排污口源强一览表

3.1.2 机排方案

主要受影响时段为汛期(丰水期)，但不排除非汛期漳河备用水源地启用期间，主要受影响水体为长江，分别分析汛期以及非汛期条件下城南污水处理厂尾水正常排放和事故排放对长江水环境的影响。方案详见表2。

表2 机排方案预测方案及排污口源强一览

方案3：污水处理厂提标扩建后满负荷正常运行，尾水机排入长江，污染物浓度执行设计标准，分析在50%保证率下对长江水环境的影响；

方案4：污水处理厂提标改造扩建后满负荷非正常运行，尾水机排入长江，污染物浓度为该厂设计进水水质浓度，分析在50%保证率设计水文太偶见下对长江水环境的影响；

方案5：污水处理厂提标改造扩建后满负荷正常运行，尾水机排入长江，污染物浓度为该厂设计进水水质浓度，分析在90%保证率设计水文条件下对长江水环境的影响；

方案6：污水处理厂提标改造扩建后满负荷非正常运行，尾水机排入长江，污染物浓度为该厂设计进水水质浓度，分析在90%保证率设计水文条件下对长江水环境的影响。

3.2 预测结果

(1)自排方案

根据相关要求，当圩内水系水质不低于地表水Ⅴ类水质标准时，方可启动麻浦桥排涝站和澛港排涝站排放圩内水。与对照方案相比，方案2对漳河的影响呈减弱状态，对漳河和长江水质具有改善作用，漳河上国控断面水质仍能达标。在澛港闸开启排水时段，排水不会对漳河上备用水源地产生不利影响，亦不会对长江干流各保护目标产生不利影响。但在特殊时段澛港闸关闭期间(防洪需要或长江水质受到污染漳河备用水源地启用期间)圩区内排水会对漳河备用水源地产生不利影响。

(2)机排方案

①汛期机排：尾水正常排放工况下COD和NH3-N影响长度和影响范围较少，同时COD和NH3-N均无超标现象。排污口附近水域水质受尾水影响，变为III类水，影响长度为0.2 km，影响面积为0.01 km2，影响范围较小；对长江干流各保护目标均无影响，保护目标处水质仍可达标；核算断面的COD、NH3-N质量浓度分别为12.66 mg/L、0.34 mg/L，按照II类水标准进行核算，核算断面的安全余量大于环境质量标准的10%，满足要求，同时利民路水厂取水口水质达标。

污水处理厂在事故排放时，COD和NH3-N均出现超标现象，超标范围面积分别为0.36 km2和0.37 km2。各保护目标COD、NH3-N增量增加，国家环境监测点和利民路水厂取水口水质类别由II类变为III类，利民路水厂取水口水质超标，核算断面的COD、NH3-N质量浓度分别为18.63 mg/L、0.97 mg/L，水质超标。

方案3和方案4污染物浓度包络线见图3和图4。

图3 方案3 COD和NH3-N包络线图

图4 方案4 COD和NH3-N包络线图

②非汛期机排：非汛期排水产生的影响大于汛期，排污口附近水域水质受尾水影响，变为III类水，影响长度为0.28 km，影响面积为0.02 km2，影响范围仍较小；对长江干流各保护目标均无影响，保护目标处水质仍可达标；核算断面的COD、NH3-N质量浓度分别为12.66 mg/L、0.34 mg/L，按照II类水标准进行核算，核算断面的安全余量大于环境质量标准的10%，满足要求，同时利民路水厂取水口水质达标。

污水厂在事故排放时，COD和NH3-N均出现超标现象，超标范围面积分别为0.49 km2和0.50 km2，对长江干流各保护目标均无影响，保护目标处水质仍可达标；国家环境监测点和利民路水厂取水口水质类别均发生变化，水质超标；核算断面的COD、NH3-N质量浓度分别为26.48 mg/L、1.76 mg/L，水质超标，不满足要求。

方案5和方案6污染物质量浓度包络线见图5和图6。

图5 方案5 COD和NH3-N质量浓度包络线图

4 结 论

(1)非汛期启用污水处理厂自排口，与现状排水方案相比，污水处理厂扩建并提标改造后尾水排放对圩区水系和漳河水质均有改善作用。此种情况下排水一方面有助于维持圩区河道的生态水位，另一方面有利于改善圩区水质；但由于圩区内河道现状水质较差，必须在泵站前池水质可达Ⅴ类及以上水平，方可开启麻浦桥排涝站和澛港排涝站向漳河排水。若出于防汛或排涝需要必须排水，则建议就地建设地埋式污水处理设备，确保泵站前池出水达到Ⅴ类及以上水平。

(2)当漳河备用水源地启用或者汛期区域内排涝压力较大时，为减轻尾水排放对备用水源地的影响或减轻排水对排涝的压力，启用机排口，同时关闭澛港闸，根据预测可知，无论汛期还是非汛期，尾水正常排入长江水环境影响较小，水环境保护目标不受影响，但是尾水事故排放会对长江产生一定的

不利影响，建议污水处理厂严格监管，杜绝事故排放。

综上可知，圩区河道污水处理厂尾水排放预测时，应充分考虑圩区内水利工程的调度规则、受纳水体的环境保护目标、水体水文情势等因素制定预测方案，根据预测结果提出合理的排水方案，为行政主管部门提供科学依据。