水阳江江水倒灌对固城湖水质的影响

姚凌伟 戴青松

(1.靖江市住房和城乡建设局，江苏 靖江 214500；2.江苏龙腾工程设计股份有限公司，江苏 南京 210000)

1 概况

固城湖位于南京市南部，为长江下游的青弋江、水阳江流域的调蓄性湖泊之一，水阳江流域面积10385km2，其中南京市境内流域面积1293km2，位于流域下游水网地区，境内水阳江干流河道长229km，固城湖水面面积31.99km2。

固城湖是水阳江流域4个调蓄湖泊之一，目前流域入湖河道水碧桥河上水碧桥闸已建成，可控制上游水阳江干流的皖南来水入湖。根据青弋江、水阳江及漳河流域防洪规划安排，水碧桥河有闸控制后，固城湖主要承担区域防洪任务。水碧桥闸在设计洪水以下(20a一遇)不再向固城湖分洪，当出现超标准洪水时，仍需开闸承担分蓄干流洪水任务。

模型能够准确反映整体水动力特征，耦合了水质模型，能够准确地反映水质指标在模拟区域内的时空变化过程。固城湖是高淳重要的水体，而官溪河是其重要的外河，官溪河上排口的排污对其有重要的影响。本文主要研究了官溪河上污水处理厂的排口在正常工况和事故工况时，对固城湖产生的影响。

2 研究方法

2.1 水动力及水质控制方程

2.1.1 水动力方程

笛卡尔坐标系下二维水动力控制方程是不可压流体三维雷诺Navier-Stokes平均方程沿水深方向积分的连续方程，可用如下方程表示。

连续方程：

动量方程：

2.1.2 水质方程

水质方程是以质量平衡方程为基础，采用垂向平均的二维水质模型。二维水质输移方程：

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方向上的扩散系数；Ki为污染物降解系数；Si为污染物底泥释放项。

2.2 模型概化

2.2.1 模型区域

模型计算区域：南起S31°14′，北至N31°19′，西起W118°52′，东至E118°57′的区域，整个区域南北9.4km，东西8.3km。

2.2.2 网格划分及湖底地形

根据固城湖周边地形及《高淳新区污水处理厂一期二步工程入河排污口设置论证报告》地形，参考湖底高程，模拟整个固城湖湖底地形。整个计算域由1739个节点和3005个三角单元组成。

2.3 初始条件和边界条件

浅水型湖泊水动力和水质的变化受边界条件影响强烈，初始条件对计算的影响有限。因此，设置固城湖初始水深为5m，初始水位为10.5m。非稳态模型受边界条件影响强烈，边界条件的准确程度将直接影响模拟结果的准确性，以收集到的固城湖周边主要河道(官溪河、石固河、漆桥河、胥河、水碧桥河)数据作为出入湖的边界条件。

2.4 模型参数选取及率定验证

根据 2020—2021年监测的水文、水质资料，对固城湖水量水质模型参数进行率定验证。固城湖水质(COD、NH3-N和TP)计算值和实测值，分析结果表明，大湖区和小湖区断面 COD、氨氮、TP 的模型率定结果较好，可以用于预测排污口设置对固城湖的影响。率定得到 COD 的降解系数为 0.09～0.14d-1，NH3-N 降解系数为0.07～0.13d-1，TP 降解系数为0.05～0.10d-1。

3 水阳江水文现状分析

3.1 水阳江水文分析

水阳江年径流量90%由当涂入长江，10%经芜湖入长江，水阳江流域面积10385km2，枯水期水源主要来自集水区间内降雨径流，选取流域内15个雨量站收集到的2006—2015年逐月降雨量资料，采用P-III型曲线进行频率计算，得到水文保证率为90%的枯水期降雨量为21.77mm。根据《芜申运河青弋江入江口至荆山河口段航道整治工程初步设计》，计算得到水文保证率为90%通过运粮河流量约为55m3·s-1。同时，根据收集到的当涂县入江口处当涂水文站2006—2015年逐月流量资料，计算得到水文保证率为90%通过当涂流量约为62.62m3·s-1。综合分析对比得到，水文保证率为90%情况下，水阳江通过运粮河时的流量可确定为55m3·s-1。

3.2 水阳江倒灌分析

水阳江洪水主要经姑溪河由当涂下姑溪河流入长江，由于内河入江口未建闸，长江高水位的顶托影响使内河洪水排泄不畅。流域水系有当涂、芜湖二河口与长江相通。长江洪水较高时，经常发生顶托或倒灌进入运粮河(塘沟河)现象。通过查询2006—2015年水文年鉴，位于官溪河上的高淳水文站流量资料，列出近10a江水倒灌的流量值，其均值为33.5m3·s-1。故确定江水倒灌通过官溪河的流量为33.5 m3·s-1。

4 预测结果分析

分别分析了江水倒灌对固城湖COD、NH3-N和TP的影响，固城湖高淳饮用水源区是省级水功能区，其国控监测区域为大湖区和小湖区，其功能区水质目标为III类水，水质标准为COD 20mg·L-1、NH3-N 1mg·L-1、TP 0.05mg·L-1。

按照水质标准，固城湖高淳饮用水源区在排污口设置后，在江水倒灌期间，其COD、NH3-N和TP水质均能达标。

污水处理厂在设计条件下正常排水至官溪河，而此时开闸后官溪河的水向固城湖排洪，计算对官溪河及固城湖水质的影响。流量为33.5m3·s-1，江水水质的均值分别为COD浓度为17.8mg·L-1，NH3-N浓度为0.06mg·L-1，TP浓度为0.078mg·L-1。水文条件为自北向南。

图1 排污口设置前后对固城湖COD浓度影响

图2 排污口设置前后对固城湖氨氮浓度影响

图3 排污口设置前后对固城湖TP浓度影响

5 小结

通过计算，得到以下结论。当污水处理厂回用30%时，正常排放期间，在运粮河水进入固城湖行洪期间，大湖区COD为10.9898mg·L-1、氨氨0.1005mg·L-1、总磷0.0381mg·L-1，在未设置排污口情况下COD 10.9889 mg·L-1、氨氮0.1mg·L-1、总磷0.038mg·L-1，对于固城湖III类水来讲，影响甚微；工程投入生产运行后，管理部门应建立突发事故排放的预警系统；建设单位应按照行政主管部门的要求，编制切实可行的应急解决方案报行政主管部门批准。建设单位应当编制并定期修订突发性水污染事故应急预案，加强演练，提高应急反应能力。