Mike11 水质模型在平原区入河排污口设置评估中的应用

罗志洁，杜世鹏

（1.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 310002；2.杭州市萧山区浦阳江流域管理中心，浙江 杭州 310002）

1 问题的提出

杭嘉湖平原历来是“鱼米之乡、富饶之地”，是中国长三角经济区的重要组成部分。随着越来越多污水处理厂的兴建，其处理尾水的排污口设置对上下游、左右岸的影响研究和对区域纳污能力的影响研究变得十分紧要[1-2]。

目前多采用先进的水动力数值模拟软件，根据排污口项目的污水排放总量、浓度，建立水动力学模型，模拟污染物在河道中的扩散和降解过程，分析其对河道水质的影响范围和影响程度[3-4]。

本文以湖州市南浔区为研究区域，对区域内污水处理厂进行摸排，采用Mike11 构建区域水动力水质模型，模拟计算不同工况下，新建旧馆污水处理厂废水排放对周边水环境的影响，尤其对下游江苏、浙江两省交界断面的水质影响[5-8]。该研究方法对平原河网地区开展排污口影响分析工作有一定的借鉴意义。

2 区域水系概况

南浔区位于太湖流域水利分区中的“杭嘉湖区”，杭嘉湖区面积7 436 km2，其中浙江省范围内为6 481 km2（称为杭嘉湖东部平原），其余属于江苏省和上海市。

南浔区属杭嘉湖平原，北接太湖，东临江苏省，南接杭嘉湖平原腹地，域内河网纵横交错、四通八达，具有江南水乡特色的网络状结构。湖州市区水功能区划见图1。根据《浙江省水功能区水环境功能区划分方案（2015）》，排污口所在河段水功能区名称为頔塘湖州农业、工业用水区。近年来《湖州市水资源公报》中城市内河Ⅲ类水质断面达标率均为100%，但是平原末端水体流动性差，水利自净能力差，加上排污量的提升，整体而言，平原区水体水环境容量小，水质总体不容乐观，见图2～3。

图1 湖州市区水功能区划图

图2 2014、2017年頔塘南浔国控断面COD浓度图

图3 2014、2017年頔塘南浔国控断面NH3-N浓度图

3 区域排污口调查

根据浙江省《关于做好入河排污口设置审核登记工作的指导意见（2017）》，南浔区对辖区内的企业入河排污口进行了摸排及信息入库，辖区内有13 家企业设置入河排污口。本次新建的旧馆镇污水处理厂位于頔塘右岸，上游有中环水务公司排放口（2 812 m），下游有金洁水务公司排放口（3 464 m）（见图4）。南浔区入河排污口信息见表1。

表1 南浔区入河排污口信息表

图4 旧馆镇污水厂附近排污口位置示意图

新建的旧馆污水处理厂工程总规模为2.5×104m3/d，目前污水处理规模为1.5×104m3/d。

4 水动力模型及水质模型

4.1 水动力模型

水动力模型所用的描述一维非恒定水流运动规律的基本方程为圣维南方程组[9-10]，其数学表达式为：

式中：Q为流量，m3/s；A为断面面积，m2；q为旁侧入流，m3/s；h为水深，m；C为谢才阻力系数；R为水力半径，m；g为重力加速度，m/s2；x为水流方向的距离变量，m；t为时间变量，s；α为动量系数，一般取值为1。

4.2 水质模型

描述物质在水体中输运的一维非恒定流对流扩散基本方程为：

式中：C为模拟水质指标浓度，mg/L；D为扩散系数，m2/s；K为综合衰减系数，d-1；C2为源汇项浓度，mg/L。

4.3 模型范围及边界条件

模型计算范围包括南浔区域内主要河道，模型计算区域基本覆盖頔塘及其两岸区域。水动力上边界为湖州船闸2014 年实测逐日流量过程，下边界为菱湖站、乌镇站、平望站、小梅口2014 年实测逐日水位过程；水质上边界采用三里桥站2014 年实测水质数据，下边界采用重兆大桥站、练市站、平望站实测水质数据（见图5）。验证过程结果见图6～8。

图5 水动力水质模型概化示意图

图6 2014年南浔站水位验证过程结果图

经参数率定，确定模拟河段内糙率取值0.025，扩散系数为12 m2/s，综合衰减系数为0.072 d-1。由图7～8 分析可知，模型计算初期，计算值小于实测值，模型稳定后，计算值与实测值吻合较好，说明模型参数设置基本合理，可以用该模型进行预测分析。

图7 2014年旧馆站COD验证过程结果图

图8 2014年旧馆站NH3-N验证过程图

4.4 模型计算

在对区域水质影响进行分析之前，先分析頔塘历年流量、水位、水质过程，其中河道流量采用最不利的情况。

根据浔溪大桥站2001—2017 年长系列流量资料，对历年最小月平均流量进行排频，并采用P-III型频率曲线进行适线，得到均值为24.6 m3/s，Cv=0.23，Cs/Cv= 2.0（Cv为变差系数，Cs为偏差系数），对应频率90%的年最小月平均流量为17.6 m3/s，频率曲线见图9。

图9 浔溪大桥站历年月最小流量频率曲线图

根据南浔站、双林站、乌镇站、菱湖站（1991—2016 年）实测长系列水位资料，对历年最低水位进行P-III 型频率曲线适线，得出频率90%的年最低水位分别为0.58 m、0.62 m、0.55 m、0.65 m，各站不同频率统计成果见表2。

表2 水文要素表

4.5 计算工况

为研究排污口设置对頔塘河段的水质影响，主要计算工况见表3。

表3 计算工况汇总表

4.6 计算成果

根据已建立的南浔旧馆镇污水处理厂局部河网水质数学模型，计算得到不同工况下頔塘各断面污染物浓度，分析排污口建设对河道水质影响程度及范围。不同工况下排污口入頔塘后COD 和NH3-N浓度的沿程变化情况见图10～11，工程建设前后頔塘COD 和NH3-N 浓度的变化情况见表4～5。

图10 頔塘COD浓度沿程变化

图11 頔塘NH3-N浓度沿程变化图

表4 工程建设前后頔塘COD浓度变化情况表

表5 工程建设前后頔塘NH3-N浓度变化情况表

续表5

分析可知，由于枯水期东部平原水位低于太湖水位，尤其在五大溇港工程实施后，五大溇港的水流流向总体由北向南，太湖水补充东部平原，頔塘水流的流向由西向东。中环水务的排污口和旧馆镇污水处理厂的排污口均位于罗溇与幻溇之间，因此幻溇的来水在頔塘交汇时，对上游頔塘来水形成顶托，导致该段流速、流量明显减小。故中环水务公司排污口以下至幻溇与頔塘交汇处的水质明显较差，而经过幻溇、濮溇、邢窑塘与頔塘的交汇处后，流速、流量变大，水质明显变好。

在旧馆镇污水处理厂项目完工且正常排放的情况下（按照一级A 标准排放），頔塘沿线COD浓度增幅较小，排污口上游影响至3 317 m 处，COD 浓度增加0.01 mg/L；增加最大的是排污口下游1 237 m 处，增加2.71 mg/L，增幅14.2%；排污口下游浙江省与江苏省交界处COD 浓度没有变化。頔塘沿线NH3-N 浓度增幅较小，排污口上游影响至2 812 m 处，NH3-N 浓度增加0.03 mg/L；增加最大的是排污口下游1 237 m 处，增加0.31 mg/L，增幅21.2%；排污口下游浙江省与江苏省交界处NH3-N 浓度没有变化。

本次事故为管道破损或污水处理系统未能正常运行导致超标排放。事故工况下，污水处理厂的废水排放浓度相对正常工况较高。旧馆镇污水处理厂项目完成后事故排放与建设前正常排放相比，頔塘沿线COD 浓度增幅较大，排污口上游影响至3 317 m 处，COD 浓度增加0.01 mg/L；增加最大的是排污口下游390 m 处，增加23.28 mg/L，增幅104.0%；排污口下游浙江省与江苏省交界处COD浓度增加0.03 mg/L。頔塘沿线NH3-N 浓度增幅亦较大，排污口上游影响至2 812 m 处，NH3-N 浓度增加0.05 mg/L；增加最大的是排污口下游390 m处，增加1.59 mg/L，增幅84.1%；排污口下游浙江省与江苏省交界处NH3-N 浓度没有变化。

因此，在现有旧馆镇污水处理厂未建时，中环水务排污导致罗溇与幻溇之间頔塘的水质较差。旧馆镇污水处理厂新建后，正常排放工况下，水质没有明显变差，对頔塘沿线水质影响有限；但在事故排放工况下，由于排放水质明显低于排放标准，因此对罗溇与幻溇间的頔塘沿线水质影响较大。

5 结 语

水污染防治是一项复杂的系统性工作，影响因素多，治理难度大。在加强入河排污口的监督管理时必须充分论证排污口设置的可行性、合理性和对论证区域的水生态环境以及第三者的影响，须符合水域管理要求。

平原河网输运污水的速度较慢，工程排放污水会对周边河网产生影响。污水处理厂正常排放时，对排污口下游一段区域的水质有一定影响，遇到河道交汇，河流汇入后水质缓解较快；但若污水处理厂发生事故，则对排污口上下游及其附近河道水质影响较大，影响范围较远。因此，在日常排污企业管理中，应加强管理，提高安全生产意识，定期检查、维护，确保处理系统安全、稳定、可靠运行，避免事故发生。