基于MIKE 21的长江江山制药排污口水环境影响分析——以江山制药公司污水处理站为例

吴昌淦，逄 勇,2，陈志琦，孙 凡

(1.河海大学环境学院，南京 210098；2.河海大学 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，南京 210098)

引 言

长江经济带是我国最为重要的工业走廊之一，也是我国综合实力最强、战略支撑作用最大的区域[1]。长江作为长江经济带的纽带，在我国经济发展中更是有着举足轻重的地位。长江沿岸以钢铁、炼油、化工等产业为主，企业密集，人口众多。根据2017年长江水利委员会最新核查成果，长江流域现有规模以上入河排污口6 092个，入河废污水量约353.2亿m3[2]。并且随着长江流域水资源和水能资源开发利用程度不断提高，生态环境保护的压力进一步增大[3]。而依法开展入河排污口设置论证工作，是保护水资源，落实科学发展观的重要手段[4]。因此在满足环境保护目标要求的前提下，分析排污口废水排放对水环境的影响，优化排污口设置方案，对流域水环境保护具有重要意义[5]。

目前针对入河污染物排放影响的研究一般采用数值模拟软件，其中运用较为广泛的商业模型软件有Mike系列、EFDC、Delft-3D系列等[6]。MIKE 21模型能很好地结合水动力计算和污染物迁移计算，同时能够实现数据前处理、计算结果显示等功能，可信程度较高[7]。本文采用MIKE 21模型中的水动力模块和对流扩散模块，建立了长江马鞍山-高桥段二维非稳态水量水质模型，模拟不同排污方式下江山制药厂尾水中COD、NH3-N和TP等主要污染物在长江中的扩散、分布情况，并分析其对长江水环境的影响情况，为该排污口优化设置提供科学依据。

1 研究区域概况

帝斯曼江山制药(江苏)有限公司，位于泰州靖江市，专业从事VC及其系列产品的研发、生产和销售，其VC年生产能力为2万吨[8]。该公司污水处理站废水排放量为8 200 m3/d，污水由厂区工业生产废水以及少量生活污水组成。

江山制药厂现入河排污口位于环城南路北侧距长江7 km的九圩港(封闭段)左岸，排污口坐标：120°15′54″ E，32°0′4″ N，尾水通过压力管道输送至九圩港排放；拟设入河排污口位于新洲路与人民南路交叉路口北侧，距长江九圩港闸上游4.2 km的九圩港(敞开段)右岸，坐标：120°15′44.72″ E，31°59′6.06″ N，尾水通过压力管道和中间提升泵站输送至九圩港排放。尾水排入九圩港后，最终均汇入长江靖江下六圩小桥闸工业、农业用水区。

根据收集资料及现场勘查情况，确定论证水域内水环境保护目标共3个，为排污口下游的九圩港入江断面、十圩港港口-长江断面以及靖江市自来水公司饮用水取水口。研究区域概况及水环境保护目标位置见图1，保护目标基本情况见表1。

图1 研究区域概况图Fig.1 Overview of the study area

表1 论证范围内水环境保护目标基本情况统计Tab.1 Water quality protection targets within the argumentation scope

2 研究方法

2.1 水动力模型基本方程

笛卡尔坐标系下的二维水动力控制方程是基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier- Stokes方程，并服从于Boussinesq假定和静水压力的假设。平均方程沿水深方向积分的连续方程和动量方程，可用如下方程表示[9]：

连续方程：

动量方程：

(2)

(3)

公式1～3中：t为时间；x，y为横纵坐标；h=η+d为总水深=水位+静水深；u、v分别为x、y方向上的速度分量；f是哥氏力系数；ρ为水的密度；s为源项；Sxx、Sxy、Syy、为辐射应力分量。

2.2 水质模型基本方程

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

+KiCi

(4)

公式4中：Ci为污染物浓度；u、v分别为x、y方向上的流速分量；Ex、Ey分别为x、y向上的扩散系数；Ki为污染物降解系数。

3 模型构建及模拟分析

3.1 水环境数学模型构建

3.1.1 模型计算范围及计算条件

3.1.1.1 模型计算范围。本文构建了长江马鞍山-高桥段二维非稳态水量水质模型。该模型的高程数据提取自南京至堡镇的长江地形图、马鞍山至南京航道地形图中的实际地形数据。在模型计算时，将模型划分为三角形网格，平均网格边长约300 m，共划分网格总数42 991个。模型计算时间步长为t=300 s，计算总时长为30 d。模型计算范围及地形见图2。

图2 模型计算范围及地形图Fig.2 Calculation scope and topographic map of the model

3.1.1.2 边界水文条件。结合现有的长江口潮汐特征，取90%水文保证率作为长江模型计算的边界水文条件。模型中上边界的水文资料来源于水文年鉴中大通站2015年12月逐日的平均流量，下边界的水文资料来源于水文年鉴中江阴站2015年12月的水位资料；初始水位设定为2.5m，该数据取自水文年鉴资料平均水位；初始时刻的流速设定为0。

3.1.1.3 水质边界条件。模型边界初始浓度根据《江苏省地表水(环境)功能区划》(苏政复〔2003〕29号)中长江水质目标设为Ⅱ类，即COD、氨氮和总磷分别取15mg/L、0.5 mg/L和0.1 mg/L。

3.1.2 模型率定验证

3.1.2.1 水动力参数率定

在设计水文条件下，选取南京站、镇江(二)站、江阴站和徐六泾(二)站2015年10月15日～22日水文站的感潮水位数据，进行水动力参数率定。各站点水位计算结果与实测值对比见图3。

图3 各站点水位计算值与实测值对比图Fig.3 Comparison diagram of calculated and measured water level values at each station

根据率定得出长江河道主槽糙率为0.01～0.02；风拖曳系数的范围为0.001～0.0015。根据对比，模型计算结果水位最小偏差7.8%，平均偏差11.3%，因此本次所建模型能够较好的适用于计算区域的水动力模拟。

3.1.2.2 水质参数率定

模型采用2015年10月17日～19日在张家港、洪港、浪港和浏河水源地的COD、氨氮、总磷同步监测数据进行参数率定。此4个水源地皆在长江上，处于镇江(二)站与徐六泾站之间，涵盖研究区域河段，因此能较好地模拟该段长江的水质。率定得到模型横向扩散系数是0.6 m2/s，纵向扩散系数是120～60 m2/s，COD降解系数为0.2 d-1，氨氮降解系数为0.15 d-1，总磷降解系数为0.06 d-1。根据率定结果可知，COD平均偏差3.86%，氨氮平均偏差20.06%，总磷平均偏差18.15%。各断面水质计算结果与实测值对比见图4。

图4 断面水质计算值与实测值对比图Fig.4 Comparison of calculated and measured water quality values of each section

3.2 模型计算方案

在设计水文条件和水质边界条件下，以现排污口正常排放、拟设排污口正常排放和拟设排污口事故排放时九圩港入江口水质为污染源，通过已建立的长江水环境数学模型，分析江山制药厂分别通过现排污口、拟设排污口排污时对长江水质造成的影响。

3.2.1 预测因子

根据水污染物排放识别的变化情况及纳污水体水质控制因子，确定水环境影响预测因子为：COD、氨氮、总磷和全盐量。

3.2.2 预测时段

江山制药厂运营期，分别对现排污口正常排放、拟设排污口正常排放和拟设排污口事故排放进行水环境影响预测。

3.2.3 模拟条件

江山制药厂现排污口、拟设排污口污水排放方式均为连续均匀排放，废水均由入河排污口排入九圩港(九圩港流量约0.31m3/s)，最终汇入长江。

设计水文条件：结合现有的长江口潮汐特征，取90%水文保证率作为长江模型计算的边界水文条件。

水质边界条件：COD、氨氮和总磷均取0 mg/L；全盐量在《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)中非盐碱地要求为1 000 mg/L，由于九圩港和长江水中有机物质含量比较少，可用溶解性总固体的含量来近似地表示水中的含盐量，而《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中溶解性总固体限值为1 000 mg/L，故全盐量边界条件取1 000 mg/L。

3.2.4 预测方案

工况1：现排污口正常排放，排放规模为8 200 m3/d，出水水质执行《发酵类制药工业水污染排放标准》(GB21903-2008)中表2新建企业水污染物排放标准。

工况2：拟设排污口正常排放，排放规模为8 200 m3/d，出水水质执行《发酵类制药工业水污染排放标准》(GB21903-2008)中表3水污染物排放标准。

工况3：拟设排污口事故排放，排放规模为8 200 m3/d，出水水质综合考虑江山制药厂废水量、进水浓度、废水处理效率和事故池调节能力。

该工况下九圩港入江口的水质浓度可在不考虑九圩港其他入河量的情况下，根据现排污口正常排放时排水量及出水水质，通过一维稳态水质模型计算得。各工况预测条件及污染物排放浓度见表2。

表2 预测方案及污染物源强信息表Tab.2 Prediction scheme and pollutant source intensity information (mg/L)

3.3 模拟结果分析

采用MIKE 21模型对3种工况进行模拟，长江现状本底值参考2015年长江靖江段逐月监测值的年均值：COD浓度<10mg /L、氨氮浓度为0.28 mg /L、总磷浓度为0.077 mg /L。各工况下九圩港入江口污染物COD、氨氮、总磷扩散影响情况见表3～4，预测影响范围见图5～8。

表3 各工况下九圩港入江口污染物预测影响距离表Tab.3 Impact distance of pollutants predicted at Jiuwei Port inlet under various working conditions (m)

表4 各工况下九圩港入江口污染物预测浓度最大增量表Tab.4 The scale of maximum increase of predicted pollutant concentration at Jiuwei Port inlet under various working conditions (mg/L)

图5 工况1 COD、氨氮、总磷浓度增量影响范围Fig.5 Influence range of COD,ammonia nitrogen and total phosphorus concentration increment in working condition 1

图6 工况2 COD、氨氮、总磷浓度增量影响范围Fig.6 Influence range of COD,ammonia nitrogen and total phosphorus concentration increment in working condition 2

图7 工况3 COD、氨氮、总磷浓度增量影响计算结果Fig.7 Influence range of COD,ammonia nitrogen and total phosphorus concentration increment in working condition 3

图8 全盐量浓度影响范围Fig.8 Influence range of total salt concentration

工况1条件下，江山制药厂尾水经现排污口排入九圩港封闭段，出水执行旧排放标准，排污口正常运行，尾水最终汇入长江。COD、氨氮、总磷横向扩散影响距离为844～1 294 m，纵向扩散影响距离为476～730 m，各污染物浓度增量叠加长江本底值后均未超过地表水Ⅱ类标准限值。

工况2条件下，江山制药厂尾水经拟设排污口排入九圩港敞开段，出水执行新排放标准，排污口正常运行，尾水最终汇入长江。COD、氨氮、总磷横向扩散影响距离为759～1 259 m，纵向扩散影响距离为418～700 m，各污染物浓度增量叠加长江本底值后均未超过地表水Ⅱ类标准限值。

工况3条件下，江山制药厂尾水经拟设排污口排放，考虑污水处理站出现异常，污水处理效率极低，尾水最终汇入长江。COD、氨氮、总磷横向扩散影响距离为819～1 376 m，纵向扩散影响距离为452～738 m，各污染物浓度增量叠加长江本底值后均未超过地表水Ⅱ类标准限值。

由于全盐量在水体中只会稀释，不会降解，故在现排污口排放和拟设排污口排放时，九圩港入江口全盐量浓度均为4 414.63 mg/L。根据模型预测结果其横向扩散影响距离为1 475 m，纵向扩散影响距离为738 m，最大浓度增量为12 mg/L。

对比模拟结果可知，江山制药厂拟设排污口正常排放时，水污染物排放浓度最低，对九圩港入江断面的水质影响最小；江山拟设排污口正常排放时对长江的影响范围也最小；各工况下所有污染物中全盐量的污染带长度最大，为1 475 m；九圩港入江口距上游长江(靖江市)重要湿地1.8 km，距下游长江(靖江市)重要湿地及十圩港港口-长江保护断面为2.6 km，距下游靖江市自来水公司取水口为7.5 km，因此论证水域范围内环境保护目标均在污染物浓度最大超标范围之外，江山制药厂尾水排放均不会对其造成不利影响。

4 结 论

本文通过江山制药厂污水处理站入河排污口设置对长江水环境影响的研究，主要得出如下结论。

4.1 江山拟设排污口污染物排放浓度较现排污口低，尾水经九圩港的缓冲、削减作用后进入长江，对九圩港入江断面水质的影响较现排污口排污更小，并且对该断面水质有改善作用，经计算COD、NH3-N和TP的改善率分别为29.0%、70.5%和29.7%。

4.2 根据模型模拟结果，江山拟设排污口正常排放时各类污染物的污染带长度较于现排污口正常排放时各类污染物的污染带长度短，即拟设排污口设置对长江水质有改善作用。另外论证水域范围内长江敏感目标均在污染物浓度最大超标范围之外，尾水正常排放和事故排放时均不会对其造成不利影响。本文所建立的长江MIKE 21模型能较真实地反映污染扩散情况，结果可为长江流域排污口优化设置起到一定借鉴作用，也能为长江泰州段水环境管理提供依据。