基于EFDC模型的排污口水质影响分析

商鹤琴，李一平，朱晓琳，郑 可，于 珊，孙 玮

(1.河海大学环境学院，南京 210098；2.河海大学设计研究院有限公司，南京 210098)

引 言

习近平总书记指出“要把修复长江生态环境摆在压倒性位置，共抓大保护，不搞大开发”，明确指出了保护长江的重要性与必要性。长江河段水文条件复杂，生态敏感因素较多，据统计，长江经济带现有入河排污口23 830个，年污水排放总量195.21亿t[1]，因此在长江河段新建或者改建排污口，需认真分析论证其对长江水质的影响。根据水利部《入河排污口监督管理办法》(2015年修正本)、《关于做好入河排污口和水功能区划相关工作的通知》(环办水体〔2019〕36号)等有关文件的规定，设置入河排污口的单位应向有关部门提出入河排污口设置申请，并提交入河排污口设置论证报告，故入河排污口设置论证工作是十分必要的[2-3]。

在我国最严格水资源管理制度的实施背景下，入河排污口设置论证工作过程中，需借助水质数学模型对污水排放总量、污染物排放浓度模拟污染物在水体中的扩散过程以及对水质的影响范围和程度[4-5]。目前采用较多的水动力数值模拟软件主要有荷兰的Delft3D模型、英国的InfoWorks模型、丹麦的MIKE模型和美国的环境流体动力学模型EFDC(Environmental Fluid Dynamic Code)等[6-7]。本文采用EFDC(Environmental Fluid Dynamic Code)模型中的水动力和水质模块，模拟了排放污水中主要污染物在长江河段中的迁移和分布情况，分析其对水体及周边水功能区的的影响范围和程度，为排污口设置提供了合理的评价依据。该研究方法对长江河段开展排污口设置影响分析论证具有一定的借鉴意义。

1 研究区域概况

江苏港城污水处理厂一、二期工程位于泰州市高港区，主要收集高新技术产业园、主城区、临港经济园、永安洲镇、大泗镇污废水，出水能稳定达到《城镇污水处理处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准。未来高港主城区污水将全部由港城污水处理处理，污水收集范围变大，因此实施了港城污水处理厂三期扩建工程，扩建规模为4万t/d，扩建完成后江苏港城污水处理厂整体废污水处理规模为8万t/d，排污口改扩建至盘头中沟，现状盘头排涝河与盘头中沟相交处，盘头排涝河以东约420 m，119°55′12.44″E，32°12′53.81″N(图1)。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location of the study area

2 EFDC模型计算原理

2.1 水动力模型

动量方程、连续方程及状态方程为：

∂t(mxmyHu)+∂x(myHuu)+∂y(mxHvu)

(1)

∂t(mxmyHv)+∂x(myHuv)+∂y(mxHvv)

(2)

mxmyfe=mxmyf-u∂ymx+v∂xmy

(3)

(τxz,τyz)=AvH-1∂z(y,v)

(4)

∂t(mxmyH)+∂x(myHu)+∂y(mxHv)

+∂z(mxmyw)=QH+δ(0)(QSS+QSW)

(5)

其中：u、v、w分别是边界拟合正交曲线坐标x、y、z方向上的速度分量；mx和my分别是度量张量对角元素的平方根；m=mxmy是度量张量行列式的平方根；Av表示垂向紊动黏滞系数；f是科里奥利系数；p是压力；ρ是密度；S是盐度；T是温度；Qu和Qv代表动量源汇项。本研究中盐度S等于0，并假设水为不可压缩流体，密度ρ和水温T为常量。垂向紊动黏滞系数Av是通过Mellor and Yamada(1982)提出的二阶矩紊动闭合模型求得的：

Av=φAAoql

(6)

动量方程的垂向边界层考虑了水表面的风拖曳力和水底的摩擦力。即河床剪切应力τxz和τyz取决于速度分量，可以根据二次阻力公式求得，具体方程为：

(7)

其中：Uw、Vw是x、y方向在水表面10m高处的风速。风拖曳系数求法如下：

(8)

式中，ρa和ρw分别是空气和水的密度。

水底摩擦力的计算方法为：

(9)

其中：下标1指底部的对应流速。底摩擦系数求取方程为：

(10)

式中：κ为卡门常数，△1为底层的无量纲厚度，zo=zo*/H无量纲的糙率高度，一般取值在0.002～0.01之间。

方程组在离散求解过程中，空间上采用二阶精度的中心差分格式，时间上采用三次时间步蛙跳式差分格式。使用质量守恒格式的干湿网格处理方法，更好的模拟水流的漫滩过程，保证浅水区域计算结果的准确性。

2.2 水质模型

(11)

运动方程：

(12)

(13)

扩散方程：

(14)

式中：h：水位；H：水深；u、v：分别x、y(即东、北)方向的流速分量；f：柯氏力系数；C：谢才系数，C=H1/6/n，n为曼宁系数；t：时间；g：重力加速度；P：污染物浓度；Kx、Ky：分别是x、y方向的扩散系数；M：对于悬浮物为源项和沉降项(M=M0-Mf)，M0为排放源强。

定解条件，初始条件为：

u(x，y)│t=0=u0(x，y)

v(x，y)│t=0=v0(x，y)

h(x，y)│t=0=h0(x，y)

(15)

其中：u、v、h分别为初始流速和水位，在本次模拟中，初始流速取为0。

3 模拟建立

3.1 模型参数率定

固定边界模型的计算域边界随时间不发生变化，而动边界模型的计算域边界随水位涨落而变动[9]。此处选择0.1～0.15 m作为干湿网格的临界水深。即当某网格水深>0.15 m时，当作湿网格处理，进行正常的模拟计算；当水深<0.1 m时，此网格变为干网格，不参与计算。

3.2 模型参数选取

3.2.1 曼宁糙率系数

曼宁糙率系数根据水深在计算中调整修正，约在0.020～0.035之间。

3.2.2 柯氏力系数

f=7.37*10-5

3.2.3 污染物综合降解系数

根据《江苏省水环境容量研究》课题在苏北里下河水系的新通扬运河、南宫河等6条河道开展的水质模型参数研究成果[10]，故本项目COD、氨氮、总磷降解系数取0.15d-1。

3.2.4 扩散系数

纵向取为6.0 HU*，横向取为0.6 HU*，其中U*为摩阻流速。

3.3 模型边界条件

3.3.1 边界水文计算

3.3.1.1 古马干河泰兴工业、农业用水区

根据马甸闸设计排涝流量，同时对马甸闸近年汛期排水量进行统计，确定该河段的设计水文条件为：马甸闸汛期平均排涝流量31.35 m3/s。

3.3.1.2 长江泰兴工业、农业用水区

本次计算采用大通水文站资料，考虑最不利影响，选取各年最枯月平均流量作为统计样本，采用频率分析法，为考虑不利影响，采用与枯水90%保证率下的最小月平均流量相应的典型流量、潮位作为水质影响预测的水文设计条件。

3.3.2 预测范围

古马干河入江口～马甸闸；长江京杭大运河入江口上游14 km～下游23 km的长江河段，全长约37 km。

3.3.3 典型污染物指标

正常工况：COD、氨氮、总磷；事故工况：COD、氨氮、总磷、石油类、挥发酚。

3.3.4 计算工况

3.3.4.1 正常工况

a.尾水→盘头中沟→盘头排涝河→同兴港→长江泰兴工业、农业用水区

b. 尾水→盘头中沟→胜利中沟→古马干河泰兴工业、农业用水区→长江泰兴工业、农业用水区

3.3.4.2 事故工况

c. 尾水→盘头中沟→盘头排涝河→同兴港→长江泰兴工业、农业用水区

d. 尾水→盘头中沟→胜利中沟→古马干河泰兴工业、农业用水区→长江泰兴工业、农业用水区

各工况条件下江苏港城污水处理厂入河污染物排放浓度见表1。

表1 各工况入河污染物排放量及排放浓度见表Tab.1 Pollutant discharge and discharge concentration into the river under different working conditions are shown in the table

3.4 数字高程模型建立

本次验证计算范围网格布置见图2，计算河段采用1∶1万的水下地形等值线图，读取各个计算节点的河底高程，计算河段水下地形见图3，两种不同的污水排放路径入长江口不同，故污染物进入长江EFDC模型的位置不同，如图4、图5所示。

图2 计算网格布置图Fig.2 Computational grid layout

图3 计算河段水下地形Fig.3 Calculating the underwater terrain of the river section

图4 盘头中沟→盘头排涝河→同兴港入江口Fig.4 Pantou Zhonggou→Pantou Drainage River→Tongxing Port’s estuary

4 模拟结果分析

采用EFDC模型对4种工况下的入河污染物扩散情况进行模拟，并对模型计算结果进行分析。各工况下典型污染物扩散模拟影响范围见表2和表3，扩散影响范围和浓度模型见图6～图9。

图5 盘头中沟→胜利中沟→古马干 河泰兴工业、农业用水区入江口Fig.5 Pantou Zhonggou→Shenglizhonggou→Gumagan River Taixing Industrial and Agricultural Water Zone Estuary

表2 各工况模拟入河污染物扩散影响距离表Tab.2 Influence distance of pollutant diffusion into the river under different working conditions

表3 事故工况下石油类和挥发酚影响范围及浓度增量Tab.3 Influence range and concentration increment of petroleum and volatile phenols under accident condition

正常工况a条件下，尾水COD、氨氮、总磷浓度满足地表水环境质量标准Ⅴ类水标准，影响距离在1 500～1 800m之间，故对内河水功能区影响较小。排污口污染物叠加长江本底浓度，不会影响同兴港入江口上游三水厂取水口的水质，整体排污口对长江泰兴工业、农业用水区影响较小(图6)。

图6 正常工况a污染物排放影响范围Fig.6 Scope of influence of pollutant emission under normal working condition a

正常工况b条件下，尾水COD、氨氮、总磷浓度满足地表水环境质量标准Ⅴ类水标准，影响距离在3 000～3 300m之间，古马干河泰兴工业、农业用水区本底浓度低，且水流条件好，污染物影响距离在可控范围内，故不影响长江泰兴工业、农业用水区和长江泰州永安饮用水水源区达标(图7)。

图7 正常工况b污染物排放影响范围Fig.7 Scope of influence of pollutant emission under normal working conditions b

事故工况c条件下，尾水COD浓度为69.25mg/L，氨氮为3.38 mg/L，总磷为0.96 mg/L，影响范围在1 500～1 600m之间，尾水石油类浓度为0.13 mg/L，挥发酚0.0056 mg/L，影响范围在1 400～1 600m之间，其中COD、氨氮、总磷超出地表水环境质量标准Ⅴ类水标准，事故排放情况下污染物浓度较高，会对盘头中沟、盘头排涝河以及同兴港的水质造成影响。污染物进入长江泰兴工业、农业用水区后，由于长江水利条件较好，污染物得到较好的稀释，但排污口附近的浓度增量较正常排放时大，增加了同兴港附近长江泰兴工业、农业用水区超标的风险，三水厂取水口距离污染物浓度增量带距离较远，不会受到影响(图8)。

图8 事故工况c污染物排放影响范围Fig.8 Accident condition c Impact range of pollutant emission

事故工况d条件下，尾水COD浓度为24.5mg/L，氨氮为0.81 mg/L，总磷为0.24 mg/L，影响范围在3 000～3 300m之间，尾水中石油类浓度为0.022 mg/L，挥发酚0.0015mg/L，影响范围在2 200～3 200m之间，污染物浓度在可控范围内，不会对盘头中沟、胜利中沟、古马干河泰兴工业、农业用水区水质造成影响。污染物进入长江泰兴工业、农业用水区后，由于长江水利条件较好，污染物得到较好的稀释，即使排污口附近的浓度增量较正常排放时大，增加了古马干河附近长江泰兴工业、农业用水区超标的风险，但由于三水厂取水口距离污染物浓度增量带距离较远，该地取水用户以及长江泰州永安饮用水水源区水质并不会受到影响(图9)。

图9 事故工况d污染物排放影响范围Fig.9 Accident condition d Impact range of pollutant emission

5 小 结

根据水质模型计算结果，污染物由同兴港进入长江泰兴工业、农业用水区，有增量的污染带长度大概为同兴港入江口下游1 500 m左右，污染物由古马干河入长江，长江泰兴工业、农业用水区浓度有增量的污染带长度大概为同兴港入江口下游3 100 m左右。

正常工况以及事故工况下污染物对相关水功能区的影响范围如图10、图11所示，绿色部分表示尾水流经的路径上污染物浓度增加，但是不影响水功能区达标，分析知在事故工况下，排污口造成盘头中沟、盘头排涝河、胜利中沟、同兴港水质下降，并且可能影响到古马干河泰兴工业、农业用水区，长江泰兴工业、农业用水区达标，故需要杜绝事故情况的发生，如果古马干河水质情况不好，同时胜利排涝站将尾水排放到古马干河中，也有可能增加古马干河泰兴工业、农业用水区超标风险，故需尽量避免尾水进入古马干河泰兴工业、农业用水区。

图10 尾水正常排放对水功能区影响范围Fig.10 The scope of influence of the normal discharge of tail water on the water function zone

图11 尾水事故排放对水功能区影响范围Fig.11 The scope of impact of the accidental discharge of tail water on the water function zone

6 结 语

本文采用EFDC模型，模拟江苏港城污水处理厂排污口排放尾水中COD、氨氮、总磷、石油类、挥发酚等典型污染物在长江中的扩散情况，分析污染物排放对附近江段水质影响范围和程度。计算过程主要通过水下地形、流量资料等对模型进行验证和参数率定，保证计算结果的准确性和可靠性。结果表明EFDC模型对入河污染物在长江河段扩散模拟具有良好的适应性，能较真实地反映河段排污扩散情况，可作为入河排污口水质影响分析的评价依据。