基于EFDC 的排污口设置对淮河入海水道水环境影响研究

江雨蒙， 逄 勇， 马秋霞， 罗 缙

（1.河海大学环境学院， 江苏 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， 江苏 南京 210098）

0 引言

淮河入海水道是中国东部地区水运交通的重要通道，其开发利用既可满足淮河沿线地区的水需求，增大流域内排涝能力， 同时对沿岸城市的社会发展和区域间经济的紧密联系具有重要意义[1]。随着淮河入海水道两岸工农业的快速发展， 其在供应地方用水和排水需求的同时，也不可避免带来环境破坏，导致周围生态水环境压力剧增。 而控制污染物的排放总量是改善水环境质量， 提高水功能区达标率的关键手段[2]。在满足水（环境）功能区限排总量要求的前提下， 论证入河排污口设置是分析排污口对水环境保护目标影响的重要环节。 该论证可为流域内环境管理与规划及水环境综合治理提供科学依据， 为同类企业建设入河排污口设置论证工作提供建设性指导[3]。因此，依法开展排污口设置论证具有重要意义。

随着区域水环境的水文水力模型发展， 水环境质量模型于21 世纪初开始逐渐成熟[4]。 可采用数值模拟方法分析入河污染物排放影响， 目前较流行的水环境模型主要包括Mike 系列模型、Delft-3D 模型和EFDC 等[5-7]。 EFDC 由美国弗吉尼亚海洋研究所发明，是美国国家环境保护局（EPA）推荐使用的水质水动力模型之一[8-9]。 该模型模块主要包括水动力模块、 水质模块、 泥沙运输模块和污染物运输模块等，可用于模拟河流、湖泊和水库中的一维、二维和三维物理化学过程[10]，已广泛应用于水库和河流的水动力、水质模拟研究。 董建武等[11]通过建立二维EFDC 耦合SWMM 模型，模拟城市内涝时水流溢出地面后的积水分布、积水水深及增长消退过程，为其他城市模拟暴雨内涝提供了建设性意见；李亚峰等[12]通过建立汤河水库EFDC 模型， 对不同污染物在典型年的扩散影响情况进行研究， 为水库对城市供水管理提供理论指导；谢培等[13]以三峡水库为研究对象， 采用EFDC 模型模拟对水龄的影响因素进行研究分析；鄢碧鹏等[14]利用三维EFDC 模型计算不同补水方案对蠡湖水体SD 的改善效果， 为工程补水规模和运行方式提供依据；贾洪涛[15]通过建立乌江渡水库EFDC 水温模型， 对下泄低温水对乌江渡坝前断面和库表水温的分布情况进行模拟研究。

基于EFDC 模型中的水动力和水质模块， 建立淮河入海水道二维非稳态水环境数学模型， 模拟明通污水处理厂尾水中污染物在淮河入海水道的迁移扩散、分布情况，对不同工况下污染物浓度增量进行计算，并分析其对入海水道水生态环境的影响，为周边水环境管理提供有效依据。

1 研究概况

淮河入海水道淮安段位于淮河下游， 与苏北灌溉总渠平行。 目前，入海水道分南偏泓与北偏泓，因其二期工程是在现状工程基础上进行扩挖河道、加固堤防，故入海水道河道将加宽，南、北泓将合并。为满足园区内规划需求， 明通污水处理厂拟将扩建污水处理厂排放规模设置为2.1 万t/d。 目前其入河排污口位于淮河入海水道南泓北岸， 由于淮河入海水道二期工程的施工及运行需要，排污口改建后，尾水经调度河最终汇入淮河入海水道，水质目标执行GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水标准。

2 研究方法

2.1 构建模型

2.1.1 EFDC 模型

（1）动量方程：

（2）连续方程：

（3）状态方程：

（4）水质方程：

（5）温度和盐度输移方程：

式中：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，my分别为水平坐标变换因子，m 为度量张量行列式的平方根，m=mxmy；Av 为垂向紊动黏滞系数；Kv 为垂向紊动扩散系数；f 为科里奥利系数；ρ 为混合质量密度，kg/m3；ρ0是参考质量密度，kg/m3；H 为总水深，m；h 为未扰动的z 坐标原点以下水深，m；p 为压力，Pa；C 为因子质量浓度，mg/L；Sa 为盐度，‰；T 为温度，℃；ξ 为自由的势能，J；Qu 和Qv 分别为动量在x 和y 方向的源汇项；QT是温度的源汇项[16]。

2.1.2 一维稳态模型

由于调度河河段宽深比小， 污染物浓度在横向上变化不大， 污染物可在较短河道内的断面上均匀混合， 故采用一维稳态水环境数学模型模拟污染物沿调度河、十四中沟纵向的输移过程。

河流一维稳态水环境数学模型计算公式[17-18]：

式中：ρ 为控制断面水体污染物质量浓度，mg/L；W为污染源排污口的排污量，g/s；Q0=Bhu，Q0为河流流量，m3/s；B 为河宽，m；h 为河道平均深度，m；u 为水体的流速，m/s；C0为边界水质质量浓度，mg/L；k为河流中水质降解系数，d-1；x 为污染源与控制断面之间的纵向距离，m。

2.2 模型范围

研究采用笛卡尔直角坐标系建立淮河入海水道淮安河段模型， 以总渠北闸、 淮阜控制调度闸为边界，总长约42 km，概化出河道的网格系统见图1。

图1 淮河入海水道二期工程施工前、后的模型计算网格

淮河入海水道二期施工前， 每个网格边长为117 m，宽为20 m，共划分1 800 个网格；淮河入海水道二期工程施工后，入海水道河道加宽至300 m，每个网格边长为140 m，宽为30 m，共划分3 000 个网格。 计算时间设为20 d，时间步长设为60 s，研究中Z0粗糙度取值为0.02[19-20]。

2.3 模拟方案

为分析COD，NH3-N，TP 在入海水道施工前、后对淮河入海水道水环境的影响， 根据水文资料及现场勘察情况，同时考虑丰水期、枯水期水位的变化情况及明通污水处理厂排水事故的发生情况， 制订淮河入海水道的水质模拟方案见表1。 当污水处理厂排污口正常排放，尾水出水水质均执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 污染物排放标准；若发生排污口事故排放，尾水出水水质应综合考虑明通污水处理厂废水量、 进水水质和处理效果、应急事故池的调节能力。

表1 淮河入海水道二期施工前、后模拟方案

3 结果与讨论

3.1 模型验证

研究利用2021 年5 月～9 月淮河入海水道苏嘴断面水质COD，NH3-N，TP 浓度实测资料进行率定验证，模型的边界条件主要包括上游边界流量（为入海水道南泓总渠北闸处逐日平均流量值）、下游边界水位（同期淮阜控制调度闸站逐日平均水位值）、污水处理厂排污口处排放监测因子浓度（为该厂现状排污口COD，NH3-N，TP 的排放浓度）及温度（为淮安市内实测温度）。

运用以上参数模拟计算出率定断面（率定断面位置见图1）COD，NH3-N，TP 浓度，并将计算值与实测值进行对比，具体结果见图2。

以百分比偏差系数PBIAS 和拟合优度R2评价模型的可靠性与有效性[21-22]，COD，NH3-N，TP 平均百分比偏差分别为3.17%，10.01%和17.42%， 拟合优度R2分别达到0.94，0.86，0.68。 在模拟水质污染物时，正常PBIAS ≤20%表示模拟结果优秀，R2≥0.6表示模拟结果达良好水平， 可见苏嘴断面水质模拟浓度与监测数据较为吻合，模型各参数取值合理，该模型可较为准确地模拟淮河入海水道污染物的迁移扩散情况。

3.2 水质模拟分析

利用上述边界条件建立淮河入海水道淮安河段EFDC 模型，模拟计算入海水道二期工程施工前、后正常排放时预测因子COD，NH3-N 和TP 浓度增量，并叠加2021 年～2022 年淮河入海水道苏嘴断面监测数据，得出苏嘴断面水质均可达《地表水环境质量标准》Ⅲ类水标准。 入海水道二期工程启用后，明通污水处理厂排污口尾水排入调度河后经十四中沟最终汇入淮河入海水道， 故施工后排污口至淮河入海水道断面先采用一维稳态模型进行水质模拟。 考虑最不利情况，拟设调度河和十四中沟流量为0，计算尾水正常排放时调度河入十四中沟、 十四中沟入入海水道断面处的水质预测因子浓度值， 具体见表2和表3。 当污水处理厂正常排放时，二期工程施工前COD，NH3-N 和TP 因子质量浓度在丰水期增量分别为0.910，0.094 和0.010 mg/L，其在枯水期增量分别为1.211，0.129 和0.014 mg/L； 二期工程施工后COD，NH3-N 和TP 质量浓度在丰水期增量分别为0.116，0.015 和0.003 mg/L， 其在枯水期增量分别为0.204，0.026 和0.002 mg/L。模拟结果表明，预测因子在相同排放浓度下， 流量越大污染物混合后的浓度越低，污染物扩散至苏嘴断面时其浓度增量越小，因此，断面污染物增量与河道流量呈负相关关系。相较于枯水期，丰水期的各污染物浓度增量较小，原因是因为丰水期的流量比枯水期的流量大。 在二期工程施工加宽河道后， 水流速度变慢而污染物自身降解量增多， 故施工后苏嘴断面的污染物浓度增量低于施工前的浓度增量。

表2 二期工程施工后调度河及十四中沟水质指标预测mg·L-1

表3 正常排放工况下苏嘴断面各污染物浓度预测结果mg·L-1

入海水道二期工程施工后， 尾水排入调度河后经十四中沟最终汇入淮河入海水道的相关断面预测结果见表4。

表4 二期工程施工后调度河及十四中沟水质预测结果mg·L-1

当发生事故排放时，在入海水道二期施工前、后苏嘴断面的水质指标浓度预测结果见表5。 由表5可以看出， 苏嘴断面水质可达《地表水环境质量标准》Ⅲ类水标准。 当污水处理厂发生事故排放时，二期工程施工前COD，NH3-N 和TP 因子质量浓度在丰水期增量分别为3.277，0.234 和0.028 mg/L，其在枯水期增量分别为4.296，0.320 和0.039 mg/L；二期工程施工后COD，NH3-N 和TP 因子质量浓度在丰水期增量分别为0.409，0.037 和0.006 mg/L，其在枯水期增量分别为0.714，0.063 和0.009 mg/L。 模拟结果显示，预测因子在相同排放浓度下，苏嘴断面污染物负荷与正常排放工况下有类似规律， 污染物浓度增量与河道流量也呈负相关关系。 通过对比正常排放与事故排放工况可知， 当发生事故排放时入河污染负荷增加， 苏嘴断面各污染物浓度增量均显著增大，高达尾水正常排放时的2.5～3.5 倍。

表5 事故排放工况下苏嘴断面各污染物浓度预测结果mg·L-1

综上可知， 在污染物排放负荷及预测水期相同时， 淮河入海水道二期工程施工后苏嘴断面污染物浓度增量均有所降低。由表3 和表5 可以看出，在河道地形及污染物排放负荷相同时， 苏嘴断面枯水期污染物浓度增量均较丰水期高， 但由于枯水期污染物本底值均较丰水期浓度低， 因此表现出枯水期污染物预测浓度均低于丰水期。 各模拟方案在入海水道二期工程实施后发现， 当明通污水处理厂丰水期正常排放时（方案5）， 苏嘴断面中COD，NH3-N 和TP 浓度增量均最低，对苏嘴断面的水质影响程度均最小。

3.3 二期启用后污染物的扩散影响

为评估污水处理厂尾水中污染物排放对淮河入海水道水环境的影响， 利用水动力水质模型模拟计算不同工况下COD 浓度增量的影响范围，分析其迁移扩散规律。 由于污水处理厂扩建后的运行时间大多在入海水道二期启用之后，因此，仅讨论二期工程启用后不同水期下COD 浓度增量的影响范围，正常排放时COD 浓度增量等值线和事故排放时COD 浓度增量等值线分别见图3 和图4。

图3 正常排放时COD 浓度增量等值线

图4 事故排放时COD 浓度增量等值线

由图3 和图4 可以看出，不同工况条件下COD浓度增量的扩散范围均存在明显差别。正常排放时，丰水期和枯水期COD 质量浓度增量超过1.5 mg/L的影响面积分别为256，671 m2。 在河道地形和COD排放浓度相同时， 丰水期污染物迁移扩散后浓度较高的水域面积与枯水期相比有所减小， 原因是由于丰水期流量大于枯水期， 较大流量更有利于COD的稀释扩散[23-24]。当发生事故排放时，丰水期和枯水期COD 质量浓度增量超过1.5 mg/L 的影响面积分别为1 253，3 251 m2，COD 浓度增量较高的水域面积的变化规律与正常排放工况相似。 比较可知，在相同预测水期下，尾水中污染负荷均增大，发生事故排放后COD 浓度较高的水域面积均显著增加，约为正常排放后的5 倍。 由此看出，明通污水处理厂发生事故排放后尾水在淮河入海水道的扩散影响远超于正常排放，故企业应加强日常管理，当事故发生时应立即采取防控措施，防止事故尾水进一步扩散。

4 结论

通过构建淮河入海水道EFDC 水环境数学模型， 对淮安明通污水处理厂尾水中COD，NH3-N 和TP 等污染物对苏嘴断面的水质影响进行预测，并对二期工程启用后COD 在淮河入海水道淮安河段中的迁移扩散情况进行分析。

（1）利用淮河入海水道苏嘴断面水质实测数据对淮河入海水道EFDC 模型进行参数率定， 得出COD，NH3-N，TP 平均百分比偏差分别为3.17%，10.01%和17.42%，拟合优度R2分别为0.94，0.86，0.68， 表明该模型模拟污染物在淮河入海水道周边水域的迁移扩散情况准确度较好。

（2）明通污水处理厂排污口对苏嘴断面产生污染物浓度增量，当预测因子在相同排放浓度下，断面污染物浓度增量与河道流量均呈负相关关系， 故丰水期污染物浓度增量均较枯水期小。 在预测水期和排放浓度相同时， 淮河入海水道二期工程施工加宽河道后断面污染物浓度增量均低于施工前的浓度增量。 当发生事故排放时，因入河污染负荷增加，故苏嘴断面污染物浓度增量均显著增大， 但叠加本底值后水质仍满足地表Ⅲ类水水质要求。

（3）淮河入海水道河道二期工程施工后，预测水期和污染负荷的变化均可对河道的污染带扩散范围产生影响。 在污染物排放浓度一定时，丰水期COD 浓度增量较高的水域面积均比枯水期小；当发生事故排放时，COD 浓度较高的水域面积均随着污染负荷增大而显著增加，因此明通污水处理厂应严格控制污染物排放，避免排放污染负荷较高的尾水。