錢小娟,肖玉兵,陳 艷
(江蘇省水文水資源勘測(cè)局南通分局,江蘇南通 226006)
長(zhǎng)江南通段為感潮河段,受上游地表徑流和潮汐的雙重影響,使得水流流場(chǎng)、污染物濃度場(chǎng)的變化較復(fù)雜,該河段的排污口上下游經(jīng)常形成一定范圍的污染帶,因此對(duì)該段水流水質(zhì)的研究只能利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬[1-2]。
筆者運(yùn)用二維非恒定水流水質(zhì)耦合模型,對(duì)典型水文條件下長(zhǎng)江南通段觀音山污水處理廠、開發(fā)區(qū)第一污水處理廠大型尾水入江整合排污口大小潮期間污染物COD 的濃度場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行研究,為該江段的退水影響預(yù)測(cè)提供技術(shù)依據(jù)。
長(zhǎng)江南通段江面開闊,水面寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其水深,根據(jù)水環(huán)境特征選用平面二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,描述平面二維水深平均非恒定淺水方程組如下[3]:
a. 連續(xù)性方程
b. 動(dòng)量方程
c. 水質(zhì)輸運(yùn)方程
式中:h 為水深;u,v 分別x,y 向垂線平均水平流速分量;ρi為i 處污染物質(zhì)量濃度;g 為重力加速度;s0x,s0y分別為x,y 向的河底底坡;sfx,sfy分別為x,y 向的摩阻底坡;Dix,Diy分別為x,y 向污染物擴(kuò)散系數(shù);K 為污染物降解系數(shù);Si為污染物源匯項(xiàng)。
1.2.1 初始條件
初始條件為u = u0,v = v0,z = z0(z 為水面高程),ρ=ρ0。
1.2.2 邊界條件
流量及水位邊界條件:上邊界給定為流量過(guò)程,下邊界給定為水位過(guò)程。
模型參數(shù)的選擇參照長(zhǎng)江南通段的參數(shù)率定驗(yàn)證結(jié)果,模型糙率選值范圍為0.018 ~0.025[4],深槽糙率小于淺灘糙率。COD 降解系數(shù)為KCOD=0.2/d[5],縱向及橫向擴(kuò)散系數(shù)分別取為Dix=60 m2/s,Diy=0.6 m2/s[6]。
模型采用有限體積法離散微分方程進(jìn)行數(shù)值模擬[7-8]。為了驗(yàn)證模型的可靠性,筆者對(duì)長(zhǎng)江南通段自2009 年9 月3—5 日大潮和2009 年9 月10—12日小潮過(guò)程進(jìn)行了模擬。該段屬非穩(wěn)態(tài)強(qiáng)潮汐河段,模型的上邊界選于天生港附近,下邊界選于新江海河河口附近,計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)約44 km,概化為9 152個(gè)網(wǎng)格,9 471 節(jié)點(diǎn),網(wǎng)格單元的邊長(zhǎng)一般為120 m,時(shí)間步長(zhǎng)為2 s,利用實(shí)測(cè)潮位資料作為邊界條件。
圖1 長(zhǎng)江南通段大潮漲、落急流場(chǎng)分布
圖2 徐六涇潮位驗(yàn)證結(jié)果
圖3 流速驗(yàn)證結(jié)果
文中分別對(duì)大小潮漲急、落急2 個(gè)時(shí)刻特征進(jìn)行水流模擬,大潮模擬流場(chǎng)見圖1,潮位和流速驗(yàn)證分別為圖2 和圖3 所示。由圖2 可以看出:水位率定誤差小于0.1 m 的占80%,僅個(gè)別誤差超過(guò)0.25 m;由圖3 可以看出:流速驗(yàn)證的誤差小于0.1 m/s 的占70%,除個(gè)別點(diǎn)和時(shí)刻外,其平均誤差小于20%。驗(yàn)證結(jié)果表明,流場(chǎng)空間分布基本合理,潮位過(guò)程線及流速驗(yàn)證精度較高,說(shuō)明該模型能夠較好地模擬實(shí)際水流情況。
由于南通市給水和排水規(guī)劃缺乏銜接并且規(guī)劃相對(duì)滯后,使得長(zhǎng)江南通段的取水口和排水口布局不合理,最突出的問(wèn)題表現(xiàn)在長(zhǎng)江南通狼山—老洪港飲用水水源、景觀娛樂(lè)用水區(qū)內(nèi)既有狼山水廠、洪港水廠兩區(qū)域水廠取水口,還分布著觀音山污水處理廠和開發(fā)區(qū)第一污水處理廠兩個(gè)大型入江排污口,影響了水源地的供水水質(zhì)。狼山水廠、洪港水廠現(xiàn)狀供水規(guī)模為120 萬(wàn)t/d,近期2015 年總?cè)∷?guī)模為200 萬(wàn)t/d,是南通市的主要供水水源;而觀音山污水處理廠近期尾水排放規(guī)模為5.5 萬(wàn)t/d,距離下游洪港水廠取水口4.2 km,位于洪港水廠取水口的準(zhǔn)保護(hù)區(qū)內(nèi)。另一個(gè)開發(fā)區(qū)污水處理廠近期尾水排放規(guī)模為10.3 萬(wàn)t/d,距離下游洪港水廠取水口2.5 km,并在其取水口二級(jí)保護(hù)區(qū)的范圍內(nèi)。針對(duì)這一不合理情況,為加強(qiáng)飲用水水源地保護(hù),保障供水安全,南通市人民政府決定將上述兩大排污口整合搬遷至下游長(zhǎng)江南通第二開發(fā)區(qū)工業(yè)用水區(qū)內(nèi)。觀音山污水處理廠、開發(fā)區(qū)第一污水處理廠整合排污口位置示意圖見圖4。
觀音山污水處理廠、開發(fā)區(qū)第一污水處理廠整合排污口設(shè)置于南通開發(fā)區(qū)的水山碼頭下游附近,排放口距岸邊約1300 m,-8 m 等深線(85 高程)。正常排放工況下,污染物排放初始源強(qiáng)為15.8 萬(wàn)t/d,ρ(COD)排放質(zhì)量濃度為50 mg/L。
假設(shè)事故工況時(shí),由于觀音山污水處理廠和開發(fā)區(qū)第一污水處理廠分開運(yùn)行,一般不會(huì)同時(shí)造成事故,因此典型事故排放源強(qiáng)按照設(shè)計(jì)進(jìn)水質(zhì)量濃度和進(jìn)水量計(jì)算,選擇兩個(gè)污水處理廠中污染物排放量大的源強(qiáng)計(jì)算。開發(fā)區(qū)第一污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模比觀音山污水處理廠要大,因此事故排放源強(qiáng)以開發(fā)區(qū)第一污水處理廠的事故排放量來(lái)計(jì),即事故排放工況下,污染物初始排放源強(qiáng)為10.3 萬(wàn)t/d,ρ(COD)排放質(zhì)量濃度為500 mg/L。
典型年的選取根據(jù)大通站多年實(shí)測(cè)最小月平均流量系列,經(jīng)頻率分析計(jì)算得90%保證率的最小月平均流量為7870 m3/s,大通水文站1979 年1 月的平均流量為7 220 m3/s,接近于該流量值。因此確定以1979 年1 月為典型月。選用下游同步潮位過(guò)程作為下邊界條件。應(yīng)用一維水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)水文條件的計(jì)算,得到評(píng)價(jià)區(qū)域上、下邊界的水位過(guò)程,并以此作為計(jì)算區(qū)域二維水動(dòng)力模擬的邊界條件。
圖4 擬建排污口位置示意圖
計(jì)算區(qū)域由于受上游徑流和下游潮汐的共同作用,水流漲落交替出現(xiàn),呈明顯的雙向流特征。污染物排入水體后,受到水流的對(duì)流和紊動(dòng)擴(kuò)散作用,一方面順著水流方向縱向輸送,一方面向四周橫向擴(kuò)散,在排污口附近形成一擴(kuò)散混合帶,該混合帶隨著流程的增加,經(jīng)過(guò)擴(kuò)散和自凈的共同作用,污染物濃度不斷減小。小潮時(shí)由于潮汐動(dòng)力的減弱,河流擴(kuò)散能力變小,污染物較大潮的時(shí)候不易擴(kuò)散。
預(yù)測(cè)結(jié)果表明,大潮期間整合排污口COD 質(zhì)量濃度增量大于0.5 mg/L 的分布范圍約為縱向3.94 km、橫向660 m;COD 質(zhì)量濃度增量大于6 mg/L 的混合區(qū)分布范圍約為縱向330 m,橫向120 m。小潮期間COD 質(zhì)量濃度增量大于0.5 mg/L 的分布范圍約為縱向2.97 km,橫向740 m;COD 質(zhì)量濃度增量大于6 mg/L 的混合區(qū)分布范圍約為縱向760 m,橫向350 m。混合區(qū)內(nèi)COD 的質(zhì)量濃度增量疊加本底值后超出了Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)。
整合排污口距離上游江山農(nóng)化企業(yè)取水口為5.8 km,距離下游蘇通大橋?yàn)?.3 km,正常工況下對(duì)江山農(nóng)化取水口的最大質(zhì)量濃度增量為0.03 mg/L,疊加本底值后COD 質(zhì)量濃度為16.03 mg/L,符合Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)要求;對(duì)蘇通大橋的最大質(zhì)量濃度增量為0.14 mg/L,疊加本底值后COD 質(zhì)量濃度為12.14 mg/L,符合Ⅱ類水質(zhì)目標(biāo)要求。整合排污口搬遷至下游后距離上游老洪港水廠較遠(yuǎn),約為9 km,因此在正常情況下不會(huì)對(duì)老洪港水廠飲用水水源地的水質(zhì)造成影響。觀音山污水處理廠、開發(fā)區(qū)第一污水處理廠的排污口從長(zhǎng)江南通狼山—老洪港飲用水水源、景觀娛樂(lè)用水區(qū)內(nèi)整合后搬遷至下游長(zhǎng)江南通第二開發(fā)區(qū)工業(yè)用水區(qū),這將有效改善洪港水廠、狼山水廠取水口的水質(zhì)狀況,符合水功能區(qū)管理要求,具體見表1、圖5。
表1 正常工況下污染因子COD 質(zhì)量濃度增量及擴(kuò)散范圍
預(yù)測(cè)結(jié)果表明,大潮期間整合排污口COD 質(zhì)量濃度增量大于0.5 mg/L 的最大面積為6.23 km2,具體范圍在下游3.53 km 左右,上游影響至2.64 km 左右,縱向跨度約6.17 km,橫向影響范圍在1.58 km以內(nèi);COD 質(zhì)量濃度增量大于10 mg/L 的高濃度區(qū)分布范圍:大潮期間最大為0.95 km2,具體跨度縱向約2.33 km,橫向約540 m。
圖5 大潮期間正常排放時(shí)COD 質(zhì)量濃度增量等值線分布
小潮時(shí)COD 質(zhì)量濃度增量大于0.5 mg/L 的最大面積為4.93 km2,縱向總跨度約5.45 km,橫向影響范圍在1.5 km 以內(nèi)。小潮時(shí)由于水力條件不利于污染物擴(kuò)散,雖然總的污染物擴(kuò)散范圍小于大潮,但在排口附近形成高濃度污染物中心,COD 質(zhì)量濃度增量大于10 mg/L 的高濃度區(qū)分布范圍:小潮期間最大為1.18 km2,具體跨度縱向約2.41 km,橫向約650 m。
事故排放將會(huì)導(dǎo)致大量高濃度污水排入長(zhǎng)江,從而嚴(yán)重影響排口上下游水環(huán)境,破壞水生態(tài)系統(tǒng)。因此污水處理廠應(yīng)加強(qiáng)管理,杜絕事故排放,保證污水處理設(shè)施正常運(yùn)行。
筆者根據(jù)長(zhǎng)江南通段的水動(dòng)力、污染物輸移特征,建立了平面二維非穩(wěn)態(tài)水流水質(zhì)耦合模型。模型應(yīng)用無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分計(jì)算區(qū)域,采用有限體積法及黎曼近似解離散控制方程,將二維模擬轉(zhuǎn)化為求解一系列局部一維問(wèn)題,從而模擬出計(jì)算江段典型水文條件下的水流過(guò)程和相應(yīng)的排污口退水污染物輸運(yùn)擴(kuò)散過(guò)程。利用實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證結(jié)果表明,無(wú)論是流場(chǎng)的整體形態(tài),還是驗(yàn)證點(diǎn)的水位、流速都與實(shí)際情況符合較好,模型計(jì)算精度較高。利用該模型可進(jìn)一步預(yù)測(cè)排污口退水對(duì)環(huán)境影響范圍和程度,為排污口設(shè)置論證、環(huán)境影響評(píng)價(jià),提供技術(shù)依據(jù)。
采用的四邊形網(wǎng)格適合于淺水方程的計(jì)算,但該網(wǎng)格在河岸附近邊界的貼合不是很好,比較理想網(wǎng)格劃分方案的是在河道主槽應(yīng)用四邊形網(wǎng)格,在河岸附近用三角形網(wǎng)格擬合邊界,因此在今后的計(jì)算研究中可考慮采用四邊形-三角形混合網(wǎng)格。
[1]張鴻星,褚君達(dá).潮汐河口污染帶影響因素研究[J].水資源保護(hù),2003(5):35-38. (ZHANG Hongxing,ZHU Junda. Factors affecting the pollution belt at tidal estuaries[J]. Water Resources Protection,2003(5):35-38. (in Chinese))
[2]張龍江,朱維斌.長(zhǎng)江南通段污染帶影響因素研究[J].上海環(huán)境科學(xué),2003,22 (1):36-38,45. (ZHANG Longjiang,ZHU Weibin. Study on affected factors of Nantong Reach of Yangzi River pollution zone[J].Shanghai Environmental Sciences,2003,22(1):36-38,45. (in Chinese))
[3]趙棣華,李褆來(lái),陸家駒.長(zhǎng)江江蘇段二維水流水質(zhì)模擬[J].水利學(xué)報(bào),2003(6):75-77(ZHAO Dihua ,LI Tilai ,LU Jiaju. 2-D depth-averaged flow-pollutions model for Jiangsu reaches in Yangtze River[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2003(6):75-77.(in Chinese))
[4]逄勇,趙棣華,姚琪,等.長(zhǎng)江江蘇段區(qū)域供水水源地水質(zhì)可達(dá)性研究[J]. 水科學(xué)進(jìn)展,2003,14(2):184-188.(PANG Yong,ZHAO Dihua,YAO Qi,et al. Reaching function analysis of water quality in large water supply planning in the Yangtze River in Jiangsu province[J].Advances In Water Science,2003,14(2):184-188. (in Chinese))
[5]傅慧源.長(zhǎng)江干流水域納污能力及限排總量研究[J].人民長(zhǎng)江,2008,39(23):40-42. (FU Huiyuan. Study on water environmental capacity and limiting the total amount in the Yangtze River Basin[J]. Yangtze River,2008,39(23):40-42.(in Chinese))
[6]蔣艷,楊玨,趙棣華,等. 淺水流動(dòng)有限體積法/Osher 格式的二維水流-水質(zhì)模擬[J]. 農(nóng)村生態(tài)環(huán)境,2002,18(3):30-33.(JIANG Yan,YAN Yu,ZHAO Dihua,et al.Finite volume methods and osher scheme for twodimensional shallow water flow-pollutant coupled numerical model[J]. Rural Eco-environment,2002,18(3):30-33.(in Chinese))
[7]許仁義,逄勇.閩江干流下游河段納污能力的研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2006,29(5):62-64. (XU Renyi,PANG Yong. Receiving ability for pollution into lower reaches of Minjiang River[J]. Environmental Science &Technology,2006,29(5):62-64. (in Chinese))
[8]李小虎,韓龍喜,吳云波,等.潮汐河流排污口設(shè)置對(duì)水質(zhì)的影響[J].水資源保護(hù),2011,27(6):88-91,96.(LI Xiaohu,HAN Longxi,WU Yunbo,et al. Influence of setup of drain outlet for tidal river on water quality[J]. Water Resources Protection,2011,27 (6):88-91,96. (in Chinese))