二维水动力水质模型在入河排污口设置中的应用
杨 丽，范杨臻，闫伟伟，解凌飞
（1.湖北省水利水电科学研究院 湖北省水利水电科技推广中心，武汉 430070；
2.湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430064）
开展水污染综合防治和水环境规划管理是目前河湖水环境治理亟需解决的重要任务，而采用水动力-水质数值模型进行模拟是开展这类任务的重要依据[1，2]。目前水动力-水质模型的研究及应用已经涉及广泛的水污染控制的实际问题。
水动力水质模型已应用于排污口布设、污染物迁移过程、水环境质量评价等河湖水环境保护的各个方面。李娜等[3]采用MKE21模拟了上游污染物排放对城市取水口的影响时间和影响程度；
黄瑞等[4]采用二维水动力模型对长江溢油事故进行了数值模拟预测；
黄燕等[5]采用二维水质模型模拟了不同排污口位置对河道水质的影响；
鲍自力等[6]采用二维水质模型，计算多个排污口对长江马鞍山段水质的影响。
本文采用二维水动力水质模型（MIKE21），以黄石市大冶工业废水收集处理系统入江排污口为例，对污水处理厂在正常排污工况和事故排污工况两种情形下污染物在长江中的输移过程进行量化预测，为区域水污染防治和水污染综合防治提供参考。
论证排污口位于黄石市棋盘州，四大家鱼保护区下游50 m 处，牯牛洲洲尾下游约1.3 km 处，韦源河口下游约2.4 km 处，新港排污口上游约7.6 km处。二维模型计算上边界为韦源河河口，下边界为阳新县黄颡口镇长江取水口，全长17.5 km，项目分析论证范围示意图见图1。区域水功能区划情况：排污口上游为长江黄石开发利用区（二级水功能区为长江黄石西塞山饮用水源、工业用水区），水质管理目标为Ⅲ类；
排污口所在区域为长江黄石～阳新保留区（右岸），水质管理目标为Ⅲ类。
本文主要对大冶市工业废水收集处理系统近期规模3.25 万m3/d 进行论证。黄石市汪仁污水处理厂、河西污水处理厂、大冶有色金属有限公司和大冶市工业废水收集处理系统排江尾水共用一个排污口排入长江。
采用MIKE21水动力水质数值模型预测排污口在设计水文条件下不同入河污水排放方案对长江水质的影响范围。根据该排污口的污染物排放特征，结合环境影响评价相关指标，选取COD、NH3-N作为评价因子分析评价。
2.1 计算方案
通常情况下，枯水季节是天然河道中污染物扩散最不利的时期，河流的水质问题一般出现在枯水期。考虑到长江水文特征及三峡水库的建成运行，本文选用三峡水库开始运行后最枯月平均流量作为设计流量，计算在正常工况和非正常工况下污水处理厂尾水排江对长江水质的影响范围。
2.2 二维水动力水质模型
污染物输移模拟是建立在水动力模拟成果的基础上，本文的水动力模拟基于Navier-Stokes 方程，由连续性方程和动量方程组成；
污染物的输移模拟基于对流扩散方程。
2.2.1 二维水动力方程
式中：u、v分别为x、y方向的流速速度，m/s；
z为水位，m；
h为水深，m；
f为科氏力系数，f=2Ωsinθ，其中Ω为地球旋转的角频率；
θ为当地纬度；
γt为紊动黏性系数，m2/s。
2.2.2 二维对流扩散方程
式中：Ci水体中污染物的浓度（mg/L）；
Kx、Ky分别为污染物在x、y方向上的扩散系数，m2/s；
kd污染物的降解系数，1/s；
Sm为排放负荷量。
2.3 模型构建
2.3.1 计算范围
黄石市大冶工业废水入江排污口主要对长江黄石、武穴保留区水质可能产生影响，考虑到该排污口上游还有支流韦源河入江，且下游约7.6 km处有黄石新港物流园区污水处理厂入河排污口。因此，二维模型计算上边界为韦源河河口，下边界为阳新县黄颡口镇长江取水口，全长17.5 km。
2.3.2 计算网格
综合考虑排污口所处河段的河道河势、可能影响的范围及水文资料等因素，依据长江干流的水下地形，对计算范围内河段采用非结构网格进行剖分。其中，排污口上游1 km，下游5 km 河段的三角形网格面积控制在100 m2内，其余部分三角形网格面积控制在1500～10 000 m2范围内，共产生43 458个三角形网格（见图2）。
2.3.3 模型初始边界条件及参数率定
上游边界条件选用2003 年三峡水库运行以来近10 年最枯月平均流量8582 m3/s 作为设计流量，下游水位边界采用黄石水位站对应水位，按比降推算为8.180 m，COD、NH3-N 背景浓度分别取排污河段长江水质监测值10.00、0.17 mg/L。
模型中的主要参数参考相关报告和文献中的取值，并通过率定对各个参数进行调整。模型率定采用2016年11月3～4日排污口上游500 m至下游1500 m 的实际监测结果，模型率定成果见表1。由表1 可知，模型实测值与计算值的误差均在可接受范围内，表明模型选择的计算参数较为合理。通过实测值对模型率定，最终确定模型糙率取值范围为0.018～0.030，COD、NH3-N 降解系数分别为0.18、0.12 d-1，水平扩散系数与水平涡粘度相关联，扩散系数随流场的变化而改变。
表1 流速与污染物浓度实测值与计算值对比表
3.1 组合工况
结合污水处理厂的排污特性，按照正常排污和非正常排污两种工况进行计算。
（1）正常排污工况是指污水处理厂正常运行，排污口尾水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准，COD、NH3-N排放浓度分别为50、5 mg/L。
（2）非正常排污工况是指污水处理厂设施发生故障，不能正常处理污水，排污口尾水浓度为污水处理厂接管浓度。在实际情况中，虽然该类事件发生的概率极小，但存在可能性。当污水处理厂设施发生故障，业主应启用应急预案，污水应进入应急池，并通知用水企业停产，迅速组织抢修，待污水处理设施恢复正常后，处理达标后再排放，防止发生非正常排污工况。非正常排污工况COD、NH3-N排放浓度分别按202.23、35.91 mg/L计算。
排污口上游有支流韦源河汇入，且下游7.6 km有黄石新港污水处理厂退水，因此，尾水排江需要考虑叠加排污的影响。韦源河排江负荷采用韦源河河口水质监测成果，流量为13.29 m3/s，COD、NH3-N浓度分别为30.00、0.65 mg/L。汪仁、河西、大冶市工业废水收集处理系统和大冶有色金属有限公司排江尾水共用一个排污口排入长江，排放形式为岸边排放，规划近期排污量分别为6 万t/d、3 万t/d、3.25万t/d、0.5万t/d，故本排污口规划近期排污量为12.75 万t/d，即1.476 m3/s；
黄石新港规划近期排污量为2万t/d，即0.231 m3/s。根据上述污染源的统计数据及排污方案的组合，各计算工况参数见表2。
表2 各计算工况参数表
3.2 模拟成果
不同排污工况COD 和NH3-N 的扩散情况见图3～图6和表3。由图3～图6和表3可知：
表3 COD和NH3-N影响范围统计表
（1）正常排污工况。COD在排污口下游1 864.7 m×124.1 m处掺混均匀，河道恢复背景浓度；
NH3-N在下游1 934.7 m×324.1 m处掺混均匀，河道恢复背景浓度，未形成明显的污染物带。
（2）非正常排污工况。COD 在排污口下游
4 759.7 m×515.9 m处掺混均匀，河道恢复背景浓度；
NH3-N在下游6 386.9 m×619.2 m处掺混均匀，河道恢复背景浓度。
3.3 排污口对水功能区水质影响分析
根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）规定的不同水质的浓度限值，排污口在正常排污和非正常排污两种工况下排污的影响范围见表3。
排污口所在水功能区为长江黄石、武穴保留区，水质管理目标为Ⅲ类。结合图3～图6及表3，在正常排污工况下，排污口下游未形成超过Ⅲ类水质的污染带，对水功能区水质无明显影响。在非正常排污工况下，COD在排污口附近形成53.6 m×33.7 m的超Ⅲ类水污染带，在排污口下游184.9 m×62.3 m处恢复Ⅲ类水质；
NH3-N 在排污口附近形成249.5 m×41.2 m 的超Ⅲ类水污染带，在排污口下游374.1 m×69.4 m 处恢复Ⅲ类水质。非正常工况下对下游河道水质有一定影响，但未显著改变水功能区水质。
3.4 排污口对下游取水户的影响分析
排污口下游14.9 km 有黄颡口镇长江取水口。经模拟计算，本排污口虽然基本不会对下游取水口造成影响，但当发生非正常排污时，应将下游黄颡口镇长江取水口作为重点保护对象，加强取水口附近水域的水质监测。
本文通过建立二维水动力水质模型，对黄石市大冶工业废水收集处理系统入江排污口正常排污工况和非正常排污工况开展模拟计算，分析了污染物对该区域水环境的影响程度。在正常排污工况下，本排污口对区域水质无明显影响；
在非正常排污工况下，排污口对下游河道水质有一定影响，但未显著改变水功能区水质。
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