肇庆高新区东排渠补水量初探

杨倩何磊喻怀义郭涛

（1广州市环境保护科学研究院 广东广州 510620 2广东工贸职业技术学院 广东广州 510510）

1 前言

1.1 肇庆高新区发展状况

肇庆国家高新技术产业开发区（以下简称“高新区”）设立于1998年，2010年9月，经国务院批准成功升级为国家级高新区。“十一五”期间，高新区实现从省级产业园区到国家级高新区的升级转型，园区经济实力不断增强，切实建设有效的污染治理设施、提高水体自净能力、做好环境管理工作十分必要。

1.2 高新区纳污水体状况

高新区处于东面北江与南面绥江交汇处，区内河网水系包括区内唯一一条河流独水河，以及人工建造的北主排渠、北二支排渠、东排渠、长岸排渠等，均是自北呈放射状流向辖区南端，注入北江和绥江汇合处，其中东排渠是高新区内最主要的纳污水体。

目前，东排渠水质仅为劣Ⅴ类，COD和氨氮是主要污染物，水质较差的主要原因是：①区内污水集中处理系统建设相对滞后，污水管网不能正常运行，长期的生活污水、工业、农业等污水缺乏集中有效的处理。②北江正常水位较低，江水不能自然流入区内排渠，加上龙湖水库库容近年缩减明显，水量不足，导致区内排渠常年处于少水或无水状态，排渠水环境容量小，水体自净功能下降。

1.3 高新区未来排污格局

根据高新区总体规划，区内农业产值比例将逐步下降，农业源污染将大大将少，随着人口和经济的发展，工业和生活污染产生随之增长，因此工业源和生活源是高新区水污染主要来源。到2020年，高新区拟建成南北污水处理系统，主要收集处理全区工业与生活污水，主要以将军大街为界，南部第一污水处理厂与北部第二污水处理厂分别收集处理南部和北部地区的污水，如图1。两污水处理厂尾水排至东排渠。

根据高新区未来人口增长与经济发展情况，推算出第一和第二污水处理厂到2020年污水处理规模分别为7万t/天和5万t/天。由于未来高新区污水处理系统覆盖全区，排水系统完善，面源污染大大减少，因此本研究在排污格局上主要考虑两污水厂的污染排放。

图1 高新区污水处理厂分布图

1.4 研究意义

为改善水环境质量，高新区着力加快污水处理设施建设并规划开展必要的补水调水工程，在污水能集中处理并达标排放的基础上，拟以北江水作引水补水水源，提高东排渠纳污能力，对高新区经济与环境可持续发展有着重大意义。因此，本文拟对东排渠需要的补水量进行初步探索和研究，为开展补水工程建设和相关管理、决策工作提供参考建议。

在工作实践中，对于较为细小或偏远的河流，往往缺乏水文监测站，也缺乏完整历史监测数据，只了解部分水文情况，而重新开展监测在时间上或经费上不允许，在此条件下要精确建模计算则非常困难。本文采用了基于excel的河道需水量初步试算法，该方法适用于日常管理中需要初步或粗略而快速地了解河道大概需水量的情况，尤其对河网关系相对简单的非感潮河流，在缺乏水文、地形数据资料且暂没有条件开展相关监测工作，未能建立精确的水环境模型的条件下，该方法显得较为简便、快捷。

2 东排渠水环境容量计算

水环境容量是指某一水环境单元在特定的环境目标下所能容纳的污染物的最大负荷，其大小与水体特征、水质目标及污染物特性有关[1,2]。本文通过东排渠水环境容量计算，初步分析东排渠水环境容量特点和补水的必要性。

2.1 计算模式

东排渠为细长单向河流，可采用结合不均匀系数的流量法对水环境容量进行简单估算，计算公式如下：

式中：α——不均匀系数，东排渠较窄，河宽15～30m，本文参考于雷等[3]研究结果，对河宽小于55m的河流不均匀系数取1，即不进行不均匀系数修正；W——水环境容量，t/a；Cs——控制断面水质标准，mg/L，水质目标执行《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅳ类标准；Q——河水流量，m3/s，采用 90%保证率最枯月平均流量（东排渠通过龙王庙水库的兴利调节，可以达到1.55 m3/s）；CR——上游断面污染物浓度，mg/L，上游来水浓度执行Ⅱ类标准；k——污染物降解系数，1/d，COD和氨氮分别取0.15和0.08；u——断面平均流速，m/s，根据流速与流量的关系进行估算；x——上、下断面间的距离，m，本文主要考虑东排渠上游至汇入独水河闸口处长约12公里的河段。

2.2 流速与流量关系响应推导

在实际应用中，模型计算往往缺乏研究所采用流量对应的流速数据，而本实例同样是水文数据缺乏，且仅已知流量一项，数据条件不足，本文就现有条件推导流速与流量的近似关系以作流速近似估算。根据谢才公式其中c是谢才系数为水力半径，n是糙率，i是坡降），以及在一定条件下，流速是流量的函数，因此可根据流量数据进行流速的近似估算，简单推导如下：

2.3 计算结果

根据以上模式计算东排渠水环境容量：COD是933.73吨/年，氨氮是55.42吨/年。根据两个污水厂的处理规模和设计出水浓度，估计2020年污水处理厂满负荷运行时COD和氨氮总排污量每年分别可达约1500吨和200吨。可见，东排渠现状水环境容量较少，虽然污水厂排水将对河道有一定补水作用，但第二污水处理厂排水未能达到地表水Ⅳ类标准，污染物浓度较高，东排渠要消纳两大污水厂排污量有一定难度，因此需要进一步开展河道需水量研究，以考虑是否需要对河道开展补水工程措施。

3 东排渠需水量计算

未来东排渠主要受纳高新区两大污水厂排出的污水，其中第一污水处理厂出水口处于距离下游控制断面1000米处，其出水经过深度处理，COD和氨氮将达到地表水Ⅳ类标准；而第二污水处理厂出水口处于距离下游控制断面8500米处，COD和氨氮设计出水浓度分别为40毫克/升和8毫克/升。

本文通过一维水质模型，采用试算法计算使控制断面达到水质目标（Ⅳ类）时需要增加的水体流量，由于东排渠拟考虑引取北江水，其补水水质参考北江水质（Ⅱ类）。本研究中河流流速随着补水流量的变化而变化，无法通过监测获取，若模型中采用定值流速进行计算，则会忽视河流流量补给后相应流速变化，因此本文利用excel建立流量-流速动态变化模式，考虑流速随流量变化而变化的情况，并采用试算法进行河流需水量初步计算。

3.1 计算模式

采用一维水质模型计算[4]，公式如下：

式中，c—排放口下游x处的污染物浓度，mg/L；x—计算点离开始点(排放口)的距离，m；u—河水流速，m/s；k—降解系数，1/d；Qp—废水排放量，m3/s；cp—污染物浓度，mg/L；Qh—河水流量，m3/s；ch—排放口上游污染物浓度，mg/L。

以上公式适用于只有1个排口的情况，但由于本实例有2个排口，所以根据上述一维水质模型原理对公式进行调整，实际计算中应用下式进行计算：

式中，x1—两污水厂排口距离，m；x2—计算点离处于下游的第一污水处理厂排口的距离，m；u—河水流速，m/s，本次计算根据前述流速和河流流量的数量关系，建立动态响应模式，即流速随流量试算值的变化而变化；Q1、Q2—污水厂废水排放量，m3/s，采用第一、第二污水厂设计规模；c1、c2—污水厂污染物浓度，mg/L，采用污水厂设计出水浓度；k——同上，取值同前；Qh——河水流量，m3/s，为所求之量；ch—按照上游来水水质目标要求。

3.2 模拟计算方法

利用excel编辑相应的公式，采用试算法对河流需要的流量Qh进行计算。具体步骤为：1）对所有相关变量选定相应单元格，根据各变量的函数关系在单元格内编辑相应计算式；2）输入公式中相关已知量及参数定值；3）选取一流量值开始进行试算，本实例中可知该流量值大于现状流量才需补水，可从小到大进行试算，当选取的流量值对应的控制断面污染物浓度接近而小于标准值，则该流量为所需流量；4）计算此流量与现状流量之差便是河流需要增加的流量值。

3.3 计算结果

本文研究的污染物主要是COD和氨氮，经计算可知，对于COD，河道已有水量已经能满足河道需水要求，但对于氨氮，由于污水中氨氮浓度较高，需要增加相应的流量，以增加河道水环境容量，经计算，相对于现状，2020年东排渠需要增加流量2.01 m3/s。

在本实例中有两个排口，较一个排口的情况复杂。实际上由于第一污水处理厂出水已经达到水质目标，其污染排放对控制断面达标影响可以忽略，甚至由于污染物衰减作用，其排水有一定的补水作用，但又由于排口距离控制断面比较近，污染物衰减效果较小，所以补水作用极微，基本可以忽略。因此，若基于本实例的特殊性不考虑第一污水处理厂，对需水量计算影响并不大，对问题的研究可以更为简化。为使本文计算方法更具普遍性和科学性，本文仍按照两个排口的实际情况考虑和研究。

4 结语

得增加多少水体流量才标准，第二污水处理：由于第一污水处理4.1通过对东排渠需水量的初步研究，现在东排渠到2020年需要增加水流量约2 m3/s。本文应就补水调水工程方案做更深入的研究，进一步研究和核算河道需水量以核定工程方案补水量。

4.2 本文采用了一维水质模型对东排渠需水量进行计算，且利用流量和流速的关系建立了动态响应模型，利用excel软件采用试算法进行了计算，方法简便快捷，易于掌握，较为适用于日常环保管理工作，尤其在对结果精确度要求不高、工作时间紧迫以及数据资料较缺的情况下，不失为一种简易、便捷的方法。

[1]熊风,罗洁.河流水环境容量计算模型分析[J].中国测试技术,2005，1，31(1).

[2]李劢,李岩,韩政,王勃,慕金波.黄河三角洲河流水环境容量研究[J].山东科学.2007,4,20(2).

[3]于雷,吴舜泽,范丽丽,徐毅.水环境容量一维计算中不均匀系数研究[J].环境科学与技术,2008.31(1).

[4]马欢,李亚强.松花江哈尔滨江段水环境容量计算对比研究[J].哈尔滨商业大学学报（自然科学版）,2007,23(4).