入河排污口设置论证在杭嘉湖平原河网地区的实例应用

王亚芹，仇茂龙，陆一奇

（1.浙江同济科技职业学院，浙江杭州 311231；2.浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江杭州 310016；3.杭州市河道与农村水利管理服务中心，浙江杭州 310000）

随着经济的快速发展，农村城镇化进程加快，污水处理厂的建设已驶入了快车道，入河排污口设置的论证工作也显得愈加重要[1-2]。本文采用MIKE 11软件中的水动力模块和对流扩散模块，搭建杭嘉湖区域及振浔污水处理厂局部河网水动力水质模型，模拟振浔污水处理厂入河排污口建设对周边河网水环境功能区水质的影响，为排污口设置论证提供评价依据。

1 项目概况

1.1 污水处理厂基本情况

振浔污水处理有限公司位于湖州市南浔城区西北侧，巨王木业南侧，工程污水处理总规模5万m3/d，其中一期规模3万m3/d已建，本次论证分析总规模。

1.2 出水标准

根据“浙江省人民政府关于进一步加强太湖流域杭嘉湖地区水污染防治工作的通知”，振浔污水处理厂出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准。

1.3 入河排污口概况

工程入河排污口位于厂区西侧，排入九里桥港（与頔塘连通），排污口经度120°23′75″、纬度30°52′02″，改扩建后不再修建新的尾水排放工程。根据采样检测排入水体现状水质Ⅲ类，目标水质为Ⅲ类。

2 入河排污口设置论证

2.1 论证范围

入河排污口位于杭嘉湖平原河网区域，所在区域全年水流自西向东为主，洪水期自南向北，枯水期太湖回水自北向南。平原河道水流流速较低，污水处理厂排放污水对周边河道水质影响较大，论证区域考虑污水处理厂附近可能产生影响的河流水系。确定论证范围涵盖南浔城区主要河道，包括：頔塘、息塘、九里桥港、丁泾塘、白米塘、横古塘、阳安塘等河道，区域总面积约109km²。

2.2 区域纳污能力分析

区域纳污能力计算选取指标COD、NH3-N、TP。概化排污口在水功能区的分布，认为污染物排放沿河均匀分布，对某一河流小范围内存在偏差，但综合反映了区域河网污染物排放的平均状态[3]。计算公式如下：

式中：W河网为整个河网的剩余纳污能力（t/a）；W功能区为功能区纳污能力（t/a）；V为功能区河段槽蓄量（m3）；Q0为进口断面的入流流量（m3/s）；Cs为水体目标水质标准值（mg/L）；C0为进口断面水质浓度（mg/L）；q为旁侧入流流量（m3/s）；V河网为设计水文条件下整个河网槽蓄量（m3）；k为污染物综合衰减系数（d-1）；l为功能区河长（m）；L河网为河网总河长（m）。

2.2.1 污染物综合衰减系数

本次论证污染物综合衰减系数借鉴杭嘉湖平原地区以往的工作和研究成果[4]，在《浙江省太湖流域水环境综合治理引排工程对改善杭嘉湖水环境作用分析》中COD、NH3-N、TP的综合衰减系数取值0.072d-1，作为论证借用成果。

2.2.2 河网计算容积的确定

頔塘上设有南浔站国家基本水文站，根据南浔站1991—2016年实测水位系列，得到多年平均水位为1.22m。对南浔站历年最低水位排频，得到90%年最低水位为0.58m，南浔站位于振浔污水处理厂下游约3.5km，论证区域河网处于枯水期，水位较低，且水流交换作用较弱，河网水位趋于相同，因此以南浔站水位作为论证区域的代表水位，即0.58m。根据实测断面与计算水位确定河网计算容积。

2.2.3 纳污能力计算结果

经计算，论证区域在90%保证率的水位条件下，COD、NH3-N、TP现状纳污能力分别为3 756.47t/a、529.10t/a、75.13t/a，现状入河总量分别为2 015.71t/a、201.96t/a、1.15t/a。包括湖州中环水务有限责任公司、湖州金洁水务股份有限公司等6个主要排污口。因此，论证区域内水域各指标现状剩余纳污能力分别为827.76t/a、236.14t/a、64.98t/a。

2.3 对水质影响分析

2.3.1 计算方法和模型

采用MIKE 11软件搭建南浔区及周边河网水动力水质模型，模拟分析振浔污水处理厂工程扩建对周边水质的影响[5-6]。

水动力控制方程为Saint-Venant方程组：

式中：x和t分别为空间坐标（m）和时间坐标（s）；Q为断面流量（m3/s）；A为过流面积（m2）；q为旁侧入流单宽流量（m2/s）；C为谢才系数；R为水力半径；α为动量校正系数；g为重力加速度（m/s2）。

水质控制方程是一维对流扩散方程：

式中：C为物质浓度（mg/L）；C2为源/汇浓度（mg/L）；K为污染物综合衰减系数（d-1）；D为纵向扩散系数（m2/s）。

2.3.2 河网概化

本次一维河网水动力水质模型涵盖了振浔污水处理厂周边的主要河道，包括頔塘、息塘、九里桥港、丁泾塘、白米塘等32条河道。模型计算采用实测断面297个，考虑水闸、泵站32座。

2.3.3 边界条件

模型考虑了水位、流量、水质三种边界属性。模型验证计算选择2014年该地区的实测水文条件。

水动力边界：西面为湖州船闸2014年实测逐日流量过程；西南面为双林站和乌镇站2014年实测逐日水位过程；东面为平望站2014年实测逐日水位过程。平原产水量根据2014年的降雨、蒸发资料及不同地类面积（水面、水田、旱地、其他），采用不同方法推求。

水质边界：分别采用三里桥站、平望站、重兆大桥站、练市站4个站点2014年实测水质数据。

2.3.4 污染源概化

污染源考虑点源和面源污染。点源污染包括7个排污口，其中3个为污水处理厂，4个为生产企业。面源污染通过降雨径流聚集的污染物汇入水系，覆盖范围包括整个计算区域的河网，降雨资料通过当地的水文测站获取。

2.3.5 水动力模型验证

选取南浔站水位过程作为验证对象，河网水动力模型验证结果显示，模型计算的水位与实测值相符，表明建立的局部河网模型概化和参数选取基本合理。

2.3.6 水质模型验证

以COD、NH3-N为验证指标，模拟河网2014年全年COD、NH3-N浓度的变化情况。选取旧馆断面实测污染物浓度数据，与计算结果对比。验证计算得到COD指标前3个月计算值与实测值误差较大，分别为18%、19%、21%，后9个月均在3%以内；NH3-N指标前3个月计算值与实测值误差分别为12%、18%、11%，后9个月均在5%以内。计算值与实测值吻合较好，说明模型参数设置基本合理。

2.3.7 水质预测评价

水质预测评价确定3个计算方案，分别是技改前正常排放，技改后正常排放，技改后事故排放。

模型计算边界如下：水质考虑頔塘现状水质为Ⅲ类，确定COD为17.5mg/L、NH3-N为0.75mg/L；流量根据浔溪大桥站2001–2017年长系列流量资料，采用P-III型频率曲线适线得到90%年最小流量17.6m3/s；水位采用1991–2016年双林站、乌镇站和南浔站3个站点的实测水位系列，适线得到90%年最低水位分别为0.58m、0.62m、0.55m。

根据计算得出頔塘各断面污染物浓度，最终得到頔塘在工程建设前后的水质变化（见图1~图2）。

图1 頔塘COD浓度沿程变化

图2 頔塘NH3-N浓度沿程变化

分析图1~图2，在技改工程完成后污水处理厂正常排放的工况下，頔塘河道沿程COD浓度增幅较小，排污口上游影响至650m处，COD浓度增加0.02mg/L，增量最大的是排污口下游1 335m处，浓度增加0.67mg/L。頔塘河道沿程NH3-N浓度的变化较COD敏感，排污口上游影响至650m处，NH3-N浓度增加0.01mg/L，增量最大的是排污口下游1 335m处，浓度增加0.09mg/L。在事故工况下，污水处理厂的废水排放浓度高于正常工况，頔塘河道沿程COD浓度增幅较大，排污口上游影响至650m处，COD增加0.42mg/L，增量最大的是排污口下游1 335m处，增加15.08mg/L。頔塘河道沿程NH3-N浓度增幅较大，排污口上游影响至650m处，NH3-N增加0.05mg/L，增量最大为排污口下游1 335m处，增加1.49mg/L。

振浔污水处理厂技改后正常排放情况下，虽然排放废水量增加，但对頔塘沿程水质影响较小，在可控范围内；事故排放工况下，由于排放水体水质明显较差，远超出规定的排放标准，对頔塘沿程水质影响较大。

3 结论

采用MIKE 11水动力水质模型，模拟振浔污水处理厂入河排污口排放污水中COD、NH3-N污染指标在河网中的扩散演变情况，分析入河污染物对论证范围内水质的影响程度和范围。采用实测水质数据和水位数据，保证模型计算的准确性，得到结果显示在正常排放工况下，入河排污口对河道沿线水质的影响有限，水质保持在Ⅲ类，事故工况下，对河道沿线水质影响较大，建议加强工程运行管理，建立应急预案，避免事故工况的发生。本次应用表明MIKE 11水动力水质模型对污染物在河道水体中的扩散模拟具有较强的适用性，能够较为准确地反映水体中污染物的扩散和演变趋势，可以作为入河排污口设置论证中水质影响分析的依据。