谭 超，胡 培，肖 洵，罗志发

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510610；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510610；3.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 510610)

0 引言

随着工业和城市化的发展，城市河道作为居民生活和产业排放的主要接收区，面临着严重的水污染问题。排污口是陆源污染物进入水环境的主要通道，通过对排污口及其污染特征的全面排查，有助于确定影响流域水污染现状的主要因素[1-3]。入河排污口布局和整治对于保护水体生态环境和维护人类健康至关重要，合理排污口布局能够使污染物更好地被稀释和扩散。通常开展入河排污口布局需要综合考虑水体环境、水动力特性、水质要求以及生态保护等因素，建立水动力-水质耦合模型，通过数学模拟预测污染物在水体中的传输、扩散和转化过程，模拟不同排污口布局对水体的影响[4-6]。然而，感潮河段的水动力与水质关系复杂，通常存在不同时间尺度的潮汐和水流变化[7]。因此，需要开发耦合模型将不同尺度的水动力过程与污染物输移过程相结合，准确模拟水流和污染物的输移过程[8-10]。国内虽有水动力-水质模型应用于入河(海)排污口的研究[11-14]，但在感潮河段的应用较为有限，缺乏完整的模型体系和实际案例。本研究旨在探讨水动力-水质模型在感潮河段纳污计算与排污口整治中的应用，为解决感潮河段水污染问题提供新的视角和方法，实现水体污染控制目标。

1 区域概况

1.1 感潮河道特征

感潮河段是指河口至潮区界的河段。其典型特征是：①水文条件波动大：流量及水位受潮汐影响较大；②盐度梯度差异高：常伴随着淡水与海水的交汇，形成较大的盐度梯度；③生态污染敏感性强：感潮河段的生态系统通常对污染较为敏感，排放污染物可能引起生态灾害。因此，需要准确地模拟感潮河道水动力条件对污染物排放的影响，以便更加合理地设置排污口。

1.2 区域特征

基于上述感潮河道特征，选择西北江三角洲河段顺德支流作为研究区域(如图1所示)。顺德支流位于广东省佛山市顺德区，研究区段自顺德三届庙至顺德沙头，总长度21km。顺德支流的水位和流速存在明显的周期性变化，符合典型感潮河段的基本特征(如图2所示)。所在水功能区为顺德支流容奇工业用水区，主导功能为工业，水质管理目标Ⅳ类。顺德支流上游为甘竹溪，所在水功能区为甘竹溪勒流饮用、渔业用水区，水质管理目标为Ⅲ类；下游流入容桂水道容奇工业用水区，水质管理目标为Ⅱ类(见表1)。

图1 顺德支流入河排污口示意图

图2 各站点水位和流量过程验证成果

表1 研究区域范围及其所属的水功能分区

1.3 排污口现状

根据2007年广东省水文局入河排污口调查结果及广东省水利普查结果，研究区域现有入河排污口24个(如图1所示)，均为企业入河排污口，行业覆盖金属电镀、食品加工、印染纺织、电子原件等，排放方式均为连续，化学需氧量(COD)年入河排放量为5727.02t，氨氮年入河排放量为633.12t。这些数值反映出顺德支流的污水排放对水体质量的中度影响[15]。

2 感潮河网区水动力-水质耦合模型的建立与验证

2.1 边界条件

2.1.1模拟范围

珠江三角洲是我国感潮河网的典型区域，其水动力条件既受上游河道下泄径流的影响，也受下游潮流的作用，本研究选取珠江三角洲中的西北江三角洲河网区作为模拟范围，对西北江三角洲东四口门及灯笼山断面以上的河网水系进行概化，建立河网区一维水动力-水质耦合数学模型。其中，河道地形资料读取自1999-2009年测量的1/5000河道地形图。

2.1.2模型输入边界

模型上游主要流量控制边界(如图1所示)为北江的石角、西江的高要，根据GB/T 25173-2010《水域纳污能力计算规程》[16]，采用90%保证率最枯月平均流量作为边界输入；模型其它流量边界包括百岭涌、九曲河、白坭河、流溪河、里水、雅瑶、高明河等，采用流域产汇流计算方法以及流域内用水量调查，按水量平衡原理计算得到；模型下游水位控制边界为黄埔(珠江广州河段)、三沙口(沙湾水道)、南沙(蕉门水道)、冯马庙(洪奇沥)、横门(横门水道)、灯笼山(磨刀门水道)、石咀(潭江)、黄金(鸡啼门水道)、西炮台(虎跳门水道)、黄冲(银洲湖)，采用2001年枯季2月7日-15日的实测潮位过程线为边界水文过程；各河流的水质边界，采用水功能区划中的水质控制目标水质作为边界输入(见表1)。

2.1.3模型计算的时空步长

模型计算时间步长为10min，空间步长根据计算断面间距的不同设置为500～2500m不等，其中，对本次重点研究河段(顺德支流)河流断面进行加密，平均200m设置一个断面。

2.1.4水质控制因子

根据纳污能力计算的项目和指标的要求，结合广东省水质的评价、入河排污口调查等已有的数据资料，确定本次模型计算中水质控制因子为COD和氨氮。

2.1.5纵向分散系数

纵向分散系数Ex随水流条件而变化，由于平原河网水流变化复杂。Ex的变化范围可达几个数量级，用不变的Ex值计算会带来较大的误差。因此，对不同的河道取不同的值。对某一微段有：

(1)

2.1.6污染物衰减系数

根据污染物衰减的基本规律，采用与流速相关的污染物衰减系数进行模型计算，COD和氨氮的衰减系数分别按式(2)和式(3)进行计算：

kCOD=0.0661v+0.0110

(2)

(3)

2.2 模型验证

以1999年12月16日14：00-12月24日16：00的西北江三角洲同步水文测验资料进行模型参数率定，上游边界石角、高要采用实测流量过程，下游边界采用同期实测潮位过程。珠江三角洲的河床糙率范围为0.016～0.035[17-18]，在此基础上通过计算调试率，确定西北江三角洲河网区枯水期河道糙率在0.016～0.044之间。取青岐站、蚬沙站、三水站和马口站为验证站点，采用2009年10月18日20：00-11月3日20：00的西北江三角洲同步水文测验资料对经参数率定的模型进行验证，各验证点的水位(珠江基准面)和流量计算结果与实测过程的比较如图2所示。

结果显示，这4个站潮位过程的相位计算与实测基本一致，青岐站、蚬沙站、三水站和马口站分别有76%、71%、66%，以及70%的计算时段相对误差小于30%；青岐站潮位平均绝对误差为0.06m，蚬沙站潮位平均绝对误差为0.04m，三水站潮位平均绝对误差为0.07m，马口站潮位平均绝对误差为0.06m；青岐站潮位有86%计算时段偏差小于0.1m，蚬沙站潮位有93%计算时段偏差小于0.1m，三水站潮位的计算误差稍大，潮位有75%的计算时段在0.1m内，而马口站潮位偏差有86%的计算时段在0.1m内；青岐、蚬沙、三水、马口4站水位的最大绝对误差分别为0.28、0.21、0.29、0.19m。

青岐站流量有68%的计算时段相对误差小于30%，峰值流量有96%的计算时段相对误差均小于20%，但谷值流量相对误差更大，有61%的计算时段谷值相对误差在30%以内；蚬沙站流量有48%的计算时段相对误差小于30%，峰值流量有93%的计算时段相对误差均小于20%，谷值流量相对误差有75%的计算时段在30%以内，谷值流量计算值与实测值之间的偏差比峰值的略大一些；三水站峰值流量有97%的计算时段相对误差均小于30%，谷值流量有71%的计算时段谷值相对误差在30%以内；马口站峰值流量有79%的计算时段相对误差均小于30%，谷值流量有71%的计算时段谷值相对误差在30%以内。

总体来说，4个验证点的水温和流量过程的计算值与实测值的逐时变化趋势基本相同，模型能够较为准确模拟潮汐水动力影响下的污染物输移过程。

3 纳污能力计算与排污口整治研究

3.1 排污口不同概化方式

概化方式是指将排污口的实际情况进行简化、归纳和统计，以便于模型分析和计算。不同的概化方式可能导致不同的计算结果。

本研究采用一维水动力-水质模型，通过排污口输入排污量进行试算，求得满足上下游水功能区水质目标的最大排污量，即是本河段的纳污能力。选取上、中、下游共计6个断面输出水质计算结果。其中，上游断面水质须满足甘竹溪勒流饮用、渔业用水区水质目标的要求(即断面1COD限值标准为20mg/L，氨氮限值标准为1.0mg/L)，下游断面水质须满足容桂水道容奇工业用水区水质目标的要求(即断面6的COD限值标准为15mg/L，氨氮限值标准为0.5mg/L)。在纳污能力试算过程中，由于不同排污口排污量的组合方式过多，本次以排污口实际排污量为基准，对排污量统一进行同比缩放，以此计算河流纳污能力。

3.1.1集中概化

排污口的集中概化是将计算河段内所有排污口概化为一个集中点源，且假设污染物通过这个集中点源排到水体中。本次研究将顺德支流的排污集中到中游排污口(如图3(a)所示)。

图3 排污口不同概化方式及最大排污量模拟结果

3.1.2均匀概化

排污口的均匀概化是将排污口在计算河段内沿程均匀分布对于计算河段而言，均匀概化或许存在偏差，但从统计、规划的观点来看，能够综合反映计算河段污染物排放的平均状态。本研究均匀概化为10个排污口(如图3(b)所示)。

3.1.3按实际排污口概化

由于现状顺德支流已经有24个排污口，无论是集中概化还是均匀概化都与实际情况有一定的差异。通过对实际排污口的分布模式的调查(如图1所示)，按实际情况概化为6个排污口(如图3(c)所示)开展计算。

汇总本次研究过程中3种不同排污口概化方式的纳污能力计算结果及各水质断面最大水质浓度(见表2-4)。由模拟结果可知，在对顺德支流纳污能力计算过程中，对排污口进行集中概化得到的纳污能力最大，其中，COD纳污能力为16688.43t/a，氨氮纳污能力为660.41t/a。与排污口集中概化相比，均匀概化的排污口河流整体水质比较稳定、均匀，但纳污能力计算结果较小，其中COD纳污能力偏小14.9%，氨氮纳污能力偏小18.1%。

表2 排污口不同概化方式模拟结果(COD最大值) 单位：mg/L

表3 排污口不同概化方式模拟结果(氨氮最大值) 单位：mg/L

表4 排污口不同概化方式纳污能力计算结果 单位：t/a

根据实际排污口进行概化计算得到的纳污能力最小，COD纳污能力为11220.60t/a，氨氮纳污能力为437.94t/a。这与排污口的布局方式与排放量有密切的关系，由于顺德支流实际排污口多位于河流下游，且下游排污口污染物排放量较大，污染物排放后经过稀释、自净的时间较短便进入下游水功能区，因此，据此概化的排污口所允许排放的污染物量较小。

3.2 排污口不同布局设置

布局方式是指排污口在河道中的分布情况。不同的布局方式会影响污染物在河道中的输移和扩散，从而影响纳污计算。

与单向河道不同，珠江三角洲河网区受感潮影响，水动力条件较为复杂，所以本次布局上、中、下游不同的排污口，研究排污口不同的布局设置对纳污能力的影响。将顺德支流的排污口分别布局到河道上游(如图4(a)所示)、中游(如图4(b)所示)和下游(如图4(c)所示)的位置并进行概化，利用数学模型，采用试算法进行纳污能力计算。同时，考虑到计算结果的对比，将上下游水质控制目标均按Ⅱ类水质进行控制(即断面1、断面6的COD限值标准为15mg/L，氨氮限值标准为0.5mg/L)。

图4 排污口不同布局设置及最大排污量模拟结果

汇总本研究中3种不同排污口布局设置方式的纳污能力计算结果及各水质断面最大水质浓度(表5-7)。由模拟结果可知，排污口设置于河流中游区域，计算得到的纳污能力最大，其中，COD纳污能力为19611.94t/a，氨氮纳污能力为734.12t/a。

表5 排污口不同布局设置模拟结果(COD最大值) 单位：mg/L

表6 排污口不同布局设置模拟结果(氨氮最大值) 单位：mg/L

表7 排污口不同布局设置纳污能力计算结果 单位：t/a

这可能是由于顺德支流受感潮河流的影响，水体呈现往复运动，因此，布置于上游和下游的排污口容易对邻近区域的水功能区造成影响，纳污能力计算结果小于中游布置的排污口，COD纳污能力计算结果分别小28.2%和47.1%，氨氮纳污能力计算结果分别小33.2%和45.0%。

3.3 排污口不同排放方式

排放方式是指污染物从排污口进入河道的方式。不同的排放方式会影响污染物的浓度分布和输移速度，从而影响纳污计算。

一般概化排污口采用连续排放，其污染物排放量是稳定的，但实际排污口也存在间歇排放方式。为了分析污染物间歇连续排放与连续排放对水体纳污能力的影响，在排污口集中概化排放(如图3(a)所示)的基础上，分别设置排污口污染物排放量为3h的时间间隔(即污染物连续排放3h，停止排放3h，再继续排放)，6h的时间间隔，12h的时间间隔和24h的时间间隔，计算结果如图5所示。

图5 排污口不同排放方式的最大排污量模拟结果

汇总本研究中4种不同排放时间间隔的纳污能力计算结果以及污染物连续排放的纳污能力计算结果(见表8，如图6所示)。结果表明，6h的排放间隔计算得到的纳污能力最大，COD和氨氮纳污能力分别为19953.90、784.12t/a，大于排污口连续排放计算得到的纳污能力；在排放间隔为24h时，

图6 排污口不同排放方式纳污能力计算结果

表8 排污口不同排放方式纳污能力计算结果 单位：t/a

计算得到的纳污能力最小，COD和氨氮纳污能力分别为13603.95、517.01t/a，分别小于排污口连续排放计算结果的18.5%、21.7%。

污染物排放间隔的变化导致水体纳污能力发生变化，主要是由于污染物排放时间间隔，影响了污染物在水体的稀释和自净。在污染物排放间隔小于12h时，顺德支流的纳污能力有所提高。时间间隔较小时，污染物能够充分利用排污间歇时间进行降解，从而获得更大的纳污能力。

4 结语

感潮河网地区受潮汐影响，河流水体呈往复运动。研究表明，排污口集中概化的纳污能力最大，按实际排污口概化的计算值最小；上、下游布置排污口易影响邻近水域，纳污能力低于中游排放；间歇排放能利用时间降解污染物，纳污能力高于连续排放。然而，本研究仅考虑了化学需氧量和氨氮两个典型污染指标，污染物类型多样性在研究中难以全面涵盖，可能影响计算准确性和结果普适性。此外，由于感潮河段生态环境的脆弱性，纳污能力计算和排污口整治工作需考虑生态环境变化所带来的影响。今后应综合更多环境因素，进一步提高模型精确度和实际应用性。