钱小娟，肖玉兵，陈 艳

(江苏省水文水资源勘测局南通分局，江苏南通 226006)

长江南通段为感潮河段，受上游地表径流和潮汐的双重影响，使得水流流场、污染物浓度场的变化较复杂，该河段的排污口上下游经常形成一定范围的污染带，因此对该段水流水质的研究只能利用数学模型进行数值模拟［1-2］。

笔者运用二维非恒定水流水质耦合模型，对典型水文条件下长江南通段观音山污水处理厂、开发区第一污水处理厂大型尾水入江整合排污口大小潮期间污染物COD 的浓度场变化规律进行研究，为该江段的退水影响预测提供技术依据。

1 水量、水质模型的建立

1.1 控制方程组

长江南通段江面开阔，水面宽度远远大于其水深，根据水环境特征选用平面二维数学模型进行数值计算，描述平面二维水深平均非恒定浅水方程组如下［3］:

a. 连续性方程

b. 动量方程

c. 水质输运方程

式中:h 为水深;u，v 分别x，y 向垂线平均水平流速分量;ρi为i 处污染物质量浓度;g 为重力加速度;s0x，s0y分别为x，y 向的河底底坡;sfx，sfy分别为x，y 向的摩阻底坡;Dix，Diy分别为x，y 向污染物扩散系数;K 为污染物降解系数;Si为污染物源汇项。

1.2 初始条件及边界条件

1.2.1 初始条件

初始条件为u = u0，v = v0，z = z0(z 为水面高程)，ρ=ρ0。

1.2.2 边界条件

流量及水位边界条件:上边界给定为流量过程，下边界给定为水位过程。

1.3 模型参数的选择

模型参数的选择参照长江南通段的参数率定验证结果，模型糙率选值范围为0.018 ～0.025［4］，深槽糙率小于浅滩糙率。COD 降解系数为KCOD=0.2/d［5］，纵向及横向扩散系数分别取为Dix=60 m2/s，Diy=0.6 m2/s［6］。

1.4 模型的建立与验证

模型采用有限体积法离散微分方程进行数值模拟［7-8］。为了验证模型的可靠性，笔者对长江南通段自2009 年9 月3—5 日大潮和2009 年9 月10—12日小潮过程进行了模拟。该段属非稳态强潮汐河段，模型的上边界选于天生港附近，下边界选于新江海河河口附近，计算区域长约44 km，概化为9 152个网格，9 471 节点，网格单元的边长一般为120 m，时间步长为2 s，利用实测潮位资料作为边界条件。

图1 长江南通段大潮涨、落急流场分布

图2 徐六泾潮位验证结果

图3 流速验证结果

文中分别对大小潮涨急、落急2 个时刻特征进行水流模拟，大潮模拟流场见图1，潮位和流速验证分别为图2 和图3 所示。由图2 可以看出:水位率定误差小于0.1 m 的占80%，仅个别误差超过0.25 m;由图3 可以看出:流速验证的误差小于0.1 m/s 的占70%，除个别点和时刻外，其平均误差小于20%。验证结果表明，流场空间分布基本合理，潮位过程线及流速验证精度较高，说明该模型能够较好地模拟实际水流情况。

2 整合排污口概况

由于南通市给水和排水规划缺乏衔接并且规划相对滞后，使得长江南通段的取水口和排水口布局不合理，最突出的问题表现在长江南通狼山—老洪港饮用水水源、景观娱乐用水区内既有狼山水厂、洪港水厂两区域水厂取水口，还分布着观音山污水处理厂和开发区第一污水处理厂两个大型入江排污口，影响了水源地的供水水质。狼山水厂、洪港水厂现状供水规模为120 万t/d，近期2015 年总取水规模为200 万t/d，是南通市的主要供水水源;而观音山污水处理厂近期尾水排放规模为5.5 万t/d，距离下游洪港水厂取水口4.2 km，位于洪港水厂取水口的准保护区内。另一个开发区污水处理厂近期尾水排放规模为10.3 万t/d，距离下游洪港水厂取水口2.5 km，并在其取水口二级保护区的范围内。针对这一不合理情况，为加强饮用水水源地保护，保障供水安全，南通市人民政府决定将上述两大排污口整合搬迁至下游长江南通第二开发区工业用水区内。观音山污水处理厂、开发区第一污水处理厂整合排污口位置示意图见图4。

3 整合排污口尾水排放的影响分析

3.1 尾水排放源强的确定

观音山污水处理厂、开发区第一污水处理厂整合排污口设置于南通开发区的水山码头下游附近，排放口距岸边约1300 m，-8 m 等深线(85 高程)。正常排放工况下，污染物排放初始源强为15.8 万t/d，ρ(COD)排放质量浓度为50 mg/L。

假设事故工况时，由于观音山污水处理厂和开发区第一污水处理厂分开运行，一般不会同时造成事故，因此典型事故排放源强按照设计进水质量浓度和进水量计算，选择两个污水处理厂中污染物排放量大的源强计算。开发区第一污水处理厂设计规模比观音山污水处理厂要大，因此事故排放源强以开发区第一污水处理厂的事故排放量来计，即事故排放工况下，污染物初始排放源强为10.3 万t/d，ρ(COD)排放质量浓度为500 mg/L。

3.2 设计水文条件的确定

典型年的选取根据大通站多年实测最小月平均流量系列，经频率分析计算得90%保证率的最小月平均流量为7870 m3/s，大通水文站1979 年1 月的平均流量为7 220 m3/s，接近于该流量值。因此确定以1979 年1 月为典型月。选用下游同步潮位过程作为下边界条件。应用一维水动力学模型进行设计水文条件的计算，得到评价区域上、下边界的水位过程，并以此作为计算区域二维水动力模拟的边界条件。

3.3 正常工况时污染物浓度增量模拟分析

图4 拟建排污口位置示意图

计算区域由于受上游径流和下游潮汐的共同作用，水流涨落交替出现，呈明显的双向流特征。污染物排入水体后，受到水流的对流和紊动扩散作用，一方面顺着水流方向纵向输送，一方面向四周横向扩散，在排污口附近形成一扩散混合带，该混合带随着流程的增加，经过扩散和自净的共同作用，污染物浓度不断减小。小潮时由于潮汐动力的减弱，河流扩散能力变小，污染物较大潮的时候不易扩散。

预测结果表明，大潮期间整合排污口COD 质量浓度增量大于0.5 mg/L 的分布范围约为纵向3.94 km、横向660 m;COD 质量浓度增量大于6 mg/L 的混合区分布范围约为纵向330 m，横向120 m。小潮期间COD 质量浓度增量大于0.5 mg/L 的分布范围约为纵向2.97 km，横向740 m;COD 质量浓度增量大于6 mg/L 的混合区分布范围约为纵向760 m，横向350 m。混合区内COD 的质量浓度增量叠加本底值后超出了Ⅲ类水质目标。

整合排污口距离上游江山农化企业取水口为5.8 km，距离下游苏通大桥为3.3 km，正常工况下对江山农化取水口的最大质量浓度增量为0.03 mg/L，叠加本底值后COD 质量浓度为16.03 mg/L，符合Ⅲ类水质目标要求;对苏通大桥的最大质量浓度增量为0.14 mg/L，叠加本底值后COD 质量浓度为12.14 mg/L，符合Ⅱ类水质目标要求。整合排污口搬迁至下游后距离上游老洪港水厂较远，约为9 km，因此在正常情况下不会对老洪港水厂饮用水水源地的水质造成影响。观音山污水处理厂、开发区第一污水处理厂的排污口从长江南通狼山—老洪港饮用水水源、景观娱乐用水区内整合后搬迁至下游长江南通第二开发区工业用水区，这将有效改善洪港水厂、狼山水厂取水口的水质状况，符合水功能区管理要求，具体见表1、图5。

表1 正常工况下污染因子COD 质量浓度增量及扩散范围

3.4 事故工况时水环境影响分析

预测结果表明，大潮期间整合排污口COD 质量浓度增量大于0.5 mg/L 的最大面积为6.23 km2，具体范围在下游3.53 km 左右，上游影响至2.64 km 左右，纵向跨度约6.17 km，横向影响范围在1.58 km以内;COD 质量浓度增量大于10 mg/L 的高浓度区分布范围:大潮期间最大为0.95 km2，具体跨度纵向约2.33 km，横向约540 m。

图5 大潮期间正常排放时COD 质量浓度增量等值线分布

小潮时COD 质量浓度增量大于0.5 mg/L 的最大面积为4.93 km2，纵向总跨度约5.45 km，横向影响范围在1.5 km 以内。小潮时由于水力条件不利于污染物扩散，虽然总的污染物扩散范围小于大潮，但在排口附近形成高浓度污染物中心，COD 质量浓度增量大于10 mg/L 的高浓度区分布范围:小潮期间最大为1.18 km2，具体跨度纵向约2.41 km，横向约650 m。

事故排放将会导致大量高浓度污水排入长江，从而严重影响排口上下游水环境，破坏水生态系统。因此污水处理厂应加强管理，杜绝事故排放，保证污水处理设施正常运行。

4 结 语

笔者根据长江南通段的水动力、污染物输移特征，建立了平面二维非稳态水流水质耦合模型。模型应用无结构网格剖分计算区域，采用有限体积法及黎曼近似解离散控制方程，将二维模拟转化为求解一系列局部一维问题，从而模拟出计算江段典型水文条件下的水流过程和相应的排污口退水污染物输运扩散过程。利用实测资料验证结果表明，无论是流场的整体形态，还是验证点的水位、流速都与实际情况符合较好，模型计算精度较高。利用该模型可进一步预测排污口退水对环境影响范围和程度，为排污口设置论证、环境影响评价，提供技术依据。

采用的四边形网格适合于浅水方程的计算，但该网格在河岸附近边界的贴合不是很好，比较理想网格划分方案的是在河道主槽应用四边形网格，在河岸附近用三角形网格拟合边界，因此在今后的计算研究中可考虑采用四边形-三角形混合网格。

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