趙 海,王志平,顧?？?/p>

(1.富陽(yáng)市水利水電局,浙江 富陽(yáng) 311400;2.浙江廣川工程咨詢(xún)有限公司,浙江 杭州 310020)

1 問(wèn)題的提出

江南新城位于富陽(yáng)市富春江南岸,杭千高速公路以北,包括春江街道、大源鎮(zhèn)和靈橋鎮(zhèn)3個(gè)鎮(zhèn)(街道)部分行政范圍區(qū)域,面積為38.2 km2。影響江南新城水環(huán)境的水系有富春江、洋浦江、大源溪、小源溪和中心渠、紅渠等排水渠道。近年來(lái)由于江南新城的造紙業(yè)快速發(fā)展,水質(zhì)趨于惡化,再加上規(guī)劃的截污納管和污水處理廠未全部實(shí)施到位,現(xiàn)狀一部分未截污納管的工業(yè)廢水、污水處理廠排放的尾水及生活污水通過(guò)管渠分別排入永濟(jì)浦、中心渠、紅渠、洋浦江、大源溪及小源溪等河流,最終流入富春江(見(jiàn)圖1)。為了改善江南新城的水環(huán)境,擬采用MIKE11 AD模型對(duì)江南新城片水環(huán)境進(jìn)行分析研究,確定合理的引水方案。

圖1 江南新城水系圖

2 現(xiàn)狀水系水質(zhì)

江南新城區(qū)域內(nèi)水系——富春江、洋浦江和大源溪均有水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn),監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有pH、總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧、生化需氧量等,監(jiān)測(cè)周期為每年的豐水期、平水期和枯水期。

富春江富陽(yáng)段年過(guò)境水量為336億m3,自?xún)裟芰^強(qiáng),現(xiàn)狀水質(zhì)較好,每年水質(zhì)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)年均值均達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》II類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

大源溪監(jiān)測(cè)斷面位于靈橋鎮(zhèn),主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、總磷、溶解氧。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,近幾年大源溪的常年水質(zhì)污染較重,屬于V類(lèi)水質(zhì)。

中心渠水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為pH、氨氮、CODcr和五日生化需氧量,逢單月監(jiān)測(cè)。中心渠水質(zhì)非常差,歷次監(jiān)測(cè)結(jié)果均為劣V類(lèi)水質(zhì),CODcr和BOD5超標(biāo)嚴(yán)重,其中BOD5的超標(biāo)準(zhǔn)污染系數(shù)最高。

本文的MIKE11 AD模型采用污染系數(shù)最高的2010年BOD5污染物年平均值進(jìn)行分析計(jì)算。2010年各水系BOD5污染物年均值監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 2010年水系BOD5污染物監(jiān)測(cè)年平均值表

3 污水規(guī)模及濃度

江南新城現(xiàn)狀污水來(lái)源主要為未截污納管的生活污水、造紙企業(yè)的工業(yè)污水、農(nóng)業(yè)面源污染、底泥污染和污水處理廠的尾水等。

江南新城范圍內(nèi)現(xiàn)有3座污水處理廠,其中春南污水處理廠規(guī)模為25.0萬(wàn)m3/d,八一污水處理廠規(guī)模為15.0萬(wàn)m3/d,新盈嘉水務(wù)有限公司規(guī)模為15.0萬(wàn)m3/d。大源污水處理廠目前正在建設(shè)中,規(guī)模為10.0萬(wàn)m3/d。

現(xiàn)狀截污納管率,除八一污水處理廠處理范圍的截污納管率為95%,其余區(qū)塊只有80%,遠(yuǎn)期規(guī)劃整個(gè)江南新城截污納管率達(dá)100%。近期污水總量79.4萬(wàn)m3/d,遠(yuǎn)期由于富陽(yáng)市造紙產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的優(yōu)化調(diào)整,污水排放總量減少到65.0萬(wàn)m3/d。污水處理規(guī)模匯總見(jiàn)表2。

表2 污水處理規(guī)模表 萬(wàn)m3/d

對(duì)本文模型計(jì)算起主要作用的BOD5污染物濃度:未截污納管的生活污水220 mg/L,未經(jīng)過(guò)污水處理廠的工業(yè)污水300 mg/L,污水處理廠出來(lái)的尾水20 mg/L。模型中初始BOD5污染物濃度分近、遠(yuǎn)期考慮(見(jiàn)表3)。

表3 近、遠(yuǎn)期模型中初始BOD5污染物濃度表mg/L

4 MIKE11 AD(Advention-Dispersion)模型簡(jiǎn)介

MIKE11河流模型采用的是水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型 (HD),該模型可以根據(jù)不同地區(qū)的水流條件及亞臨界水流,對(duì)從陡峭山區(qū)性河流到感潮河口的各種垂向均質(zhì)水流條件進(jìn)行模擬。MIKE11 AD模塊是基于MIKE11 HD對(duì)物質(zhì)在水體中對(duì)流擴(kuò)散過(guò)程的模擬,該模型考慮污染物的對(duì)流擴(kuò)散與線性降解,是一種簡(jiǎn)單的水質(zhì)模型。其基本方程為:

式中:C為污染物濃度,mg/L;D為污染物彌散系數(shù);A為斷面過(guò)水面積,m2;Q為流量,m3/s;K為降解系數(shù),s-1;C2為污染物的點(diǎn)源濃度,mg/L;q為污染物的點(diǎn)源流量,m3/s;x為空間步長(zhǎng),m;t為時(shí)間步長(zhǎng),s[1-2]。

5 MIKE11 AD模型計(jì)算

5.1 模型的建立

影響江南新城水環(huán)境的主要水系有富春江、洋浦江、大源溪和中心渠等排水渠道,由于中心渠作為附近各造紙廠集中輸往春南污水處理廠的排污渠,水質(zhì)很差,BOD5污染物濃度是大源溪的33倍。故現(xiàn)狀在連通大源溪的溝渠上設(shè)有水閘(模型矩形框表示水閘)。江南新城MIKE11 AD模型水系概化見(jiàn)圖2[3]。

圖2 江南新城MIKE11 AD模型水系概化圖

5.2 水質(zhì)改善方案計(jì)算分析

為改善江南新城的水環(huán)境,在截污納管、清除底泥和減少面源污染等工程措施的基礎(chǔ)上,不引水方案,用模型計(jì)算分析水環(huán)境改善效果;引水方案,用模型計(jì)算分析改善水環(huán)境達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)所需的最佳引水流量。

5.2.1 引水路線

江南新城地勢(shì)平坦,各水系相互連通,使得從江南新城西側(cè)富春江上游引優(yōu)質(zhì)水,經(jīng)江南新城,沖淡、稀釋和凈化江南新城范圍內(nèi)水環(huán)境惡化的水體,再排入江南新城東側(cè)富春江下游,最終經(jīng)富春江使江水稀釋和凈化成為可能。具體線路是從富春江抽水入洋浦,向東輸水,進(jìn)入中心渠、新震龍浦、南浦、新縱浦、永濟(jì)浦和沙田浦,向東經(jīng)西閘排澇站和震龍排澇站入大源溪,再匯入富春江,向北經(jīng)永濟(jì)排澇站和南浦排澇站入富春江。

5.2.2 改善水質(zhì)目標(biāo)

現(xiàn)狀江南新城片內(nèi)水系水質(zhì)不符合其水環(huán)境功能要求,根據(jù)江南新城各水系功能區(qū)的劃分及現(xiàn)狀水質(zhì)條件,本文改善江南新城大源溪片水環(huán)境的水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類(lèi),BOD5濃度為4.00 mg/L;改善中心渠片水環(huán)境的水質(zhì)目標(biāo)分2步:近期Ⅴ類(lèi),BOD5濃度為10.00 mg/L;遠(yuǎn)期Ⅲ類(lèi),BOD5濃度為4.00 mg/L。

5.2.3 水質(zhì)改善分析方案

根據(jù)是否引水,分為引水和不引水。引水方案,根據(jù)時(shí)間分為近期引水、遠(yuǎn)期引水。分析各方案對(duì)江南新城水環(huán)境的改善效果,確定最優(yōu)的引水方案。BOD5綜合衰減系數(shù) K1=0.65/d。各方案見(jiàn)表4。

5.2.4 水環(huán)境改善效果分析

根據(jù)上述方案,采用MIKE11 AD模型計(jì)算,選取2條江南新城最長(zhǎng)且比較重要的水系——中心渠、大源溪,并在其沿程選取代表點(diǎn),以其水質(zhì)濃度變化分析該片區(qū)的水環(huán)境改善效果。

5.2.4.1 不引水方案

模型計(jì)算首先分析在不引水的條件下,近、遠(yuǎn)期水質(zhì)改善效果。模型計(jì)算各代表點(diǎn)水質(zhì)濃度見(jiàn)表5。

表4 水質(zhì)改善分析方案

表5 不引水方案各代表點(diǎn)BOD5濃度表 mg/L

由表5可見(jiàn),在不引水情況下,近期采用消減面源污染、清除底泥等工程措施,各渠道、河流水質(zhì)有一定的改善,但由于污染物排放量的削減力度不夠,各渠道、河流水質(zhì)遠(yuǎn)未能達(dá)標(biāo),需在此基礎(chǔ)上繼續(xù)加大消減污染物力度和采取工程引水措施;遠(yuǎn)期江南新城100%全部截污納管情況下,各渠道、河流水質(zhì)都能得到明顯改善,大源溪水質(zhì)甚至可以保持Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),達(dá)到功能區(qū)要求。對(duì)中心渠的水質(zhì)改善最明顯,污染物濃度降低至現(xiàn)狀的約1/8,但中心渠因?yàn)闆](méi)有新鮮水補(bǔ)充,水質(zhì)很難從根本上改善,且渠道沿岸仍有一些面源污染流入,導(dǎo)致中心渠水質(zhì)仍未能達(dá)到城市景觀Ⅴ類(lèi)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

5.2.4.2 引水方案

不引水情況下,大源溪近期不能滿足水質(zhì)目標(biāo),還是必須采取引水措施,遠(yuǎn)期通過(guò)100%截污納管、消減40%面源污染和清除底泥,同時(shí)有大源溪上游山區(qū)來(lái)的溪流,可以保障大源溪的水質(zhì)達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)。中心渠不論近期、遠(yuǎn)期都需要引水。下面采用MIKE11 AD模型計(jì)算各種引水流量條件下的關(guān)注點(diǎn)水質(zhì),確定合理的引水流量。

近期引水,考慮中心渠和大源溪,現(xiàn)狀和目標(biāo)水質(zhì)相差較大,計(jì)算開(kāi)始水閘關(guān)閉,主要改善中心渠水質(zhì),各代表點(diǎn)水質(zhì)濃度見(jiàn)表6;打開(kāi)水閘,連通整個(gè)江南新城片區(qū),改善整個(gè)江南新城的水環(huán)境,各代表點(diǎn)水質(zhì)濃度見(jiàn)表7。

表6 近期中心渠引水方案各代表點(diǎn)BOD5濃度表(水閘關(guān)閉)

由表6可知,水閘關(guān)閉,引水對(duì)中心渠的改善作用很大,引水流量10 m3/s時(shí),能明顯改善中心渠的水質(zhì),將中心渠的BOD5濃度從約120 mg/L降低至約9.20 mg/L,幅度很大,并且達(dá)到了中心渠Ⅴ類(lèi)的目標(biāo)水質(zhì),繼續(xù)加大引水流量至40m3/s時(shí),中心渠水質(zhì)就能達(dá)到Ⅲ類(lèi)。由于水閘的隔斷,引水對(duì)大源溪沒(méi)有任何改善。

表7 近期引水方案各代表點(diǎn)BOD5濃度表 (水閘開(kāi)啟)

由表7可知,近期水閘開(kāi)啟后,引水流量10 m3/s,中心渠達(dá)到Ⅴ類(lèi)目標(biāo)水質(zhì),水閘的開(kāi)啟,連通了各水系,使得大源溪的水質(zhì)反而惡化到Ⅴ類(lèi),繼續(xù)加大引水流量至40 m3/s時(shí),整個(gè)江南新城片水環(huán)境則全部改善至Ⅲ類(lèi)目標(biāo)水質(zhì);遠(yuǎn)期大源溪靠上游溪流可以達(dá)到目標(biāo)水質(zhì),引水主要改善中心渠水質(zhì),模型中水閘關(guān)閉,模型計(jì)算各代表點(diǎn)水質(zhì)濃度見(jiàn)表8。

表8 遠(yuǎn)期中心渠引水方案各代表點(diǎn)BOD5濃度表

由表8可知,從富春江引水流量只需5 m3/s即可將江南新城水質(zhì)改善至Ⅲ類(lèi)目標(biāo)水質(zhì),若引水流量加大至10 m3/s,還可以開(kāi)閘改善大源溪片水環(huán)境。

綜上所述,近期引水,若要將整個(gè)江南新城片全部改善至Ⅲ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo),則從富春江引水流量需40 m3/s,顯然不現(xiàn)實(shí),所以采取近期合理引水流量10 m3/s,水閘關(guān)閉,只改善中心渠水質(zhì),中心渠水質(zhì)能夠達(dá)到Ⅴ類(lèi)目標(biāo)水質(zhì)。遠(yuǎn)期引水在100%截污納管的情況下,合理引水流量5 m3/s即可將江南新城水質(zhì)改善至Ⅲ類(lèi)目標(biāo)水質(zhì)。

6 結(jié)語(yǔ)及建議

為改善江南新城片水環(huán)境,采取截污納管、底泥清除、減少面源污染、工程引水等措施都是必須的,而且當(dāng)截污納管率達(dá)到100%時(shí),不需引水,大源溪基本可以維持Ⅲ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo),由此可見(jiàn)截污納管是改善水環(huán)境的根本。

不引水的情況下,大源溪因有上游溪流的補(bǔ)充,近期上游震龍排澇站和遠(yuǎn)期整個(gè)大源溪水質(zhì)可達(dá)到Ⅲ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)。

通過(guò)近期合理引水流量、水閘關(guān)閉,先改善中心渠水質(zhì),使其達(dá)到Ⅴ類(lèi)目標(biāo)水質(zhì);大源溪水質(zhì)則維持上游段Ⅲ類(lèi),下游Ⅳ類(lèi)。

模型計(jì)算時(shí),對(duì)富春江、大源溪和中心渠水質(zhì)BOD5含量均取年平均值,當(dāng)水質(zhì)劣于平均值時(shí),引水效果略差。因此,建議引水流量適當(dāng)大于計(jì)算結(jié)果。

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