老盘江沿岸污水排放方案优化论证数值模拟研究

吴德安，黄国芳，张开鑫，贾子寅，易绍林，3，双风龙

(1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；2.云南省水利水电工程有限公司，云南 昆明 650500；3.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610；4.云南省建设投资控股集团有限公司，云南 昆明 650501)

0 引言

陆良县是我国云南省东部曲靖市下辖县，有“滇东明珠”的美名，地处南盘江上游。随着西部大开发战略的实施和城市化进程步伐的推进[1]，陆良县经济水平大幅提高，城市发展迅速[2]。但是由于陆良县的老盘江水系基础条件较差，存在生活污水和生活垃圾排放引起的严重水质污染等问题[3]。为治理沿河水污染，陆良县水务局根据先行先试、突出重点的原则，实施了南盘江城区段及阎芳河的河道综合整治工程。云南省政府制定了《云南省美丽宜居乡村建设行动计划》[4]，针对农村环境全面处理、解决农业面源污染、改善村庄生态环境等重点工作提出了具体化的目标和措施。在处理农村污水的问题时，设计了集中和分散处理并用的方式。对老盘江两岸直接排入河水的污染源进行控制和处理[5]，进而规划建设污水收集系统和污水处理系统[6-9]。

本研究利用Mike11软件[10]建立老盘江水动力-水质耦合模型，对老盘江排污河流水质影响进行评价[11]，计算分析污水收集处理前后不同入河排污设置方案的水质变化及响应，以及丰水期、平水期、枯水期情况下的河流水质变化响应情况。通过对比确定污水处理最佳方案，为治理老盘江的水质污染和水资源的可持续利用提供科学依据。

1 流域概况与相关数据

1.1 河流水系

如图1所示，陆良县内河流均属珠江流域西江水系，南盘江干、支流共20余条，全长240余km。老南盘江的流域集水面积79.78km2，河长18.80km，河道比降0.4‰。新盘江左岸支流主要有阎芳河、杜公河、麦子河、阿油铺河、庄上河、马家河、谢家河、横水沟、大沙河等。右岸支流主要有板桥河、西华寺河、永清河、张角冲河、麦地沟、干冲河、赫斐河、万家河等。阎芳河流域面积287km2，主河道长18.2km，河道比降0.6‰。

图1 流域水系图

1.2 点源污染

目前老盘江沿岸村庄排水形式多样，沿河有不少房屋由于历史原因，违规建在易受洪水影响的堤防邻侧。这些村民的排水均顺着地面坡度，将污水就近排入河道，沿河有少量管径DN200以下的散户小排污口，污水流量不大，污水直排对水质造成一定程度的污染。根据老盘江沿岸生活污水排放区域两岸的村庄分布情况，拟定设计方案是将两岸的污染物排放设置为如图2所示A—Q的17个片区。污水排放量根据各村庄的人口进行计算，统计的排放量见表1。

表1 老盘江沿岸污水排放量统计

图2 老盘江沿岸生活污水排放区域

根据设计进水指标，取17个片区污水排放水质COD浓度为125mg/L，NH3-N浓度为30mg/L，TN浓度为35mg/L，TP浓度为4mg/L。

1.3 污水处理标准

农村生活污水主要污染物为CODcr、BOD5、TP、NH3-N、SS等。本研究尾水排放口均在老盘江沿岸，其现状水质为Ⅲ—Ⅳ类水，参照GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》，考虑老盘江天然径流规模不大、稀释能力较小，本工程处理出水执行一级A的排放标准，确定污水处理工程的出水标准。根据污水处理站的进、出水水质指标要求，确定污染物处理去除率，具体见表2。

表2 污水处理站进、出水水质指标及其去除率分析表

2 研究方法

根据老盘江河道的相关资料，本研究采用DHI的MIKE 11软件建立老盘江水质模型。河网概化遵循综合考虑防洪排涝与调水改善水环境的原则，既考虑现状工程，又考虑到各阶段规划的河道及水利工程布设，使模型具有可扩展性。河道断面采用2018年的实测断面数据，综合考虑河道边界、河道内突变点、支流汇入点等因素布设断面。老盘江河道长18780m，每隔250m设置一个断面，总共82个断面。用Getdata软件提取断面的形状数据到Excel表格中，再逐一将断面起始距x和河床高程z复制到Mike11断面文件中，最终形成完整的断面文件。

2.1 水力计算边界条件及模型验证

本次模型准备设置3种工况，即5—9月为丰水期，3—4月及10—11月为平水期，12月—次年2月为枯水期，模拟河流1年内的水动力情况。根据实测资料进行合理推算后取值，老盘江上游流量枯水期取0.36m3/s，平水期取0.56m3/s，丰水期取0.66m3/s。老盘江下游边界3种工况的水位及流量见表3。

表3 数值模型3种工况开边界条件

初始水位根据西桥站的水位流量关系取值。模型糙率率定原则为：首先根据行洪河道河床、断面情况，初步确定各河段糙率值，然后分别采用实测水位资料对初步拟定糙率进行验证，并结合渠道断面情况最终确定相关参数，确定老盘江糙率值为0.0275。实测数据有2018年1月5日老盘江的3个实测断面数据，断面1位置为2250m处断面，断面2位置为8750m处，断面3位置为15250m处。模拟数值与实测数值对比如图3—4。

图3 水位验证图

图4 流量验证图

根据水位验证图可知，3个断面的模拟值与实测值都相差很小，相差最大的断面处差值为0.361m，能够满足水位模拟要求。模型流量模拟值与实测值相差最大为0.45m3/s，能够满足流量的模拟要求。

2.2 水动力-水质-生态耦合模型构建与验证

在上述水动力模型验证率定的基础上，建立水动力-水质-生态耦合模型，确定模拟水质及其物理过程，耦合水动力模型并检查质量守恒，率定模型相关参数。

为分析流域内水质演化过程，采用MIKE11模型系统中的对流扩散模块(AD)和水质反应模块(Ecolab)二次开发，获得流域内水质特征，进而模拟分析水质中污染物迁移特点。选用Ecolab中的4级反应模版并自建COD反应模版，对磷、NH3-N和NO3-N等4个有较大影响的污染因子进行模拟。模型模拟时间为2018年1月1日—15日，计算时间步长为30s，空间步长取250～500m不等。利用2018年水质资料对水质模型进行率定，模型率定的主要参数及其率定结果见表4。

表4 模型主要水质参数率定结果

取水动力模型验证中的3个实测断面的污染物浓度与模拟值进行比较。本次模型验证取COD和NH3-N浓度进行验证。验证结果见图5—6。

图5 COD浓度验证图

图6 NH3-N浓度验证图

可见，3个实测断面的数值跟模拟值基本吻合，说明模型适配性好，满足模拟要求，具有可信性。

3 研究结果

污水排放量根据各个村庄的人口进行计算，统计的排放量见表1。取17个片区污水排放水质COD浓度为125mg/L，NH3-N浓度为30mg/L，TN浓度为35mg/L，TP浓度为4mg/L。此种排放方式，定为原始方案。17个片区分别进行污水处理后排放的COD浓度取30mg/L，NH3-N浓度取5mg/L，TN浓度取15mg/L，TP浓度取0.5mg/L，该方案定为方案一。针对老盘江河段污水量排放最大的3个区域设置对应的3个污水处理厂，将沿着河段的17个分区的污水排放点通过建设输水管道集中运输到这3个污水处理口排放，这种处理排放形式定为方案二，该排放方案入河排污口及污水排放量见表5。

表5 方案二入河排污口及污水排放量设置

设置处理后排放的COD浓度取30mg/L，NH3-N浓度取5mg/L，TN浓度取15mg/L，TP浓度取0.5mg/L。根据上述分析，本研究原始方案、方案一和方案二的具体设置见表6。

表6 研究设计给出的3种污水处理排放方案

针对表6所示的3个排放方案进行如表3所列丰水期、平水期、枯水期3种工况开边界条件进行数值模拟研究。由于篇幅所限，平水期模拟结果图不再展示。3种排放方案污水排放后老盘江水质因子沿程分布模拟及分析比较结果如下：

(1)NH3-N

如图7—8所示，老盘江河道河流在丰水期、平水期和枯水期期间NH3-N的浓度在中下游段均属于Ⅳ类水标准，污染物累积量大，水体水质较差。在经过污水处理厂的处理后，丰水期的方案一和方案二的NH3-N的浓度全流域低于1.0mg/L，符合Ⅲ类水标准，在中上游段处于Ⅱ类水的水平；平水期的方案一、二的NH3-N的浓度基本处于Ⅲ类水水平，方案二在里程为17000m时略微超过1.0mg/L，在下游段为Ⅳ类水平；枯水期的方案一和方案二的NH3-N的浓度在从上游到中下游段处于Ⅲ类水类别，由于枯水期流量较小，水位较低，老盘江河流流速较小，污染物降解较慢，同时下游段地表径流等面源污染的输入，使枯水期的老盘江流域的氨氮浓度超标为Ⅳ类水标准。通过上述对比可知，方案二的污水排放方式在中上游段的处理效果优于方案一。但在下游段，方案一的效果却优于方案二。

图7 丰水期NH3-N浓度沿程分布

图8 枯水期NH3-N浓度沿程分布

(2)TN

如图9—10所示，工业污水，生活污水等污水经过污水处理厂的处理后，自河道里程5000m到约10000m之间，丰水期和平水期方案一、方案二的TN浓度基本在1.0mg/L下，为Ⅲ类水标准；枯水期方案二在河道里程为7500m时，为Ⅳ类水水质。但是在河道里程在10000m以后的中下游，由于人口密集，存在工业区、城市化、农业活动等人类活动，可能导致水体受到大量的废水排放、工业排放、农药和化肥的流失的污染，造成水质恶化。不同汛期的不同工况的TN浓度均为劣Ⅴ类水平，老盘江中下游水体受到严重污染。通过对比可知，在地表径流等外源污染输入量过大的情况下，方案一与方案二的污水排放处理效果在TN浓度的处理上差别不大。

图9 丰水期TN浓度沿程变化

图10 枯水期TN浓度沿程变化

(3)TP

基于原始河道生态背景的不同汛期下工况下TP的浓度对比图如图11—12所示，枯水期、平水期、丰水期的方案一、二下TP的浓度基本满足Ⅲ类水水质，老盘江河段的TP水质不超标，处理效果理想。通过上述3图对比可知，方案一的污水排放方式效果在TP浓度的处理上优于方案二。

图11 丰水期TP浓度沿程变化

图12 枯水期TP浓度沿程变化

(4)COD

基于老盘江水系水质背景值的丰水期、平水期和枯水期工况的COD模拟结果如图13—14所示，老盘江河道水系的化学需氧量COD浓度在中下游段下降幅度较大，从Ⅳ类水水准降至Ⅲ类水的水平。不同汛期的方案一与方案二的COD浓度均处于Ⅲ类水水平，部分工况在下游段的COD浓度甚至处于Ⅱ类水标准。中下游河道受到COD的污染影响较小。通过上述2图对比可知，方案一的污水排放方式效果在COD浓度的处理上优于方案二。

图13 丰水期COD浓度沿程变化

图14 枯水期COD浓度沿程变化

综上所述，由4种污染物沿程变化可知，方案一在整个河段任意一点处与原来的污染物浓度相比均降低，均起到了改善水质的效果。将方案一与方案二进行对比，可以发现方案一的污染物曲线均比方案二的污染物曲线更为平缓。虽然方案二在9000～16250m处河段污染物的浓度更低，相比较而言更有优势，但与方案一的差值并不大，方案一在此河道虽然污染物浓度偏大一些，但是影响不大。对比在5500m处，方案二反而使河流水体污染更严重，方案一有一定的优势。另外，考虑到施工难度及处理效率，方案一均是就近收集污水，相对比较方便，工程量小；而方案二是3个集中的污水处理厂，需要建立管道进行污水的运输，并且老盘江流域本就存在收集范围大且各个点量小的情况，对于后续的施工十分不方便。综合考虑，方案一更为稳定和经济，建议选择方案一作为最终的优化方案。

4 水道水质的主要影响因子讨论与引水措施效果评估

4.1 影响整治水道水质的主要因子诊断分析

根据老盘江水质监测成果，参考GB 3838—2002《地表水环境质量标准》对老盘江水质进行水质评价。结果发现COD在老盘江中枢段(中游)和老盘江板桥段(上游)分别为28.9、30mg/L，属于Ⅳ类水，但下游老盘江三岔河段的COD则属于Ⅰ类水。同样，BOD5(五日生化需氧量)在老盘江的上游、中游也属于Ⅳ类水，在下游属于Ⅰ类水。可见，COD与BOD5在老盘江上游、中游污染物含量较高，是老盘江河道的主要污染因子。COD和BOD5浓度超标的原因可能是由于城市、工业或农业活动等人类活动所导致的污染物排放。这些污染物在河道的上游和中游逐渐累积，导致COD和BOD5浓度超标。然而，当这些污染物向下游流动时，它们可能会被自然界中的生物和物理过程处理掉，从而使COD和BOD5浓度下降。自然过程中，微生物会利用水体中的有机物进行代谢，同时物理过程如曝气、沉淀、过滤等也有利于去除这些污染因子。而氨氮在老盘江上游、中游和下游的测量值为0.088、0.216、1.366mg/L，分别对应Ⅰ类水、Ⅱ类水和Ⅳ类水。氨氮浓度自上游到下游逐渐增大，是影响整治水道水质的主要因子。人类活动是造成河道氨氮浓度升高的主要原因之一。农业活动，如施肥、养殖等，以及城市生活和工业活动中的废水排放，可能导致氨氮浓度增加。老盘江河道的高锰酸钾指数和总磷的浓度均在Ⅰ类水，不属于河道主要的污染因子。同时，老盘江水质监测成果中的重金属以及氰化物、挥发酚、石油类和硫化物都符合标准。因此，根据老盘江水质监测数据，影响老盘江整治水道水质的主要因子为COD、BOD5和氨氮。

4.2 河道水质改善引水工程方案水动力、水质改善效果模拟评估

采用水动力、水质浓度改善率指标评价不同方案对盘江水系和老盘江截污排污方案对的水动力水质改善效果。

水质浓度改善率：

(1)

式中，R—水动力/水质浓度改善率；C0i—第i种水动力/水质指标引水前的浓度；Cai—第i种水动力/水质指标引水后的浓度；i—参于评估的水动力/水质指标数量。R值反映引水前后水动力/水质浓度改善的程度，正值为水动力/水质浓度降低，负值为水动力/水质浓度升高。

基于图1所示的河系地形、水文测量资料，构建陆良河系水动力-水质-生态耦合模型，模拟研究采用引水工程改善盘江水系水动力和水质情况。选用枯水期对方案进行模拟，引水闸门设置在新盘江上游，引水规模为10m3/s。

4.2.1水动力分析

枯水期引水后，流速变化见表7。

表7 引水前后流速对照表

由表7可知，在引水后流速变化明显，有了很大的改善。新盘江的流速改善率52.3%；老盘江的流速改善率52.3%；其中，杜公河的流速改善率最高，值为108%；阎芳河的流速改善率最低，仅为9.0%；

4.2.2水质分析

经过上述方案一的排污截污方案处理，并根据污水处理厂的排放标准，处理后排放的COD浓度取30mg/L，NH3-N浓度取5mg/L，TN浓度取15mg/L，TP浓度取0.5mg/L。引水工程开始后，假定引水的水质为二类水，对应的TN、TP、氨氮浓度和COD分别为0.5、0.1、0.33、20mg/L。对枯水期引水前后的河道水质分布变化情况进行模拟研究，老盘江引水前后水质变化如图15—18所示。

图15 枯水期NH3-N引水前后浓度沿程变化

图16 枯水期TN引水前后浓度沿程变化

图17 枯水期TP引水前后浓度沿程变化

图18 枯水期COD引水前后浓度沿程变化

由图可知，与原方案相比引水后的老盘江的污染物浓度(总磷、氨氮和总氮)有明显的改善。根据模拟统计结果，河系引水工程实施后水质变化情况和改善率见表8。

表8 枯水期引水后水质变化情况及其比较

由表可知，在引水后水质变化明显，有了很大的改善。引水的主干道新盘江的效果最好，新盘江的氨氮、总氮、总磷和COD改善率分别为42.4%、44.6%、27.9%和24.9%；老盘江的总磷改善率为28.4%，为引水后改善率最高的指标；白中河的氨氮改善率为25.5%，为引水后改善率最高的指标；魏白河的水质改善率也较高，其氨氮、总氮、总磷和COD改善率分别为38.3%、38.8%、25.6%和13.9%；阎芳河、杜公河的水质改善率效果较低，但也有一定的改善。

5 结语

本研究利用Mike11模型构建老盘江水流-水质耦合模型，针对沿岸污水处理排放情况进行河流水质影响模拟分析研究，最终确定了入河排污排放处理优化方案。

本优化方案水环境整治效果更好，且在经济与施工、操作方面更具优势。本排污处理方案的实施将提升老盘江生态环境，保障河道水质，促进水生态系统恢复，极大改善城乡风貌。

后续研究将在河道综合整治新地形及其生态结构的基础上，建立考虑雨、汇流-面源污染情况下的老盘江河系结构-水质-生态耦合数字孪生数值模型，针对河道排污对水环境影响过程和机制进行更深入、更细致的研究。