万家寨引黄北干线桑干河道水质模拟与控制研究

万家寨引黄北干线桑干河道水质模拟与控制研究

山西省万家寨引黄工程是解决山西省太原、大同、朔州市工业、生活用水问题的大型引水工程。其中，桑干河航道南北线路总长260.6公里，面积167748.71公里。他们通过大同、朔州、山阴和怀仁向北京输送水。引黄北干线工程的建设对全国重要的煤电基地的建设、地区经济的发展、实现供水区地下水采补平衡、改善和保护当地生态环境、提高人民生活质量都具有重要意义。河道输水方案与管线输水方案相比具有投资低、改善河道水生态环境等明显的优势,输水河道沿河分布有县、乡(镇)生活污水和工业污水排放源,存在输水水质保证的问题,因此,分析桑干河的水质特征及北干线建成以后输水河道不同河段水质的变化趋势,对北干线输水工程水质安全、流域的污染控制具有着现实的指导意义。1河道排污口概况本次水质模拟研究的输水河道自1#隧洞出口至册田水库入口,主要取水口有山阴取水口和怀仁取水口两处;河道排污口自上而下分别有:太平窑排污口、山阴排口、应县排口、怀仁排口、御河入桑口和坊城河入桑口,各排污口现状排污量分别为1.02、0.14、0.18、0.28、1.59和0.10m3/s,根据输水河道输水线路取水口、排放口的分布特点等可将河道分段并概化(图1)。2建立城市河流和水库水质模型的原则由于输水河道河流与水库相间,难以采用同一个水质模型对其进行模拟,故在研究过程中,根据河流和水库特性,分别选择建立相应的河流与水库的水质模型。2.1模拟因子选取输水河道主要河段从太平窑水库出水口开始至册田水库入口为止,属宽浅小型的河流,因此,该河道采用一维多河段水质模型进行分析水质模拟。选取COD、NH3-N和DO作为模拟因子,其模型为:式中:L⃗L→C2为断面向下游输出的COD浓度;L⃗L→N2为断面向下游输出的NH3-N浓度;O⃗Ο→2为每一个断面向下游输出的DO浓度;L⃗L→C为由结点输入河流的COD浓度;L⃗L→N为由结点输入河流的NH3-N浓度;UC为河流COD稳态响应矩阵;UN为河流NH3-N稳态响应矩阵;VC、VN为河流DO的稳态响应矩阵。2.2csh+h/twcp的计算采用箱式完全混合模型中的沃伦威德尔模型来进行水质模拟。该模型为:Cp=Lcsh+h/twCp=Lcsh+h/tw(2)式中:Cp为污染物的平衡浓度(mg/L);tw为水库的水力停留时间(a);s为污染物的沉淀速度常数;h为水库的平均水深(m);Lc为水库的单位面积营养负荷(g/(m2·a))。2.3河道cod及氨氮衰减速度常数kn(1)水文参数:①河道参数有干流总长260.6km,平均水深0.4594m,平均河宽85m,河道平均纵坡3.3‰;②水库参数有东榆林水库长度约9.2km,总库容6.5×107m3,本底浓度采用Ⅰ类水质标准浓度。(2)采用类比法确定COD衰减速度常数KC和氨氮衰减速度常数KN,已有的研究成果表明,海河流域山西区域KC与KN分别为0.5～0.8d-1,结合研究河道自身的自然特性及污染物浓度,确定引黄北干线输水河道各河段的COD衰减速度常数KC和氨氮衰减速度常数KN;大气复氧速度常数Ka的确定采用欧-道经验公式求解大气复氧速度常数Kaa。各参数确定结果见表1。3河道洪水路线及情景从保证取水水质的目标出发,采用系统分解的方法将整个研究河道输水路线分解为3个河段并设置3个情景进行研究,分别为太平窑水库—山阴取水口河段、山阴取水口—怀仁取水口河段和怀仁取水口—册田水库入水口河段。3.1场景13.1.1截面质量模拟在引黄水质最不利(不考虑神头泉水量),即在3月份其输入水量为10.19m3/s、COD浓度为40.6mg/L、氨氮浓度为2.36mg/L时,沿程所有排污口不变的情况下,模拟山阴、怀仁2个取水口断面的水质,预测河道输水对河道下游的取水口造成的影响,按照公式(1)、(2)对各断面水质进行模拟。情景1的各断面水质模拟结果如表2所示。3.1.2污染物排放量控制由模拟结果可知,在引黄水质最不利的情况下,山阴取水口断面上COD浓度为16.58mg/L,小于20mg/L,氨氮的浓度为1.42mg/L,大于1mg/L,其水质达不到地表水Ⅲ类标准的要求,需要将上游排污口的污染物排放量进行削减,以保证饮水安全;怀仁取水口水的COD和氨氮的浓度达到地表水Ⅲ类标准的控制要求,对于这一河段上的排污口无需进行任何控制即可保证怀仁取水口的饮水安全。3.2场景23.2.1河段接收点水质该情景研究的输水河段为山阴取水口至怀仁取水口河段,考虑在输水河段接纳上游河段山阴取水口流量为8.71m3/s,山阴取水口断面水质达地表水Ⅲ类标准时,山阴排污口、应县排污口正常排污的情况下,模拟怀仁取水口断面的水质。情景2水质模拟结果如表3所示。3.2.2排污水质控制措施由模拟结果可知,当山阴取水口水质达地表水Ⅲ类标准时,山阴、应县排污口现状排污情况下,怀仁取水口断面水质较好,COD和氨氮的浓度都大大低于地表水Ⅲ类标准的浓度限值,因此,在现状条件下山阴取水口至怀仁取水口河段间的排污口水质无需进一步控制。3.3场景33.3.1神头水量小的情况该情景研究的对象为怀仁取水口至册田水库入口河段,在引黄水质最不利(不考虑神头泉水量)的情况下,即输水河段上游怀仁取水断面河流流量为7.7m3/s,保证怀仁取水口断面达Ⅲ类标准并且怀仁排口、御河入桑口和坊城河入桑口正常排污的条件下,模拟册田水库入口断面的水质。情景3水质模拟结果如表4所示。3.3.2水质及污染物降解根据情景3水质模拟结果得出,当怀仁取水口有引黄水,并且出水水质达Ⅲ类标准时,污染物COD在怀仁取水口的混合浓度较低,降解较快,经降解后满足水质标准;而氨氮降解比较缓慢,经河道降解之后仍未达标,需要在册田水库进一步降解并控制上游排污口排放量。4流量控制针对水质模拟结果,应用反演的思想,分段对输水河道水质进行计算。4.1水质控制结果该情景主要研究河段为太平窑水库出水口至东榆林水库出水口这一输水河段,在引黄水质最不利的条件下,引入神头泉水量(神头泉水量为4.51m3/s),以东榆林水库出水水质达地表水Ⅲ类标准为控制目标,采用沃伦威尔反演模型模拟太平窑水库出水水质情况,以确定太平窑水库出水的控制要求。情景4水质控制结果如表5所示。由控制结果可知,要保证东榆林水库出水水质达到地表水Ⅲ类标准,要求太平窑水库的出水水质中氨氮浓度不超过4.00mg/L,因此,要对氨氮的排放量进行削减,COD排放量无需作任何控制。4.2种子情景分析情景5的主要控制对象为册田水库上游的怀仁排口、御河排口和坊城河排口污水水质,以保证册田水库出水水质达地表水Ⅲ类标准。由于上游3个排污口的取舍方式有多种可能性,因此,根据实际情况分为3种子情景进行分析。根据不同子情景下不同的排污量,计算判断子情景的合理性,并提出相应的控制措施。4.2.1排放口均排污时cod该情景考虑上游3排口均存在的情况下进行的水质控制。利用册田水库入水水质要求控制3个排口的出水水质,按照册田水库大同取水口Ⅲ类水质标准,确定册田水库入库水质要求COD≤60mg/L,氨氮≤3mg/L。结果表示:当3个排口均排污时,各排放口的污染物COD到达册田水库时的水质可满足水质要求;而各排污口的氨氮浓度均超标,并且氨氮降解比较缓慢,经河道降解之后仍未达标。因此,考虑减小各排污口的氨氮浓度,将怀仁排口、御河入桑口及坊城河入桑口的氨氮浓度分别控制在5、6和5mg/L以下,以满足册田水库出水水质要求。4.2.2河道降解前后水质指标该情景为上游只有怀仁和御河两排口存在时,按照册田水库出水口Ⅲ类水质标准,确定册田水库入库水质要求为COD≤68mg/L,氨氮≤3.4mg/L情况下对上游水质控制。结果分析:氨氮浓度依然很高,经河道降解之后仍未达标;污染物COD经过河道降解处理后满足水质标准。在这种情况下,将御河入桑口的氨氮浓度由8.8mg/L降到5.8mg/L,即可以满足水质要求。4.2.3氨氮浓度调整该情景为关闭怀仁排口和坊城河排污口,册田水库上游只有御河排口存在,册田水库出水口达Ⅲ类水质标准时上游水质控制要求,此情景下要确定册田水库入库水质要求COD≤78mg/L,氨氮≤3.9mg/L。结果分析:停止排放后对氨氮浓度经河道降解之后仍未达标;污染物COD经过河道降解后满足水质标准。可以采取的控制有2种:将御河入桑口的氨氮浓度由8.8mg/L降到7.8mg/L,再停排其余2个排污口,即可满足水质要求,但实现氨氮浓度的调整需要改善污水处理厂的工艺,在技术上较难实现;消减御河入桑口的水量,由1.59m3/L调整到1.41m3/L以下,并停排其余两个排污而不改变御河的浓度,此种调整可满足水质要求。后者不需要污水厂处理工艺的改变即可实现,操作简单,更易实现水质目标。5模拟情景分析(1)应用系统分析的思想方法,分析研究对象的系统结构,针对系统特点,确定断面设置的基本原则,将输水河道概化分成10个河段及一个水库单元。(2)河道采用一维模型,水库采用完全混合箱式模型中的沃伦威尔模型;根据实测资料,对模型参数进行确定,最终得到水质模拟与控制中的河流模型和水库模型。(3)应用情景分析方法,结合系统分解的思想进行分析,生成3个水质模拟情景。分析模拟结果表明,在引黄水质最不利的条件下,山阴取水口氨氮的浓度为1.42mg/L,达不到地表水Ⅲ类标准,怀仁取水口的COD和氨氮浓度均符合地表水Ⅲ类标准的控制要求;在山阴取水口水质达地表水Ⅲ类标准,山阴、应县排污口现状排污情况下,怀仁取水口COD和氨氮的浓度都大大低于地表水Ⅲ类标准的浓度限值;当怀仁取水口有引黄水,并且出水水质达Ⅲ类标准时,氨氮在怀仁