摘 要
随着社会经济的快速发展，污染物入河量迅速增加，加之污染物的无序排放，增加了对流域内河道水生态系统的压力。为维持河道的水生态平衡并保障水体安全，国家制定了《城镇污水处理厂污染物排放标准》，通过强化入河排污口设置管理来规范入河污染物的排放，但这个措施没有系统性地考虑流域内各河段的自净能力与上下游各入河排污口的空间布局之间的互相关系，因而在空间上难以形成流域全局性的入河排污口优化布局，不利于流域内的水生态健康并影响水安全。
本文以大连市复州河流域为背景，针对流域内排污口设置中存在的主要问题，以数值模拟为主要技术手段，并考虑流域的径流特性、经济活动规律、人口分布特点等主要因素，提出流域内入河排污口优化设置方案。首先调查分析了复州河的流域概况，并对流域内的入河排污口进行了详细调查，其次针对复州河流域的自然特征建立了基于QUAL2K 的复州河水质模拟模型，接着针对流域内现有的入河排污口布局方案，通过模拟以计算分析现状入河排污口布局可能存在的环境风险，研究流域入河排污口的优化布置方案，为提升复州河流域的水质状况提供科学支撑，也从一个方面提高用水安全。
论文取得以下主要成果：
（1）根据复州河的实际条件，分析了复州河流域的自然环境、社会经济、排污口现状以及建设规划，并分析流域现状水质，指出部分断面水质超标的原因；详细调查了流域的排污口规划，明确了各排污口的污水排放标准；选定 COD 和氨氮作为主要评价和控制指标计算分析了规划污水处理厂全部建成并正常运行条件下各规划排污口的污染物排放总量和排放规律，提出了论文的重点研究时段。
（2）根据流域特性以及研究需求，选取了QUAL2K 模型作为研究工具，并根据复州河流域的水文条件以及流域内污水处理厂的分布情况，参考《辽宁省主要水系地表水环境功能区划》成果以及复州河干流上的控制断面分布情况，对复州河松树水库出口处下游干流段进行了概化与划分；以实测资料为依据，对模型的关键参数进行率定，并分析成果的合理性，结果表明所建立的基于 QUAL2K 的复州河水质模型具有较好的适用性。
（3）针对流域水功能区的控制目标以及各控制断面的水质执行标准划分了河段控制断面的水质计算单元；利用 1956 年~2016 年水文资料进行频率分析，确定了90%水平年的设计径流量，并采用水文比拟法确定流域内无实测资料的各断面的设计径流过程；进而采用控制断面达标法与模型试错法相结合，分析计算了流域内各河段和全流域的纳污能力；利用经过参数率定后的复州河水质模型模拟现有的入河排污口规划方案下的各控制断面的水质变化趋势，指出现有入河排污口设置方案存在的主要问题，作为优化排污口设置方案研究的重点。
（4）分析了入河排污口布设的主要影响因素，确定了排污口优化布局的方法；根据入河排污口的布设原则，结合复州河的实际情况，确定了入河排污口的优化方案；采用所建立的基于QUAL2K的复州河水质模型模拟对比各布局方案与现有布局方案各控制断面COD和氨氮的浓度的改善程度，提出相对满意的排污口设置方案，为决策部门提供参考。
关键词 ： QUAL2K 模型；河流概化；水质模拟；纳污能力；排污口优化布置。
Abstract
With the rapid development of social economy, the amount of pollutants into the riverincreases rapidly, and the disorderly discharge of pollutants increases the pressure on the riverwater ecosystem in the basin, resulting in the deterioration of the water quality of some rivers.
In order to maintain the water ecological balance and ensure the water safety, the state hasformulated the discharge standard of pollutants for urban sewage treatment plants, whichregulates the discharge of pollutants into the river by strengthening the management of thesewage outlets. However, this measure does not fully consider the interaction between theupstream and downstream sewage outlets, There is no systematic consideration of therelationship between the self purification capacity of each river section and the spatial layoutof upstream and downstream sewage outlets, so it is difficult to form the overall optimal layoutof sewage outlets in the basin, which is not conducive to the water ecological health and watersecurity.
At present, there are few studies on the overall optimization of the drainage outlets inChina. This paper takes the Fuzhou River Basin in Dalian as the background, aiming at themain problems existing in the setting of the drainage outlets in the basin, takes the numericalsimulation as the main technical means, and considers the main factors such as the runoffcharacteristics, the law of economic activities, the characteristics of population distribution andso on, The optimal setting scheme of sewage outlets in the river basin is put forward. Firstly,the general situation of the Fuzhou river basin is investigated and analyzed, and the sewageoutlets in the river basin are investigated in detail. Secondly, according to the naturalcharacteristics of the Fuzhou River Basin, the water quality simulation model of the FuzhouRiver Based on QUAL2K is established. Then, according to the existing layout scheme of thesewage outlets in the river basin, the possible environmental risks of the current layout of thesewage outlets are calculated and analyzed through simulation, The study of the optimal layoutof the drainage outlets in the river basin provides scientific support for improving the waterquality of the Fuzhou River Basin, and also improves the water safety from one aspect.
The main achievements are as follows:
(1) This paper analyzes the natural environment, social economy, spatial distribution ofsewage outlets, treatment scale and discharge standard of each sewage treatment plant, and thencalculates the amount of pollutants into the river; The concentrations of COD and ammonia nitrogen in the main control sections in different periods were analyzed, and the key researchperiod of this paper was put forward.
(2) According to the natural characteristics of the Fuzhou River Basin, river generalizationand river section division are carried out, and the water quality simulation model of the FuzhouRiver Based on QUAL2K is established, and the basic parameters of the model are preliminarilydetermined; The actual water quality data were used to calibrate and test the hydrolysiscoefficient, sedimentation coefficient and nitrification coefficient, and the rationality of theresults was analyzed. The results show that the established water quality model based onQUAL2K has good applicability.
(3) According to the control objectives of the water function area and the water qualitystandards of each control section, the water quality calculation units of the river section aredivided; Based on the frequency analysis of hydrological data from 1956 to 2016, the designrunoff under the condition of 90% level year is determined, and the hydrological analogymethod is used to determine the design runoff process of each section without measured datain the basin; Then, the pollutant carrying capacity of each reach and the whole basin is analyzedand calculated by combining the control section standard method with the model trial and errormethod; The water quality model of Fuzhou River after parameter calibration is used to simulatethe water quality change trend of each control section under the existing sewage outlet planningscheme, and the main problems existing in the existing sewage outlet setting scheme are pointedout, which is the focus of optimizing the sewage outlet setting scheme.
(4) This paper analyzes the main influencing factors of the layout of sewage outlets intothe river, and determines the method of optimizing the layout of sewage outlets; According tothe layout principle of the sewage outlet and the actual situation of Fuzhou River, theoptimization scheme of the sewage outlet is determined; By using the established water qualitymodel based on QUAL2K to simulate and compare the improvement degree of COD andammonia nitrogen concentration in each control section of each layout scheme and the existinglayout scheme, a relatively satisfactory sewage outlet setting scheme is proposed to providereference for decision-making departments.
Key Words ： QUAL2K Model; River Generalization; Water Quality Simulation;Environmental Carrying Capacity; Optimal Layout of Sewage Outlets 。
1、绪论
1.1 、 研究背景和意义
随着城市化进程的高速推进，生产规模化、产业聚集化产生了大量的废水，对水环境生态系统造成了压力，如果不对各类废水进行科学管理，则会加剧水环境的污染，降低水资源的再生能力，并破坏流域水生态系统的平衡，危及水安全。水生态系统遭到破坏的案例在国内外时有发生，例如，我国为了重点考核一些主要河流中重要河段的水质达标情况，在相应河段设置了国家考核断面并明确了考核目标，经过多年实践，发现确实存在部分控制断面水质不达标的情况。
水环境污染作为一个突出的人类环境问题，具有多样性、复杂性和结构性的特点[1]，这一问题系伴随长期社会发展而来。目前，我国部分河流仍存在一定的污染，究其原因大致有两种：一是仍存在散排、乱排的现象，致使未经处理或处理后仍不达标的废水、污水进入水域；二是入河排污口设置与管理中存在问题，前者表现为入河排污口布局与流域水动力特点不适应，后者表现为管理中的疏漏可能导致一定的超标准污水排入水域。
这两种情形都会破坏流域水生态系统的平衡，并最终危及水安全。解决上述问题的途径也很明显，一是杜绝散排、乱排现象，从源头上解决污染物入河问题；二是规范和优化入河排污口的设置与管理，通过科学合理的布局以及精准有效的监管，改善流域生态环境效益。
入河排污口是陆地污染源从源头流入江河湖库等地表水体的重要方式，随着流域内入河排污口排放强度的增加，其所造成的河流污染也会愈加严重。因此，针对入河排污口使用先进的检测技术以及强硬的监管手段是改善水环境监测体系的重要手段，也是维持地表水环境生态系统平衡的一个关键所在[3]。细化河流水质提升维护内容与保障水生态质量的关键也在于加强对陆地污染入河的监督管理，这既是国务院《关于实行最严格水资源管理制度的意见》、《关于全面推行河长制的意见》明确的重要任务，也是控制陆地污染排入河流水体的重要环节[4]。国务院《关于实行最严格水资源管理制度的意见》
当中明确提出确立水功能区、限制纳污红线要求，到2030年需要将陆地污染物排入河流水体的总量严格控制在环境所能承载的范围之内，确保水功能区水质达标率不低于95%，从而推进社会经济发展与水资源水环境保护协调发展。水功能区限制纳污红线管理不仅是调控进入河流污染物总量的重要手段，也是流域入河排污口科学管理的刚性约束，有利于保护水环境和修复水生态系统，促进水资源的可持续利用。其中有两个关键问题：一是客观评价确定各河段的纳污能力；二是完善与该纳污能力相适应的入河排污口的设置与管理。因此，亟需在深入调查了解各流域的自然特性和流域内现状入河排污口分布、各排污口的入河污染物排放规律的基础上，针对各流域的自然、社会经济的实际特点，优化设置与管理排污口，找到污染物入河的科学方案，达到维持流域的水生态系统、提升用水安全的目标。
大连市水资源严重短缺，全市人均水资源占有量495m3，仅为全国人均占有量的1/4，世界人均占有量的1/16，属于重度缺水城市，并且其水环境问题也较为突出，严重阻碍了大连社会经济可持续发展。大连市供水量的90%来自地表水[5]，全市分布着200多条河流，地表水是城市供水的主要水源。大连市几十年的工业化和城市化进程增加了对境内地表水环境的压力，大量的污染物入河对河流水质造成了较为严重影响，对水环境系统形成了一定的破坏。数据显示，大连大部分河流都受到不同程度的污染，水质达不到Ⅲ类标准的河流超过全市河流的60%[6]，水资源严重短缺以及水质不达标这两大问题同时威胁着大连市的可持续发展，因此亟需制定大连市水环境的保护与管理的科学方案。
复州河是辽宁省大连市境内流域面积第二大的河流，是大连市的重要水源。近年来随着复州河流域内社会经济活动的迅速增加，导致入河污染物数量迅速增多，成份构成也愈加复杂。农业养殖以及中小型的工业企业产生的大量污水经过简单处理甚至未经处理就排入水体，流域内部分街道乡镇内尚未建成完善的废水收集处理设施，也导致大量废水无序入河，给复州河水环境造成了巨大压力。近年来，流域内多个监测断面也确实曾多次出现水质不达标的情况。为规范污染物入河，从根本上改善复州河流域的水环境，相关主管部门结合实际情况编制了《复州河流域水体达标方案》，规划在复州河流域内建成多座污水处理厂，加快建设城镇污水收集管网设施，采用雨污分流的方式收集流域内的生产和生活等污水，经各污水处理厂处理达标后排放入河。这一实施方案在规划层面为改善和修复复州河流域的水环境系统提供保障，从污染物收集和达标排放两个方面解决流域内的污染物入河问题，提高流域水资源可持续利用的能力，实现人水和谐共生以及社会可持续发展。
但是，从另一方面考虑，若对流域内入河排污口的设置不科学合理，也不利于流域水功能区生态系统的修复，甚至会对流域部分河段的水环境造成更大压力，因此，需要深入研究复州河流域内入河排污口的优化布置方案[7]。
在充分收集污水的前提下，入河排污口设置的科学性是复州河流域水环境治理的关键，设置中既要考虑复州河的径流、水动力特点和纳污能力等刚性约束，还要考虑与上述特点和约束相适应的各排污口之间的相互影响。研究综合考虑上述重要因素的排污优化设置方案，是目前国内亟需重点关注的问题[7]。本文针对复州河的实际特点，通过调研分析、建模研究、水质模拟等手段，系统地计算流域内几种主要污染类型的纳污能力，模拟入河污染物的迁移转化过程及入河排污口位置对河流水质变化的影响，并基于排污口不同布置方案下流域水质的变化趋势提出污染控制及防治措施建议。研究中通过模拟复州河流域内规划建设的污水处理厂方案正常运行时的水质状况，分析该方案下流域内可能存在的水质问题，通过优化流域内污水处理厂和排污口的分布位置，为保护复州河流域水生态系统和水资源可持续利用提供科学参考，同时也为我国中小流域的排污口优化布置提供了新的解决思路以及研究框架，对加强水资源保护管理工作、促进经济社会可持续发展具有较重要的理论与应用价值。
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1.2、国内外研究进展及发展趋势.
1.2.1、水质 模型研究.
1.2.2、流 域纳污能力研究
1.2.3、 排污口管理与优化布局研究.
1.2.4、存 在的问题及发展趋势.
1.3、本文主要研究内容
2、流域概况及排污口调查.
2.1、自 然环境概况.
2.1.1、地理 位置.
2.1.2、地形 地貌.
2.1.3、水系分布及水利工程，
2.1.4、气候与水文概况.
2.2、社会经
2.2.1、行政区划及人口.
2.2.2、社会经济结构.
2.3、流域内排污口现状及建设规划.
2.3.1、流域内排污口现状及污染源.
2.3.2、污水处理厂排污口位置及处理规模
2.3.3、污水处理厂排放标准
2.4、入河污染负荷汇总分析
2.5、流域水质现状.
2.6、本章小结.
3、复州河水动力学模型构建.
3.1、 QUAL2K水质模型构建.
3.1.1、 QUAL2K模型简介
3.1.2 、模型基本原理.
3.1.3、复州河流 域概化与河段划分
3.1.4、模型基本输入数据.
3.1.5、模型水动力 参数初选
3.2、模型水质参数率定与验证.
3.2.1、模型水质参数率定
3.2.2、模型检验.
3.2.3 、数合理性分析
3.3、本章小结.
4、纳污能力计算及规划入河排污口布局分析
4.1、水功能区和计算单元水质目
4.1.1、水功能区划及水质目标.
4.1.2、计算单元及水质目 标
4.2、设计水文条件确定.
4.2.2、水文频率分析方法.
4.2.3、设计水文条件计算方法.
4.2.4、复州河设计水文条件的计算,
4.3、纳污能力计算分析.
4.3.1、纳污能力计算方法.
4.3.2、复州河纳污 能力计算分析.
4.4、现有的规划方案水质模拟分析
4.5、本章小结.
5、排污 口优化布置方案设计与分析.
5.1、入河排污口布设原则
5.1.1、禁止设置入河排污口水域
5.1.2、严格限制设置入河排污口水域 .
5.1.3、一般限制设置入河排污口水域
5.2、排污口优化布局方法.
5.2.1、排污口布局的主要影响因素
5.2.2、排污A优化布局方法确定
5.3、排污口优化方案设置与水质模拟.
5.3.l、排污口整合方案设置与水质模拟
5.3.2、污水深度 处理方案设置与水质模拟.
5.3.3、污水外调方案设置与水质模拟
5.3.4、污水处理厂迁址方案设置与水质模拟
5.4、各优化设置方案对的水质影响及对比分析
5.4.1、各考 核断面COD浓度及水质类别改善情况对比
5.4.2、各考核断面氨氮浓度及水质类别改善情况对比
5.4.3、结果的综合对比分析
5.5、本章小结.
6、 结论
本文选取辽宁省大连市复州河作为研究对象，结合流域内当前污水处理厂入河排污口建设规划，针对全部污水处理厂建成完工并投入运行后可能出现的水质不达标或者纳污能力无法满足流域要求等问题，开展了河流概化与河段划分、纳污能力计算、对现有规划方案水质模拟以及排污口优化布置方案设计与分析等系统研究。在收集和分析流域各重要资料的基础上，结合复州河流域内污水处理厂的分布现状，依据《辽宁省主要水系地表水环境功能区划》成果以及复州河干流上的控制断面布设情况，对河流进行了概化与河段划分，确定了各河段的模型参数并对模型进行验证；根据计算单元和水功能区目标，采用关家屯水文站1956-2016年连续61年实测的水文资料，计算了各河段的设计水文条件，在此基础上采用控制断面达标法和模型试错法计算流域纳污能力，并模拟现有规划方案下的水质变化状况，分析流域可能存在的水质风险；最后在上述研究成果的基础上，对流域内排污口进行优化布置方案设计，分别提出排污口整合、污水深度处理、污水外调以及污水处理厂迁址等四个优化方案，并对各个方案的模拟结果进行分析。
本文的研究为提升复州河流域的水质状况提供了科学支撑，同时也可为优化流域内的入河排污口布置的进一步优化提供一定参考。
本文的研究取得以下主要成果：
（1）针对复州河的实际条件，调查分析了流域主要控制断面的水质现状，并指出部分断面水质超标的原因；详细调查了流域的排污口规划，明确了各排污口的污水排放标准；选定COD和氨氮作为主要评价和控制指标，计算分析了规划污水处理厂全部建成并正常运行条件下各规划排污口的污染物排放总量和排放规律。
（2）根据流域特性以及研究需求，选取了QUAL2K模型作为研究工具，并根据复州河流域的水文条件以及流域内污水处理厂的分布情况，参考《辽宁省主要水系地表水环境功能区划》成果以及复州河干流上的控制断面分布情况，对复州河松树水库出口处下游干流段进行了概化与划分；以实测资料为依据，对模型的关键参数进行率定，得到了在复州河流域适用性较好的水质模拟模型。
（3）利用长系列的水文资料，采用频率分析方法计算出复州河流域各断面的设计流量，在流域内计算单元概化、断面划分和水功能区划目标确定的基础上，将设计流量输入率定后的QUAL2K水质模型，将控制断面达标计算法与模型试错法两种方法相结合，计算出各河段和整个流域的纳污能力，作为入河排污口设置和污染物入河量的约束；利用率定后的 QUAL2K 水质模型，模拟分析规划污水处理厂正常运行条件下各主要控制断面的水质达标情况，结果显示复州河流域入河污染物总量没有超过该流域纳污能力的上限值，但由于支流回头河上龙山污水处理厂设计规模较大，污水排放量多，导致回头河汇入复州河流干流处至东风水库出口处河段水质超标严重，用实际数据证明现有排污口设置规划的局限性，并以此作为后续排污口设置优化研究的重点方向。
（4）针对复州河流域入河排污口设置中的问题，提出了以下四个方案作为提高流域内水体质量、改善流域生态环境效益的优化措施：①分别整合得利寺污水处理厂与松树污水处理厂、龙山污水处理厂与瓦窝污水处理厂、杨家污水处理厂与老虎屯污水处理厂；②提升龙山污水处理厂的处理工艺，提升该处理厂的污水处理和排放标准；③将龙山污水处理厂 50%污水外调至太阳河太阳新城下游河段进行排放；④将龙山污水处理厂外迁至岚固河前二十里堡村下游河段后进行污水排放。通过对不同方案进行模拟和对比分析，提出在资金充沛、地块富余的情况下优先选择对龙山污水处理厂的污水进行深度处理、提高其污水排放标准的优化方案。
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