渭河流域?qū)氹u段水體納污能力及總量控制定額分析計(jì)算

秦 濤，汪 妮，解建倉(cāng)，張 剛，劉武軍

（西安理工大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048）

渭河流域?qū)氹u段水體納污能力及總量控制定額分析計(jì)算

秦 濤，汪 妮，解建倉(cāng)，張 剛，劉武軍

（西安理工大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048）

針對(duì)流域污染物總量控制定額在水資源保護(hù)中的重要性以及水體納污能力具有季節(jié)性變化，參考河流二維模型參數(shù)的確定方法，探討采用河流二維模型對(duì)水體納污能力進(jìn)行計(jì)算。從保護(hù)環(huán)境出發(fā)，考慮到同一條河流中不同水功能區(qū)的納污能力不同，提出了選取最小納污能力作為該河流的污染物總量控制定額。最后對(duì)渭河流域?qū)氹u市河段納污能力及污染物控制總量定額進(jìn)行了分析計(jì)算，為寶雞市河流水污染控制提供了依據(jù)。

衰減系數(shù)：納污能力：控制定額：水質(zhì)

1 概 述

保護(hù)水資源、實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，是現(xiàn)代水利的一項(xiàng)重要內(nèi)容。隨著人類對(duì)自然環(huán)境的開(kāi)發(fā)利用程度不斷加劇，大量的工農(nóng)業(yè)及生活廢污水排放到大江大河，導(dǎo)致水體環(huán)境質(zhì)量日益下降?！吨腥A人民共和國(guó)水法》明確提出了以自然水體對(duì)污染物稀釋自凈能力作為約束條件，實(shí)施污染物總量控制的水污染防治政策［1］。納污能力是指河流接納污染物的能力［2］，通過(guò)河段納污能力分析和污染物總量控制定額的計(jì)算可以從定量的指標(biāo)上掌握河流允許排放污染物的狀況，從而更加合理地管理流域，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用［3］。本文以渭河流域?qū)氹u市河段為例，通過(guò)實(shí)測(cè)和試驗(yàn)分析確定參數(shù)，對(duì)納污量做了詳盡的計(jì)算，并確定了該河流污染物總量控制，為寶雞市河流水資源保護(hù)提供了參考。

2 污染現(xiàn)狀調(diào)查

黃河流域在寶雞市共有99個(gè)排污口，主要分布在渭濱區(qū)、金臺(tái)區(qū)、陳倉(cāng)區(qū)、岐山等縣。按陜西省黃河流域水功能二級(jí)區(qū)劃，分屬渭河5個(gè)二級(jí)區(qū)、千河3個(gè)二級(jí)區(qū)、金陵河2個(gè)行政區(qū)、小水河、清江河和石頭河各1個(gè)二級(jí)區(qū)，黃河流域?qū)氹u市總登記排污水量0.95億m3。2005年寶雞市廢污水排放量約為1.02億m3，登記排污水量占廢污水排放量的95.2%，可靠性是較高的。

3 納污能力分析計(jì)算

3.1 水質(zhì)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)

按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），并參照《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB11607-89）、＂景觀娛樂(lè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)＂（GB12941-91）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合寶雞市水資源利用狀況、水資源配置要求及寶雞市水功能區(qū)劃方案和保護(hù)目標(biāo)的要求，對(duì)所有二級(jí)水功能區(qū)根據(jù)主要污染物和超標(biāo)污染物確定控制指標(biāo)，按照水功能區(qū)保護(hù)目標(biāo)要求確定水質(zhì)目標(biāo)，執(zhí)行地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）中的五類水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，到2020年寶雞市水功能區(qū)水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)見(jiàn)表1。

3.2 水質(zhì)模型

對(duì)于順直河段，忽略橫向流速及縱向離散作用，且污染物排放不隨時(shí)間變化時(shí)，二維對(duì)流擴(kuò)散方程為

式中：u為設(shè)計(jì)流量下河道斷面的平均流速（m／s）；C為污染物濃度（mg／L）；Ey為污染物的橫向擴(kuò)散系數(shù)（m2／s）；x為沿河段的縱向距離（m）；y為計(jì)算點(diǎn)到岸邊的橫向距離（m）；K為污染物綜合衰減系數(shù)（1／s）。

表1 寶雞市水功能區(qū)劃分一覽表Table 1 Water function zoning of Baoji City

河道斷面為矩形，式（1）的解析解為

以岸邊污染物濃度作為下游控制斷面的控制濃度時(shí)，即y＝0，岸邊污染物濃度按式（3）計(jì)算，

式中：C（x，0）是縱向距離為x的斷面岸邊（y＝0）污染物濃度（mg／L）；v為設(shè)計(jì)流量下計(jì)算水域的平均流速（m／s）；h為設(shè)計(jì)流量下計(jì)算水域的平均水深（m）；其余符號(hào)意義同上。相應(yīng)的水域納污能力按式（4）或式（5）計(jì)算，

當(dāng)y＝0，

式中：Cs為水質(zhì)目標(biāo)濃度值（mg／L）；Q為初始斷面的入流流量（m3／s）。

3.3 水質(zhì)模型參數(shù)的確定

為了做好水資源總量的控制以及水資源保護(hù)工作，在水功能區(qū)劃、保護(hù)準(zhǔn)則、污染排放區(qū)的大小、污染物排放量的基礎(chǔ)上，結(jié)合寶雞市渭河段的實(shí)際資料，通過(guò)科學(xué)、合理的分析，對(duì)入河污染物CODcr，NH3-N分別進(jìn)行水功能區(qū)域納污能力的分析［4］。

在河段納污能力計(jì)算中，參數(shù)的確定和取值是否符合客觀實(shí)際，直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確合理，因此，參數(shù)的確定和取值是納污能力計(jì)算的關(guān)鍵。

3.3.1 綜合衰減系數(shù)K的確定

綜合衰減系數(shù)由試驗(yàn)所得，實(shí)測(cè)資料選取渭河流域?qū)氹u市朱園、林家村、益門(mén)鎮(zhèn)、千陽(yáng)、斜峪關(guān)、魏家堡和漫灣村作為控制斷面的1995-2005年10 a的資料，由于資料過(guò)長(zhǎng)，限于篇幅，本文就不詳述。試驗(yàn)方法采用參考文獻(xiàn)［5］。經(jīng)分析計(jì)算COD，NH3-N的綜合衰減系數(shù)為流量小于10 m3／s時(shí)，分別為0.173 6×10-4s-1和0.116 0×10-4s-1；流量大于10 m3／s時(shí)，分別為0.138 9×10-4s-1和0.081 0×10-4s-1。

3.3.2 水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)濃度值Cs的確定

從寶雞市水功能區(qū)劃分表中可以得到各個(gè)水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)，在根據(jù)國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）中的五類水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定水質(zhì)目標(biāo)濃度Cs的值。

3.3.3 流 量

依據(jù)各河流水文站的最枯月平均流量資料進(jìn)行頻率計(jì)算，飲用水區(qū)采用95%保證率相應(yīng)流量設(shè)計(jì)流量，其他分區(qū)則采用75%保證率相應(yīng)流量作為設(shè)計(jì)流量。排污口流量以環(huán)保、水利部門(mén)的實(shí)測(cè)流量或統(tǒng)計(jì)資料為計(jì)算選取值。

3.3.4 初始斷面污染物濃度值C0的確定

根據(jù)上一個(gè)水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)濃度值Cs確定。

3.3.5 橫向擴(kuò)散系數(shù)Ey估值

根據(jù)費(fèi)休公式：

式中：Ey為水流的橫向擴(kuò)散系數(shù)（m2／s）；H為河道斷面平均水深（m）；g為重力加速度（m／s2）；J為河流水力比降。

3.3.6 縱向離散系數(shù)Ex的估值

式中：B為河流平均寬度（m）；其余符號(hào)意義同上。寶雞市河流水質(zhì)模型參數(shù)見(jiàn)表2。

4 分析計(jì)算

渭河流域位于我國(guó)西北黃土高原東南地區(qū)，北為黃土高原，南為秦嶺山區(qū)，干流全長(zhǎng)818km。寶雞市是陜西省第二大城市，位于渭河中游區(qū)，干流長(zhǎng)206.1 km，河道較寬，多沙洲，水流分散。由于降雨和下墊面的因素，河道徑流呈現(xiàn)地區(qū)分布不均，年際變化大和年內(nèi)分配不均的特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著西部大開(kāi)發(fā)，陜西建成西部強(qiáng)省，寶雞經(jīng)濟(jì)有了較大的發(fā)展，但同時(shí)轄區(qū)生態(tài)環(huán)境受到了一定的影響，尤其是渭河水域，由于工業(yè)廢水和城市污水的大量排放，水質(zhì)受到了一定的污染，一定程度上影響了生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

表2 寶雞市河流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型參數(shù)Table 2 Parameters of water qualitymathematicalmodel for Baoji City of theWei River basin

4.1 納污能力的計(jì)算

利用上述數(shù)學(xué)模型，通過(guò)分析計(jì)算得到了2020年渭河寶雞市河段為了達(dá)到水功能區(qū)水質(zhì)的保護(hù)目標(biāo)。黃河流域?qū)氹u市河段9個(gè)水功能二級(jí)分區(qū)納污能力總量COD為104 962.6 t／a，氨氮為5434.9 t／a。其中渭河寶雞市過(guò)渡區(qū)COD納污能力最大，而氨氮納污能力最大的是寶雞市景觀區(qū)。這是由于這兩個(gè)水功能區(qū)設(shè)計(jì)流量、計(jì)算河段、降解系數(shù)、上下游控制目標(biāo)濃度相差都比較大。

表3 寶雞市水功能區(qū)納污能力計(jì)算表Table 3 Calculation of accepting pollution water capacity of water functional areas for Baoji City t／a

4.2 污染物控制量與削減量

根據(jù)寶雞市水資源短缺的實(shí)際情況，同一條河流不同二級(jí)水功能區(qū)的最大納污能力不同，如果上游的污染物排放量達(dá)到該功能區(qū)的最大納污能力，勢(shì)必影響到下游水功能區(qū)的水體納污能力。以水環(huán)境質(zhì)量不斷改善為遠(yuǎn)景目標(biāo)，選取水功能區(qū)二級(jí)分區(qū)中納污能力最小值作為該河流的納污能力總量控制定額。根據(jù)寶雞市渭河不同水文條件下納污能力計(jì)算結(jié)果，得到污染物CODcr和氨氧的總量控制定額分別為13 308.8 t／a，789 t／a。

2005年寶雞市渭河廢污水排放量約為10 225.8 t，含有主要污染物CODcr、氨氮分別為13 159.24，1 528.3 t／a，其中渭河干流排放污染物8 039.4 t／a，含有主要污染物CODcr、氨氮分別為11 999.15，1 491.8 t／a。將計(jì)算得到的寶雞市渭河污染源總量控制定額與2005年現(xiàn)狀污染負(fù)荷比較，得到CODcr不需要削減；氨氮指標(biāo)削減量為734.8 t／a，削減率達(dá)25.6%。雖然渭河CODcr總量不要削減，但從表4可以看出渭河干流污染還是較為嚴(yán)重，CODcr和氨氮的削減量分別為4 320.9，462.3 t／a，CODcr、氨氮的指標(biāo)削減量分別達(dá)到了56.3%，60.4%。由此可見(jiàn)，為了實(shí)現(xiàn)2020年寶雞市渭河流域水質(zhì)達(dá)到保護(hù)目標(biāo)，渭河干流的污染治理是重中之重。

表4 污染總量控制定額和削減量成果表Table 4 The allowable pollutant total amounts and attenuation amounts t／a

5 成果分析

從水體水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)出發(fā)，基于水體水質(zhì)納污能力，制定污染物控制總量控制定額，使得水污染總量控制目標(biāo)更加明確、具體、可操作化，體現(xiàn)了我國(guó)水資源保護(hù)管理模式的變革和決策目標(biāo)的轉(zhuǎn)變［5］。水體污染已經(jīng)嚴(yán)重影響到環(huán)境，為了有效控制污染，迫切需要計(jì)算河流納污能力，并確定其污染物總量控制定額，為環(huán)保部門(mén)保護(hù)水環(huán)境提供依據(jù)。本文利用河流二維模型計(jì)算水體納污能力，針對(duì)同一條河流有不同的水功能分區(qū)，采用選取一條河流中水功能區(qū)二級(jí)分區(qū)最小納污能力作為河流污染物總量控制定額，體現(xiàn)了安全保護(hù)環(huán)境、充分利用水體稀釋自凈能力的目的。通過(guò)對(duì)渭河流域?qū)氹u市河段納污能力分析計(jì)算表明，渭河流域?qū)氹u市河段水體沒(méi)有超過(guò)納污能力，但渭河干流污染負(fù)荷超標(biāo)嚴(yán)重。

［1］ 中華人民共和國(guó)水法［S］.2002.

［2］ 徐海亮，郭永平，何 宇.塔里木河干流納污能力分析與評(píng)價(jià)［J］.干旱區(qū)研究，2001，（12）：813-817.

［3］ 李錦秀，馬 巍，史曉新，等，污染物排放總量控制定額的確定方法［J］.水利學(xué)報(bào)，2005，（7）：812-817.

［4］ 李錦秀，廖文根，黃真理.三峽水庫(kù)整體一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2002，（12）：7-10.

［5］ 寇曉梅.漢江上游有機(jī)污染物CODcr綜合衰減系數(shù)的試驗(yàn)確定［J］.水資源保護(hù)，2005，（5）：31-33.

［6］ 汪恕誠(chéng).資源水利的本質(zhì)、理論基礎(chǔ)和體制保障［J］.中國(guó)水利，2002，（11）：1-6.

（編輯：周曉雁）

長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所大型貫流式機(jī)組調(diào)速器在烏金峽電站順利投運(yùn)

2009年1月23日、2009年4月12日、2009年6月30日，甘肅烏金峽水電站2，3，4號(hào)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)相繼高質(zhì)量一次順利完成72小時(shí)滿負(fù)荷并網(wǎng)試運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行各項(xiàng)參數(shù)良好。該調(diào)速系統(tǒng)采用了長(zhǎng)江科學(xué)院長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所GLT-150-6.3型微機(jī)調(diào)速器和YZ-10-6.3型油壓裝置。

烏金峽水電站是由國(guó)投公司投資控股的甘肅小三峽水電開(kāi)發(fā)有限公司繼大峽、小峽之后在黃河上游開(kāi)發(fā)建設(shè)的第三座水電站。該電站是黃河龍羊峽至青銅峽河段15級(jí)梯級(jí)規(guī)劃中的第12級(jí)電站，電站安裝4臺(tái)3.5萬(wàn)kW貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量14萬(wàn)kW，年均發(fā)電量6.83億kW·h。工程總投資13.88億元。

《摘自（長(zhǎng)江科學(xué)院網(wǎng)）》

Analysis and Calculation of Water Environmental Carrying Capacity and Allowable Pollutant Total Control Quota in Baoji in the Weihe River

QIN Tao，WANG Ni，XIE Jian-cang，ZHANG Gang，LIUWu-jun
（Xi＇an University of Technology，Key Laboratory of NorthwestWater Resources and Environment Ecology of MOE，Xi＇an 710048，China）

Considering the importance of the allowable pollutant total control quota in water resources protection and the seasonal variation ofwater environmental carrying capacity，and with referencing the determination of river two-dimensionalmodel parameters，a calculation method on pollution carrying capacity is explored by using thismodel.W ith an eye to the environmental protection and the differences of environmental carrying capacity among water functional areas，a suggestion that selecting a function area of theminimum bearing capacity is regarded as to be the allowable pollutant total control quota is proposed.Such analysis calculation method of water environmental carrying capacity and allowable pollutant total control quota can provide basis for water pollution control of rivers in Baoji City.

attenuation coefficient；water environmental carrying capacity；allowable pollutant total control quota；water quality

X522

A

1001-5485（2009）08-0020-04

2008-10-21；修改日期：2008-12-08

國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目（2006AA01A126）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50279041）

秦 濤（1984-），男，陜西韓城人，碩士研究生，主要從事區(qū)域經(jīng)濟(jì)與水資源管理研究，（電話）029-82312494（電子信箱）qintao0052＠163.com。