北方季節(jié)性河流納污能力及限制排污總量分析

王成見(jiàn) 孟春霞 王 琳 孫寶權(quán)（青島水文水資源勘測(cè)局 青島 6607 中國(guó)海洋大學(xué) 青島 6600）

北方季節(jié)性河流納污能力及限制排污總量分析

王成見(jiàn)1孟春霞2王 琳1孫寶權(quán)1（1青島水文水資源勘測(cè)局 青島 266071 2中國(guó)海洋大學(xué) 青島 266100）

本文以青島膠南市為例，在分析了膠南市水文氣象、入河排污口水質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，研究了膠南市河流的水文規(guī)律以及河道攔河閘的水力特性，針對(duì)季節(jié)性河流具有河道、水庫(kù)雙重水力特性的特點(diǎn)，綜合采用河道、水庫(kù)納污能力計(jì)算模型計(jì)算河道、攔河閘的納污能力并提出限制排污總量意見(jiàn)。計(jì)算結(jié)果顯示：攔河閘壩納污能力貢獻(xiàn)率達(dá)到41%；現(xiàn)狀入河排放量遠(yuǎn)大于河道納污能力，COD和氨氮削減量分別為2933.34t/a和260.76t/a，占總排放量的95.7%和98.9%，削減任務(wù)相當(dāng)艱巨。

季節(jié)性河流 納污能力 限制排污總量

1 引言

膠南市位于山東半島西南部，北緯35°35′～36°08′，東經(jīng)119°30′～120°11′之間，屬低山丘陵區(qū)，境內(nèi)山巒起伏，地勢(shì)西、北偏高，南、東臨海處偏低，自西北向東南傾斜入海。境內(nèi)2.5km長(zhǎng)以上的河流（含大河支流）有125條。其中較大的河流10條，獨(dú)立入海的小河流26條，均屬典型的北方季節(jié)性山區(qū)河流。

眾所周知，北方河流季節(jié)性非常明顯，徑流年內(nèi)分布極不均勻。根據(jù)1956～2000年水文資料分析，汛期（6～9月）的徑流量占多年平均年徑流量的87%，多年平均7～8月徑流量占多年平均年徑流量的78%，枯水期（10～5月）的徑流量?jī)H占多年平均年徑流量的13%。由于河流源短流急，水資源開(kāi)發(fā)利用難度較大，為緩解水資源緊缺狀況，水利部門(mén)為了提高水資源開(kāi)發(fā)利用率，除建有部分中小型水庫(kù)外，還在10條主要河道上建有攔河閘壩18處，在風(fēng)河、巨洋河、錯(cuò)水河等較大河流上建有3級(jí)以上梯級(jí)攔河閘，使得天然河道喪失了自然水力特性而與水庫(kù)水力特性相似。顯然，繼續(xù)采用常規(guī)的河道納污能力數(shù)學(xué)模型計(jì)算納污能力，計(jì)算結(jié)果將產(chǎn)生較大誤差。本文以膠南市為研究對(duì)象，針對(duì)青島地區(qū)季節(jié)性河流特點(diǎn)，分別采用河口一維模型，均勻混合模型、河流一維模型，分別計(jì)算河口感潮河段、攔河閘及一般天然河道納污能力，使得計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際。

2 納污能力計(jì)算

水域納污能力是指在水域使用功能不受破壞的條件下，受納污染物的最大數(shù)量，即在一定設(shè)計(jì)水量條件下，滿足水功能區(qū)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的污染物最大允許負(fù)荷量。其大小與水功能區(qū)范圍的大小、水環(huán)境要素的特性和水體凈化能力、污染物的理化性質(zhì)等有關(guān)，可應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對(duì)其數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

2.1 采用的水質(zhì)模型

納污能力數(shù)學(xué)模型是依據(jù)河道、水庫(kù)的水力、水文特性而確定的。根據(jù)河道（水庫(kù)）水力特性不同，一般流量較小的中小型河道采用零維模型或一維模型，流量較大的大型河道采用二維模型；一般中小型水庫(kù)采用湖（庫(kù)）均勻混合模型；感潮河段采用河口一維模型。本文根據(jù)膠南市河道水力特性，采用河口一維、河道一維和湖（庫(kù)）均勻混合模型分別計(jì)算了感潮河段、一般天然河道和河道攔河閘的納污能力。

2.1 .1 河流一維模型

膠南市水功能區(qū)內(nèi)的各河流均屬于小型河流，枯季流量小于0.1m3/s，寬深比較小，污染物質(zhì)在河流橫斷面上能很快混合，故采用一維水質(zhì)模型。

一維水質(zhì)模型：

式中：M——河道納污能力，g/s；

C0——上游斷面的污染物濃度，mg/L；

Cs——計(jì)算河段下斷面水質(zhì)目標(biāo)濃度值，mg/L；

U——河道斷面的平均流速，m/s；

K——污染物綜合衰減系數(shù)，l/s；

L——計(jì)算河段長(zhǎng)度，m；

Q——河道斷面設(shè)計(jì)流量，m3/s。

2.1 .2 河口一維模型

膠南市風(fēng)河（橡膠一壩～入海口河段）、白馬河（白馬河大橋～耿家嵐）為感潮河段，受海水潮汐影響較大，故采用河口一維模型計(jì)算其納污能力。

潮汐河段的水力參數(shù)可按高潮平均和低潮平均兩種情況，簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)流進(jìn)行計(jì)算。如果污染物排放不隨時(shí)間變化，漲潮與落潮的污染物濃度分別按下式計(jì)算。

漲潮（x<0，自x=0處排入）：落潮（x>0）：

其中，N為中間變量

式中：C（x）上、C（x）下——分別為漲、落潮的污染物濃度，mg/L；

ux——水流的縱向流速，m/s；

Ex——縱向離散系數(shù)，m2/s；

Q上、Q下——分別為計(jì)算水域漲潮、落潮的平均流量，m3/s。

2.1 .3 湖（庫(kù)）均勻混合模型

該模型適用于污染物均勻混合的小型湖（庫(kù)），河道攔河閘具有類似水庫(kù)特性，其納污能力按下式計(jì)算：

M=CSVK+（CS-C0）QL

式中：V——設(shè)計(jì)水文條件下的攔河閘蓄水量，m3；

QL——攔河閘入流量，m3/s；

其余符號(hào)意義同前。

2.2 模型參數(shù)的確定

2.2 .1 斷面設(shè)計(jì)流量

計(jì)算斷面的設(shè)計(jì)流量是水功能區(qū)納污能力計(jì)算的重要參數(shù)。為保證水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)正常情況下不被破壞，選取不為零的最小月平均流量作為樣本，計(jì)算90%保證率設(shè)計(jì)條件下的設(shè)計(jì)流量。本文應(yīng)用具有較長(zhǎng)系列的紅旗水文站近期30年實(shí)測(cè)流量資料，采用矩法計(jì)算系列均值、Cv、Cs值，經(jīng)P-Ⅲ型頻率曲線適線后得到90%保證率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流量為0.005m3/s。無(wú)水文站的河段采用水文比擬法確定斷面設(shè)計(jì)流量。

2.2 .2 攔河閘設(shè)計(jì)蓄水量

由于缺乏攔河閘實(shí)測(cè)蓄水量資料，根據(jù)相近流域氣候條件相似的特性，選用了有實(shí)測(cè)資料的鐵山水庫(kù)、小珠山水庫(kù)、吉利河水庫(kù)和陡崖子水庫(kù)共4座水庫(kù)蓄水量資料，分析得到90%保證率的各水庫(kù)最枯月庫(kù)容與興利庫(kù)容的比值（α=）。根據(jù)各攔河閘的氣候和下墊面條件，選用與上述相似的水庫(kù)最枯月庫(kù)容與興利庫(kù)容的比值（α=），將攔河閘設(shè)計(jì)蓄水量乘以選擇的比值近似作為設(shè)計(jì)蓄水量（vp=α×v興）。

2.2 .3 斷面設(shè)計(jì)流速

河道斷面流速與斷面流量具有正相關(guān)關(guān)系u=aQb，選取了紅旗水文站53組涵蓋計(jì)算河段設(shè)計(jì)流量范圍的實(shí)測(cè)流量流速資料進(jìn)行相關(guān)分析，取得了紅旗水文站流量流速相關(guān)關(guān)系，u=0.3427Q0.351（4相關(guān)系數(shù)R=0.97）。對(duì)沒(méi)有實(shí)測(cè)流量流速資料的河段，根據(jù)式u=aQb推求設(shè)計(jì)流速。

2.2 .4 綜合衰減系數(shù)K

本文模型中采用的綜合衰減系數(shù)系淮河流域水保局分析的相關(guān)關(guān)系，經(jīng)青島市大沽河部分實(shí)測(cè)資料綜合而得。綜合結(jié)果為：COD綜合降解系數(shù)k=0.050+0.68u；氨氮綜合降解系數(shù)k=0.061+0.551u。攔河閘COD和氨氮綜合衰減系數(shù)采用實(shí)測(cè)綜合法確定。

2.2 .5 縱向離散系數(shù)Ex河口感潮河段縱向離散系數(shù)采用愛(ài)爾德公式計(jì)算：

式中：H——河道斷面平均水深，m；

J——河流水力比降。

2.3 納污能力計(jì)算成果

模型參數(shù)確定后，應(yīng)用相應(yīng)的模型分別計(jì)算河道、攔河閘、感潮河段納污能力，計(jì)算結(jié)果為：在90%設(shè)計(jì)條件下，膠南市水功能區(qū)COD和氨氮的納污能力分別為225.69t/a和5.74t/a。各水功能區(qū)納污能力情況見(jiàn)表1。

表1 膠南市各水功能區(qū)納污能力限制排污總量計(jì)算成果表

3 限制排污總量

3.1 限制排污總量確定原則

限制排污總量確定原則是在改善飲用水源區(qū)水質(zhì)的條件下，充分利用水體納污能力滿足其他類型水功能區(qū)水質(zhì)要求而確定的最大排污總量。

（1）為保障城鄉(xiāng)居民生活用水安全，應(yīng)維持或逐步改善功能區(qū)的水質(zhì)，限制排污總量取納污能力與現(xiàn)狀污染物入河量中的較小者。

（2）滿足農(nóng)業(yè)、景觀娛樂(lè)用水需要的河道水域，其水質(zhì)以能滿足用水需要為原則，限制排污總量取納污能力。

（3）排污控制區(qū)按一級(jí)A控制（COD 60mg/L，氨氮 8mg/L）。

3.2 限制排污總量核算成果

入河污染源現(xiàn)狀調(diào)查評(píng)價(jià)是合理核定限制排污總量的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)膠南市10個(gè)水功能區(qū)12個(gè)排污口調(diào)查監(jiān)測(cè)，污廢水現(xiàn)狀入河排放量為1262.58萬(wàn)t/a，COD排放量3066.19t/a，BOD5排放量884.72t/a，氨氮排放量263.53t/a，揮發(fā)酚排放量0.28t/a。

根據(jù)限制排污總量原則及納污能力計(jì)算結(jié)果確定了各水功能區(qū)限制排污總量，計(jì)算成果見(jiàn)表1。

4 結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果顯示，在90%設(shè)計(jì)條件下，COD和氨氮的納污能力分別為225.69t/a和5.74t/a；COD和氨氮限制排污總量分別為132.85t/a和2.77t/a；COD和氨氮削減量分別為2933.34t/a和260.76t/a，限制排污總量占總排放量的95.7%和98.9%，削減任務(wù)相當(dāng)艱巨。

為了與本文采用的計(jì)算方法作比較，按照常規(guī)計(jì)算方法對(duì)膠南市河流納污能力進(jìn)行了計(jì)算，得出了90%設(shè)計(jì)條件下，COD和氨氮的納污能力分別為133.16t/a和5.32t/a的結(jié)果，比本文采用的方法計(jì)算結(jié)果偏小41%。從計(jì)算結(jié)果上分析，按照常規(guī)計(jì)算方法計(jì)算膠南市河道納污能力的數(shù)值明顯偏少，主要原因是常規(guī)計(jì)算方法忽略了攔河閘壩的影響。從成因上分析，由于攔河閘壩的建設(shè)，改變了河道水力特性，水域面積和水量的增加使得納污能力相應(yīng)增加，針對(duì)膠南市18座攔河閘壩而言，COD納污能力增加了41%。由此可知，建有梯級(jí)攔河閘壩的季節(jié)性河流計(jì)算河道納污能力時(shí)，攔河閘壩的納污能力是一項(xiàng)不可忽視的重要因素，應(yīng)充分考慮其不同于一般河道的水力特性，針對(duì)其特性選擇合適的模型計(jì)算其納污能力，確保計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠