河流納污能力計(jì)算方法比較

路 雨,蘇保林

(北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875)

1 研究概況

水域納污能力是指在設(shè)計(jì)水文條件下,某種污染物在滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)情況下能容納的該種污染物的最大數(shù)量[1]。河流納污能力隨規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)的變化而變化,反映了特定水體污染物排放量與水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)之間的動(dòng)態(tài)輸入響應(yīng)關(guān)系。其大小與水體特征、水質(zhì)目標(biāo)及污染物特性等有關(guān),在實(shí)際計(jì)算中受污染源概化、設(shè)計(jì)流量和流速、上游污染物濃度、污染物綜合降解系數(shù)等設(shè)計(jì)條件和參數(shù)的影響。李紅亮等[2]分析了水域納污能力影響因素,并列出了幾種河流水質(zhì)模型。勞國(guó)民[3]分析了污染源概化方式對(duì)水體納污能力計(jì)算的影響,并比較了這種影響與來(lái)水保證率和綜合衰減系數(shù)之間的關(guān)系,王彥紅[4]對(duì)水體納污能力的影響參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析,張文志[5]對(duì)一維水質(zhì)模型中污染源概化、設(shè)計(jì)流量和流速、上游本底濃度等設(shè)計(jì)條件和參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響進(jìn)行了分析,并討論如何確定設(shè)計(jì)條件和參數(shù),閻非等[6]提出了排污口權(quán)重法來(lái)計(jì)算河流納污能力,為河流綜合管理提供新的思路。周孝德等[7]提出了針對(duì)控制斷面的段首控制法、段尾控制法和功能區(qū)段尾控制法,并分析比較了其優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 一維水質(zhì)模型

對(duì)于污染物在河流橫斷面上均勻混合的中、小型河段,可采用河流一維水質(zhì)模型計(jì)算納污能力,其計(jì)算公式為:

式中:ρx為流經(jīng)x距離后的污染物質(zhì)量濃度,mg/L;ρ0為計(jì)算河段上游斷面來(lái)水的污染物質(zhì)量濃度,mg/L;x為沿河段的縱向距離,m;u為設(shè)計(jì)流量下的斷面平均流速,m/s;K為污染物綜合衰減系數(shù),s-1。

1.2 納污能力計(jì)算的影響因素及存在問(wèn)題

影響納污能力的因素有很多,主要包括水域特征、污染物的降解特性以及排放方式等方面。水域特征主要包括流速、流量等設(shè)計(jì)水文條件。由于各河段上水動(dòng)力條件和污染源的分布不同,各河段的納污能力有很大差異。河流納污能力與污染物的排放位置及排放方式有關(guān),限定的排放方式是確定河流納污能力的一個(gè)重要確定因素[8]。從管理角度上考慮,水域特征和污染物降解特性較難進(jìn)行人為規(guī)劃,但稀釋容量在各個(gè)河段的空間分配及污染物排放方式則可以通過(guò)規(guī)劃得到合理設(shè)置。目前,在河流納污能力計(jì)算中對(duì)于污染物排放方式如何選取、水質(zhì)目標(biāo)如何合理分配,以及管理者如何設(shè)定控制斷面上均存在不同考慮,從而導(dǎo)致不同的研究者使用同樣數(shù)據(jù)卻得到不同的納污能力計(jì)算結(jié)果。筆者針對(duì)污染物的排放方式、控制斷面位置選擇及稀釋容量的合理分配分別進(jìn)行比較研究,以更好地解決河流納污能力計(jì)算上所面臨的有關(guān)問(wèn)題。

2 排污口概化

通常情況下,對(duì)同一個(gè)水功能區(qū)劃相應(yīng)的河段而言,污染物排放口不規(guī)則地分布于河流的不同斷面,功能區(qū)控制斷面的平均濃度將由所有排污口污染源在控制斷面產(chǎn)生的濃度疊加得到[9],因此各污染源排污口位置的概化對(duì)控制斷面濃度有很大影響。目前污染源排污口概化一般有3種方法:中點(diǎn)概化,均勻概化及排污口重心概化。

2.1 中點(diǎn)概化

中點(diǎn)概化法即認(rèn)為計(jì)算河段內(nèi)的多個(gè)排污口概化為一個(gè)集中排污口,將此概化排污口置于河段的中點(diǎn)處,該點(diǎn)源的實(shí)際自凈長(zhǎng)度為河段長(zhǎng)度的一半,其概化示意圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 集中排放河段排污口概化示意圖

中點(diǎn)概化河段納污能力的計(jì)算公式為:

式中:M為污染物納污能力,g/s;ρs為下游斷面水質(zhì)目標(biāo)質(zhì)量濃度,mg/L;L為計(jì)算河段的長(zhǎng)度,m;Q為河段設(shè)計(jì)流量,m3/s。式中其他參數(shù)意義與公式(1)相同。

如果計(jì)算功能區(qū)河段過(guò)長(zhǎng),則需要把功能區(qū)河段分成若干個(gè)計(jì)算河段,在每一個(gè)細(xì)分的計(jì)算河段應(yīng)用公式(2)來(lái)計(jì)算納污能力,然后再相加得到整個(gè)功能區(qū)河段的納污能力,這樣的概化處理更符合實(shí)際。

2.2 均勻概化

均勻概化法即認(rèn)為將計(jì)算河段內(nèi)的多個(gè)排污口均勻地概化在河段內(nèi),實(shí)現(xiàn)污染物在河段內(nèi)均勻分布,其概化示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 均勻排放河段排污口概化示意圖

在河段內(nèi)選擇一微小河段dx,其位置距河段段首距離為x,則此微段污染物輸運(yùn)至 x=L處的剩余質(zhì)量為dm,上游各微段質(zhì)量降解到 x=L斷面處的總質(zhì)量迭加設(shè)為m,則

均勻概化河段納污能力的計(jì)算公式為[3]:

式中參數(shù)意義與公式(1)、(2)相同。

2.3 排污口重心概化

排污口重心概化法是保持現(xiàn)有排污口的格局不變,計(jì)算現(xiàn)有排污口位置情況下的納污能力。即認(rèn)為同一功能區(qū)內(nèi)的污染源排污口在功能區(qū)內(nèi)排污口的重心斷面排放,概化示意圖見(jiàn)圖3所示。

圖3 排污口重心排放河段排污口概化示意圖

其重心計(jì)算公式為[10]:

式中:x為概化的排污口到計(jì)算河段下斷面距離,m;mi為第i個(gè)排污口(i=1,2,…,n)排污量,g/s;xi為第i個(gè)排污口(i=1,2,…,n)到計(jì)算河段下斷面的距離,m。

排污口重心概化河段納污能力的計(jì)算公式為:

式中參數(shù)意義與公式(1)、(2)、(6)相同。

3 控制斷面位置選擇

3.1 段首控制

段首控制就是控制計(jì)算河段段首處的水質(zhì)達(dá)到計(jì)算河段的要求,那么由于有機(jī)物的降解,則在該段內(nèi)的水質(zhì)處處達(dá)標(biāo)。段首控制嚴(yán)格控制了計(jì)算河段的水質(zhì)不超標(biāo),從水環(huán)境管理來(lái)說(shuō)要求最嚴(yán)。其概化示意見(jiàn)圖4所示[7]。

圖4 段首控制納污能力計(jì)算示意圖

第i段計(jì)算河段的納污能力為:

式中:Mi為第i個(gè)計(jì)算河段的納污能力,g/s;ρi為第i個(gè)計(jì)算河段的質(zhì)量濃度;Qi為第i個(gè)計(jì)算河段的設(shè)計(jì)流量,m3/s;ρs,i為第i個(gè)計(jì)算河段的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),mg/L;ρi,0為第i個(gè)計(jì)算河段的上游來(lái)水污染物濃度,mg/L;Ki為第i個(gè)計(jì)算河段降解系數(shù),1/s;Li為第i個(gè)計(jì)算河段長(zhǎng)度,m;ui為第i個(gè)計(jì)算河段平均流速,m/s。

3.2 段尾控制

段尾控制就是控制計(jì)算河段段尾處的水質(zhì)達(dá)到計(jì)算河段的要求,在段尾控制計(jì)算中,計(jì)算河段全段水質(zhì)低于水質(zhì)要求,即計(jì)算河段100%超標(biāo)。其概化示意見(jiàn)圖5所示[7]。

圖5中參數(shù)意義與圖4相同,第 i段計(jì)算河段的納污能力為:

3.3 段中控制

段中控制就是根據(jù)環(huán)境管理要求,在計(jì)算河段設(shè)定水質(zhì)控制斷面,控制達(dá)標(biāo)河段長(zhǎng)度。在計(jì)算河段控制斷面到上游起始斷面內(nèi)的水質(zhì)是超標(biāo)的,而計(jì)算河段水質(zhì)控制斷面以下到計(jì)算河段末端水質(zhì)處處達(dá)標(biāo)。其概化示意見(jiàn)圖6所示。

圖5 段尾控制納污能力計(jì)算示意圖

圖6 段中控制納污能力計(jì)算示意圖

圖6中參數(shù)意義與圖4相同,第i段計(jì)算河段的納污能力為:

式中:ρi為第i河段的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率,即達(dá)標(biāo)河段長(zhǎng)度所占百分率。

4 稀釋容量分配

水環(huán)境容量包括稀釋容量和自凈容量?jī)蓚€(gè)部分,其中功能區(qū)的稀釋容量如何合理分配對(duì)納污能力的計(jì)算有很大影響。例如,在計(jì)算功能區(qū)內(nèi)的計(jì)算河段時(shí),通常將稀釋容量全部用在第1個(gè)計(jì)算河段內(nèi),使得下游計(jì)算河段內(nèi)無(wú)稀釋容量,這并不符合實(shí)際情況。本文列舉均勻分配法和系數(shù)分配法兩種方法來(lái)對(duì)水質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行分配。

4.1 均勻分配法

均勻分配法是在滿足每個(gè)水功能區(qū)達(dá)標(biāo)的情況下,將功能區(qū)河段內(nèi)段首水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)到段尾水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)的總差值,均勻地分配到段首到段尾中間的各個(gè)計(jì)算河段內(nèi),作為各個(gè)計(jì)算河段的稀釋容量計(jì)算值。其概化示意圖見(jiàn)圖7所示。

其計(jì)算公式為:

式中:ρ′xi為第i個(gè)水功能區(qū)修訂后的稀釋容量值,mg/L;ρxi為第i個(gè)水功能區(qū)初始稀釋容量值,mg/L;ρxi為第i個(gè)水功能區(qū)稀釋容量的分配值,mg/L。

圖7 均勻分配法納污能力計(jì)算示意圖

均勻分配法簡(jiǎn)單易行,能在一定程度上做到兼顧上下游,使水質(zhì)目標(biāo)分配較為公平合理,便于管理,但對(duì)于不同地區(qū)實(shí)際情況的不同則可能會(huì)出現(xiàn)分配不合適的情況。因此,根據(jù)實(shí)際情況對(duì)水質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行分配,下面提出系數(shù)分配法。

4.2 系數(shù)分配法

系數(shù)分配法是根據(jù)不同水功能區(qū)的實(shí)際情況,將河流所計(jì)算的功能區(qū)河段內(nèi)段首水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)到段尾水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)的總差值,根據(jù)稀釋容量分配系數(shù)分配到各個(gè)計(jì)算河段內(nèi),作為各個(gè)計(jì)算河段的稀釋容量值。稀釋容量分配系數(shù)是綜合考慮污染物現(xiàn)狀排放量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、規(guī)劃條件下根據(jù)上下游分配關(guān)系等因素得到的,其概化示意圖見(jiàn)圖8所示。

圖8 系數(shù)分配法納污能力計(jì)算示意圖

圖8中參數(shù)意義與圖4及圖7相同,其計(jì)算公式為:

式中:εi為第i段河段的稀釋容量分配系數(shù);αij含αi1,αi2,αi3,分別指第 i段河段的污染物現(xiàn)狀排放量、GDP、規(guī)劃條件下上下游分配關(guān)系所占比例;σij含σi1,σi2,σi3,分別指第 i段河段的污染物現(xiàn)狀排放量、GDP、規(guī)劃條件下上下游分配關(guān)系的權(quán)重。

α指的是功能區(qū)中某一河段的某種因子占該功能區(qū)總河段對(duì)應(yīng)因子的比例,其確定是根據(jù)各河段內(nèi)的實(shí)際數(shù)據(jù)得到,現(xiàn)狀排放量、GDP、規(guī)劃條件下上下游分配關(guān)系的公式分別如式(15)所示。σ指的是某一河段內(nèi)排污量、GDP、規(guī)劃條件下上下游分配關(guān)系對(duì)分配系數(shù)的影響程度各自所占的比例。權(quán)重系數(shù)確定的合理性,會(huì)對(duì)分配系數(shù)有很大影響。本文選用熵值法[11]來(lái)確定權(quán)重系數(shù)。

5 案例分析與比較

5.1 研究范圍

飛云江位于溫州市內(nèi),干流全長(zhǎng)203km,是浙江省第4大河,溫州市第2大河,水質(zhì)目標(biāo)以Ⅱ、Ⅲ類(lèi)為主。本文以該段河段COD、NH3-N納污能力計(jì)算為例,分析采用一維水質(zhì)模型計(jì)算納污能力過(guò)程中不同排污口概化、不同控制斷面選擇、不同稀釋容量分配對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,并討論稀釋容量分配的確定方法,以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性。其研究范圍見(jiàn)圖9所示。

圖9 研究范圍水系圖

5.2 計(jì)算參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)水域納污能力計(jì)算規(guī)程,采用近10年90%保證率最枯月平均流量作為各功能區(qū)河段的設(shè)計(jì)流量。對(duì)于有水文站的計(jì)算河段,可根據(jù)實(shí)測(cè)流量、流速數(shù)據(jù)擬合出流速～流量關(guān)系曲線,再根據(jù)曲線求出對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)流量下的平均流速。對(duì)于無(wú)水文站的計(jì)算河段,設(shè)計(jì)流速一般可通過(guò)實(shí)測(cè)得到。筆者參考文獻(xiàn)[10]建議的數(shù)據(jù):上游山區(qū)流速采用0.5m/s,中游及支流地區(qū)河段采用0.4m/s。河道中污染物降解系數(shù)取KCOD=0.18/d,KNH3-N=0.08/d。各功能區(qū)的基本情況見(jiàn)表1所示,各功能區(qū)污染物現(xiàn)狀排放量見(jiàn)表2所示。

表1 飛云江河段各功能區(qū)基本情況

表2 飛云江河段各功能區(qū)污染物實(shí)際排放量

5.3 計(jì)算結(jié)果及分析

5.3.1 不同排污口概化

水質(zhì)目標(biāo)為功能區(qū)規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)值,控制斷面為段尾控制,分別比較中點(diǎn)概化、均勻概化、排污口重心概化的COD和NH3-N情況,結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3 不同排污口概化的納污能力比較 t/a

由表3可以看出,排污口概化在中點(diǎn)與排污口均勻概化得到的納污能力結(jié)果相差不大,隨著功能區(qū)長(zhǎng)度的增加,中點(diǎn)概化與均勻概化的計(jì)算結(jié)果差距加大,但差異性不是十分明顯,均勻概化計(jì)算結(jié)果略小于中點(diǎn)概化,在實(shí)際計(jì)算時(shí)兩種方法可以看作等效。對(duì)于排污口重心概化,較短功能區(qū)河段與前兩種概化的差異性不是十分明顯,說(shuō)明在小流域功能區(qū)內(nèi)3種方法可以看作等效。對(duì)于較長(zhǎng)的功能區(qū)河段(如河段1),3種概化方法得到的計(jì)算結(jié)果則有較大差異。一般認(rèn)為,對(duì)于較長(zhǎng)的功能區(qū)河段,應(yīng)根據(jù)排污口分布和主要排污口位置考慮是否細(xì)分計(jì)算河段或采用排污口重心概化的方法;而對(duì)于實(shí)際排污口位置和排放量在河段長(zhǎng)度上(包括左右岸)分布較為均勻的功能區(qū)河段,可考慮采用均勻概化的方法;中點(diǎn)概化方法計(jì)算較為簡(jiǎn)單,一般適用于長(zhǎng)度較短的功能區(qū)河段。對(duì)排污口信息不全的功能區(qū)河段,納污能力計(jì)算也可簡(jiǎn)單地采用中點(diǎn)概化方法。

5.3.2 不同控制斷面位置設(shè)定

在水質(zhì)目標(biāo)為功能區(qū)規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)值,排污口概化為中點(diǎn)概化,分別比較控制斷面位置在段首控制、段尾控制、段中60%控制的COD和NH3-N情況,結(jié)果見(jiàn)表4所示。

表4 不同控制斷面位置的納污能力比較 t/a

由表4可以看出,總量上,控制斷面位置分設(shè)在段首、段中、段尾,其納污能力依次增大。對(duì)于段首和段尾為相同水質(zhì)目標(biāo)的功能區(qū),段首控制的納污能力約為段尾控制納污能力的1/2,段中60%控制的納污能力約為段尾控制納污能力的60%。對(duì)于段首和段尾為不同水質(zhì)目標(biāo)的功能區(qū)控制斷面,段首控制的納污能力較段中控制、段尾控制有很大程度的降低,這是由于段首控制斷面所滿足的水質(zhì)目標(biāo)值與其他兩種控制斷面不同導(dǎo)致的。在實(shí)際管理過(guò)程中,可根據(jù)實(shí)際需要,調(diào)整控制斷面的位置,以滿足管理者的需要:段首控制為河段滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展最低納污能力,段尾控制為河段最高納污能力,段中控制可依據(jù)實(shí)際管理而制定。

5.3.3 不同稀釋容量分配

針對(duì)1號(hào)功能區(qū)內(nèi)各河段進(jìn)行計(jì)算分析,將1號(hào)功能區(qū)根據(jù)長(zhǎng)度,平均分為4個(gè)河段,每個(gè)河段間未分配前的段尾水質(zhì)目標(biāo)值為Ⅲ類(lèi),設(shè)定排污口概化為中點(diǎn)概化,控制斷面設(shè)置為段尾控制,分別比較稀釋容量未分配、均勻分配法和系數(shù)分配法的COD和NH3-N情況,其中,現(xiàn)狀排放量和GDP由實(shí)際資料獲得,從規(guī)劃角度上考慮,下游較上游需要更多的稀釋容量分配,以預(yù)留未來(lái)規(guī)劃量。根據(jù)飛云江地區(qū)實(shí)際情況,假設(shè)飛云江下游較上游多分配10%的稀釋容量,即規(guī)劃條件下上下游分配關(guān)系設(shè)定為110%。其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5所示。

表5 不同稀釋容量分配的納污能力比較 t/a

由表5可以看出,總量上,未進(jìn)行稀釋容量分配后的納污能力與進(jìn)行稀釋容量分配的納污能力相比較低,可見(jiàn),進(jìn)行稀釋容量分配后可以更加接近實(shí)際管理。均勻分配法和系數(shù)分配法相比較,總量上兩者相差不大。對(duì)于功能區(qū)內(nèi)不同河段,1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)河段的COD現(xiàn)狀排放量比例約為9∶1∶1∶1,均勻分配法和系數(shù)分配法得到各河段對(duì)應(yīng)的納污能力比例分別為1∶1∶1∶1和1∶1∶1.3∶1.3,可見(jiàn)系數(shù)分配法較均勻分配法更能符合功能區(qū)段的實(shí)際管理需求,使納污能力在各功能區(qū)間得到最大限度的利用。

6 結(jié) 論

a.對(duì)于長(zhǎng)度較短的河段,排污口中點(diǎn)概化與均勻概化在納污能力計(jì)算時(shí)的差異性較小,對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的河段,排污口均勻概化較中點(diǎn)概化更接近實(shí)際納污能力情況。

b.對(duì)于段首和段尾為相同水質(zhì)目標(biāo)的功能區(qū),段首控制的納污能力約為段尾控制納污能力的1/2,段中控制的達(dá)標(biāo)率與其對(duì)應(yīng)納污能力占段尾控制納污能力的比例一致,如段中60%控制的納污能力占段尾控制納污能力的60%。對(duì)于段首和段尾為不同水質(zhì)目標(biāo)的功能區(qū),段首控制的納污能力較段中控制、段尾控制有很大程度的降低。

c.在進(jìn)行稀釋容量分配時(shí),選取了均勻分配法和系數(shù)分配法進(jìn)行分配計(jì)算,系數(shù)分配法考慮了現(xiàn)狀排污量、GDP、規(guī)劃條件下上下游分配關(guān)系等因素,對(duì)稀釋容量進(jìn)行分配計(jì)算,通過(guò)計(jì)算,對(duì)稀釋容量進(jìn)行分配后比較未分配的情況,更能充分利用河流的納污能力,系數(shù)分配法較均勻分配法得到的稀釋容量更加符合實(shí)際管理需要。

[1]SL348—2006 水域納污能力計(jì)算規(guī)程[S].

[2]李紅亮,李文體.水域納污能力分析方法研究與應(yīng)用[J].南水北調(diào)與水利科技,2006(4):58-60.

[3]勞國(guó)民.污染源概化對(duì)一維模型納污能力計(jì)算的影響分析[J].浙江水利科技,2009(5):8-10.

[4]王彥紅.水體納污能力計(jì)算中各參數(shù)的分析與確定[J].山西水利科技,2007(2):55-57.

[5]張文志.采用一維水質(zhì)模型計(jì)算河流納污能力中設(shè)計(jì)條件和參數(shù)的影響分析[J].人民珠江,2008(1):19-20.

[6]閻非,蘇保林,賈海峰.基于排污口權(quán)重的一維河流水環(huán)境容量計(jì)算[J].水資源保護(hù),2006,22(2):16-18.

[7]周孝德,郭瑾瓏,程文,等.水環(huán)境容量計(jì)算方法研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào),1999,15(3):1-6.

[8]周美正.不同流量下的皖河流域納污能力研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2006.

[9]韓龍喜,朱黨生,姚琪.寬淺型河道納污能力計(jì)算方法[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2001,29(4):72-75.

[10]中國(guó)環(huán)境規(guī)劃院.全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南[R].北京:中國(guó)環(huán)境規(guī)劃院,2003.

[11]張先起,劉慧卿.基于熵權(quán)的灰色關(guān)聯(lián)模型在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].水資源研究,2006,27(3):17-19.