浙江省水功能區(qū)納污能力分析計算探討

柯斌，勞國民

（浙江省水文局，浙江 杭州 310009）

1 納污能力計算模型

根據(jù)浙江省水功能區(qū)的實際情況，選用的計算模型包括：山區(qū)性河流一維均勻混合模型、湖泊和水庫零維模型、平原河網(wǎng)零維模型、感潮河段組合模型。

1.1 山區(qū)性河流—維均勻混合模型

該模型適用于寬深比不大的河流，在較短的時間內(nèi)，污染物能在河段橫斷面上均勻混合。

由于污染物一般是沿河岸分多處排放的，每一河段內(nèi)可能存在多個污染源，同時，規(guī)劃各排污口的位置具有不確定性，在此采用概化的方法，即認為污染物排放口在同一功能區(qū)內(nèi)沿河均勻分布，此概化體現(xiàn)了污染源分布的一種平均狀況，混合過程也假定在排污口斷面瞬時完成均勻混合，圖1為某一功能區(qū)污染源均勻排放的示意圖。

圖1 功能區(qū)中污染源均勻排放示意圖

功能區(qū)終止斷面的污染物濃度按下式計算：

式中：Cs為終止斷面的污染物濃度（mg／L）；C0為起始斷面的污染物濃度（mg／L）；k為污染物綜合衰減系數(shù)（L／s）；L為功能區(qū)長度（m）；u為設(shè)計流量下功能區(qū)的斷面平均流速（m／s）；W 為進入功能區(qū)的污染物量（t／a）；Q 為功能區(qū)設(shè)計流量（m3／s）。

當Cs剛好滿足該功能區(qū)水質(zhì)目標時，進入該功能區(qū)的污染物量即為其納污能力，計算公式如下：

1.2 湖泊和水庫零維模型

以圖2水庫為代表，設(shè)有n條支流匯入湖體，各匯入支流的流 量 及 污 染 物 濃 度 分 別 為q1，q2，q3，……，qn；C01，C02，……，C0n，水庫水質(zhì)目標為Cs，在這種情況下，計算水庫的納污能力。

圖2 水庫污染物遷移示意圖

假定水量為穩(wěn)態(tài)，則出流流量q出＝Σqi，水庫納污能力計算公式為：

式中：qi為i條支流入流流量（m3／s）；C0i為i條支流入流濃度（mg／L）；B為水庫不均勻系數(shù)（無量綱）；V為設(shè)計水文條件下的水庫庫容（m3）；其余指標同上。

由于水庫多位于河流上游，水質(zhì)較好，出流水質(zhì)與入流水質(zhì)接近，因此上式可簡化為：

W＝31.536×BkVCs

1.3 平原河網(wǎng)零維模型

平原河網(wǎng)的功能區(qū)采用零維模型，根據(jù)不同水文條件下的河網(wǎng)容積，計算整個河網(wǎng)相應的納污能力，再近似按河長或河段蓄量分配到功能區(qū)，公式如下：

式中：W河網(wǎng)為整個河網(wǎng)的納污能力（t／a）；V河網(wǎng)為設(shè)計水文條件下整個河網(wǎng)槽蓄量（m3）；W功能區(qū)為功能區(qū)納污能力（t／a）；l為功能區(qū)河長（m）；L河網(wǎng)為整個河網(wǎng)功能區(qū)總河長（m）；v為功能區(qū)河段槽蓄量（m3）；其余符號意義同前。

1.4 感潮河段組合模型

感潮河段水量由上游下泄水量和下游潮水量組成 （見圖3）。

圖3 感潮河段水量組成示意圖

河段納污能力可由上游來水納污能力和下游潮水納污能力2部分組成，計算公式如下：

式中：b為感潮河段不均勻系數(shù)；V潮為潮水量（m3）；其余符號意義同前。

上游來水納污能力按照山區(qū)性河流一維均勻混合模型計算，設(shè)計流量和設(shè)計流速采用相應保證率的數(shù)值；感潮河段納污能力采用零維模型計算，潮水量采用相應保證率潮差進行計算。

2 模型參數(shù)選擇

上述納污能力計算模型涉及的參數(shù)主要有綜合衰減系數(shù)k、湖庫不均勻系數(shù)B、感潮河段不均勻系數(shù)b。

2.1 綜合衰減系數(shù)k

綜合衰減系數(shù)的影響因素眾多，相當復雜，一般采用下述方法進行分析。

2.1.1 分析借用

對于以前在環(huán)評、環(huán)保規(guī)劃、環(huán)?？蒲械裙ぷ髦锌晒├玫挠嘘P(guān)資料經(jīng)過分析檢驗后采用。

無資料時，可借用水力特性、污染狀況、及地理、氣象條件相似的鄰近河流的資料。

2.1.2 實測法

選取一個河道順直、水流穩(wěn)定、中間無支流匯入、無排污口的河段，分別在河段上游 （A點）和下游 （B點）布設(shè)采樣點，監(jiān)測污染物濃度值，并同時測驗水文參數(shù)以確定斷面平均流速，綜合衰減系數(shù)可由實測數(shù)據(jù)推算。

可以根據(jù)各種經(jīng)驗公式推求綜合衰減系數(shù)。

本次綜合衰減系數(shù)主要采用分析借用和實測法，全省不同區(qū)域、不同水體類型功能區(qū)的綜合衰減系數(shù)k取值范圍見表1。

表1 不同類型水功能區(qū)的綜合衰減系數(shù)k的確定值表

續(xù)表1

2.2 湖庫不均勻系數(shù)B

湖泊、水庫的不均勻系數(shù)按表2進行選用。

表2 湖泊、水庫不均勻系數(shù)表

2.3 感潮河段不均勻系數(shù)b

感潮河段的不均勻系數(shù)按表3進行選用。

表3 感潮河段不均勻系數(shù)表

3 設(shè)計水文條件確定

根據(jù)SL 348—2006《水域納污能力計算規(guī)程》，納污能力計算應采用90%保證率最枯月或近10a最枯月平均流量（水位、蓄量）作為設(shè)計水文條件。該條件偏嚴格，為反映不同設(shè)計水文條件下功能區(qū)的納污能力，從而為下一步污染物總量控制提供較為全面的科學數(shù)據(jù)，采用90%，75%和50%三種保證率最枯月平均流量 （水位、蓄量）作為設(shè)計水文條件，分別核定功能區(qū)的納污能力。

3.1 設(shè)計流量

山區(qū)性河流水功能區(qū)設(shè)計流量確定方法：

（1）選用全省代表性好、資料系列長的流量站，統(tǒng)計其逐年各月平均流量，以歷年最枯月平均流量系列排頻，得出各站50%、75%及90%保證率的最枯月平均流量。根據(jù)河流、地形等下墊面情況，將全省劃分成32個區(qū)塊，將所在分區(qū)或臨近分區(qū)內(nèi)的水文站的設(shè)計流量換算為不同保證率的單位面積流量。

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山區(qū)性河流流量大小取決于上游降水量、下墊面條件、河流形態(tài)、集水面積等多種因素，降水量的大小對單次流量影響較大，但從長系列資料來看，影響流量的主要因素是集水面積。繪制各站50%、75%及90%保證率的最枯月平均流量與集水面積的關(guān)系見圖4。由圖4可見，各站不同保證率流量與集水面積基本成正相關(guān)，隨著集水面積的增加，流量相應增加。

（2）在電子地圖上根據(jù)等高線求取各功能區(qū)河段上斷面或下斷面以上匯水面積，并用水文站控制面積進行復核。

（3）各功能區(qū)按所在區(qū)塊的不同保證率單位面積流量和功能區(qū)上斷面或下斷面流域面積或區(qū)間面積計算設(shè)計來水流量，并用水文站控制斷面設(shè)計流量進行協(xié)調(diào)修正后作為納污能力計算的設(shè)計流量條件。

圖4 各站不同保證率流量與集水面積關(guān)系圖

3.2 設(shè)計流速

河流控制斷面的實測流與斷面平均流速有如下指數(shù)關(guān)系：

式中：u為斷面平均流速（m／s）；Q為斷面流量（m3／s）；a、b為系數(shù)。

以諸暨站為例，該站中低水實測流量～流速關(guān)系及擬合流速見圖5，由圖5可見，流速與流量指數(shù)關(guān)系擬合較好，能基本反映不同流量下的實際流速情況。

圖5 諸暨站中低水流量～流速關(guān)系擬合圖

根據(jù)全省68個水文站實測中、低水流量資料，逐站分析系數(shù)a、b，選擇相關(guān)關(guān)系好的代表站，分水系綜合后作為各功能區(qū)由流量推算流速的依據(jù)。

3.3 湖庫及平原河網(wǎng)設(shè)計水位

湖庫和平原河網(wǎng)采用50%、75%、90%最枯月平均水位下的蓄水量作為納污能力計算的水文條件。

全省平原河網(wǎng)分為杭嘉湖平原、蕭紹平原、姚慈平原、鄞東、鄞西、鎮(zhèn)海、金清水系7大河網(wǎng)，分別選取各河網(wǎng)水位代表站，統(tǒng)計各站歷年逐月平均水位，以歷年最枯月平均水位系列排頻，得出各站50%、75%及90%保證率的最枯月平均水位。根據(jù)各河網(wǎng)的水位～槽蓄量關(guān)系，得出各平原河網(wǎng)不同保證率的蓄水量。

選用的水位代表站見表4。

表4 各平原河網(wǎng)區(qū)選用水位代表站表

3.4 感潮河段設(shè)計潮量

浙江省水系多為獨流入海河流，河口段受潮汐影響較大，設(shè)計流量除上游來水外，還必須包括潮水量。其設(shè)計流量的確定方法如下：

（1）劃分潮區(qū)界；

（2）根據(jù)潮位站歷年潮水位資料，計算各站50%、75%及90%保證率潮差；

（3）根據(jù)河道實測斷面、潮差和河段長度，計算感潮河段的潮水量。

浙江省感潮河段主要有錢塘江感潮河段、浦陽江感潮河段、甬江感潮河段、椒江感潮河段、甌江感潮河段、飛云江感潮河段、鰲江感潮河段。各感潮河段潮區(qū)界及選用潮位站見表5。

表5 全省感潮河段潮區(qū)界及選用潮位站表

根據(jù)感潮河段選用潮位站50%，75%，90%潮差，結(jié)合功能區(qū)斷面、長度資料計算各功能區(qū)的潮水量，作為納污能力計算的設(shè)計潮量。

4 計算分區(qū)及模型選用

根據(jù)全省水系狀況結(jié)合行政分區(qū)和水資源分區(qū)，納污能力分析將全省水功能區(qū)分為10個分區(qū)，分別為錢塘江區(qū)、杭嘉湖區(qū)、苕溪區(qū)、曹娥江區(qū)、甬江區(qū)、舟山區(qū)、椒江區(qū)、甌江區(qū)、飛云江區(qū)、鰲江區(qū)，獨流入海及出省小河流按地理屬性劃入上述10個分區(qū)內(nèi)。根據(jù)各計算分區(qū)內(nèi)的水域特性，納污能力計算選用4種模型，分別為山區(qū)性河流一維模型、湖泊水庫零維模型、平原河網(wǎng)零維模型、感潮河段混合模型。各計算分區(qū)不同水功能區(qū)選用模型見表6。

表6 各計算分區(qū)不同水功能區(qū)選用模型表

續(xù)表6

5 納污能力分析成果

根據(jù)浙江省水功能區(qū)選用的納污能力計算模型及相關(guān)參數(shù)、設(shè)計水文條件、功能區(qū)水質(zhì)目標等，分析計算功能區(qū)納污能力 （見表7）。由表7可見，50%設(shè)計水文條件下，浙江省CODcr納污能力為150.25萬t／a，其中感潮河段、平原河網(wǎng)、山區(qū)性河流分別為51.46萬，17.14萬，81.64萬t／a，分別占全省的34.3%，11.4%，54.3%；NH3－N納污能力為6.13萬t／a，其中感潮河段、平原河網(wǎng)、山區(qū)性河流分別為2.45萬，0.90萬，2.78萬t／a，分別占全省的40.0%，14.6%，45.4%。

75%設(shè)計水文條件下，全省CODcr納污能力為123.44萬t／a，其中感潮河段、平原河網(wǎng)、山區(qū)性河流分別為43.95萬，15.50萬，64.00萬t／a，分別占全省的35.6%，12.6%，51.8%；NH3－N納污能力為4.95萬t／a，其中感潮河段、平原河網(wǎng)、山區(qū)性河流分別為2.01萬，0.81萬，2.12萬t／a，分別占全省的40.7%，16.5%，42.8%。

90%設(shè)計水文條件下，全省CODcr納污能力為102.86萬t／a，其中感潮河段、平原河網(wǎng)、山區(qū)性河流分別為36.77萬，14.24萬，51.84萬t／a，分別占全省的35.8%，13.8%，50.4%；NH3－N納污能力為4.19萬t／a，其中感潮河段、平原河網(wǎng)、山區(qū)性河流分別為1.73萬，0.75萬，1.71萬t／a，分別占全省的41.3%，18.0%，40.7%。

表7 各水系水功能區(qū)納污能力計算成果表

6 結(jié) 語

（1）根據(jù)浙江省水功能區(qū)涉及的水域類型，納污能力計算模型主要可選用山區(qū)性河流一維均勻混合模型、湖泊和水庫零維模型、平原河網(wǎng)零維模型、感潮河段組合模型4類，模型參數(shù)主要有綜合衰減系數(shù)k、湖庫不均勻系數(shù)B、感潮河段不均勻系數(shù)b，可根據(jù)不同功能區(qū)特性來確定。

（2）為反映不同設(shè)計水文條件下功能區(qū)的納污能力，從而為下一步污染物總量控制提供較為全面的科學數(shù)據(jù)，確定90%、75%、50%三種保證率的設(shè)計水文條件，分別計算全省水功能區(qū)的納污能力。

（3）根據(jù)全省納污能力分析計算成果，感潮河段、平原河網(wǎng)、山區(qū)性河流CODcr納污能力的分配情況大致為0.35∶0.13∶0.52；NH3－N納污能力的分配情況大致為0.41∶0.16∶0.43。

（4）功能區(qū)納污能力與該功能區(qū)的水質(zhì)目標、設(shè)計水文條件等密切相關(guān)。隨著浙江省水利工程的變化，如河道疏浚、水庫建設(shè)、引調(diào)水工程的實施等，水文條件將相應變化；同時由于經(jīng)濟社會發(fā)展對水功能區(qū)要求的變化，功能區(qū)水質(zhì)目標也會有所調(diào)整。納污能力應根據(jù)相應條件的變化重新核定，以利于污染物總量控制方案的科學實施。