基于一維水質(zhì)模型的新鄉(xiāng)市河流納污能力計算

王富強(qiáng)，王 雷，榮 飛

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源短缺、水環(huán)境惡化、水生態(tài)退化問題越來越突出，嚴(yán)重制約了區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展［1］．水資源保護(hù)是為了維護(hù)水域水量、水質(zhì)、水生態(tài)的功能與資源屬性，防止水源枯竭、水污染和水生態(tài)系統(tǒng)惡化［2］． 隨著工業(yè)社會的發(fā)展，河流污染導(dǎo)致的環(huán)境問題越發(fā)突出，如何提高河流納污能力，保證河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)，成為學(xué)術(shù)界的熱點研究課題．在此背景下，大量學(xué)者利用水質(zhì)模型在河流納污能力計算方面做了研究工作． 一維水質(zhì)模型在研究中得到了廣泛應(yīng)用［3－6］． 吳師利用一維水質(zhì)模型估算了動態(tài)納污能力，預(yù)測了不同污水排放量對指定河段水質(zhì)的不同影響［3］;胡守麗等根據(jù)深圳河流特點，采用一維水質(zhì)模型，計算了它的納污能力，并討論河口潮汐、排污口位置、截污能力限制等不同因素對深圳河納污能力的影響情況［4］;李錦秀等進(jìn)行了三峽水庫整體一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬研究，研究結(jié)果可對三峽庫區(qū)水質(zhì)的變化趨勢進(jìn)行模擬預(yù)測［5］;劉曉東等基于一維水質(zhì)模型的原理，提出了多參數(shù)識別的反演優(yōu)化算法［6］．

新鄉(xiāng)市作為河南省重要的工業(yè)城市，大量的工業(yè)廢水和生活污水排入河流，導(dǎo)致新鄉(xiāng)市河流水污染加劇，嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境［7］． 筆者利用一維水質(zhì)模型計算新鄉(xiāng)市主要河流的水體納污能力，并提出2020 年的污染物總量控制方案．

1 基本情況

1．1 自然概況

新鄉(xiāng)市地處黃河流域和海河流域，位于河南省北部，南臨黃河，與省會鄭州、古都開封隔河相望;地處黃河、海河兩大水系，水資源總量11．42 億m3，人均水資源量201．46 m3． 主要河流包括黃河流域的文巖渠、天然渠、天然文巖渠、黃莊河;海河流域的衛(wèi)河、大沙河、峪河、東孟姜女河、西孟姜女河、石門河、百泉河、大獅澇河;人工渠道主要包括人民勝利渠和共產(chǎn)主義渠．

1．2 河流水質(zhì)現(xiàn)狀評價

依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)和《地表水水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》(SL 395—2007)，對全市2 大水系、14 條主要河流，772．7 km的水質(zhì)監(jiān)測河段進(jìn)行評價．結(jié)果顯示，全年達(dá)標(biāo)率為14．0%;汛期達(dá)標(biāo)率為23． 1%;非汛期達(dá)標(biāo)率為18．8%;具體結(jié)果見表1．

表1 河道按河長達(dá)標(biāo)情況統(tǒng)計

1．3 污染物現(xiàn)狀調(diào)查

分析新鄉(xiāng)市11 個主要入河排污口2011 年的監(jiān)測資料，得污染物入河排放量約29 045．9 萬t/a，具體分布如圖1 所示．

圖1 主要污染物入河排放量分布情況

由于新鄉(xiāng)市排放的廢水主要為生活廢水和工業(yè)廢水，而生活廢水和工業(yè)廢水的主要成分為COD 和氨氮，因此，以COD 和氨氮作為控制因子來進(jìn)行河流納污能力計算．

2 新鄉(xiāng)市主要河流納污能力計算

2．1 一維水質(zhì)模型

新鄉(xiāng)市河流總體上具有流速小、河道窄、水深淺等特點，因此，利用一維水質(zhì)模型計算新鄉(xiāng)市主要河流的納污能力．計算公式為

式中:M 為納污能力，t/a;Q 為河道斷面設(shè)計流量，m3/s;Cs為水質(zhì)目標(biāo)值，mg/L;Co為初始濃度值，mg/L;k 為污染物綜合降解系數(shù)，1/d;l 為河道長度，km;u為設(shè)計流量下的平均流速，m/s．

2．2 參數(shù)率定

2．2．1 污染物綜合降解系數(shù)

降解系數(shù)不僅和河流的流量、水溫、流速、水深、泥沙含量等因素有關(guān)，而且還與水體的污染程度密切相關(guān)［8－9］．降解系數(shù)常用二斷面法求取，即選擇穩(wěn)定均勻混合并無支流口和排污口的河段，測得上下兩斷面污染物的濃度、流速和長度，即可求出k 值．計算公式為

式中:c1為河段初始端點污染物濃度，mg/L;c2為河段末端端點污染物濃度，mg/L;x 為河段長度，km;u為河段平均流速，km/d．

根據(jù)黃河流域一些河段的k 值實驗結(jié)果類比分析，得到新鄉(xiāng)市河流中COD 的k 值為0．17(1/d)，氨氮的k 值為0．15(1/d)．

2．2．2 斷面設(shè)計流量與平均流速

根據(jù)現(xiàn)狀年2011 年前實測水文資料，采用保證率為90%的最枯月平均流量作為設(shè)計流量，計算河流納污能力，以保證年內(nèi)最枯時水體等級符合目標(biāo)值．根據(jù)河段斷面分析計算出設(shè)計流量下各主要河段斷面的平均流速．

2．2．3 背景濃度Co

背景濃度是指進(jìn)入某河流前水體中的污染物濃度值，它受河流的本底值、上游河段的污染物入河量及區(qū)間面源的影響． 計算中用各段對照斷面近幾年實測水質(zhì)資料分析確定Co值．

2．2．4 水質(zhì)目標(biāo)Cs

根據(jù)新鄉(xiāng)市河段所定管理水質(zhì)目標(biāo)值作為控制標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮規(guī)劃河段內(nèi)各河流的實際情況，進(jìn)而確定水質(zhì)目標(biāo)值．

2．3 污染源概化

由于新鄉(xiāng)市入河排污口在河流的不同斷面不規(guī)則地分布．因此，將相對集中的多個入河排污口概化為一個集中的排污口，使之位于河段中點處，該集中點源的實際自凈長度為河段的一半．

2．4 納污能力計算

根據(jù)上述設(shè)計條件、模型選擇、參數(shù)率定，針對共產(chǎn)主義渠的水文特點、斷面參數(shù)及監(jiān)測數(shù)據(jù)，以共產(chǎn)主義渠為例計算其納污能力． 計算河段包括河段1(合河水文站斷面—六店村107 國道公路橋斷面)，河段2(六店村107 國道公路橋斷面—入衛(wèi)河口斷面)，結(jié)果見表2．由表2 可見，共產(chǎn)主義渠COD的納污能力為2 298． 3 t/a，氨氮的納污能力為100．6 t/a．同理計算其他河流納污能力見表3．由表3 可見，新鄉(xiāng)市COD 的納污能力為1．1 萬t/a，氨氮的納污能力為0．05 萬t/a．

表2 共產(chǎn)主義渠納污能力計算結(jié)果

表3 主要河流納污能力及現(xiàn)狀排污量t/a

3 污染物總量控制方案

以河流為單元，計算2020 年污染物入河控制量．根據(jù)新鄉(xiāng)市水功能區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀，飲用水源區(qū)和保護(hù)區(qū)各規(guī)劃水平年入河控制量均采用現(xiàn)狀納污能力進(jìn)行控制，其他水功能區(qū)各水平年的入河污染物總量若小于河流納污能力，則以污染物入河總量作為入河控制量;當(dāng)水功能區(qū)污染物入河總量遠(yuǎn)大于其納污能力時，為有效控制污染物入河量，可根據(jù)實際情況制定入河污染物控制方案，分階段削減污染物，以2020 年污染物削減量不小于60%為控制目標(biāo)進(jìn)行方案制定，具體見表4．

表4 新鄉(xiāng)市各主要河流2020 年排污量及削減量

4 結(jié) 語

1)通過調(diào)查新鄉(xiāng)市主要河流的水質(zhì)現(xiàn)狀、主要污染物排放狀況得出，在全年監(jiān)測的772．7 km 的評價河段中，達(dá)標(biāo)河長108．0 km，達(dá)標(biāo)率為14．0%;2011 年新鄉(xiāng)市11 個主要入河排污口的污染物入河排放量約為29 045．9 萬t/a．

2)利用一維水質(zhì)模型，以COD 和氨氮作為控制因子，計算了共產(chǎn)主義渠的河流納污能力，其中COD和氨氮的納污能力分別為2 298．3 t/a，100．6 t/a;新鄉(xiāng)市河流COD 和氨氮的納污能力分別為1．1 萬t/a，0．05 萬t/a．

3)根據(jù)污染物入河量控制原則和新鄉(xiāng)市河流污染物排放狀況，提出了新鄉(xiāng)市河流入河污染物的總量控制方案． 到2020 年新鄉(xiāng)市COD 和氨氮的入河控制量分別為22 603．8 萬t/a 和2 060．5 萬t/a，削減量分別為17 699．7 萬t/a 和2 349．0 萬t/a．

［1］Boon P J，Calow P，Petter G E． River conservation and management［M］．John Wiley ＆ Sons，1992．

［2］Lewis J． Integrated water resources management:theory，practice，cases［J］． Physics and Chemistry of the Earth，Parts A/B/C，2002，27(11):719 －720．

［3］吳師．淮河魯臺子一石頭埠段動態(tài)納污能力估算及水質(zhì)污染預(yù)測預(yù)報［J］． 水資源保護(hù)，2005，21(4):52－55．

［4］胡守麗，秦華鵬，熊向隕． 深圳河納污能力評價與污染削減方案優(yōu)化［J］． 給水排水，2006，32(增刊):118－121．

［5］李錦秀，廖文根，黃真理． 三峽水庫整體一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬研究［J］．水利學(xué)報，2002，7(5):7 －10．

［6］劉曉東，華祖林，謝增芳，等．一維河流水質(zhì)模型多參數(shù)識別的反演優(yōu)化通用算法［J］．水利發(fā)電學(xué)報，2012，31(2):122 －127．

［7］宰松梅，溫季，孫浩，等．河南省新鄉(xiāng)市水資源承載力評價研究［J］．水利學(xué)報，2011，42(7):783 －788．

［8］張文志．采用一維水質(zhì)模型計算河流納污能力中設(shè)計條件和參數(shù)影響分析［J］．中國西部科技(學(xué)術(shù))，2007(13):43 －45．

［9］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(增刊):58 －60，97．