商丘市水功能區(qū)納污能力計(jì)算與分析

鄭華山++臧紅霞++鄭如楠

【摘 要】 從水體納污能力的概念出發(fā)，建立納污能力計(jì)算模型，并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行估算，選取適合商丘市河流狀況的水質(zhì)模型，計(jì)算出各水功能區(qū)現(xiàn)有納污能力，從而為水資源保護(hù)與規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 水功能區(qū) 納污能力 計(jì)算 分析

水體納污能力是指對(duì)確定的水功能區(qū)，在滿足水域功能要求的前提下，在給定的水功能區(qū)酥誓勘曛?、设紦淇、排污恐X恢眉芭盼鄯絞較？功能區(qū)水體所能容納的最大污染物量，以噸/年表示。

受污染的水體在水中經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)和生物作用，污染物濃度和毒性隨著時(shí)間的推移或在流動(dòng)的過(guò)程中自然降低，這就是水體的自凈作用。影響水體自凈過(guò)程的因素很多，其中主要因素是：受納水體的水文條件，微生物種類與數(shù)量，水溫、復(fù)氧能力，以及水體和污染物的組成與污染物濃度等。河流的污染物自凈作用是形成河流納污能力的重要組成部分。因此，計(jì)算河流的納污能力時(shí)，必須綜合考慮河流水量、水質(zhì)目標(biāo)、污染物降解能力等方面的影響，并在此基礎(chǔ)上建立河流納污能力的計(jì)算模型。

1 計(jì)算范圍與內(nèi)容

1.1 計(jì)算范圍

本次納污能力計(jì)算對(duì)商丘市水功能區(qū)劃的20個(gè)重點(diǎn)功能區(qū)進(jìn)行納污能力計(jì)算。

1.2 計(jì)算指標(biāo)

根據(jù)區(qū)域水質(zhì)現(xiàn)狀和水污染的特點(diǎn)，納污能力計(jì)算控制指標(biāo)確定為CODcr、NH3-N。

1.3 計(jì)算內(nèi)容

本次水域納污能力計(jì)算是以功能區(qū)為單元，綜合水文水資源狀況、入河排污狀況及水資源開(kāi)發(fā)利用狀況，運(yùn)用水質(zhì)模型分析得出的，直接反映了水域的水環(huán)境承載能力。

2 計(jì)算條件

2.1 初始斷面背景濃度（C0）

源頭水水質(zhì)：若計(jì)算河段為河源段，C0取源頭水水質(zhì)。根據(jù)我省水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，河流源頭水CODcr、NH3-N?、瘛ⅱ蝾悩?biāo)準(zhǔn)值。

上斷面來(lái)水水質(zhì)：取上游功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)值。

2.2 水質(zhì)控制目標(biāo)濃度Cs

水質(zhì)目標(biāo)Cs值為本功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)值。

2.3 設(shè)計(jì)水文條件

2.3.1 設(shè)計(jì)流量的計(jì)算

設(shè)計(jì)流量的大小對(duì)納污能力的計(jì)算結(jié)果影響很大，流量資料系列太短則無(wú)法反映水文規(guī)律，資料太長(zhǎng)則無(wú)法反映人類活動(dòng)對(duì)水資源造成的影響，特別是對(duì)枯水期小流量的影響。為了反映全市水文年際周期變化和其中長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)，流量資料系列視資料情況取20～30年枯水期月平均流量值。

在水文實(shí)測(cè)資料較豐富的河段，選取75%保證率枯水期月平均流量作為設(shè)計(jì)流量。水功能區(qū)河段內(nèi)無(wú)水文資料，可根據(jù)相鄰上下游有水文站系列資料的水功能區(qū)設(shè)計(jì)流量用內(nèi)插法確定設(shè)計(jì)流量。在資料較少，上下游水功能區(qū)均無(wú)系列水文資料時(shí)，選取平偏枯典型年的枯水期平均流量作為設(shè)計(jì)流量。在上下游均無(wú)水文資料的河段，利用產(chǎn)流面積與水系或水文站控制產(chǎn)流面積的比例確定枯水期設(shè)計(jì)流量。對(duì)湖（庫(kù)）則用上述對(duì)應(yīng)條件確定計(jì)算水位和計(jì)算庫(kù)容。

2.3.2 設(shè)計(jì)流速的計(jì)算

對(duì)有實(shí)測(cè)流量流速資料的斷面，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算該斷面的設(shè)計(jì)流速：

U=αQβ （1）

式中：α、β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，由實(shí)測(cè)資料回歸得到。

對(duì)沒(méi)有實(shí)測(cè)流速資料的河段，借用特征相近的其他河道流量流速關(guān)系分析確定。

3 計(jì)算模型及其模型參數(shù)估算

3.1 納污能力計(jì)算模型

水質(zhì)模型是描述河流水體中污染物變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式，模型的建立可以為河流中污染物排放與河流水質(zhì)提供定量關(guān)系。

水質(zhì)模型建立的基礎(chǔ)是物質(zhì)守恒定律和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理：

（2）

對(duì)于河道流量和流速較小、水流極緩的河道的水質(zhì)用零維水質(zhì)模型模擬，而對(duì)于水體流動(dòng)明顯的河道則用一維模型模擬，對(duì)于湖泊水庫(kù)和河道很寬的河流則用二維水質(zhì)模型描述，對(duì)干支流交匯和污染物旁側(cè)匯入用稀釋模型。

3.1.1 零維水質(zhì)模型

對(duì)于停留時(shí)間很長(zhǎng)，水體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)的河段、湖泊，可以將其作為一個(gè)均勻混合的水體進(jìn)行分析，在式13-2引進(jìn)污染物輸入、輸出項(xiàng)可得零維模型，并求得其穩(wěn)態(tài)解析解為：

（3）

式中：——出流污染物濃度，mg/L；

——入流加權(quán)平均濃度，mg/L；

T=V/Q=L/u—— 水體滯留時(shí)間，d；

—— 污染物綜合降解系數(shù)，1/d；

V、L——分別為水體體積（m3）和河段長(zhǎng)（km）；

Q、u——分別為設(shè)計(jì)流量（m3/d）和流速（km/d）。

3.1.2 一維水質(zhì)模型

在流動(dòng)的河道中，污染物濃度沿程是變化的，對(duì)式13-2引用dt=dx/u并求得其一維水質(zhì)模型穩(wěn)態(tài)解析解為：

（4）

式中：x——與起始斷面間的距離，km；

u——設(shè)計(jì)條件下河段平均流速，km/d；

C0——起始斷面污染物濃度，mg/L；

其它符號(hào)意義同前。

3.1.3 二維水質(zhì)模型

對(duì)于水面較大的湖泊和水庫(kù)，污染物自岸邊進(jìn)入后，其二維擴(kuò)散可用極坐標(biāo)進(jìn)行描述。在式13-2引入dt=dr/u（r），對(duì)于角度為Φ弧度的岸邊排放可得到二維穩(wěn)態(tài)解析解：

（5）

式中：r— 計(jì)算點(diǎn)與排污口的距離，m；

h—計(jì)算區(qū)域的平均水深，m；

C—r處污染物濃度，mg/L；

C0—排污口污染物濃度，mg/L；

k—污染物綜合降解系數(shù)，1/d；

Q—排污流量，m3/d；

Φ—污染物在湖水中的擴(kuò)散角（弧度），平直的湖岸Φ=π；

C∞—水域初始濃度，mg/L。

3.1.4 稀釋混合模型

對(duì)于干支流交匯、旁側(cè)排污用稀釋混合模型描述混合水質(zhì)狀況，該模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

（6）

式中：Q、C0——分別為混合前干流流量和污染物濃度；

Cw、Qw——分別為側(cè)流匯入的流量和污染物濃度；

C——混合后的污染物濃度。

3.2 模型參數(shù)估值

污染物綜合降解系數(shù)k是反映污染物沿程變化的綜合系數(shù)，它體現(xiàn)污染物自身的變化，也體現(xiàn)了環(huán)境對(duì)污染物的影響。它是計(jì)算水體納污能力的一項(xiàng)重要參數(shù)，對(duì)于不同的污染物、不同的環(huán)境條件，其值是不同的。該系數(shù)常用自然條件下的實(shí)測(cè)資料率定，率定方法常用二斷面法和多斷面法。

3.2.1 斷面法

選取一個(gè)河道順直、水流穩(wěn)定、中間無(wú)支流匯入、無(wú)排污口的河段，分別在河段上游（A點(diǎn)）和下游（B點(diǎn)）布設(shè)采樣點(diǎn)，監(jiān)測(cè)污染物濃度值，并同時(shí)測(cè)驗(yàn)水文參數(shù)以確定斷面平均流速。綜合降解系數(shù)（k）按下式計(jì)算：由式4可得到：

（7）

式中：CA——河段上斷面污染物濃度，mg/L；

CB——河段下斷面污染物濃度，mg/L；

x——河段長(zhǎng)度，km；

V——河段平均流速，km/d；

ln——自然對(duì)數(shù)運(yùn)算符。

3.2.2 多斷面法

對(duì)于有多斷面水質(zhì)資料的河段可用回歸分析法確定k值：對(duì)一組lnC和x/u作線性回歸，所得回歸方程的斜率就為該河段的-k值。對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)應(yīng)分別作k值分析。

為了本次水功能區(qū)納污能力計(jì)算，安排了大沙河、包河多個(gè)河段的k值實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)k值的分析，得到對(duì)k值影響最大的因素是河段流速，其次是水溫。通過(guò)對(duì)各河段k值分析，我們得到CODcr與河段平均流速的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為：k=0.050+0.68u ；NH3-N的k值則為：k=0.061+0.551u，這個(gè)關(guān)系式將用于沒(méi)有k值資料的河段。

4 計(jì)算程序與方法

商丘市水功能區(qū)納污能力計(jì)算步驟如下是：①分析設(shè)計(jì)流量，確定區(qū)段設(shè)計(jì)流量Q和流速U；②確定來(lái)水濃度C0、出水濃度Cs。③分析模型計(jì)算參數(shù)k值；④調(diào)查分析入河排污口分布，進(jìn)行污染源概化；⑤分析計(jì)算區(qū)段現(xiàn)狀，選取計(jì)算模型并計(jì)算納污能力。

根據(jù)商丘市河流狀況，采用一維水質(zhì)模型和零維水質(zhì)模型。納污能力計(jì)算方法如下：

4.1 分析功能區(qū)設(shè)計(jì)流量Q和流速U

由前面所述的方法確定各水文斷面的設(shè)計(jì)流量和流速，在此基礎(chǔ)上確定各功能區(qū)段的計(jì)算流量和流速。

4.2 確定來(lái)水濃度C0、出水濃度Cs

河源初始段面水質(zhì)濃度C0采用本底值，下一河段的來(lái)水濃度C0即為上一段面的出水濃度Cs，河段的出水濃度Cs由水區(qū)能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)確定。

4.3 模型計(jì)算參數(shù)k值的確定

由前面所述方法確定。

4.4 進(jìn)行污染源概化

對(duì)一個(gè)納污能力計(jì)算區(qū)段而言，其入河排污口分布千差萬(wàn)別，為簡(jiǎn)化因排污口分布所帶來(lái)的納污能力計(jì)算的復(fù)雜性，將排污口在功能區(qū)上的分布加以概化。根據(jù)具體情況，在納污能力計(jì)算時(shí)將排污口概化為功能區(qū)中斷面排污，據(jù)此排污分布推算河段的納污能力。

4.5 納污能力計(jì)算

根據(jù)水質(zhì)模型和污染概化結(jié)果計(jì)算納污能力，計(jì)算公式表述如下：

（8）

式中：；

W—納污能力，g/s；

Cs—規(guī)劃河段水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L；

C0—河段上游來(lái)水水質(zhì)，mg/L；

Q—功能區(qū)設(shè)計(jì)流量，m3/s；

u—設(shè)計(jì)流量下的平均流速，km/d；

k—污染物綜合降解系數(shù)，1/d；

L—功能區(qū)段長(zhǎng)，km。

5 商丘市水功能區(qū)納污能力計(jì)算結(jié)果分析

商丘市水功能區(qū)2011年納污能力：COD共計(jì)1814.53t，氨氮 223.22t。商丘市各水功能區(qū)中，COD納污能力最小的是沱河虞城景觀用水區(qū)為1.1t，最大的是沱河夏邑排污控制區(qū)為 390.73t；氨氮納污能力最小的是包河商丘市農(nóng)業(yè)用水區(qū)為1.0t，最大的是包河虞城農(nóng)業(yè)用水區(qū)，約為39.75t。

參考文獻(xiàn)

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