淺談臨沂城市供水工程取水對水功能區(qū)納污能力的影響

類 瀟 王慶偉

淺談臨沂城市供水工程取水對水功能區(qū)納污能力的影響

類 瀟 王慶偉

確立水功能區(qū)限制納污紅線管理是實行最嚴(yán)格水資源管理制度、建立水資源三條紅線監(jiān)管體系中的重要組成部分。水功能區(qū)限制納污紅線管理的實施，將有助于科學(xué)核定水域納污能力，加強入河排污總量的監(jiān)控，保障水資源可持續(xù)利用。下面以臨沂城市供水工程為例淺談水資源論證中項目取水對水功能區(qū)納污能力的影響。

一、項目介紹

臨沂供水工程自岸堤水庫取水，東線取水規(guī)模9萬m3/d，西線取水規(guī)模30.8m3/d。原水經(jīng)管道輸送至水廠，以滿足臨沂市中心城區(qū)及臨沭縣中心城區(qū)的生活、生產(chǎn)用水。

項目從岸堤水庫取水，取水口位于東汶河沂南飲用水源區(qū)，該水功能區(qū)蒙陰段限制納污指標(biāo)COD、氨氮分別為118.03t/a、6.08t/a，水質(zhì)目標(biāo)為III類，水源保護(hù)區(qū)禁止廢污水的入河排放。下一級河流為沂河，進(jìn)入的水功能區(qū)分別為沂河沂南農(nóng)業(yè)用水區(qū)（沂南縣大莊鎮(zhèn)—河?xùn)|區(qū)車莊），該水功能區(qū)限制納污指標(biāo)COD、氨氮分別為0t/a、0t/a，水質(zhì)目標(biāo)為Ⅳ類；沂河臨沂工業(yè)用水區(qū)（河?xùn)|區(qū)車莊—沂河小埠東壩），限制納污指標(biāo)COD、氨氮分別為0 t/a、0 t/a，水質(zhì)目標(biāo)為Ⅳ類。

項目引水后勢必減少了取水口斷面以下的水量，使岸堤水庫的下泄水量有所減小，減少量為正常下泄水量的40.1%，對下游水功能區(qū)納污能力產(chǎn)生一些不利影響，但都能保證下游的生態(tài)流量；由于下泄水量的減少主要在汛期，取水口以下支流匯入的水量較大，故對下游水功能區(qū)的納污能力影響較小。此次重點分析該工程實施對取水口以下的納污能力的影響。

二、納污能力計算

1.計算設(shè)計條件

（1）設(shè)計流量（Q）

水功能區(qū)納污能力計算的水文設(shè)計條件，以計算斷面的設(shè)計流量為設(shè)計水量，不同保證率的設(shè)計水量條件下，功能區(qū)的納污能力是不同的，具體到每個納污能力值都是對應(yīng)一定保證率的設(shè)計水量而言。

由于東汶河屬于季節(jié)性河流，如果采用平偏枯典型年的枯水流量作為設(shè)計流量，則涉及的功能區(qū)設(shè)計流量接近于0，因此考慮到實際情況，同時與《山東省水功能區(qū)劃》保持一致，選擇75%頻率非汛期平均流量作為設(shè)計流量。

由于取水口及其以下涉及三個水功能區(qū)，涉及4個水文站，分別為岸堤水庫水文站、高里水文站、葛溝水文站和臨沂水文站，對于涉及的水功能區(qū)內(nèi)無水文資料的河段，距水文站較近且流域面積基本沒變化則直接借用鄰近水文站的設(shè)計流量，控制流域面積相差較大的河段采用水文比擬法求得，根據(jù)流域面積相近斷面的己知流量，可按下式換算：

式中：Q1—相鄰斷面的流量；

F1—相鄰斷面的流域面積；

Q2—本斷面的流量；

F2—本斷面的流域面積；

n—校正系數(shù)。

（2）流速（u）

對應(yīng)設(shè)計流量下的計算單元的設(shè)計流速，采用以下經(jīng)驗公式和設(shè)計流量來確定：

式中：u—斷面平均流速，m/s；

Q—流量值，m3/s；

a、b—待定系數(shù)。

待定系數(shù)a、b的率定，是通過將上式取對數(shù)，可得線性回歸式：

In u和In Q采用2006年9月山東省水文水資源勘測局編制的《山東省水資源保護(hù)規(guī)劃》中的成果。

2.計算模型及其模型參數(shù)估算

（1）納污能力計算模式

為了客觀描述水體自凈或污染物降解過程，較準(zhǔn)確地計算出河段的納污能力，可采用一定的數(shù)學(xué)模型來描述此過程。水質(zhì)數(shù)學(xué)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的排放與河流水質(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)動力學(xué)原理：

納污能力計算的數(shù)學(xué)模型主要有零維模型、一維模型、二維模型、三維模型，通常采用的是一維模型和二維模型。

按照水利部發(fā)布的《水域納污能力計算規(guī)程》（SL348-2006）的有關(guān)規(guī)定，一維模型主要適用于污染物在橫斷面上均勻混合的中、小型河段。而河段規(guī)模的確定是根據(jù)河段多年平均流量，具體分類如下：河段多年平均流量大于等于150m3/s的為大型河段，流量小于等于15m3/s的為小型河段，流量介于15～150m3/s之間的河段為中型河段。

根據(jù)有實測水文資料的葛溝水文站和臨沂水文站計算兩個水文站附近河段的多年平均流量，經(jīng)計算，兩個水文站所在河段多年平均流量分別為21.9m3/s、47.8m3/s，根據(jù)計算流量可以看出取水口以下涉及的水功區(qū)所在河段為中型河段，因此納污能力計算均采用一維模型。

①濃度演算模型

根據(jù)有關(guān)研究，沂河河道內(nèi)污染物質(zhì)在較短的河段內(nèi)，基本能在斷面內(nèi)均勻混合，斷面污染物濃度橫向變化不大，采用以下一維水質(zhì)模型計算功能區(qū)的納污能力。

式中：

C0—上游斷面污染的濃度，mg/L；

K—污染物綜合自凈系數(shù)，L/d；

x—功能區(qū)長度，km；

u—功能區(qū)內(nèi)平均流速，m/s；

C—下游斷面污染物濃度，mg/L。

②納污能力計算模型

對于取水口以下涉及的水功能區(qū)而言，其入河排污口分布千差萬別，為簡化因排污口分布所帶來的納污能力計算的復(fù)雜性，對排污口在功能區(qū)上的分布加以概化，將計算河段內(nèi)的多個排污口概化為一個集中的排污口，概化排污口位于計算河段中點處，相當(dāng)于一個集中點源，該集中點源的實際自凈長度為計算河段長的一半。根據(jù)采用的一維水質(zhì)模型和排污口的概化情況，功能區(qū)納污能力的計算采用公式如下：

式中：

W—計算單元的納污能力，t/a；

K—污染物綜合降解系數(shù)，L/d；

C0—計算單元上斷面污染物濃度，mg/L；

Cs—計算單元水質(zhì)目標(biāo)值，mg/L；

L—功能區(qū)長度，km；

Q—計算單元上斷面的設(shè)計流量，m/s；

u—計算單元設(shè)計流量下的設(shè)計流速，m/s。

（2）模型參數(shù)估值

污染物綜合降解系數(shù)反映了污染物在水體中降解的速率，它是決定河流水體納污能力大小的最重要因素之一。許多科學(xué)實驗和研究資料表明，降解系數(shù)不但與河流的水文條件，如流量、水溫、流速、水深、泥沙含量等因素有關(guān)，而且與水體的污染程度關(guān)系密切。該系數(shù)常用實測資料率定或水團(tuán)追蹤法求取，也可用已有研究資料經(jīng)類比分析確定。

污染物綜合降解系數(shù)K值的實測資料率定常用二斷面法。采用以下公式：

式中：

C1—河段上斷面污染物濃度，mg/L；

C2—河段下斷面污染物濃度，mg/L；

u—河段平均流速，m/s；

△x—上、下斷面的間距，m；

K—污染物綜合降解系數(shù)。

此次K值相關(guān)關(guān)系采用山東省水文水資源勘測局編制的《山東省水資源保護(hù)規(guī)劃》中的成果，COD的K值：K= 0.050+0.68u；氨氮的 K值：K=0.061+ 0.551u。

三、結(jié)論

經(jīng)分析計算，取水口斷面所在水功能區(qū)的設(shè)計流量引水后較引水前減小，根據(jù)上述公式對引水后該工程取水口以下涉及的主要功能區(qū)河段COD和氨氮納污能力變化進(jìn)行計算，成果見表1。

表1 岸堤水庫取水口以下水功能區(qū)納污能力變化情況表

由上表可知，引水后對下游水功能區(qū)納污能力影響主要在東汶河沂南飲用水源區(qū)，COD、氨氮納污能力分別減少37.75 t/a、1.02 t/a，減少比例為13.2%、12.7%。對下游沂河干流水功能區(qū)影響為：沂河沂南農(nóng)業(yè)用水區(qū)COD、氨氮納污能力分別減少13.49 t/a、0.55 t/a，減少比例為1.13%、1.14%；沂河臨沂工業(yè)用水區(qū)COD、氨氮納污能力分別減少15.21 t/a、0.40 t/a，減少比例為1.13%、1.12%。

從對三個水功能區(qū)納污能力的影響情況來看，項目引水對沂河水功能區(qū)納污能力的影響進(jìn)一步減弱,同時考慮下游水功能區(qū)逐步有支流匯入河道的情況，項目取水對下游水功能區(qū)影響較小■

（作者單位：山東省臨沂市水文局276000）