細(xì)河入河口納污能力計算與總量控制研究

郭廓

（遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000）

細(xì)河入河口納污能力計算與總量控制研究

郭廓

（遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000）

納污能力是對具有一定使用或保護(hù)功能的水域，按照水體功能要求及水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)，評定該水域能夠容納不同污染物的最大數(shù)量，考慮遼西河流的季節(jié)性特點(diǎn)，以最枯月最小流量計算出的容量很小，甚至出現(xiàn)斷流容量為零的情況，因此拋開傳統(tǒng)的、側(cè)重從靜態(tài)的計算模式，將水文的隨機(jī)特性同納污能力計算與污染總量控制有機(jī)結(jié)合起來，使水質(zhì)保護(hù)與總量控制成為可能和具有可實(shí)施性。

細(xì)河；納污能力；水質(zhì)；排污；總量控制；細(xì)河

1 概況

細(xì)河發(fā)源于阜新縣他本扎蘭鄉(xiāng)東駱駝山西麓，北坡牌樓營子附近。河流走向由東北向西南流向，自發(fā)源地依次流經(jīng)阜新縣他本扎蘭鄉(xiāng)、阜新縣縣城，經(jīng)市區(qū)后流經(jīng)阜新縣東梁、伊馬圖鄉(xiāng)，在清河門區(qū)的蔡家屯入義縣，在義縣的復(fù)興堡匯入大凌河。細(xì)河河長121.4 km，流域面積3 092.8 km2，其中阜新市境內(nèi)流域面積2 290 km2。主要支流右岸有九營子河、伊馬圖河、湯頭河、清河，左岸有五道橋河、稍戶營子河、東沙河、大榆樹河等，多集中在中上游的阜新境內(nèi)。

細(xì)河從阜新市主城區(qū)穿城而過，大量的城市生活污水及工業(yè)廢水排入，造成細(xì)河不同程度的污染。據(jù)有歷史監(jiān)測的水質(zhì)資料統(tǒng)計，20世紀(jì)80年代末期，細(xì)河水質(zhì)還相對較好，基本能夠達(dá)到Ⅳ、Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，從90年代初開始水質(zhì)開始不斷惡化，到2010年以前，水質(zhì)污染常年居高不下，達(dá)到劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

納污能力是對具有一定使用或保護(hù)功能的水域，按照水體功能要求及水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)，評定該水域能夠容納不同污染物的最大數(shù)量。2010年以后，細(xì)河開始加大了污染治理力度，水質(zhì)有所改善，但污染物入河量仍然大大超出了水體的納污能力[1]，河流水體總體上呈污染狀態(tài)。雖然削減排污量、控制污染物入河量是徹底解決細(xì)河水質(zhì)問題的根本途徑，但在污染物尚不能得到完全控制的情況下，合理利用水體納污能力、進(jìn)行排污總量控制[2]，則具有較為現(xiàn)實(shí)的意義。本文的研究，主要考慮細(xì)河季節(jié)性明顯和月內(nèi)水量相對穩(wěn)定的特點(diǎn)，將水量的年保證率進(jìn)一步細(xì)化至月保證率，從而充分考慮河流水量對納污能力的影響；將總量控制與納污能力有機(jī)結(jié)合，為改善細(xì)河水質(zhì)提供有效措施。

2 納污能力計算方案

2.1 模型選擇

按照細(xì)河的特點(diǎn)，寬深比在3～6左右。假設(shè)寬深比不大的河流，污染物在較短的河段內(nèi)，基本上能在斷面內(nèi)均勻混合，污染物濃度在斷面上橫向變化不大，可用一維水質(zhì)模型[3]模擬污染物沿河流縱向的遷移問題。

設(shè)承載能力為W（kg/d），根據(jù)概化，單位河長納污量應(yīng)為W/L，建坐標(biāo)系，在河段內(nèi)選一微段，長為dx，坐標(biāo)為x，流速為u，則，此微段污染物輸運(yùn)至x=L處的剩余質(zhì)量為：

單位時間，經(jīng)過x=L所在斷面的污染物總質(zhì)量，應(yīng)為上游L長河段內(nèi)排放的各微段的質(zhì)量降解至該斷面剩余質(zhì)量的迭加：

相應(yīng)濃度為：

根據(jù)納污能力的定義：

式中：k為降解系數(shù)，L/d；C0為上斷面來水的水質(zhì)濃度，mg/L；Cs為水體的水質(zhì)目標(biāo)，mg/L；Q 為斷面設(shè)計流量，m3/s。

2.2 綜合衰減系數(shù)的確定

綜合衰減系數(shù)的確定，一般采用野外實(shí)測法或利用數(shù)值解模型通過試錯法求解[6]。計算模型為：

式中：CA，CB為上、下斷面污染物的濃度，mg/L。

2.3 河流水量的確定

河流納污能力計算的設(shè)計水量，采用某種頻率下流經(jīng)河流某一斷面的流量。頻率計算，各控制斷面每月的設(shè)計頻率采用90%，75%，50%，頻率計算方法采用經(jīng)驗(yàn)頻率曲線法[4]，其公式為數(shù)學(xué)期望公式：

式中：p為頻率；n為實(shí)測資料系列長；m為實(shí)測資料由大到小的排列序號。

2.4 平均流速的確定

1）流速參數(shù)公式推算[4]

式中：α，β為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到。α隨河床的大小而變化，β則有一個較固定的平均值的范圍，對大河而言，α=0.6，β=0.4。

2）建立實(shí)測流量～流速關(guān)系相關(guān)關(guān)系，來推球不同流量條件下的河段平均流速。

3 納污能力計算結(jié)果

3.1 綜合衰減系數(shù)

根據(jù)細(xì)河2000—20110年實(shí)際水質(zhì)監(jiān)測資料，分別計算每個測次的綜合衰減系數(shù)，綜合考慮各方面的因素，經(jīng)計算COD綜合衰減系數(shù)為0.4~ 0.5之間，取0.45；氨氮綜合衰減系數(shù)為0.2~0.4之間，取 0.3。

3.2 細(xì)河設(shè)計水量

細(xì)河設(shè)計流量的選用，采用水文站1956—2000年共計45年的系列資料，分別推求1—12月90%，75%，50%保證率下的設(shè)計水量月均值。按月份分別統(tǒng)計計算，50%，75%，90%保證率條件下的設(shè)計流量分別為 3.89，2.16，1.28 m3/s。 其中，90%保證率條件下最枯月流量為0.058 m3/s，最大月流量為3.05 m3/s；枯水期、豐水期流量相差懸殊，90%保證率條件下最高可相差50余倍，75%和50%保證證率下差異更大。

3.3 設(shè)計平均流速

從建立的細(xì)河實(shí)測流量～流速關(guān)系來看，流量～流速相關(guān)關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.941 4。因此，選用建立實(shí)測流量～流速關(guān)系相關(guān)關(guān)系，來推球不同流量條件下的河段平均流速。實(shí)測流量～流速關(guān)系見圖1，流速計算公式：y=-0.000 3x2+0.024 1x+ 0.330 5，R2=0.886 3。

圖1 細(xì)河復(fù)興堡水文站實(shí)測流量～流速關(guān)系

3.4 納污能力計算結(jié)果

1）細(xì)河入河口段化學(xué)需氧量（COD）90%保證率條件下，納污能力為1 271 t/a；75%保證率條件下，納污能力為1 978 t/年；50%保證率條件下，納污能力為3 303 t/a。 最枯月90%保證率條件下，納污能力為87.7 t/a。

2）細(xì)河入河口段氨氮90%保證率條件下，納污能力為50.3 t/a；75%保證率條件下，納污能力為81.3 t/a；50%保證率條件下，納污能力為141 t/a。最枯月90%保證率條件下，納污能力為2.96 t/a。

4 排污總量控制方案

4.1 月保證率條件下的納污能力

細(xì)河入河口段不同月份水量相差懸殊，按照月不同保證率，分別計算不同的納污能力。計算結(jié)果見表1。

4.2 不同水質(zhì)目標(biāo)下的納污能力

在不同水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)（Ⅴ類、Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)）情況下，按照月75%保證率，分別計算不同的納污能力。計算結(jié)果見表2。

4.3 排污總量控制方案設(shè)計

按照阜新市每天排放的城鎮(zhèn)污水15萬t計算，在污水處理達(dá)到《遼寧省污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（COD50 mg/L、氨氮 8 mg/L）情況下，每天 COD排放量為10 t，氨氮為1.6 t。據(jù)此推算90%保證率下，細(xì)河入河口水質(zhì)常年達(dá)不到Ⅴ類水質(zhì)；75%保證率下，細(xì)河入河口水質(zhì)只有COD在7和8月份能夠達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)。因此，需要對水質(zhì)進(jìn)行深度處理，按照75%保證率下，全年達(dá)標(biāo)月份50%以上的目標(biāo)，污水處理COD需要達(dá)到40.6 mg/L以下，氨氮需要達(dá)到1.65 mg/L以下，從一定程度上看，這個目標(biāo)是可以達(dá)到的。而按照傳統(tǒng)的年最枯月水量按照75%保證率下，全年水質(zhì)達(dá)標(biāo)，污水處理COD需要達(dá)到4.78 mg/L以下，氨氮需要達(dá)到0.16 mg/L以下，這個控制目標(biāo)現(xiàn)有條件下是無法實(shí)現(xiàn)的。計算結(jié)果見表3。

表2 不同水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)下的納污能力計算結(jié)果t/月

表3 不同水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)的排污總量控制 mg/L

5 結(jié)論及建議

按照傳統(tǒng)的納污能力計算模式，細(xì)河入河口段納污能力納污能力較低，最枯月90%保證率COD納污能力為87.7 t/a，是月90%保證率的6.9%；最枯月90%保證率氨氮承載能力為2.96 t/ a，是月90%保證率的4.9%。主要原因是細(xì)河地處遼寧西部，降水量較少，屬干旱地區(qū)，加上河流季節(jié)性特點(diǎn)顯著，最枯月流量很小。雖然以最枯月水量計算納污能力，對水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)與保證較為可靠和安全，但由于計算的納污能力過小，一是會使水污染控制任務(wù)艱巨，二是將豐水期的納污能力白白浪費(fèi)掉，不利于國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。由上述計算結(jié)果可以看出，按照月保證率的概念計算細(xì)河入河口段納污能力，在較高保證率的條件下可以得到更大的環(huán)境容量，這對處于干旱地區(qū)河流的水污染控制工作更具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

今后，應(yīng)考慮將水污染控制、水資源調(diào)度水文預(yù)測預(yù)報、水環(huán)境容量預(yù)測預(yù)報以及水質(zhì)模擬有機(jī)結(jié)合起來。采用宏觀評價與微觀分析，定性分析與定量計算，以及動態(tài)與靜態(tài)、系統(tǒng)的分解與綜合相結(jié)合的研究方法，應(yīng)用現(xiàn)代科技的基本理論和研究手段，初步建立起在時空上有確實(shí)保證的水文數(shù)據(jù)庫、水質(zhì)數(shù)據(jù)庫、污染源數(shù)據(jù)庫以及其他與計算有關(guān)的信息數(shù)據(jù)庫，形成一套完整、計算方便、簡單易行的納污能力計算、評價系統(tǒng)，為水污染防治、水資源保護(hù)決策提供依據(jù)。

［1］夏軍.水資源安全的度量：水資源承載力的研究與挑戰(zhàn)［J］.自然資源學(xué)報，2002（3）：262—269.

［2］夏青著.流域水污染總量控制［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1996

［3］朱黨生，王超，程曉冰．水資源保護(hù)規(guī)劃理論及技術(shù)［M］．北京：中國水利水電出版社，2001.

［4］方子云.水資源保護(hù)工作手冊［M］.南京：河海大學(xué)學(xué)出版社，1988.

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2015-06-21