河流納污能力計算一維模型主要參數(shù)的取值分析

彭振華，尤愛菊，徐海波（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

河流納污能力計算一維模型主要參數(shù)的取值分析

彭振華，尤愛菊，徐海波
（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

根據(jù)水域納污能力計算規(guī)程，中小型河流納污能力的計算推薦采用河流一維水質(zhì)模型。由于基礎(chǔ)觀測資料普遍不足，模型的河流流速、污染物綜合衰減系數(shù)2個重要參數(shù)的取值往往缺少可靠依據(jù)。以浙江省永康市水域納污能力的計算為例，基于現(xiàn)有水文、水質(zhì)觀測成果，對河流流速和污染物綜合衰減系數(shù)的取值方法和取值范圍進(jìn)行分析探討。

納污能力；一維水質(zhì)模型；河流流速；降解系數(shù)

1 問題的提出

水功能區(qū)納污能力的核定是落實納污紅線監(jiān)督管理制度的基礎(chǔ)和依據(jù)。GB 25173 — 2010《水域納污能力計算規(guī)程》（以下簡稱《計算規(guī)程》）規(guī)定了納污能力計算模型的選擇原則和基本方法，指出對于多年平均流量小于150.00 m3/s的中小型河段，可采用河流一維模型計算。參照《計算規(guī)程》，各單元河段納污能力計算的一維模型公式如下：

式（1）～（2）中：Cx為流經(jīng)x距離后的污染物濃度，mg/L；C0為初始斷面污染物濃度，mg/L；x為沿河段的縱向距離，m；u為河道斷面平均流速，m/s；K為污染物綜合衰減系數(shù)。M為納污能力，g/s；Cs為水質(zhì)目標(biāo)濃度，mg/L；Q為初始斷面流量，m3/s；Qp為廢污水排放流量，m3/s。

上述參數(shù)中，水質(zhì)目標(biāo)濃度Cs根據(jù)管理目標(biāo)設(shè)定；初始斷面污染物濃度C0可根據(jù)上游水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)或?qū)崪y源頭水質(zhì)數(shù)據(jù)確定；各河段流量Q可根據(jù)區(qū)間匯水面積，采用水文比擬法計算；廢污水排放流量Qp可采用實測數(shù)據(jù)，或根據(jù)社會生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)估算。由于普遍缺少基礎(chǔ)觀測資料，不同河段的流速u和污染物綜合衰減系數(shù)K，取值往往缺乏可靠依據(jù)。本文以浙江省永康市水域納污能力計算為例，基于現(xiàn)有水文、水質(zhì)資料，對流速u和污染物衰減系數(shù)K的取值方法和取值范圍進(jìn)行分析探討。

2 河流流速

研究范圍涉及永康市境內(nèi)5條主要河流，分別為南溪、李溪、華溪、酥溪和永康江，共劃分為6個河流型水功能區(qū)，在永康江干流設(shè)有1個流量監(jiān)測站。主要河流水系和現(xiàn)設(shè)流量站的位置見圖1。

圖1 永康市河流水系和流量監(jiān)測站位置圖

除永康江干流外，其它河流、河段均沒有設(shè)置流量監(jiān)測，設(shè)計流量下的流速u的取值難以確定。對于無監(jiān)測資料河段的流速，目前一般借用其它河段流量站的流量—流速擬合關(guān)系式計算，影響流速的因素包括流量、底坡、糙率等，對不同河段直接采用單個流量站實測流量—流速關(guān)系，往往存在較大偏差。本文嘗試采用明渠均勻流公式計算河流各河段流速的近似值。

根據(jù)《計算規(guī)程》，河段彎曲系數(shù)≤1.3時，可簡化為順直河段。因此將本次計算范圍內(nèi)的各河流，按彎曲系數(shù)≤1.3的原則細(xì)分成多個單元河段，每個單元河段均簡化為順直河道，采用明渠均勻流公式近似計算各單元河段流速，并采用實測流量流速數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗。

2.1 流速計算公式推算

明渠均勻流計算公式如下：

式（3）～（4）中:u為斷面平均流速，m/s；n為河床糙率；R為水力半徑，m；i為底坡；Q為流量，m3/s；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；b為水面寬度，m；h為平均水深，m。

研究范圍內(nèi)絕大部分河段的斷面為矩形或梯形，河流平均寬度20.00 ～ 130.00 m，正常水位下平均水深為2.00 ～ 6.00 m。根據(jù)《計算規(guī)程》，設(shè)計水文條件應(yīng)選擇90%保證率最枯月平均流量或近10 a最枯月平均流量。經(jīng)分析，設(shè)計水文條件下的流量僅為多年平均流量的1/30 ～ 1/15，水位低，過水?dāng)嗝鎸挏\，因此可用平均水深近似代替水力半徑[1 - 2]：

則式(3)可改寫為：

研究范圍內(nèi)大部分河道的底部為梯形或接近梯形的U形，均簡化為梯形，則河道斷面水面寬度與平均水深的關(guān)系式可表示為：

式中：m為邊坡系數(shù)；a為河道底寬，m。根據(jù)式（3）～（7）可推得：

根據(jù)式(8)可試算求得設(shè)計流量下的水面寬度b（也可繪制流量—水面寬度關(guān)系曲線求取），然后根據(jù)式（7）可推算得該寬度下的平均水深h，再根據(jù)式（6）或式（4）可求得設(shè)計流量下的流速u。

其中，河床糙率n的取值若按照經(jīng)驗值一般為0.02 ～0.04，但納污能力計算的設(shè)計流量僅為多年平均流量的1/30 ～1/15，水位低，河床粗糙程度占水深比例大，參照相關(guān)觀測和研究成果[3 - 4]，本次河床糙率n的取值范圍為0.03 ～ 0.06；

采用此方法計算所得的流速值為近似值，需根據(jù)代表水文站的實測流量、流速、水面寬度數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗。

2.2 合理性檢驗

采用永康流量站的實測數(shù)據(jù)對流速計算值的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗?？菟诓煌髁肯聦崪y流速、水面寬度數(shù)值與公式計算值的對比見圖2 ～ 3。

圖2 流速計算值與實測擬合值的對比圖

圖3 水面寬度計算值與實測擬合值的對比圖

可見流速、水面寬度的計算值與實測擬合值總體吻合較好，說明該計算方法基本可行，可用于納污能力計算模型中流速參數(shù)的估算。

用式（6）計算研究范圍內(nèi)各河流不同河段在設(shè)計水文條件下的流速，其中主要河流各河段估算的流速均值見表1。

表1 主要河流各河段估算流速均值表

3 污染物綜合衰減系數(shù)

根據(jù)《計算規(guī)程》，污染物綜合衰減系數(shù)的確定方法有分析借用法、實測法、經(jīng)驗公式法等。此外，較常應(yīng)用的方法還有水質(zhì)擬合法。根據(jù)已有研究成果，影響污染物衰減系數(shù)大小的主要因素包括污染物種類、水溫、溶解氧濃度和水文條件等[5 - 8]。本次的研究范圍涉及多個河流型水功能區(qū)的30多個河段，入河污染物種類和水文條件各異，限于時間和經(jīng)費，無法采用實測法；若采用分析借用法，往往難以找到水文水質(zhì)條件類似、已有實測數(shù)據(jù)的河道；經(jīng)驗公式法需基于大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行公式推導(dǎo)，且一般只適用于監(jiān)測斷面所在河流及監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得時段。而水質(zhì)擬合法雖然存在瞬時值計算精度低的缺點，但用于較長時段、較大范圍內(nèi)的衰減系數(shù)計算時，可充分利用已有的長系列水質(zhì)、水文和污染源監(jiān)測資料，擬合得到一定區(qū)域、時段內(nèi)的平均值。因此本次研究采用水質(zhì)擬合法，基于水文、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、污染源排放監(jiān)測或測算資料，采用水質(zhì)模型對水功能區(qū)的污染物衰減系數(shù)進(jìn)行擬合率定。

3.1 率定方法與參數(shù)

3.1.1 率定模型

采用河流一維水質(zhì)模型進(jìn)行率定，模型基本公式見式（1） ～ （2）。

3.1.2 率定時段

選擇污染源和水質(zhì)資料較完備、接近設(shè)計水文條件的枯水期作為率定時段。由于枯水期降雨量少，面源污染沖刷入河量少，可減少面源污染負(fù)荷不確定性對率定結(jié)果的影響。為降低污染源排放量隨機變化帶來的影響，盡量選擇較長的時段。

選擇研究范圍內(nèi)污染源和水質(zhì)資料較完備的2012 —2013年，期間永康江的流量實測值變化趨勢見圖4。

圖4 2012 — 2013年永康江流量變化趨勢圖

根據(jù)流量實測值，結(jié)合降雨資料分析，持續(xù)時間較長的枯水期出現(xiàn)在2013年10月10日至12月10日，期間永康站平均流量為7.90 m3/s，約為多年平均流量的1/5，為納污能力計算設(shè)計流量的3.5倍。

綜合考慮污染源資料的完整度和水文條件，選擇2013 年10月10日至12月10日作為率定時段。

3.1.3 水質(zhì)數(shù)據(jù)

水質(zhì)數(shù)據(jù)采用率定時段內(nèi)河流水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測斷面、鄉(xiāng)鎮(zhèn)交接斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)。水質(zhì)監(jiān)測斷面的分布見圖5。

圖5 永康市水質(zhì)監(jiān)測斷面分布圖

3.1.4 水動力參數(shù)取值

各水動力參數(shù)的計算取值方法見本文2.1節(jié)。

3.1.5 污染物入河量計算

分別測算點源（生活源、工業(yè)源、畜禽養(yǎng)殖源）、面源（農(nóng)業(yè)面源、地表徑流污染源）入河量。污染物入河量計算公式為：

污染物入河量=污染物排放量×入河系數(shù) （9）

點源污染物排放量根據(jù)排污單位環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)、排污口調(diào)查實測數(shù)據(jù)、人口資料等計算；面源污染物排放量根據(jù)肥料、農(nóng)藥流失系數(shù)手冊，相關(guān)文獻(xiàn)推薦方法計算[9]。

點源污染物入河系數(shù)的取值原則參照《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》，根據(jù)排污口離河道距離、排污管渠類型、氣溫等因素確定，大多數(shù)點污染源入河系數(shù)取值為0.7 ～1.0；農(nóng)業(yè)面源污染物入河系數(shù)根據(jù)農(nóng)田徑流系數(shù)確定；內(nèi)源污染物入河系數(shù)為1.0。由于入河系數(shù)存在取值范圍，因此率定得到的衰減系數(shù)K值也是一個數(shù)值范圍。

永康市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，研究涉及的5條河流沿岸人口密布，由于率定時段為枯水期、降雨量少、水溫較低、大部分河段為山區(qū)河段，所以入河污染物主要來自點源。經(jīng)測算，率定時段內(nèi)5條河流集水范圍內(nèi)，點源COD入河量約占污染物總?cè)牒恿康?1% ～ 89%，點源氨氮入河量約占污染物總?cè)牒恿康?6% ～ 92%。面源和內(nèi)源污染負(fù)荷所占的比例低，對污染物衰減系數(shù)率定結(jié)果的影響較小。

3.2 率定結(jié)果與合理性分析

采用上述方法，對各河流水功能區(qū)污染物綜合衰減系數(shù)進(jìn)行率定，主要指標(biāo)的率定結(jié)果見表2。

表2 主要河流污染物衰減系數(shù)率定結(jié)果表 d-1

《全國水資源保護(hù)規(guī)劃（浙江部分）》等相關(guān)報告列出了浙江省22個代表河段的綜合衰減系數(shù)推薦值，其中對于非河網(wǎng)地區(qū)河流，COD、氨氮衰減系數(shù)的取值范圍均為0.10 ～ 0.40 d- 1；根據(jù)中國環(huán)境規(guī)劃院《全國地表水水環(huán)境容量核定技術(shù)復(fù)核要點》，非河網(wǎng)地區(qū)普通河道COD衰減系數(shù)取值范圍為0.05 ～ 0.25 d- 1，氨氮衰減系數(shù)取值范圍為0.05 ～ 0.20 d- 1?？芍敬嗡p系數(shù)的率定結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)推薦值接近，可用于河流納污能力計算。

4 結(jié)論與建議

以永康市河流水功能區(qū)納污能力計算為例，對一維水質(zhì)模型中河流流速和污染物綜合衰減系數(shù)的取值計算進(jìn)行探討，結(jié)論與建議如下：

（1）河流流速可采用明渠均勻流公式近似計算，同時可推算斷面水面寬度和平均水深。計算結(jié)果與流量站實測結(jié)果接近。河道枯水期的糙率取值和河流流量模擬結(jié)果對流速計算準(zhǔn)確度有較大影響，可在這2方面開展深入研究。

（2）采用水質(zhì)擬合法對各河流的污染物綜合衰減系數(shù)進(jìn)行率定，率定結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)推薦值接近。率定時段應(yīng)盡量選擇污染源與水質(zhì)資料較豐富、水文條件與納污能力計算設(shè)計條件接近的時段，同時盡量減少面源和內(nèi)源污染負(fù)荷的不確定性對率定結(jié)果的影響。

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（責(zé)任編輯 郎忘憂）

Analysis on Estimating Main Coefficients in One Dimensional Model of River Environmental Capacity

PENG Zhen - hua，YOU Ai - ju，XU Hai - bo
（Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary，Hangzhou 310020，Zhejiang，China）

According to the calculation criteria of watershed environmental capacity，a one dimensional model is recommended for most of medium or small rivers. The estimation of two important coefficients in the model，which are river flow velocity and pollutant comprehensive degeneration coefficient，are basically unreliable due to the insufficient data. Based on the field observation and the calculation of the river environmental capacity of Yongkang city，the method to determine these two important coefficients in the model and the range of these two coefficients will be discussed and analyzed in this study in order to construct a one dimensional model representing the river environmental capacity of Yongkang city.

environmental capacity；one dimensional water quality model；flow velocity；degeneration coefficient

X522

A

1008 - 701X(2016)06 - 0046 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2016.06.015

2016-05-24

國家科技重大專項課題(2014ZX07101 - 011)；浙江省水利科技計劃項目(RB1405)。

彭振華(1982 - )，男，工程師，碩士，主要從事水污染治理工作。E-mail：bachzh@126.com