新鄉(xiāng)市共產(chǎn)主義渠納污能力模型參數(shù)率定

鄭茹楠 李仁杰

新鄉(xiāng)市共產(chǎn)主義渠納污能力模型參數(shù)率定

鄭茹楠 李仁杰

一、前言

新鄉(xiāng)市作為正在發(fā)展中的中原城市，位于海河流域范圍內(nèi)，飽受水資源短缺、水污染嚴(yán)重的制約，水環(huán)境質(zhì)量差、水生態(tài)受損重、環(huán)境隱患多等問題十分突出，影響和損害群眾健康，不利于經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展。共產(chǎn)主義渠是流經(jīng)新鄉(xiāng)縣、新鄉(xiāng)市郊、衛(wèi)輝市的重要河流，作為泄洪排澇河道主要承接了新鄉(xiāng)市市區(qū)和新鄉(xiāng)縣、衛(wèi)輝市的澇水和污水。對其進(jìn)行納污能力核定是政府開展水污染防治和污染減排工作的重要依據(jù)，對加強(qiáng)工業(yè)污染源控制、加大主要污染物減排力度、提高城市污水處理率、改善重點(diǎn)流域水環(huán)境質(zhì)量起到技術(shù)支撐作用，是保障人民群眾切身利益和新鄉(xiāng)市全面建成小康社會(huì)的必要舉措。

2017年在國務(wù)院對全國25個(gè)省（市、自治區(qū)）“十二五”水污染防治規(guī)劃的實(shí)施情況考核中河南省全國排名第17名。其中海河流域水質(zhì)較差，個(gè)別河流污染較為嚴(yán)重，總磷和氨氮污染突出。經(jīng)過多年治理，地表水主要污染物已由原先的化學(xué)需氧量和氨氮，逐漸變?yōu)榭偭缀桶钡：幽鲜∷廴痉乐喂?jiān)戰(zhàn)明確提出：2017年要初步建立共產(chǎn)主義渠等河流環(huán)境流量改善機(jī)制，省轄海河流域水質(zhì)優(yōu)良（達(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類）比例總體達(dá)52%以上，為加快推進(jìn)共產(chǎn)主義渠納污能力核算工作提出了更高的要求。

二、模型選擇

新鄉(xiāng)市共產(chǎn)主義渠納污能力計(jì)算單元采用合河水文站和黃土崗水文站測流斷面作為計(jì)算斷面。采用理論頻率皮爾遜Ⅲ型曲線，根據(jù)豫北地區(qū)水文特性，Cs取3倍CV值，確定合河水文站和黃土崗水文站90%、75%保證率最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)流量。點(diǎn)繪水位～流量關(guān)系曲線、水位～流速關(guān)系曲線，由設(shè)計(jì)流量查相應(yīng)水位，再由相應(yīng)水位查斷面平均流速。

共產(chǎn)主義渠系引黃濟(jì)衛(wèi)人工開挖的泄洪渠道，渠首在武陟縣秦廠，流經(jīng)武陟縣、獲嘉縣、新鄉(xiāng)縣、新鄉(xiāng)市、衛(wèi)輝市、浚縣，于湯陰縣五陵鎮(zhèn)北入衛(wèi)河，全長167km。

新鄉(xiāng)市共產(chǎn)主義渠計(jì)算單元（合河站至市界）該河段的彎曲系數(shù)為1.13，可以視為平直河流。選取合河水文站和黃土崗水文站2002～2016年共計(jì)15年的年平均流量資料，合河水文站多年年均流量值為9.69 m3/s，平均流速0.42 m/s；黃土崗水文站多年年均流量值為13.4 m3/s，平均流速0.64 m/s。

依據(jù)設(shè)計(jì)水文條件，河流特征資料確定本次計(jì)算單元采用的水質(zhì)模型。由于新鄉(xiāng)市共產(chǎn)主義渠計(jì)算單元（河段）屬于小型河段、彎曲系數(shù)較小、寬深比不大，故采用河流一維計(jì)算模型。

河流一維計(jì)算模型：水質(zhì)模型以物質(zhì)守恒定律和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理為基礎(chǔ)，即：

式中：C—污染物質(zhì)量濃度，mg/L；

t—污染物在確定區(qū)域內(nèi)降解時(shí)間，d；

k—污染物綜合衰減系數(shù)，L/d。

對于河道水體流動(dòng)明顯的河道用一維水質(zhì)模型模擬。

因?yàn)榱鲃?dòng)河道中，污染物濃度沿程是變化的，上式引進(jìn)dt=dx/u，并求得其一維水質(zhì)模型穩(wěn)態(tài)解析解為：

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；

其他符號(hào)意義同前。

將計(jì)算河段內(nèi)的多個(gè)排污口概化為一個(gè)集中的排污口，概化排污口位于河段中點(diǎn)處，相當(dāng)于一個(gè)集中點(diǎn)源，該集中點(diǎn)源的實(shí)際自凈長度為河段長的一半，設(shè)河段長度為L，則污染物自凈長度為L/2。因此，對于功能區(qū)下斷面，其污染物濃度為：（-kL/2u）

式中:Q0—功能區(qū)設(shè)計(jì)流量，m3/s；

C0—初始濃度值，mg/L；

k—污染物綜合衰減系數(shù)，L/d；

X—縱向距離，km；

u—設(shè)計(jì)流量下的平均流速，m/s。

其他符號(hào)意義同前。

通過上式，可以推導(dǎo)出計(jì)算納污能力的公式：

式中：W—功能區(qū)納污能力，t/a；

q—功能區(qū)入河污水流量，m3/s；

Cs—本功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)值，mg/L；

其他符號(hào)意義同前。

三、參數(shù)率定

納污能力計(jì)算應(yīng)根據(jù)需要和可能選擇合適的數(shù)學(xué)模型，確定模型的參數(shù)，包括污染物綜合降解系數(shù)等，并對計(jì)算成果進(jìn)行合理性檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行對比修正。

1.初始濃度值C0的確定

依據(jù)《河南省水功能區(qū)劃報(bào)告》（2004），新鄉(xiāng)市共產(chǎn)主義渠合河水文站至六店村107國道公路橋上之間的“共渠河南新鄉(xiāng)市排污控制區(qū)”納污能力計(jì)算單元初始濃度值按“Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)值”作為初始濃度，“共渠河南新鄉(xiāng)、鶴壁農(nóng)業(yè)用水區(qū)”計(jì)算單元初始濃度值按“Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)值”作為初始濃度。

2.水質(zhì)目標(biāo)值Cs的確定

一般采用本功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)限制作為Cs。依據(jù)《河南省水功能區(qū)劃報(bào)告》（2004），“共渠河南新鄉(xiāng)市排污控制區(qū)和共渠河南新鄉(xiāng)、鶴壁農(nóng)業(yè)用水區(qū)”水質(zhì)目標(biāo)均為Ⅴ類。

3.綜合衰減系數(shù)的確定

污染物綜合衰減系數(shù)k常用自然條件下的實(shí)測資料率定，率定方法常用二斷面法和多斷面法。本研究采用《全國重要江河湖泊水功能區(qū)納污能力核定和分階段限制排污總量控制方案》中海河流域試點(diǎn)研究成果，COD綜合衰減系數(shù)取值在0.03～0.19L/d之間，平均為0.10L/d；氨氮綜合衰減系數(shù)取值在0.02～0.22L/d之間，平均為0.11L/d。k值計(jì)算公式按《河南省重要河湖水功能區(qū)納污能力核定和分階段限制排污總量控制方案實(shí)施細(xì)則》（河南省水文水資源局，2012）提出的《淮河流域及山東半島水資源保護(hù)規(guī)劃》分析成果，即：

化學(xué)需氧量（CODcr）：k=0.050+0.68u

氨氮（NH3-N）：k=0.061+0.551u

式中：u—計(jì)算單元設(shè)計(jì)流速，m/s；

k—綜合衰減系數(shù)，L/d。

四、結(jié)語

以2016年為例，共渠新鄉(xiāng)市排污控制區(qū)主要污染物化學(xué)需氧量和氨氮入河量分別為903.32 t/a和94.37 t/a；共渠河南新鄉(xiāng)、鶴壁農(nóng)業(yè)用水區(qū)化學(xué)需氧量和氨氮入河量分別為181.06 t/a和7.76 t/a。共渠新鄉(xiāng)市排污控制區(qū)主要污染物入河量遠(yuǎn)大于計(jì)算單元（河段）納污能力，共渠河南新鄉(xiāng)、鶴壁農(nóng)業(yè)用水區(qū)主要污染物入河量小于其納污能力。結(jié)合水質(zhì)評價(jià)結(jié)果，共渠河南新鄉(xiāng)、鶴壁農(nóng)業(yè)用水區(qū)化學(xué)需氧量超標(biāo)率100%，氨氮超標(biāo)率83.3%，水功能區(qū)不達(dá)標(biāo)，主要是由于上游污染引起。為實(shí)現(xiàn)各水功能區(qū)達(dá)標(biāo)目標(biāo)，市政府應(yīng)與水利、環(huán)保、城建、農(nóng)業(yè)等部門按照各自職責(zé)，通力協(xié)作，在工業(yè)污染源控制、城市污水處理、污水回用、農(nóng)業(yè)面源污染控制和水生態(tài)修復(fù)等方面發(fā)揮各自作用■

（作者單位：河南省新鄉(xiāng)水文水資源勘測局 453000）