小流域水功能區(qū)納污能力研究

哈德力別克·馬吉提黃顯峰方國(guó)華

（1.新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局 新疆烏魯木齊 830000；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院 江蘇南京 210098）

0 引言

水功能區(qū)納污能力定義為，在特定的水資源基礎(chǔ)上以水質(zhì)現(xiàn)狀、目標(biāo)以及排污為切入點(diǎn)，按照流域污染自凈規(guī)律，借助相應(yīng)的水質(zhì)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)該流域納污能力的量化[1]。

國(guó)外開(kāi)展水功能區(qū)的納污能力研究得比較早，而且取得了充裕的經(jīng)驗(yàn)與良好的成果。Chau等人提出一種三維污染物數(shù)學(xué)模型與流域模型耦合求解的方法，其中O’坐標(biāo)定義為模型的豎坐標(biāo)，正交曲線坐標(biāo)定義為水平坐標(biāo)，在求解過(guò)程中注重邊界問(wèn)題，該模型能夠很好地模擬Pearl流域的水質(zhì)變化情況[2]。Terain等人提出一種隱格式差分模型，用以對(duì)圣維南流域進(jìn)行求解，該模型通過(guò)IWA水質(zhì)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)流域水質(zhì)模型參數(shù)的校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Ebro河75 km長(zhǎng)河道的模擬[3]?，F(xiàn)階段，我國(guó)河流環(huán)境污染狀況不容小覷，諸多學(xué)者在河流污染治理方面開(kāi)展了大量研究。在定量分析過(guò)程中，多數(shù)通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行求解。例如，趙棣華等人在針對(duì)蘇感潮河水質(zhì)開(kāi)展分析過(guò)程中按照當(dāng)?shù)氐乩項(xiàng)l件，使用有限體積以及黎曼近似解的方法，實(shí)現(xiàn)了該河段的二維水質(zhì)模型構(gòu)建[4]。2014年，王新娟等人采用SCE方法，結(jié)合先進(jìn)的MT3DMS建模工具，實(shí)現(xiàn)了地下水溶質(zhì)模型的構(gòu)建，并在此模型的基礎(chǔ)上對(duì)北京西郊地下水納污能力進(jìn)行了適用[5]。2015年，譚超、黃本勝、邱靜等人研究了水利樞紐庫(kù)區(qū)的納污能力，并以飛來(lái)峽為例，分析了限制排污總量的措施[6]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都對(duì)水功能區(qū)的納污能力進(jìn)行了研究并取得了研究成果，但納污能力理論和方法仍存在問(wèn)題和不足。本文將舉水河河段納污能力作為研究對(duì)象，對(duì)水功能區(qū)納污能力實(shí)現(xiàn)了定量分析，為舉水流域開(kāi)展污染整治行動(dòng)提供數(shù)據(jù)支持，保證水資源的可持續(xù)性發(fā)展。

1 舉水河流域概況及水功能區(qū)劃

1.1 舉水河流域概況

舉水河流域地處湖北，臨近大別山，屬于長(zhǎng)江中下游區(qū)段，分別與河南、巴水、倒水、長(zhǎng)江相連接。舉水河流是湖北省跨越多個(gè)行政區(qū)域的水域。該河流由大別山為起點(diǎn)，以北向南為方向路經(jīng)風(fēng)包裂山，跨越了黃岡、武漢市等多個(gè)行政區(qū)域，最終匯入長(zhǎng)江，屬于我國(guó)長(zhǎng)江的一級(jí)支流。流域面積4 367.6 km2，干流全長(zhǎng)170.4 km。舉水河流域地理位置見(jiàn)圖1。

圖1 舉水流域地理位置圖

1.2 水功能區(qū)劃

水功能區(qū)劃分需要按照河流區(qū)域水資源情況，在水資源開(kāi)發(fā)狀況、人類社會(huì)對(duì)水量和水質(zhì)以及區(qū)域水質(zhì)自凈能力基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)使用功能區(qū)域的劃分，在稅制管理以及功能層面具有明確的目的性。水利部曾在21世紀(jì)之處，與多個(gè)單位配合實(shí)現(xiàn)了我國(guó)水功能區(qū)的劃分工作[7]。按照《湖北省水功能區(qū)劃》條例，舉水河干流水功能區(qū)為6個(gè)，分為下圖2所示幾大區(qū)域，以滿足不同的水功能需要。

圖2 舉水干流六個(gè)一級(jí)水功能區(qū)示意圖

2 入河排污口及水功能區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀

2.1 入河排污者分布

我國(guó)制定的《排污口管理技術(shù)導(dǎo)則》中對(duì)排污口相關(guān)事宜進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)制定，這對(duì)于提高河流排污管理起到了良好的法律支撐作用。不過(guò)由于排污管理松懈等因素，河流域還存在著比較嚴(yán)重的污染情況[8]。由于舉水干流兩側(cè)排污口眾多，污染源不同，需要進(jìn)行簡(jiǎn)化，本研究以舉水干流兩側(cè)的行政區(qū)劃為基礎(chǔ)進(jìn)行簡(jiǎn)化，以舉水流經(jīng)的每一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為一個(gè)區(qū)段，以該區(qū)段的中點(diǎn)作為排污口位置，計(jì)算排污口距河口的距離。對(duì)其進(jìn)行分類，可以發(fā)現(xiàn)舉水流域共設(shè)置了11個(gè)排污口，其中在水功能區(qū)設(shè)置的排污口位置情況參見(jiàn)下表1和圖3。

表1 舉水干流排污者簡(jiǎn)化表

圖3 舉水河一級(jí)水功能及排污者布置示意圖

2.2 水功能區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)

水質(zhì)評(píng)價(jià)工作，需要在對(duì)流域的排污情況做到明確的基礎(chǔ)上，對(duì)造成物流污染的污染物毒性危害進(jìn)行考量，借助等標(biāo)處理計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同污染物所呈現(xiàn)的污染能力開(kāi)展分析，進(jìn)而對(duì)不同區(qū)域產(chǎn)生的污染物進(jìn)行很好的識(shí)別[9]。其中污染源評(píng)估方式有排毒系數(shù)法、等標(biāo)污染負(fù)荷法等多種。本文經(jīng)過(guò)對(duì)比不同方法，結(jié)合實(shí)地應(yīng)用情況，最終確定使用等標(biāo)污染負(fù)荷方法對(duì)舉水河進(jìn)行水質(zhì)評(píng)估工作，計(jì)算公式如下[10]：

式中：pi——i污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷；

ci——i污染物的實(shí)測(cè)濃度平均值，mg/L；

coi——i污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L；

Q——含i污染物的的廢水排放量，t/a。

等標(biāo)污染負(fù)荷比計(jì)算公式為：

式中：Ki——污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷比；

pi——i污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷。

水質(zhì)評(píng)價(jià)選取 CODcr、BOD5、高錳酸鉀鹽、NH3-N等4種指標(biāo)，舉水干流廢水排放量為745.8萬(wàn)t/a，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 污染物等標(biāo)污染負(fù)荷比計(jì)算表

從表2中可以看成麻城站主要污染物為NH3-N，占42.1%，其次是BOD5，占27.6%，然后是高錳酸鹽指數(shù)，占27.4%，最后是CODcr，占2.9%；柳子港站主要污染物為高錳酸鹽指數(shù)，占41.4%，其次是NH3-N，占27.1%，然后是 BOD5，占 25.6%，最后是 CODcr，占5.9%。

通過(guò)對(duì)兩監(jiān)測(cè)站提供的數(shù)據(jù)處理，發(fā)現(xiàn)造成舉水干流污染的主要污染源為NH3-N和高錳酸鹽，次要污染源為 BOD5、CODcr。

3 水功能區(qū)納污能力計(jì)算方法

在進(jìn)行納污能力定量計(jì)算環(huán)節(jié)中，使用一維河流水質(zhì)模型。

一般條件下對(duì)于同一功能區(qū)，不同的區(qū)段由于排污位置設(shè)置不同，因此水流斷面污染濃度需要將本區(qū)段所有污染濃度與來(lái)水污染濃度進(jìn)行求和。在此過(guò)程中計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)對(duì)于各個(gè)城鎮(zhèn)而言，多數(shù)排污口設(shè)置在城區(qū)，因此旨在降低計(jì)算復(fù)雜度，需要將區(qū)段中多個(gè)排污口視為一個(gè)排污口，并將其等效配置在河段的中間位置。通過(guò)對(duì)模型的簡(jiǎn)化，可以獲得河流的自凈長(zhǎng)度參數(shù)，即為綜合段長(zhǎng)度的一半，其中河段長(zhǎng)度設(shè)為L(zhǎng)，則通過(guò)下式進(jìn)行區(qū)段河流的下斷面污染濃度計(jì)算(m/Q的值極小時(shí)可以忽略不計(jì))：[11]

式中：CX=L——河段下斷面污染物的濃度，mg/L；

C0——起始斷面污染物的濃度，mg/L；

K——污染物的綜合降解系數(shù)，s-1；

L——河段長(zhǎng)度，m；

u——河段水流的平均流速，m/s；

m——污染物最大允許入河速率，g/s；

Q——河段中水流設(shè)計(jì)流量，m3/s。

在對(duì)各區(qū)段納污能力進(jìn)行定量分析計(jì)算環(huán)節(jié)中，需要按照檢測(cè)斷面的相關(guān)規(guī)范開(kāi)展，進(jìn)而從標(biāo)準(zhǔn)中獲得區(qū)段的下斷面水污染濃度情況，用Cs表示控制濃度值，實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)段的納污能力定量分析。

河段納污能力計(jì)算式為：

式中：W——計(jì)算單元的納污能力，t/a；

Cs——計(jì)算單元的水質(zhì)目標(biāo)值，mg/L；

C0——計(jì)算單元起始斷面污染物的濃度，也叫做背景濃度，mg/L；

K——污染物的綜合降解系數(shù)，d-1；

L——功能區(qū)長(zhǎng)度，km；

Q——計(jì)算單元上斷面水流設(shè)計(jì)流量，m3/s；

u——計(jì)算單元設(shè)計(jì)流量下的設(shè)計(jì)流速，m/s；

如何確定符合客觀實(shí)際的模型參數(shù)，是納污能力計(jì)算的關(guān)鍵。

（1）污染物綜合降解系數(shù)（K）

就水流量較小的區(qū)段而言，對(duì)河流納污能力其主要作用的一項(xiàng)參數(shù)為污染降解系數(shù)。通常該系數(shù)通過(guò)實(shí)測(cè)、水流追蹤途徑獲得，也可以通過(guò)現(xiàn)有研究成果中進(jìn)行查閱獲得。在使用實(shí)測(cè)途徑獲得污染物綜合降級(jí)系數(shù)K時(shí)，主要方式是二斷面方法。采用以下公式[12]：

式中：K——污染物的綜合降解系數(shù)，d-1；

C1——河段上斷面污染物的濃度，mg/L；

C2——河段下斷面污染物的濃度，mg/L；

u——河段平均流速，m/s；

Δx——河段上、下斷面間距，km。

為分析污染物衰減規(guī)律，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平均流速，本次計(jì)算采用以下經(jīng)驗(yàn)公式[13]。

CODcr的 K 值：K=0.050+0.68u；

此關(guān)系式被用于沒(méi)有K值資料的水功能區(qū)段。

（2）設(shè)計(jì)流量（Q）

納污能力定量計(jì)算環(huán)節(jié)中的設(shè)計(jì)條件，需要按照斷面設(shè)計(jì)流量實(shí)現(xiàn)對(duì)表水的設(shè)計(jì)，對(duì)于保證率存在差異的水量基礎(chǔ)下，獲得的納污能力結(jié)果存在差異，也就是說(shuō)每個(gè)納污能力值分別與不同保證率下的設(shè)計(jì)水量相對(duì)應(yīng)。舉水河流具有很強(qiáng)的結(jié)節(jié)性，假如通過(guò)常見(jiàn)枯水期水量作為模型的設(shè)計(jì)流量參數(shù)，則存在為零的功能區(qū)。所以在計(jì)算過(guò)程中，需要調(diào)取1956年到其后45年的數(shù)據(jù)，選擇75%典型年非汛期該河流的平均水量作為模型中的設(shè)計(jì)流量參數(shù)。

（3）設(shè)計(jì)流速（u）

對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)流量下的計(jì)算單元的設(shè)計(jì)流速，采用以下經(jīng)驗(yàn)公式和設(shè)計(jì)流量來(lái)確定。

式中：u——斷面平均流速，m/s；

Q——斷面設(shè)計(jì)流量，m3/s；

a，b——待定系數(shù)。

將上式取對(duì)數(shù)，可得到線性回歸式：

對(duì)lnu和lnQ而言，需要使用不低于五十次的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸分析，繼而獲得參數(shù)值。如果缺乏相應(yīng)區(qū)段的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以使用臨近的河段流速數(shù)據(jù)代替本區(qū)段的流速值。本次計(jì)算中取u=0.000 9Q0.92進(jìn)行計(jì)算。

（4）背景濃度（C0）

源頭水水質(zhì)：按照歷史數(shù)據(jù)計(jì)算，得到河流源頭水中CODcr含量為5 mg/L，其中NH3-N為0.15 mg/L。所以，如果計(jì)算的區(qū)段為源頭，需要使用源頭水質(zhì)進(jìn)行計(jì)算。

按照功能區(qū)劃區(qū)和污染控制規(guī)范，不同功能區(qū)之間污染物相互獨(dú)立，也就是說(shuō)某一功能區(qū)的污染濃度情況并不會(huì)對(duì)其它水域產(chǎn)生影響，必須要在到達(dá)下一功能區(qū)中達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。按照此項(xiàng)規(guī)范，在進(jìn)行計(jì)算環(huán)節(jié)中需要將上功能區(qū)的水質(zhì)情況作為背景濃度。對(duì)于特殊河流中，因?yàn)椴煌瑓^(qū)域水資源開(kāi)發(fā)和利用程度存在一定的差異，繼而導(dǎo)致控制目的也存在一定的不同，在此條件下，如果設(shè)置的背景濃度可以按照實(shí)踐情況在目標(biāo)范圍內(nèi)進(jìn)行一定的調(diào)整。假如在合適的模型中確定出口水質(zhì)無(wú)法達(dá)標(biāo)，則按照模型計(jì)算出的結(jié)果對(duì)其功能性進(jìn)行調(diào)整。

（5）下斷面濃度（Cs）

在對(duì)下斷面濃度定量計(jì)算環(huán)節(jié)中，通常使用計(jì)算單元質(zhì)目標(biāo)。假設(shè)排污控制區(qū)設(shè)定有明確的控制要求，在進(jìn)行參數(shù)確定環(huán)節(jié)中，需要將控制區(qū)與過(guò)渡區(qū)相連接，需要通過(guò)推導(dǎo)獲得。進(jìn)而在模型計(jì)算過(guò)程中，在確定下一功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)確定中，需要將控制區(qū)與其它二級(jí)功能區(qū)域，通過(guò)確定下斷面濃度獲得。

4 水功能區(qū)納污能力計(jì)算結(jié)果及分析

結(jié)合上述公式以及參數(shù)確定情況，開(kāi)展對(duì)舉水干流納污能力的定性計(jì)算，獲得的結(jié)果在下表3中進(jìn)行列出。

水功能區(qū)的納污能力計(jì)算結(jié)果按地級(jí)行政區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見(jiàn)表4。

由表可知，舉水有一定的納污能力，CODcr、NH3-N納污能力分別為44 493.47 t/a、6 026.58 t/a，其中麻城段CODcr、NH3-N納污能力分別占全流域的74.8%、69.7%；新洲段CODcr、NH3-N納污能力分別占全流域的25.2%、30.3%。

表3 舉水干流納污能力計(jì)算成果表

從舉水河流域水環(huán)境現(xiàn)狀和水功能區(qū)納污能力計(jì)算結(jié)果來(lái)看，其水質(zhì)受人類活動(dòng)影響較大，尤其是舉水麻城開(kāi)發(fā)利用區(qū)、舉水閔家集-三店保留區(qū)和舉水新州-團(tuán)鳳保留區(qū)三個(gè)水功能區(qū)的現(xiàn)狀排污量較大。因此需要加大治污力度，增加排水，進(jìn)行排污控制，大量消減排污量，適當(dāng)調(diào)配等措施以提高河道的納污能力，實(shí)現(xiàn)流域水資源可持續(xù)利用[14]。

5 結(jié)論

本文選取舉水河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，根據(jù)舉水流域主要水體水質(zhì)現(xiàn)狀，利用麻城和柳子港水質(zhì)監(jiān)測(cè)站資料，分別計(jì)算其污染物等標(biāo)污染負(fù)荷和等標(biāo)污染負(fù)荷比，選取CODcr和NH3-N作為控制參數(shù)，采用河流納污能力計(jì)算模型，研究了流域水功能區(qū)的納污能力。

通過(guò)計(jì)算分析水功能區(qū)水域納污能力，提出控制排污總量意見(jiàn)是水資源保護(hù)的重要工作之一，對(duì)于防治水環(huán)境污染，管理水功能區(qū)，改善水質(zhì)，維護(hù)河流健康，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展具有十分重要的意義，并為河流域納污能力分析提供了一種新途徑。

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