嘉魚(yú)縣水功能區(qū)納污能力計(jì)算方法的探討

張凡

[摘 要]從水功能區(qū)納污能力的概念出發(fā)，探討嘉魚(yú)縣水功能區(qū)納污能力計(jì)算方法。選取需要改善水質(zhì)的渡普河保留區(qū)作為河流水功能區(qū)的代表、選取水體呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化的大巖湖保留區(qū)作為湖庫(kù)水功能區(qū)的代表，分別選取合適的水質(zhì)模型，并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行估算，最終計(jì)算出各水功能區(qū)現(xiàn)有納污能力，從而為嘉魚(yú)縣水資源保護(hù)與規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]水功能區(qū)；納污能力；水質(zhì)模型；計(jì)算

[中圖分類(lèi)號(hào)]X52 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

水功能區(qū)納污能力是指在滿(mǎn)足水域功能要求的前提下，在給定的水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)水量、入河排污口位置及排污方式下，水功能區(qū)水體所能容納的最大污染物量。納污能力是實(shí)施水功能區(qū)管理的基本依據(jù)。

中共中央2011年1號(hào)文件《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》明確提出建立水功能區(qū)限制納污制度。同年湖北省水利工作會(huì)上，再次提出了“各級(jí)政府要把限制排污總量作為水污染防治和污染減排工作的重要依據(jù)，完善水功能區(qū)劃，科學(xué)核定河（湖、庫(kù)）水功能區(qū)的納污能力，制定入河（湖、庫(kù)）污染物排放總量控制指標(biāo)”。

納污能力核定是制定限排總量控制方案的基礎(chǔ)，而納污能力核定和限排總量控制方案的制定既是落實(shí)國(guó)家最嚴(yán)格水資源管理制度、建立納污紅線(xiàn)的具體措施，也是改善水域環(huán)境、有效控制污染物進(jìn)入水域的重要依據(jù)，并為水資源保護(hù)、水污染防治工作提供重要技術(shù)支持。

1 計(jì)算范圍與內(nèi)容

1.1 計(jì)算范圍

本次納污能力計(jì)算主要是以探討嘉魚(yú)縣水功能區(qū)納污能力的計(jì)算方法為目的，選取了渡普河和大巖湖分別作為河流和湖庫(kù)的代表進(jìn)行納污能力計(jì)算。

1.2 計(jì)算指標(biāo)

根據(jù)區(qū)域水質(zhì)現(xiàn)狀和水污染特點(diǎn)，本次納污能力計(jì)算中渡普河控制指標(biāo)確定為CODMn、NH3-N和TP，大巖湖控制指標(biāo)確定為T(mén)N和TP。

1.3 計(jì)算內(nèi)容

本次納污能力計(jì)算以水功能區(qū)為單元，綜合嘉魚(yú)縣當(dāng)?shù)氐乃乃Y源情況、入河（湖）排污口狀況及水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀，選取合適的模型分析得出的，直接反映了水域的水環(huán)境承載能力。

2 計(jì)算條件

2.1 設(shè)計(jì)水文條件

2.1.1 設(shè)計(jì)流量或庫(kù)容的確定

水功能區(qū)納污能力計(jì)算的設(shè)計(jì)條件，以計(jì)算斷面的設(shè)計(jì)流量（水量）表示。根據(jù)《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》，現(xiàn)狀條件下，一般采用最近10年最枯月平均流量（水量）或90%保證率最枯月平均流量（水量）作為設(shè)計(jì)流量（水量）。集中式飲用水水源地，采用95%保證率最枯月平均流量（水量）作為其設(shè)計(jì)流量（水量）。無(wú)水文資料的，采用內(nèi)插法、水量平衡法、類(lèi)比法等方法推求設(shè)計(jì)流量。

湖（庫(kù)）的設(shè)計(jì)水量一般采用近10年最低月平均水位或90%保證率最枯月平均水位相應(yīng)的蓄水量。根據(jù)湖（庫(kù)）水位資料，求出設(shè)計(jì)枯水位，其所對(duì)應(yīng)的湖泊（水庫(kù)）蓄水量即為湖（庫(kù)）設(shè)計(jì)水量，水庫(kù)也可采用死庫(kù)容相應(yīng)的蓄水量作為設(shè)計(jì)水量。本次計(jì)算的大巖湖因缺乏水位資料采取湖泊規(guī)劃中的生態(tài)水位所相應(yīng)的畜水量作為設(shè)計(jì)水量。

2.1.2 斷面設(shè)計(jì)流速的確定

無(wú)資料時(shí)，采用經(jīng)驗(yàn)公式V=αQβ計(jì)算斷面流速，α、β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，由實(shí)測(cè)資料回歸將實(shí)測(cè)流速轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)條件下的流速。

2.2 入河排污口的概化

污染物一般是沿河岸分多處排放的，一般受資料和經(jīng)費(fèi)所限，很難準(zhǔn)確計(jì)算每一排污口所排放的污染物對(duì)河流水質(zhì)的影響。為簡(jiǎn)化計(jì)算，需要將計(jì)算河段內(nèi)的多個(gè)入河排污口概化為一個(gè)集中排污口。本次計(jì)算中排污口概化采用權(quán)重法，通過(guò)每一個(gè)排污口對(duì)河段內(nèi)排污總量的貢獻(xiàn)值確定概化后排污口的位置，公式見(jiàn)式（2.2）。另外，如有較大支流，則將支流作為入河排污口處理，排放流量為支流入河前的斷面流量。因渡普河屬于小型河段，無(wú)較大支流，故本次報(bào)告中可不考慮支流的排放量。

3 計(jì)算模型的選擇及其模型參數(shù)估算

3.1 模型的選擇

3.1.1 渡普河

渡普河為寬深比不大的中小型河流，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，根據(jù)污染物擴(kuò)散特性，宜采用一維水質(zhì)模型計(jì)算納污能力。

此次計(jì)算結(jié)合水環(huán)境容量的概念，不考慮現(xiàn)狀污染物的濃度影響，只考慮河段的入河流量影響，通過(guò)公式（3.1）以及物料平衡原則，推導(dǎo)出河段污染物濃度計(jì)算公式，推導(dǎo)過(guò)程如下，其中圖3-1為計(jì)算示意圖。

圖中，各參數(shù)的單位同前。其中，河段長(zhǎng)度為L(zhǎng)，初始斷面濃度為C0，入流流量為Q，概化后排污口的污染物濃度為Cp，排放流量Qp，入河速率m（m=CpQp），距終止斷面距離為x。污染物流經(jīng)排污口前的濃度為C1，根據(jù)公式（3.1），計(jì)算得到C1濃度：

則公式（3.6）即為河流一維模型納污能力計(jì)算公式。

式中，M為水域納污能力，g/s；C0為初始水質(zhì)濃度，mg/l；CS 為水質(zhì)濃度目標(biāo)值，mg/l；K為污染物綜合衰減系數(shù)，1/s；L為河段長(zhǎng)，m；u為設(shè)計(jì)流速，m/s；Q為初始斷面的入流流量（設(shè)計(jì)值），m3/s；QP為廢污水排放流量，m3/s。

3.1.2 大巖湖

依據(jù)《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》（GB/T 25173-2010）之規(guī)定，對(duì)于湖（庫(kù)）及河段在數(shù)學(xué)模型的選擇均作出了明確的規(guī)定。

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，大巖湖呈輕度富營(yíng)養(yǎng)化，其營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)超過(guò)了50，宜采用富營(yíng)養(yǎng)化模型計(jì)算納污能力。

式中，MN為氮或磷的納污能力，t/a；Ls為單位湖（庫(kù)）面積上氮或磷的納污能力，mg/m2a；A為湖（庫(kù)）水面積，m2；Ps為湖（庫(kù)）中氮（磷）的年平均控制濃度，g/m3；h為設(shè)計(jì)流量下湖（庫(kù)）的平均水深，m；Qa為湖（庫(kù)）的年入流水量，m3/a；Rp為氮、磷在湖（庫(kù)）中的滯留系數(shù)，1/a；V為設(shè)計(jì)條件下的湖（庫(kù)）容積，m3；W出為年出湖（庫(kù)）的氮、磷量，t/a；W入為年入湖（庫(kù)）的氮、磷量，t/a。

3.2 模型參數(shù)的確定

3.2.1 初始濃度值C0的確定

根據(jù)上一個(gè)水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)值來(lái)確定C0，即上一個(gè)水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)值就是下一個(gè)功能區(qū)的初始濃度值C0。

源頭水初始濃度C0可根據(jù)實(shí)際情況取GB3838-2002中Ⅰ或Ⅱ類(lèi)水目標(biāo)極限值或直接取源頭水在設(shè)計(jì)流量下的實(shí)測(cè)濃度。

3.2.2 目標(biāo)濃度值Cs的確定

各水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的確定是納污能力計(jì)算的基本依據(jù)。水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的取值，主要以水功能區(qū)劃確定的水功能區(qū)類(lèi)別為依據(jù)。

水質(zhì)控制指標(biāo)采用能反映水體污染特征的高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮和總磷作為必控指標(biāo)，其標(biāo)準(zhǔn)值執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），詳見(jiàn)表3-1。

3.2.3 綜合衰減系數(shù)K的確定

為簡(jiǎn)化計(jì)算，在水質(zhì)模型中，將污染物在水環(huán)境中的物理降解、化學(xué)降解和生物降解概化為綜合衰減系數(shù)K。

本次計(jì)算中的渡普河，其綜合衰減系數(shù)K采取《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》（GB/T 25173-2010）中的兩點(diǎn)實(shí)測(cè)法進(jìn)行確定。

選取一個(gè)順直、水流穩(wěn)定、無(wú)支流匯入、無(wú)入河排污口的河段，分別在其上游（A點(diǎn)）和下游（B點(diǎn)）布設(shè)采樣點(diǎn)，監(jiān)測(cè)污染物濃度值和水流流速，按下式計(jì)算k值：

實(shí)測(cè)法均監(jiān)測(cè)3組數(shù)據(jù)取其平均值。

4 納污能力計(jì)算成果與分析

4.1 納污能力核定成果

嘉魚(yú)縣渡普河納污能力計(jì)算結(jié)果：CODMn共計(jì)27.09t/a，氨氮9.64 t/a，總磷4.67 t/a。嘉魚(yú)縣大巖湖納污能力計(jì)算結(jié)果：總磷7.40 t/a，總氮88.48t/a。

4.2 合理性分析

4.2.1 渡普河

根據(jù)嘉魚(yú)縣水利局提供的資料和實(shí)地調(diào)查，渡普河河段內(nèi)較明顯入河排污口有5處，根據(jù)污染物入河量計(jì)算結(jié)果顯示高錳酸鹽指數(shù)和總磷的入河污染量小于其納污能力，氨氮的入河污染量超過(guò)了其納污能力較多，與水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果中的氨氮含量超標(biāo)一致。

4.2.2 大巖湖

根據(jù)現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)分析，大巖湖整體水質(zhì)較差，主要超標(biāo)污染物為總磷、總氮，且根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，總磷、總氮明顯超標(biāo)，且水體呈現(xiàn)輕度富營(yíng)養(yǎng)化。

根據(jù)嘉魚(yú)水利局提供的資料結(jié)合實(shí)地調(diào)查，大巖湖雖然無(wú)明顯入河排污口，點(diǎn)源污染控制較好，但面源污染較為嚴(yán)重。周邊農(nóng)業(yè)畜禽污染及水產(chǎn)養(yǎng)殖污染較為嚴(yán)重，居民大范圍養(yǎng)魚(yú)。目前，大巖湖養(yǎng)殖面積近兩萬(wàn)畝，已接近湖泊水面的80%，養(yǎng)殖密度過(guò)大，大大超過(guò)了湖泊的生態(tài)環(huán)境承載能力。隨著大巖湖發(fā)展圍欄圍網(wǎng)養(yǎng)殖、精養(yǎng)魚(yú)池，不僅致使湖區(qū)水體有機(jī)污染嚴(yán)重，而且圍網(wǎng)阻礙水體的自然流動(dòng)，嚴(yán)重影響水體的自?xún)艄δ?。主要污染指?biāo)有COD、TN、TP、NH3-N等，其中總磷、總氮污染含量已經(jīng)超過(guò)其納污能力，與湖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果中高錳酸鹽指數(shù)略微超標(biāo)、總氮多次超標(biāo)、總磷含量超標(biāo)1倍、水體呈現(xiàn)輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的結(jié)果基本一致。

綜上所述，結(jié)合入河排污口和面源污染調(diào)查情況綜合考慮，本次納污能力計(jì)算成果基本符合嘉魚(yú)縣內(nèi)水功能區(qū)的水質(zhì)現(xiàn)狀及變化趨勢(shì)。

[參考文獻(xiàn)]

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