鄭州市賈魯河水環(huán)境容量及污染調控研究

穆小玲 席獻軍 朱洪生 俞芳琴 向龍

摘要：以功能區(qū)整體水質達標控制與控制斷面水質達標控制的雙控管理為基礎，在充分考慮水環(huán)境自凈能力和水文條件的基礎上，根據(jù)河流納污能力計算理論，采用流域單元斷面功能區(qū)達標控制的分段概化、斷面分段計算方法，采用公式法、模型法、系統(tǒng)最優(yōu)化等傳統(tǒng)水環(huán)境容量計算方法，在排污口水質達標約束下，對賈魯河各水功能區(qū)的COD、氨氮水環(huán)境容量進行計算，確定各河段污染物最大允許入河量和削減量，并根據(jù)2017-2030年規(guī)劃COD、氨氮目標含量下的納污總量分配，確保實現(xiàn)流域污染物削減和控制。按照入河污染物總量、斷面雙達標的環(huán)境容量約束和削減方法，賈魯河（鄭州市區(qū)段）不僅能夠實現(xiàn)功能區(qū)水質控制目標，而且可以實現(xiàn)全河段功能區(qū)達標率約束下的排污權優(yōu)化調配。

關鍵詞：納污能力；納污總量控制；水質模型；賈魯河

中圖分類號：X131.2 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.018

20世紀70年代以來，河流的納污容量從定性研究迅速過渡到定量計算[1]。隨著研究的不斷深入，特別是水環(huán)境數(shù)學模型應用及計算機技術的不斷進步，逐漸形成了公式法[2-3]、系統(tǒng)最優(yōu)化法[4]、概率稀釋模型法[5]、模型試錯法等水環(huán)境容量計算方法，盲數(shù)理論等[6-7]不確定性數(shù)學方法也引入其中。近期研究中重視水環(huán)境容量安全性問題，有學者提出了考慮不均勻系數(shù)的水環(huán)境容量計算公式[8]，不僅滿足斷面濃度達標要求，而且考慮河段混合程度對納污總量的影響。還有學者提出了考慮設計河段水質達標比例、設計斷面水質超標幅度和設計河段計算單元長度的一維水環(huán)境容量計算方法，以及基于混合區(qū)不均勻系數(shù)修正的二維或準三維水環(huán)境容量計算方法，計算結果更加符合實際。納污總量控制和斷面達標約束控制下，綜合多種水環(huán)境容量計算方法，才能計算出合理的水功能區(qū)允許納污量，并據(jù)此確定各污染物的允許排放量，從而實現(xiàn)區(qū)域河流水體污染綜合治理與調控[9-10]。

目前，鄭州市河流水環(huán)境保護采取污染物達標排放、排污許可證制度等，把環(huán)境管理工作由污染物濃度控制向總量控制推進[11]，從而實現(xiàn)納污總量控制和斷面達標約束的雙控管理。為保證水體污染物總量控制制度的實施，科學準確地掌握區(qū)域水環(huán)境納污能力，必須在考慮斷面水功能區(qū)水質達標的基礎上實現(xiàn)污染物總量控制，只有水功能區(qū)水質目標和污染物總量控制同時滿足，才能實現(xiàn)河流水環(huán)境整體安全[7，12]。筆者采用流域單元河道斷面污染物濃度控制的分段概化、斷面分段計算方法，采用公式法、模型法、系統(tǒng)最優(yōu)化等傳統(tǒng)水環(huán)境容量計算方法，提出賈魯河（鄭州市區(qū)段）水環(huán)境容量及其排污最優(yōu)化管理措施，為實現(xiàn)河流雙控管理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

賈魯河是淮河二級支流，其在鄭州市境內主要支流有索須河、魏河、金水河、熊耳河、七里河、潮河、丈八溝、石溝、小清河、東風渠、孔河、大孟河等。目前，賈魯河上游及其支流已建有尖崗、常莊、丁店、楚樓、河王5座中型水庫和10余座小型水庫。2017年，干河及主要支流承納市區(qū)大小排污口62個（不含索須河支流巧個排污口），規(guī)模以上排污口36個，見表1。COD排放量為14937t/a，氨氮排放量為1835t/a，分布于5個水功能區(qū)，水環(huán)境達標壓力大。

2 研究方法

（1）水質模型及控制方程。河流水環(huán)境納污能力主要包含上游來水、旁側支流稀釋容量和河流自凈容量，采用功能區(qū)首斷面排污、末端面達標考核，分區(qū)分段控制單元來計算總體水環(huán)境容量。河流稀釋容量W稀釋為

W稀釋=31.536[Cs（Q0+qw）-Q0C0]（1）式中：Cs為控制斷面水質標準，mg/L；Q0為上游來水設計流量，m3/s：qw為污水（旁側支流）人流量，m3/s；C0為上游來水污染物濃度（取上游來水所在水功能區(qū)水質目標），mg/L。

對于可降解的有機污染物（如COD、氨氮），認為其降解速率符合一級反應動力學規(guī)律，其自凈容量W自凈可按照下列公式計算：式中；K為污染物綜合衰減系數(shù)，1/d；u為斷面平均流速，m/s；x為排污口與控制斷面之間的距離，km。

當同時考慮稀釋作用與自凈作用時，排污口與控制斷面之間水域的理想納污能力即為二者之和，計算公式為式中：W為控制單元的納污能力，t/a。

（2）最大允許入河量。最大允許入河量指上游來水的水污染物本底濃度為現(xiàn)狀監(jiān)測濃度時，下游河段在現(xiàn)有排污口分布情況下所允許的水污染物最大入河量。最大允許入河量計算公式同式（3），但是其中C0 釋義為上游來水中水體污染物的實際濃度，mg/L。

（3）設計水文條件。北方地區(qū)水資源相對較少，河流枯季斷流現(xiàn)象頻現(xiàn)。將賈魯河常年流量控制站的10a最枯月流量作為出流約束，支流流量采用75%保證率最枯月流量。若支流天然徑流量遠小于入河排污流量，則認為該河流枯季沒有天然徑流量納污能力，僅當有人河排污流量補充時考慮廢污水退水流量的納污能力。

（4）參數(shù)率定與驗證。結合賈魯河各水功能區(qū)水質狀況和水文特征，參考所在地區(qū)同類研究項目，以及2016年賈魯河水質監(jiān)測狀況和溫度等因素，確定計算河段COD的綜合衰減系數(shù)為0.08～0.15/d，氨氮的綜合衰減系數(shù)為0.06～0.12/d。為了保證理論與實際COD、氨氮綜合衰減一致，根據(jù)河寬和邊坡特點以及同地區(qū)研究成果選用不均勻系數(shù)進行修正，賈魯河各計算河段的不均勻系數(shù)取0.4～0.8。

（5）控制單元排污口概化。控制單元是保證控制斷面水質達標的主要污染物控制區(qū)域。在計算時暫不考慮非點源水體污染物的排入，僅考慮固定的排污口、取水口以及支流，把多個就近的排污口簡化成一個排污口。沒有流量的上游水庫和上游不排污或沒有點源污染的河段，不計算納污能力。概化排污口的入河污染源包括工業(yè)點源、生活點源和混合源。

遵循排污口概化的原則，賈魯河水功能區(qū)干流上共概化8個排污口，見圖1。將支流上主要排污口概化入河道，部分離功能區(qū)較遠的排污口直接概化到功能區(qū)河道內。通過排污口概化，結合區(qū)域水環(huán)境數(shù)學模型，建立控制斷面水質與上游概化排污口的響應關系。

3 賈魯河水環(huán)境容量及雙控分析

根據(jù)2017年入河排污口調查及賈魯河實測水文資料，結合已建立的控制斷面與上游概化排污口的響應關系模型，計算雙控（功能區(qū)整體水質達標控制與控制斷面水質達標控制）條件下的水環(huán)境納污能力。賈魯河干流各功能區(qū)水質控制目標見表2（其中東風渠鄭州排污控制區(qū)排污口概化入賈魯河干流功能區(qū)）。2017年賈魯河鄭州排污控制區(qū)COD納污能力為11119.359t/a，氨氮納污能力為553.140t/a；賈魯河中牟農業(yè)用水區(qū)COD納污能力為2964.803t/a，氨氮納污能力為147.851t/a；賈魯河中牟排污控制區(qū)COD納污能力為436.181t/a，氨氮納污能力為121.804t/a；賈魯河鄭州中牟農業(yè)用水區(qū)COD納污能力為1911.954t/a，氨氮納污能力為95.323t/a。

在2017-2018年水質控制目標和賈魯河整個河段現(xiàn)狀排污口布局情況下，賈魯河COD、氨氮納污能力分別為39503.671、1971.651t/a。在2019-2030年水質控制目標、賈魯河現(xiàn)狀排污口布局情況，以及設計水文條件下，賈魯河COD、氨氮納污能力分別為40228.316、2007.744t/a，大部分納污能力來源于支流（如小清河、丈八溝等）或排污口下端，不利于容量分配，不利于城區(qū)段賈魯河干流納污總量調節(jié)。最大允許入河量計算結果表明：在2017-2018年水質控制目標下，COD的最大允許入河量為9 372.752t/a，其中賈魯河鄭州排污控制區(qū)、賈魯河鄭州中牟農業(yè)用水區(qū)需要削減污染物排放總量；在2019-2030年水質控制目標下，COD的最大允許入河量為7085.160t/a，賈魯河主要水功能區(qū)各控制單元部分需要削減污染物排放總量：在2017-2018年和2019-2030年水質控制目標下，賈魯河氨氮最大允許入河量分別為-180.890、-394.060t/a，全河段現(xiàn)狀氨氮排放量已經超過其納污能力，只有調控、削減氨氮排放量，才能滿足基本水功能區(qū)要求，逐漸改善水質。

4 分段單元納污調控分析

根據(jù)功能區(qū)整體達標和分段斷面控制下的達標約束，計算各個單元的納污能力和現(xiàn)狀排污條件下的最大允許入河量，分析得出各水平年水質控制目標下的污染物削減量和控制量。

（1）賈魯河鄭州飲用水源區(qū)。賈魯河鄭州飲用水源區(qū)現(xiàn)狀條件下沒有集中排污口，未來也沒有規(guī)劃增設排污口，因此不計算其納污能力。

（2）賈魯河鄭州排污控制區(qū)。賈魯河鄭州排污控制區(qū)納污能力、水體污染物最大允許入河量與現(xiàn)狀水體污染物排放情況見表3。

從表3可以看出，現(xiàn)狀年（2017年）COD、氨氮人河量超出該水功能區(qū)最大允許入河量，需要對入河污染物進行削減。2017-2030年賈魯河鄭州排污控制區(qū)分年度水質控制目標均為Ⅴ類，執(zhí)行水質目標約束為Ⅴ類水標準?，F(xiàn)狀水質監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，COD、氨氮水質類別均超出功能區(qū)水質目標要求，主要原因：鄭州市高新區(qū)五龍口污水處理廠生活污水年排放量較大，COD與氨氮濃度較高，日平均排放濃度分別達60、8mg/L；鄭州市北大學城生活污水排污量較大，氨氮濃度較高，日平均排放濃度達36mg/L，總計入河量約283.824 t/a；鄭州市馬頭崗污水處理廠生活污水排放量也較大，實際廢水年排放總量為18864萬t，但水質較好，其污染物含量較低。該控制區(qū)COD、氨氮入河量明顯超出功能區(qū)納污總量，為保證交界斷面水質達標，需要削減和控制排污量。鄭州市高新區(qū)五龍口污水處理廠應對其生活污水進行處理，達標排放；鄭州市高新區(qū)五龍口污水處理廠周邊的排污口以及鄭州市北大學城生活污水排污口應建立排污渠，將污水輸送到污水處理廠處理后達標排放。

（3）賈魯河鄭州中牟農業(yè)用水區(qū)。賈魯河鄭州中牟農業(yè)用水區(qū)納污能力、水體污染物最大允許入河量與現(xiàn)狀水體污染物排放情況見表4。該水功能區(qū)現(xiàn)狀年（2017年）COD、氨氮均有剩余容量，但2019-2030年COD、氨氮入河量超出該水功能區(qū)最大允許入河量，需要對入河污染物進行削減。2017-2030年賈魯河鄭州中牟農業(yè)用水區(qū)分年度水質控制目標從2017年、2018年的Ⅴ類過渡到2019-2030年的N類，執(zhí)行水功能區(qū)監(jiān)測目標約束由2017-2018年的Ⅴ類水標準過渡到2019-2030年的W類水標準?，F(xiàn)狀水質監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，上游來水條件較好，同時2017-2018年水功能區(qū)水質目標較低，COD、氨氮均未超標排放，有剩余容量，但2019-2030年水功能區(qū)水質目標提高，COD、氨氮排放量均超出功能區(qū)水質目標要求，主要原因是鄭州市鄭汴水務有限公司污水處理廠生活污水及周邊排污口排污總量較大，為保證交界斷面水質達標，需要削減COD、氨氮排放量。

（4）賈魯河中牟排污控制區(qū)。賈魯河中牟排污控制區(qū)納污能力、水體污染物最大允許入河量與現(xiàn)狀水體污染物排放情況見表5。該河段現(xiàn)狀年（2017年）COD、氨氮入河量超出該水功能區(qū)納污總量，需要對人河污染物進行削減。污染來源主要集中在概化排污口5、6。2017-2030年賈魯河中牟排污控制區(qū)分年度水質控制目標均為Ⅳ類，執(zhí)行水質監(jiān)測目標約束為N類水標準?，F(xiàn)狀水質監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，COD、氨氮入河量均超出功能區(qū)水質目標要求，主要原因是中牟縣邢莊村周邊生活污水排污口及周邊排污口COD與氨氮排放濃度較高，日平均排放濃度分別達58.6、5.2mg/L，總計入河量分別約為1317.77、116.97t/a。此段概化河流沒有污染物允許入河量，其COD、氨氮排放量明顯超出功能區(qū)納污總量，為保證交界斷面的水質達標，需要削減和控制排污量，具體每年削減量見表5。

（5）賈魯河中牟農業(yè)用水區(qū)。該水功能區(qū)現(xiàn)狀年（2017年）COD、氨氮入河量超出最大允許入河量，污染來源主要集中在概化排污口7、8，概化排污口7、8是小清河、丈八溝進入賈魯河的入河排污口。2017-2030年賈魯河中牟農業(yè)用水區(qū)分年度水質控制目標均為Ⅳ類，執(zhí)行水質監(jiān)測目標約束為Ⅳ類水標準。此河段COD、氨氮入河量明顯超出水功能區(qū)納污總量，為保證交界斷面水質達標，需要削減和控制排污量，見表6。

5 結論

以功能區(qū)整體水質達標控制與控制斷面水質達標控制的雙控管理為基礎，在充分考慮水環(huán)境自凈能力和水文條件的基礎上，根據(jù)河流納污能力計算理論，對賈魯河各水功能區(qū)COD、氨氮水環(huán)境容量進行計算，確定各河段污染物最大允許入河量和削減量。按照人河污染物總量、斷面水質雙達標的環(huán)境容量約束和削減方法，賈魯河不僅能夠通過定量排放調控來實現(xiàn)功能區(qū)水質控制目標，而且可以實現(xiàn)全河段功能區(qū)達標率約束下的排污權優(yōu)化調配，從而為功能區(qū)水環(huán)境管理提供依據(jù)。

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