滄州市納污能力計算與分析

(河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州 061000)

1 計算原則

水功能區(qū)納污能力也稱為水體環(huán)境容量，是相對確定的水功能區(qū)在滿足水域功能要求的前提下，按給定的設(shè)計水文條件，所能容納的最大污染物量。

水功能區(qū)納污能力計算遵循的原則如下：

a.對于保護區(qū)、飲用水源區(qū)和集中式生活飲用水水源地(大浪淀水庫)按有關(guān)規(guī)定不允許直接排污，因此納污能力按“0”處理，不再進行計算。

b.對于保留區(qū)和緩沖區(qū)，如果現(xiàn)狀水質(zhì)已經(jīng)達到《河北省水功能區(qū)劃》規(guī)定的目標(biāo)，保留區(qū)和緩沖區(qū)的納污能力與其現(xiàn)狀污染負荷相同，可直接采用現(xiàn)狀入河污染物量代替水功能區(qū)納污能力。對于需要改善水質(zhì)的保留區(qū)和緩沖區(qū)，則按照要求計算水功能區(qū)的納污能力，提出入河污染物的限制排污總量意見。

c.開發(fā)利用區(qū)(飲用水源區(qū)除外)納污能力需要根據(jù)二級水功能區(qū)的設(shè)計條件和水質(zhì)目標(biāo)，選擇符合實際的數(shù)學(xué)模型進行計算。

2 水質(zhì)模型的確定

水功能區(qū)納污能力的計算應(yīng)根據(jù)實際情況確定不同的數(shù)學(xué)計算模型。根據(jù)《河北省水功能區(qū)納污能力及限制排污總量意見技術(shù)細則》規(guī)定和滄州市水功能區(qū)實際情況，數(shù)學(xué)計算模型采用零維模型和一維模型。

平原河道當(dāng)設(shè)計流量為0時，納污能力計算公式為

W=31.536qCs

式中W——水功能區(qū)納污能力，t/a；

q——水功能區(qū)入河污水量，m3/s;

Cs——水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，mg/L。

2.1 零維模型

對于湖庫和流速小于0.1m/s的河流，采用零維水質(zhì)模型計算納污能力。計算公式為

W=31.536[Cs(Q+q)-C0Q+kCsV/86400]

式中Q——水功能區(qū)設(shè)計流量，m3/s(對于湖庫為設(shè)計蓄水量，m3)；

C0——水功能區(qū)上斷面污染物濃度(湖庫初始濃度)，mg/L；

k——污染物綜合衰減系數(shù)，1/d；

V——水功能區(qū)水體體積，m3；

其他符號意義同前。

2.2 一維模型

對于污染物質(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的河流，采用一維水質(zhì)模型計算納污能力。計算公式為

W=31.536{(Q+q)Cs-QC0

exp[-kx/(86.4u)]}/exp[-kxi/(86.4u)]

式中x——水功能區(qū)上斷面到下斷面的距離，km；

xi——簡化后排污口到下計算斷面的距離，km；

u——水功能區(qū)設(shè)計流量下的平均流速，m/s；

其他符號意義同前。

在功能區(qū)內(nèi)有支流(Q支)匯入和取水(Q取)情況時，納污能力的計算公式如下所示。

在排污口上游取水時：

W=31.536{(Q+q+Q支-Q取)Cs-(Q+Q支-

Q取)C0exp[-kx/(86.4u)]}/exp[-kxi/(86.4u)]

在排污口下游取水時:

W=31.536{(Q+q+Q支-Q取)Cs-(Q+Q支)C0

exp[-kxi/(86.4u)]}/exp[-kxi/(86.4u)]

式中Q支——支流匯入量，m3/s;

Q取——取水量，m/s。

污染源的簡化：對于一個納污能力計算單元而言，其入河排污口分布千差萬別，為簡化因排污口分布帶來的納污能力計算的復(fù)雜性，將排污口在功能區(qū)上的分布加以簡化。

a.如果計算單元內(nèi)只含有一個排污口，則上式中xi即為該排污口至下計算斷面的距離。

b.如果具有多個排污口，但分布相對集中，可將其簡化為一個排污口進行計算，此時xi為兩個相對較遠的排污口距離的中點至下計算斷面的距離。

c.若多個排污口分布比較分散，在納污能力計算時將排污口簡化為功能區(qū)中斷面排污，據(jù)此排污分布推算納污能力。

3 模型參數(shù)的確定

模型參數(shù)的大小關(guān)系著水域納污能力的確定和污染物減排工作量的大小，進一步關(guān)系著滄州市水功能區(qū)水質(zhì)改善的問題。根據(jù)《河北省水功能區(qū)納污能力及限制排污總量意見技術(shù)細則》規(guī)定，滄州市水功能區(qū)納污能力計算模型各項參數(shù)的確定按照以下方法進行。

3.1 水質(zhì)目標(biāo)(Cs)的確定

a.水功能區(qū)按照《河北省水功能區(qū)劃》中規(guī)定的水質(zhì)目標(biāo)對照相應(yīng)標(biāo)準予以確定。

b.非水功能區(qū)按照實際情況確定其水體功能，參照《河北省水功能區(qū)劃》中規(guī)定的水質(zhì)目標(biāo)確定原則予以確定。

3.2 設(shè)計流量的確定

設(shè)計流量的確定原則如下：

a.對于一般河流，采用最近10年最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量作為設(shè)計流量，另外選取平偏枯典型年(2000年)和現(xiàn)狀水平年(2005年)的枯水期平均流量作為設(shè)計流量。

b.對于一般湖泊和水庫，分別按近10年最低月平均水位相應(yīng)的蓄水量或90%保證率最枯月平均水位相應(yīng)的蓄水量或死庫容的蓄水量作為設(shè)計流量。

c.無水文資料的河段，設(shè)計流量可按照以下原則確定：距水文站較近，區(qū)間無較大支流加入或較大取水口，直接借用鄰近水文站的資料推求設(shè)計流量；距水文站較遠，區(qū)間有較大支流加入或大的取水口，通過水量平衡計算確定設(shè)計流量；無水文站的河段，用類比法或根據(jù)現(xiàn)狀年枯水期實測流量資料確定設(shè)計流量。

3.3 斷面設(shè)計流速確定

有水文資料和實測資料時，直接按下式計算:

u=Q/A

式中u——設(shè)計流速；

Q——設(shè)計流量；

A——過水?dāng)嗝婷娣e。

無水文資料時，進行實測或者采用經(jīng)驗公式計算斷面流速，然后把實測流速轉(zhuǎn)換為設(shè)計條件下的流速。

3.4 初始濃度值C0的確定

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

河流源頭C0確定原則：平原區(qū)河流取地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準值；有匯入的河流取匯入河流目標(biāo)值；省界河流取上游外省的目標(biāo)值。

3.5 綜合衰減系數(shù)k值的確定

污染物綜合衰減系數(shù)k是反映污染物沿程變化的綜合系數(shù)，它體現(xiàn)污染物自身的變化，也體現(xiàn)了環(huán)境對污染物的影響。它是計算水體納污能力的一項重要參數(shù)，對于不同的污染物、不同的環(huán)境條件，其值是不同的。該系數(shù)用實測資料進行率定，率定方法采用二斷面法和多斷面法。

a.二斷面法綜合衰減系數(shù)計算公式為

k=(lnC1-lnC2)vs/Δx

式中C1——河段上斷面污染物濃度，mg/L；

C2——河段下斷面污染物濃度，mg/L;

vs——河段平均流速，km/d；

x——上下斷面之間距離，km。

b.在缺乏實測資料的情況下，綜合衰減系數(shù)按以下經(jīng)驗公式確定：

k=0.066+0.5u

式中u——設(shè)計流量下的河段平均流速，m/s。

根據(jù)滄州市水功能區(qū)實際情況，COD的k值取值范圍在0.08～0.4d-1之間；平均為0.17d-1；氨氮的k值取值范圍在0.05～0.37d-1之間，平均為0.15d-1。

k值按300km河長內(nèi)污染物衰減不超過75%的原則確定，即exp(-kx/u)> 0.25；k氨氮=kCOD×0.81。

3.6 各種參數(shù)

根據(jù)上述各種參數(shù)的確定方法與原則，滄州市各水功能區(qū)納污能力計算模型參數(shù)見表1～表3。

表1 滄州市各水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)

續(xù)表

表2 滄州市水功能區(qū)流量、流速

續(xù)表

表3 滄州市水功能區(qū)污染物衰減系數(shù)

4 計算方法

根據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》(SL 348—2006)以及《河北省水功能區(qū)納污能力及限制排污總量意見技術(shù)細則》規(guī)定，以各水功能區(qū)為計算單元，分別計算各單元納污能力；按行政區(qū)(縣、市)、水功能區(qū)、水系統(tǒng)計納污能力。

為了更好地落實節(jié)能減排意見，改善水環(huán)境質(zhì)量，滿足水域水體功能要求，服務(wù)于水功能區(qū)入河排污整治工作，保證水功能區(qū)納污能力計算結(jié)果的科學(xué)性，除采用最近10年(1996—2005年)最枯月平均流量(或者90%保證率最枯月平均流量)作為設(shè)計流量外，本文還以平偏枯典型年2000年的枯水期平均流量、現(xiàn)狀水平年2005年枯水期平均流量作為設(shè)計流量，對各水功能區(qū)納污能力進行了計算和統(tǒng)計。對于非水功能區(qū)，只以10年最枯月平均流量作為設(shè)計流量進行納污能力分析。

5 納污能力計算結(jié)果

根據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》(SL 348—2006)以及《河北省水功能區(qū)納污能力及限制排污總量意見技術(shù)細則》，結(jié)合前述計算模型和各項參數(shù)，通過計算得出滄州市各水功能區(qū)納污能力。各水功能區(qū)在不同設(shè)計條件下的納污能力見表4。

表4 滄州市納污能力計算成果

續(xù)表

6 納污能力分析

滄州市大部分河流常年干涸，部分河流僅在汛期過水，1996—2005年最枯月平均流量除滄浪渠外均為0。為了更科學(xué)地研究滄州水域納污能力，本文還以偏枯年份2000年以及現(xiàn)狀水平2005年的枯水期月平均流量作為設(shè)計流量，對滄州市水功能區(qū)進行了納污能力分析。

由于近年來滄州區(qū)域嚴重干旱，大部分河道常年斷流甚至干涸，致使滄州水域納污能力較小。由納污能力統(tǒng)計結(jié)果可以看出，按10年最枯月平均流量作為設(shè)計流量計算，滄州市水功能區(qū)COD和氨氮的納污能力分別僅為2295.66t/a、111.32t/a；以平偏枯2000年枯水期月平均流量為設(shè)計流量計算，全市水功能區(qū)COD和氨氮的納污能力分別為7801.27t/a、360.20t/a；以現(xiàn)狀水平年2005年枯水期月平均流量為設(shè)計流量計算，滄州市水功能區(qū)COD和氨氮的納污能力分別為10189.41t/a、439.04t/a。

大浪淀水庫滄州引黃調(diào)水保護區(qū)、滏東排河滄州飲用水源區(qū)、南運河滄州保護區(qū)、清涼江滄州保護區(qū)按大綱要求，不能接納外來污水，納污能力均為0。

按10年最枯月平均流量計算，全市COD和氨氮的納污能力分別為2295.66t/a、111.32t/a。其中，滄浪渠滄州農(nóng)業(yè)用水區(qū)納污能力最大，COD納污能力為2038.95t/a，占全市納污能力的88.8%，氨氮納污能力為98.49t/a，占全市納污能力的88.5%。其他水功能區(qū)由于河流設(shè)計流量為0，水體自身沒有自凈能力，其納污能力取決于入河污水流量和目標(biāo)值。入河污水濃度必須達到功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)值，也就是說，對于設(shè)計流量為0的水功能區(qū)污水必須要達標(biāo)排放。

按典型平偏枯2000年枯水期平均流量計算的全市COD和氨氮的納污能力分別為7801.27t/a、360.27t/a。納污能力最大的水功能區(qū)是漳衛(wèi)新河滄州緩沖段和滄浪渠滄州農(nóng)業(yè)用水區(qū)，COD納污能力分別為5427.80t/a、2038.95t/a，占全市納污能力的69.6%、26.1%，氨氮納污能力分別為245.74t/a、98.49t/a，占全市納污能力的68.2%、27.3%。其他水功能區(qū)由于設(shè)計流量很小甚至為0，水體自身沒有自凈能力，因此納污能力都相對較小。

按2005年枯水期月平均流量計算，納污能力較10年最枯和2000年都偏大，全市COD和氨氮的納污能力分別為10189.41t/a、439.04t/a。其中，子牙新河滄州農(nóng)業(yè)用水區(qū)、滄浪渠滄州農(nóng)業(yè)用水區(qū)和宣惠河滄州工業(yè)用水區(qū)納污能力較大，占據(jù)了滄州市水功能區(qū)納污能力的前三位。COD納污能力分別為3232.32t/a、2232.90t/a、1747.41t/a，占全市納污能力的31.7%、21.9%、17.1%。氨氮納污能力分別為130.91t/a、106.33t/a、71.92t/a，占全市氨氮納污能力的29.8%、24.2%、16.4%。