入河排污口設(shè)置對(duì)水功能區(qū)水質(zhì)影響分析

桂 佳

（寧夏寧東水務(wù)有限責(zé)任公司，寧夏銀川 750001）

目前，水資源短缺、水生態(tài)環(huán)境惡化等問題已經(jīng)直接影響到我國的用水安全、公眾健康和社會(huì)穩(wěn)定，成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸。我國水環(huán)境面臨的形勢(shì)嚴(yán)峻，雖然經(jīng)過多年治理，許多江河湖泊的入河污染物量仍遠(yuǎn)超出水功能區(qū)的納污能力及水生態(tài)的承載能力，導(dǎo)致部分水體功能喪失。入河排污口管理是控制污染物入河總量的重要手段，也是保護(hù)水資源、改善水環(huán)境、促進(jìn)水資源可持續(xù)利用的一項(xiàng)重要保障措施[1]。

黃河流域?qū)幭亩问菍幭幕刈遄灾螀^(qū)重要的生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理地區(qū)，是自治區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)帶和經(jīng)濟(jì)主要增長極，也是人口主要聚集區(qū)、特色農(nóng)業(yè)種植區(qū)和工業(yè)重點(diǎn)承載區(qū)。加強(qiáng)黃河流域生態(tài)保護(hù)有利于寧夏補(bǔ)齊水資源不足短板，促進(jìn)協(xié)調(diào)均衡發(fā)展[2]。本文以黃河流域?qū)幭亩味?jí)水功能區(qū)黃河吳忠排污控制區(qū)為研究對(duì)象，分析黃河吳忠排污控制區(qū)納污能力和污染物入河量關(guān)系，預(yù)測(cè)現(xiàn)有入河排污口設(shè)置后黃河吳忠排污控制區(qū)不同斷面污染物濃度，以掌握黃河吳忠排污控制區(qū)對(duì)入河污染物的承載力以及沿途入河排污口設(shè)置對(duì)水功能區(qū)水質(zhì)影響程度，為黃河吳忠排污控制區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展布局和水生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 水功能區(qū)概況

1.1 水功能區(qū)基本情況

黃河吳忠排污控制區(qū)為黃河寧夏開發(fā)利用區(qū)的二級(jí)水功能區(qū)，起始斷面為青銅峽水文站，終止斷面為葉盛公路橋，代表斷面為葉盛公路橋，總長30.5 km。黃河吳忠排污控制區(qū)屬于排污控制區(qū)，無水質(zhì)目標(biāo)管理要求。根據(jù)《自治區(qū)人民政府關(guān)于印發(fā)寧夏回族自治區(qū)水污染防治工作方案的通知》，葉盛公路橋水質(zhì)目標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）II類標(biāo)準(zhǔn)，本文采用II類標(biāo)準(zhǔn)作為黃河吳忠排污控制區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，該水功能區(qū)現(xiàn)狀水質(zhì)滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）II類水質(zhì)目標(biāo)管理要求。

1.2 水功能區(qū)現(xiàn)有排污口

黃河吳忠排污控制區(qū)主要有清水溝、苦水河、南干溝、羅家河4條入河排水溝，該水功能區(qū)入河排污口為直接或間接通過排水溝入黃河的排污口。結(jié)合實(shí)際調(diào)查及排污口登記情況，黃河吳忠排污控制區(qū)共有排污口24處，廢污水入河流量為1.71 m3/s，主要污染物CODcr和NH3-N入河總量分別為2 554.84 t/a和388.08 t/a。

2 水功能區(qū)納污能力及污染物入河量

根據(jù)《全國水資源綜合規(guī)劃技術(shù)細(xì)則》，全國統(tǒng)一采用CODcr和NH3-N作為江河、湖庫水質(zhì)保護(hù)的污染物控制指標(biāo)。本文重點(diǎn)分析黃河吳忠排污控制區(qū)對(duì)主要污染物CODcr和NH3-N的納污能力。

表1 黃河吳忠排污控制區(qū)納污能力、限制排污總量及污染物入河量對(duì)比

根據(jù)《黃委關(guān)于印發(fā)黃河流域“一河一策”編制水資源與水生態(tài)保護(hù)意見的函》，2020年黃河吳忠排污控制區(qū)對(duì)主要污染物CODcr和NH3-N的納污能力為42 034 t/a和582 t/a，限制排污總量為6 908 t/a和509 t/a。黃河吳忠排污控制區(qū)現(xiàn)有24處排污口，主要污染物CODcr和NH3-N入河總量為2 554.84 t/a和388.08 t/a。黃河吳忠排污控制區(qū)現(xiàn)有污染物入河量未超其納污能力和限制排污總量，對(duì)主要污染物CODcr和NH3-N仍有4 353.16 t/a和120.92 t/a的容納空間，表明黃河吳忠排污控制區(qū)對(duì)入河污染物尚具有承載力。黃河吳忠排污控制區(qū)納污能力、限制排污總量及污染物入河量對(duì)比（見表1）。

3 水功能區(qū)水質(zhì)預(yù)測(cè)

3.1 計(jì)算模型

黃河吳忠排污控制區(qū)總長30.5 km，多年平均徑流量274.6×108m3/a，屬于大型河段。根據(jù)《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》（GB/T 25173-2010），采用河流二維水質(zhì)模型分析入河排污口外排污染物對(duì)黃河吳忠排污控制區(qū)水體水質(zhì)的影響。二維對(duì)流擴(kuò)散方程計(jì)算公式如下：

式中：C（x，y）-計(jì)算水域代表點(diǎn)的污染物平均濃度，mg/L；C0-初始斷面的污染物濃度，mg/L；m-污染物入河速率，g/s；h-設(shè)計(jì)流量下計(jì)算水域的平均水深，m；Ey-污染物的橫向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；x-沿河段的縱向距離，m；v-設(shè)計(jì)流量下計(jì)算水域的平均流速，m/s；y-計(jì)算點(diǎn)到岸邊的橫向距離，m；K-污染物綜合衰減系數(shù)，1/s。

黃河吳忠排污控制區(qū)沿途未設(shè)排污口情況下，污染物隨水體流動(dòng)混合降解，各斷面污染物濃度預(yù)測(cè)采用下式：

式中符號(hào)意義同前。

3.2 參數(shù)確定

3.2.1 初始斷面污染物濃度 初始斷面污染物濃度采用黃河吳忠排污控制區(qū)起始斷面青銅峽水文站污染物濃度，依據(jù)2019年水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，初始斷面主要污染物CODcr和NH3-N濃度分別為12.7 mg/L和0.12 mg/L。

3.2.2 污染物入河速率 黃河吳忠排污控制區(qū)現(xiàn)有24處排污口可概化為黃河干流7處排污口（見圖1），自起始斷面至終止斷面依次有青銅峽市第三污水處理廠、寧夏青銅峽工業(yè)園區(qū)（區(qū)塊一）污水處理廠、南干溝、吳忠一污、清水溝、苦水河和羅家河排污口匯入。7處概化排污口污染物入河速率（見表2）。

3.2.3 設(shè)計(jì)流量下水域的平均流速及水深 一般情況下，天然河流中枯水季節(jié)是對(duì)水質(zhì)最不利的時(shí)期，河流水質(zhì)問題一般出現(xiàn)在枯水期。計(jì)算河流水域納污能力，應(yīng)采用90 %保證率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)流量。本文采用青銅峽水文站2009-2018年最枯流量作為設(shè)計(jì)流量，近10年平均流量為729 m3/s，最枯流量發(fā)生在2017年4月，大小為275 m3/s，即設(shè)計(jì)流量為275 m3/s。

表2 黃河吳忠排污控制區(qū)7處概化排污口污染物入河速率統(tǒng)計(jì)表

圖1 黃河吳忠排污控制區(qū)沿途入河排污口位置示意圖

根據(jù)《黃河寧夏河段二期防洪工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中本河段糙率、比降、邊坡以及底寬等參數(shù)，計(jì)算出設(shè)計(jì)流量下河道的平均流速為0.997 m/s，平均水深為1.01 m。

3.2.4 污染物橫向擴(kuò)散系數(shù) 污染物橫向擴(kuò)散系數(shù)采用費(fèi)休公式，順直河段為：

彎曲河段為：

式中：Ey-水流的橫向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；H-河道斷面平均水深，m；g-重力加速度，m/s2；J-河流水力比降。

各參數(shù)引用前文取值，計(jì)算出污染物橫向擴(kuò)散系數(shù)為0.816 m2/s。

3.2.5 污染物綜合衰減系數(shù) 污染物進(jìn)入河流在輸移過程中通過物理、化學(xué)及生物的作用發(fā)生濃度衰減，其衰減系數(shù)反映了污染物在水體作用下降解速度的快慢[3]。云飛等[4]對(duì)黃河寧夏段CODcr和NH3-N降解系數(shù)測(cè)算結(jié)果表明，黃河寧夏段CODcr和NH3-N降解系數(shù)分別為0.2 d-1和0.3 d-1。韓宇平等[5]根據(jù)長系列流量、水質(zhì)資料計(jì)算出青銅峽至石嘴山段NH3-N降解系數(shù)為0.28 d-1。根據(jù)前人研究成果，本文CODcr和NH3-N綜合衰減系數(shù)采用0.2 d-1和0.9 d-1。

3.3 預(yù)測(cè)結(jié)果

采用二維水質(zhì)模型預(yù)測(cè)設(shè)置與未設(shè)置入河排污口情況下，不同斷面可降解物質(zhì)CODcr和NH3-N污染物濃度，分析黃河吳忠排污控制區(qū)污染物排放與黃河水體充分混合后沿黃河縱向降解過程。計(jì)算點(diǎn)到岸邊的橫向距離取1 m，由于靠近岸邊處污染物濃度最高，計(jì)算截面選取靠近岸邊處污染物濃度較合理。

通過分析黃河吳忠排污控制區(qū)設(shè)置與未設(shè)置入河排污口情況下，污染物CODcr和NH3-N隨水體混合降解過程可知（見圖2），沿途未設(shè)入河排污口情況下，黃河吳忠排污控制區(qū)從起始斷面至終止斷面，污染物濃度逐漸降低；而7處概化排污口排放污染物后，排污斷面水體濃度顯著升高，隨后又逐漸降解，直至下一處排污口排放污染物，污染物濃度又明顯提升，依次循環(huán)。黃河吳忠排污控制中下游段污染物濃度增加幅度較明顯，原因在于該段排污口分布較密集且入河污染物量大，污染物CODcr和NH3-N濃度最高分別達(dá)到12.975 mg/L和0.272 mg/L，未超《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）II類水質(zhì)目標(biāo)管理要求，表明黃河吳忠排污控制區(qū)沿途入河排污口布局合理，入河排污口設(shè)置能夠保證黃河吳忠排污控制區(qū)任意段污染物CODcr和NH3-N濃度滿足水質(zhì)目標(biāo)管理要求。

表3 設(shè)置與未設(shè)置入河排污口情況下終止斷面污染物濃度對(duì)比表

圖2 黃河吳忠排污控制區(qū)沿途設(shè)置與未設(shè)置入河排污口情況下不同斷面污染物濃度預(yù)測(cè)結(jié)果

對(duì)比設(shè)置與未設(shè)置入河排污口情況下終止斷面污染物濃度可知（見表3），終止斷面污染物CODcr和NH3-N濃度增加比例分別為8.48 %和134.51 %，其中污染物NH3-N濃度增加幅度顯著的原因是入河污染物濃度遠(yuǎn)高于初始斷面背景濃度。

4 結(jié)論與討論

本文從水體納污能力和水質(zhì)遷移兩方面分析了黃河吳忠排污控制區(qū)受沿途入河排污口污染程度，由納污能力與污染物入河量對(duì)比結(jié)果可知，黃河吳忠排污控制區(qū)對(duì)主要污染物CODcr和NH3-N尚有4 353.16 t/a和120.92 t/a承載力；現(xiàn)有入河排污口設(shè)置情況下黃河吳忠排污控制區(qū)水質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果表明，現(xiàn)有入河排污口設(shè)置未使黃河吳忠排污控制區(qū)任意段污染物濃度超出水質(zhì)目標(biāo)管理要求，現(xiàn)有排污口布局合理。基于上述成果，建議黃河吳忠排污口控制區(qū)今后新增入河排污口，將入河污染物總量控制在黃河吳忠排污控制區(qū)富余水環(huán)境容量內(nèi)，嚴(yán)格限制污染物入河，并且盡可能將入河排污口設(shè)置于黃河吳忠排污控制區(qū)上游段，降低中下游段入河排污口設(shè)置數(shù)量及污染物入河總量，以免造成中下游段部分排污斷面水質(zhì)超標(biāo)。