不同設(shè)計(jì)水文條件下潁河水環(huán)境容量計(jì)算研究

焦麗宏 向 龍 穆小玲 樊洪波

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院， 南京 210098；2.河南省鄭州水文水資源勘測(cè)局， 鄭州 450007)

水環(huán)境容量為針對(duì)某一確定水域范圍，依據(jù)水體水質(zhì)目標(biāo)及入河排污口排污方式，在特定水文條件下所計(jì)算的單位時(shí)間內(nèi)該水域的最大允許納污量[1-4].確定水環(huán)境容量是保障水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)的根本方法，同時(shí)可為實(shí)施水域水污染物總量控制提供科學(xué)的依據(jù).

目前我國(guó)水環(huán)境容量的計(jì)算普遍選取特定的設(shè)計(jì)水文條件[5-6]，如北方河流多選取長(zhǎng)序列75%保證率月平均流量或近10年最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)流量條件[7].這種以單一設(shè)計(jì)水文條件計(jì)算的水環(huán)境容量全年為一定值.而通常情況下影響水環(huán)境容量大小的因素多隨時(shí)間變化，如水域特征、水環(huán)境功能要求、污染物特性、排污方式等[8]具有明顯的時(shí)間動(dòng)態(tài)特性.因此，為充分利用河道自凈能力，最大程度發(fā)揮水環(huán)境容量動(dòng)態(tài)特性帶來(lái)的環(huán)境效益，分析研究不同設(shè)計(jì)水文條件下的水環(huán)境容量具有重要的實(shí)際意義.

本文研究對(duì)象潁河(鄭州段)河道水量年內(nèi)分配極不均勻，各月水文條件不同，且枯水期存在斷流現(xiàn)象，若全年均以單一的水環(huán)境容量作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)污染物入河量實(shí)施限制，則易導(dǎo)致豐水期水環(huán)境容量未充分利用，而枯水期入河污染物超標(biāo)，難以實(shí)現(xiàn)潁河水環(huán)境的有效管理.因此，本研究基于潁河水文條件的時(shí)間動(dòng)態(tài)特性，確定了3種設(shè)計(jì)水文條件，對(duì)潁河各水功能區(qū)在不同設(shè)計(jì)水文條件下的水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算和研究，為高效實(shí)施潁河(鄭州段)污染物入河總量控制提供技術(shù)支撐.

1 計(jì)算原理及方法

本研究擬結(jié)合潁河(鄭州段)各水功能區(qū)的實(shí)際水文水質(zhì)資料，在3種設(shè)計(jì)水文條件下分別計(jì)算潁河的納污能力.

目前計(jì)算水環(huán)境容量的方法主要有5大類(lèi)，分別為公式法、模型試錯(cuò)法、系統(tǒng)最優(yōu)化法、概率稀釋模型法、未確知數(shù)學(xué)法[9-10].本研究采用我國(guó)當(dāng)前水環(huán)境容量計(jì)算中應(yīng)用最廣泛的公式法，以斷面水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮水環(huán)境容量的定義及水環(huán)境數(shù)學(xué)模型相應(yīng)公式，明確在指定條件下的水環(huán)境容量計(jì)算公式，從而計(jì)算得到水環(huán)境容量.穎河(鄭州段)水功能區(qū)長(zhǎng)度都較大，且水面寬度在30～200m 之間，河段長(zhǎng)寬比例較小，因此本研究中水功能區(qū)納污能力計(jì)算擬采用一維控制斷面達(dá)標(biāo)法.

河流一維水質(zhì)模型包括河段和節(jié)點(diǎn)兩部分.節(jié)點(diǎn)指河道流量發(fā)生突變的點(diǎn)，如入河排污口、取水口、干支流匯合口等，考慮到節(jié)點(diǎn)處水體混合過(guò)程中物質(zhì)變化的生物和化學(xué)影響可以忽略，因此水量與污染物在節(jié)點(diǎn)前后滿足物質(zhì)平衡規(guī)律.節(jié)點(diǎn)將河流分為若干段，即為河段，任一河段內(nèi)水污染物的自凈規(guī)律均符合一階反應(yīng).

本研究河流水功能區(qū)水環(huán)境容量的計(jì)算采用功能區(qū)首斷面排污、末端面達(dá)標(biāo)考核、稀釋容量與自凈容量求和的方法進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)公式(1)：

式中：W為入河排污口到控制斷面之間河段的理想水環(huán)境容量(t/a)；Q0為上游來(lái)水設(shè)計(jì)水量(m3/s)；qw為節(jié)點(diǎn)處排入污水的流量(m3/s)；Cs為控制斷面水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(mg/L)；C0為上游來(lái)水的質(zhì)量濃度(取上游來(lái)水所在水功能區(qū)的目標(biāo)水質(zhì))(mg/L)；u為河流斷面平均流速(m/s)；x為入河排污口與控制斷面之間的距離(km)；K為污染物綜合衰減系數(shù)(1/d).

為保證水功能區(qū)納污能力計(jì)算結(jié)果與河流實(shí)際不均勻現(xiàn)象相一致，在水功能區(qū)水環(huán)境容量計(jì)算過(guò)程中采用不均勻系數(shù)進(jìn)行修正，不均勻系數(shù)取值介于0～1之間.

2 研究區(qū)概況

潁河(鄭州段)發(fā)源于河南省登封市石道鄉(xiāng)，自西向東流，于白沙水庫(kù)以下出境入許昌市境.河道長(zhǎng)57km，河床寬20～300m，流域面積1037.5km2，年徑流量3723萬(wàn)m3，主要集中在汛期的6～9月.

2.1 水功能區(qū)劃及水質(zhì)目標(biāo)

依據(jù)水域不同的自然條件、功能定位和開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀，對(duì)河流水功能區(qū)進(jìn)行劃分，不同的功能區(qū)對(duì)應(yīng)不同的水質(zhì)管理目標(biāo)[11-12].潁河(鄭州段)共分為5個(gè)水功能區(qū)，分別為潁河登封源頭水保護(hù)區(qū)、潁河登封工業(yè)用水區(qū)、潁河登封排污控制區(qū)、潁河登封過(guò)渡區(qū)和潁河白沙水庫(kù)景觀娛樂(lè)用水區(qū)，水質(zhì)目標(biāo)依次為Ⅲ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)、Ⅴ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)，當(dāng)前水質(zhì)僅源頭水保護(hù)區(qū)達(dá)標(biāo)，為Ⅲ類(lèi)水，其余水功能區(qū)均不達(dá)標(biāo)，其中白沙水庫(kù)景觀娛樂(lè)用水區(qū)水質(zhì)為Ⅴ類(lèi)水，剩余3個(gè)水功能區(qū)水質(zhì)均為劣Ⅴ類(lèi)水.

2.2 入河排污口概化

潁河(鄭州段)主要支流有白坪河、少林河、石淙河，流域內(nèi)入河排污口眾多.河流概化時(shí)以造成河道流量發(fā)生突變的點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)，如取水口、入河排污口、干支流匯合口等，若多個(gè)入河排污口相隔距離較近時(shí)，可將多個(gè)入河排污口視作一個(gè)集中獨(dú)立入河排污口，污染物排放流量和質(zhì)量濃度經(jīng)折算后確定.概化后的潁河入河排污口如圖1所示.

圖1 穎河水系計(jì)算區(qū)域內(nèi)入河排污口概化圖

2.3 設(shè)計(jì)水文條件

潁河屬于北方河流，徑流量季節(jié)變化大，枯水期流量低且存在斷流現(xiàn)象，若全年僅以單一標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)水文條件下的水環(huán)境容量為依據(jù)制定水功能區(qū)納污總量控制方案，必然導(dǎo)致污染物入河量“豐欠枯超”現(xiàn)象，不能充分合理地利用潁河的水環(huán)境容量.

本文選取多年平均流量、月平均流量和分水期(豐、平、枯)流量3種設(shè)計(jì)水文條件分別進(jìn)行潁河水環(huán)境容量的計(jì)算.依據(jù)潁河告成水文站2007～2016年的水文資料，同時(shí)參考相關(guān)文獻(xiàn)[13-15]，確定潁河豐水期為6～9月，平水期為3～5月、10月，枯水期為11月～翌年2月.選取告成水文站2007～2016年實(shí)測(cè)月平均流量作為設(shè)計(jì)流量的計(jì)算序列，采用水文頻率分析法(P-Ⅲ型曲線)對(duì)水文站多年平均流量、月平均流量及各分水期流量進(jìn)行分析.潁河告成水文站斷面75%保證率下的3種設(shè)計(jì)水文條件見(jiàn)表1.

表1 潁河告成水文站斷面3種設(shè)計(jì)水文條件

3 討論與分析

根據(jù)上文選取的計(jì)算模型、設(shè)計(jì)水文條件和各項(xiàng)參數(shù)[16-18]，分別計(jì)算得到多年平均流量、月平均流量及分水期(豐、平、枯)流量下潁河計(jì)算河段理想水環(huán)境容量，并擬合出水環(huán)境容量的逐月變化趨勢(shì)，見(jiàn)表2和圖2.

表2 3種設(shè)計(jì)水文條件下潁河計(jì)算河段水環(huán)境容量(t/m)

圖2 穎河(鄭州段)逐月水環(huán)境容量變化趨勢(shì)線

分析分水期流量計(jì)算條件下水環(huán)境容量變化趨勢(shì)線可知，由于潁河流量豐水期＞平水期＞枯水期，且污染物綜合降解系數(shù)也呈相同規(guī)律，因此水環(huán)境容量豐水期＞平水期＞枯水期.

分析月平均流量計(jì)算條件下水環(huán)境容量變化趨勢(shì)線可以看出，3月水環(huán)境容量變化幅度較大，主要原因是北方3月冰雪消融，增加了河道流量，水環(huán)境容量也相應(yīng)增大；6月的水環(huán)境容量要小于豐水期其他月份的水環(huán)境容量，主要原因是潁河(鄭州段)流域?yàn)閭鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)，流域內(nèi)以潁河作為取水水源大規(guī)模發(fā)展農(nóng)田灌溉，導(dǎo)致潁河6月水環(huán)境容量小于豐水期其他月份.

4 結(jié) 論

1)常規(guī)水環(huán)境容量計(jì)算方法(多年平均流量)得出潁河(鄭州段)COD 容量為328.56t/a，氨氮容量為17.64t/a；月平均流量計(jì)算條件下COD 容量為344.63t/a，氨氮容量為18.76t/a；分水期流量設(shè)計(jì)條件下COD 容量為352.02t/a，氨氮容量為19.36t/a.對(duì)比3種設(shè)計(jì)水文條件下的水環(huán)境容量可以發(fā)現(xiàn)：分水期設(shè)計(jì)條件較常規(guī)方法計(jì)算的COD 容量增加了7.15%，氨氮容量增加了9.75%；月平均流量計(jì)算條件較常規(guī)方法計(jì)算的COD 容量增加了4.89%，氨氮容量增加了6.35%；分水期設(shè)計(jì)條件與月平均流量計(jì)算條件所得水環(huán)境容量較接近，COD 和氨氮容量?jī)H分別增加了2.14%和3.20%.

2)潁河(鄭州段)水環(huán)境容量年內(nèi)呈現(xiàn)豐水期＞平水期＞枯水期趨勢(shì)，在7月份達(dá)到最大值，可見(jiàn)在考慮河道動(dòng)態(tài)特性的設(shè)計(jì)水文條件下計(jì)算的水環(huán)境容量更能真實(shí)有效地反映河流水環(huán)境容量的實(shí)際變化規(guī)律，可以避免在單一設(shè)計(jì)水文條件下水環(huán)境容量的浪費(fèi)或不足問(wèn)題，從而更加充分有效地利用水環(huán)境容量，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境容量的總量分配和季節(jié)性利用.