不同設(shè)計水文條件下潁河水環(huán)境容量計算研究

焦麗宏 向 龍 穆小玲 樊洪波

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

水環(huán)境容量為針對某一確定水域范圍，依據(jù)水體水質(zhì)目標及入河排污口排污方式，在特定水文條件下所計算的單位時間內(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)達標的根本方法，同時可為實施水域水污染物總量控制提供科學的依據(jù).

目前我國水環(huán)境容量的計算普遍選取特定的設(shè)計水文條件[5-6]，如北方河流多選取長序列75%保證率月平均流量或近10年最枯月平均流量作為設(shè)計流量條件[7].這種以單一設(shè)計水文條件計算的水環(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]具有明顯的時間動態(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)境容量動態(tài)特性帶來的環(huán)境效益，分析研究不同設(shè)計水文條件下的水環(huán)境容量具有重要的實際意義.

本文研究對象潁河(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)境容量作為標準對污染物入河量實施限制，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，難以實現(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間動態(tài)特性，確定了3種設(shè)計水文條件，對潁河各水功能區(qū)在不同設(shè)計水文條件下的水環(huán)境容量進行計算和研究，為高效實施潁河(鄭州段)污染物入河總量控制提供技術(shù)支撐.

1 計算原理及方法

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

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

河流一維水質(zhì)模型包括河段和節(jié)點兩部分.節(jié)點指河道流量發(fā)生突變的點，如入河排污口、取水口、干支流匯合口等，考慮到節(jié)點處水體混合過程中物質(zhì)變化的生物和化學影響可以忽略，因此水量與污染物在節(jié)點前后滿足物質(zhì)平衡規(guī)律.節(jié)點將河流分為若干段，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)境容量的計算采用功能區(qū)首斷面排污、末端面達標考核、稀釋容量與自凈容量求和的方法進行計算，見公式(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為上游來水設(shè)計水量(m3/s)；qw為節(jié)點處排入污水的流量(m3/s)；Cs為控制斷面水質(zhì)標準(mg/L)；C0為上游來水的質(zhì)量濃度(取上游來水所在水功能區(qū)的目標水質(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)納污能力計算結(jié)果與河流實際不均勻現(xiàn)象相一致，在水功能區(qū)水環(huán)境容量計算過程中采用不均勻系數(shù)進行修正，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，于白沙水庫以下出境入許昌市境.河道長57km，河床寬20～300m，流域面積1037.5km2，年徑流量3723萬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

依據(jù)水域不同的自然條件、功能定位和開發(fā)利用現(xiàn)狀，對河流水功能區(qū)進行劃分，不同的功能區(qū)對應(yīng)不同的水質(zhì)管理目標[11-12].潁河(鄭州段)共分為5個水功能區(qū)，分別為潁河登封源頭水保護區(qū)、潁河登封工業(yè)用水區(qū)、潁河登封排污控制區(qū)、潁河登封過渡區(qū)和潁河白沙水庫景觀娛樂用水區(qū)，水質(zhì)目標依次為Ⅲ類、Ⅲ類、Ⅴ類、Ⅲ類和Ⅱ類，當前水質(zhì)僅源頭水保護區(qū)達標，為Ⅲ類水，其余水功能區(qū)均不達標，其中白沙水庫景觀娛樂用水區(qū)水質(zhì)為Ⅴ類水，剩余3個水功能區(qū)水質(zhì)均為劣Ⅴ類水.

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.河流概化時以造成河道流量發(fā)生突變的點作為節(jié)點，如取水口、入河排污口、干支流匯合口等，若多個入河排污口相隔距離較近時，可將多個入河排污口視作一個集中獨立入河排污口，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 穎河水系計算區(qū)域內(nèi)入河排污口概化圖

2.3 設(shè)計水文條件

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，若全年僅以單一標準的設(shè)計水文條件下的水環(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)計水文條件分別進行潁河水環(huán)境容量的計算.依據(jù)潁河告成水文站2007～2016年的水文資料，同時參考相關(guān)文獻[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年實測月平均流量作為設(shè)計流量的計算序列，采用水文頻率分析法(P-Ⅲ型曲線)對水文站多年平均流量、月平均流量及各分水期流量進行分析.潁河告成水文站斷面75%保證率下的3種設(shè)計水文條件見表1.

表1 潁河告成水文站斷面3種設(shè)計水文條件

3 討論與分析

根據(jù)上文選取的計算模型、設(shè)計水文條件和各項參數(shù)[16-18]，分別計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，見表2和圖2.

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

圖2 穎河(鄭州段)逐月水環(huán)境容量變化趨勢線

分析分水期流量計算條件下水環(huán)境容量變化趨勢線可知，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.

分析月平均流量計算條件下水環(huán)境容量變化趨勢線可以看出，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)流域為傳統(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)計條件下COD 容量為352.02t/a，氨氮容量為19.36t/a.對比3種設(shè)計水文條件下的水環(huán)境容量可以發(fā)現(xiàn)：分水期設(shè)計條件較常規(guī)方法計算的COD 容量增加了7.15%，氨氮容量增加了9.75%；月平均流量計算條件較常規(guī)方法計算的COD 容量增加了4.89%，氨氮容量增加了6.35%；分水期設(shè)計條件與月平均流量計算條件所得水環(huán)境容量較接近，COD 和氨氮容量僅分別增加了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，在7月份達到最大值，可見在考慮河道動態(tài)特性的設(shè)計水文條件下計算的水環(huán)境容量更能真實有效地反映河流水環(huán)境容量的實際變化規(guī)律，可以避免在單一設(shè)計水文條件下水環(huán)境容量的浪費或不足問題，從而更加充分有效地利用水環(huán)境容量，實現(xiàn)水環(huán)境容量的總量分配和季節(jié)性利用.