清江恩施城區(qū)段水質(zhì)降解系數(shù)及納污能力研究

周紅英，向春華，尹應(yīng)華，熊 英，趙詩岳

（1. 恩施州水文水資源勘測局，湖北 恩施 445000；2. 湖北省水文水資源應(yīng)急監(jiān)測中心，湖北 武漢 430079）

水是人類賴以生存的不可替代資源，是經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)。恩施市位于清江中上游，是恩施州政治經(jīng)濟(jì)文化中心。近年來，清江恩施市城區(qū)過境河段水質(zhì)持續(xù)較差，兩處污水處理廠是清江恩施城區(qū)河段最大的排污口，另有一些零星散排污水，由水污染而引起的水資源問題，已成為恩施市可持續(xù)發(fā)展的制約因素[1-4]。因此通過對清江城區(qū)段水質(zhì)實(shí)測分析數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算該河段水質(zhì)實(shí)際降解系數(shù)，分析確定清江恩施城區(qū)段的納污能力，為清江恩施市城區(qū)段水環(huán)境保護(hù)和實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理提供可靠的理論依據(jù)和技術(shù)支撐，對恩施生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

1 研究方法、范圍及對象

1.1 研究方法

（1）通過污染源調(diào)查、排污口監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測，了解研究河段主要入河排污口設(shè)置及排污量，確定該河段主要污染因子；

（2）分析研究河段的水文特征、河道特征及其變化情況，確定水文參數(shù)；

（3）選取順直、水流穩(wěn)定、無支流匯入、無入河排污口的河段，監(jiān)測多次污染物濃度值和水流流速，計(jì)算確定此河段的水質(zhì)降解系數(shù)；

（4）在同樣的設(shè)計(jì)水文條件下，采用本次實(shí)測計(jì)算的水質(zhì)降解系數(shù)和湖北省水資源綜合規(guī)劃推薦的水質(zhì)降解系數(shù)分別計(jì)算清江恩施城區(qū)河段的納污能力，比較兩種方法計(jì)算的納污能力結(jié)果，探討清江恩施城區(qū)段流域水污染控制的措施與對策。

圖1 清江恩施城區(qū)河段二級水功能區(qū)劃示意圖

1.2 研究范圍

本次研究河段范圍起于恩施市大龍?zhí)端畮靿蜗?，止于恩施市大沙壩，東經(jīng)109°26′55″～109°29′25″，北緯30°21′21″～30°15′4″，河長16.6 km（見圖1）。該區(qū)域劃分為1 個(gè)一級水功能區(qū)，即清江恩施開發(fā)利用區(qū)，清江恩施開發(fā)利用區(qū)又劃分為3 個(gè)二級水功能區(qū)，即清江恩施飲用水源工業(yè)用水區(qū)、清江恩施排污控制區(qū)、清江恩施過渡區(qū)，水質(zhì)管理目標(biāo)分別為Ⅱ類、Ⅳ類、Ⅲ類。納污能力計(jì)算以水功能區(qū)為單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 研究對象

根據(jù)近兩年污染源調(diào)查、排污口監(jiān)測及河段水質(zhì)監(jiān)測情況，了解到研究河段內(nèi)工業(yè)企業(yè)少，主要入河排污口為污水處理廠排污口和城區(qū)部分未收集完全的分散生活排污口，該河段主要污染因子為NH3-N 和COD，因此本次分別對研究河段內(nèi)NH3-N 和COD 兩個(gè)污染因子的降解系數(shù)和納污能力進(jìn)行分析研究。

2 水質(zhì)斷面布設(shè)及水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

2.1 水質(zhì)斷面布設(shè)

本次研究共設(shè)置22 個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面，包括清江干流14 個(gè)斷面（大龍?zhí)端畮鞛楸尘皵嗝妫褰魇╋嬘盟?、工業(yè)用水區(qū)內(nèi)7 個(gè)斷面，清江恩施排污控制區(qū)內(nèi)3 個(gè)斷面，清江恩施過渡區(qū)內(nèi)3 個(gè)斷面），帶水河、麻園河、鹽水溪、龍洞河、高橋河、巴公溪、蔡家河等7 條入河支流7 個(gè)斷面，入河排污口1 個(gè)斷面（見圖2 和表1）。

圖2 清江恩施城區(qū)段納污能力研究項(xiàng)目監(jiān)測站網(wǎng)示意圖

表1 水質(zhì)監(jiān)測斷面布設(shè)表

2.2 監(jiān)測時(shí)段

監(jiān)測時(shí)間為2017 年10 月到2018 年9 月共12 個(gè)月，每月在22 個(gè)斷面采樣對NH3-N 和COD 兩個(gè)污染因子進(jìn)行檢測，采樣時(shí)同步監(jiān)測流速流量。

2.3 水質(zhì)監(jiān)測評價(jià)結(jié)果

依據(jù)2017 年10 月至2018 年9 月各斷面水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)可知：從21 個(gè)干支流監(jiān)測斷面情況看，14 個(gè)干流斷面連珠大橋上和連珠大橋下斷面水質(zhì)較差，單次水質(zhì)有5 次水質(zhì)為Ⅳ類或劣Ⅴ類水，此兩個(gè)斷面主要受首創(chuàng)污水處理廠入河排污口及超過其處理能力的污水直排口影響，7 條支流中除帶水河外其余6 條支流河口水質(zhì)均較差，均值達(dá)到Ⅲ類以上，蔡家河均值達(dá)到Ⅴ類水，麻園河達(dá)到劣Ⅴ類水，支流水質(zhì)污染源主要為流域范圍內(nèi)生活生產(chǎn)污水。用所監(jiān)測的全部斷面來分析水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況，清江恩施飲用水源、工業(yè)用水區(qū)7 個(gè)水質(zhì)斷面每月NH3-N 均值在0.5mg/L 以內(nèi)，COD 均值小于7 mg/L，綜合類別達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類水質(zhì)；清江恩施排污控制區(qū)內(nèi)3 個(gè)斷面主要污染指標(biāo)NH3-N 月均值有4 次超過1.5mg/L，水功能區(qū)有4 個(gè)月不達(dá)標(biāo)；清江恩施過渡區(qū)內(nèi)3 個(gè)斷面主要污染指標(biāo)NH3-N 月均值有4 次超標(biāo)1.0mg/L，水功能區(qū)有4 個(gè)月不達(dá)標(biāo)。

3 模型選擇與模型參數(shù)確定

3.1 模型選擇

清江恩施城區(qū)段流量受上游大龍?zhí)栋l(fā)電和下泄流量影響，據(jù)恩施水文站多年監(jiān)測資料顯示，枯水期流量一般小于150m3/s，屬于中小型河段，根據(jù)《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》（GB/T25173-2010），該河段納污能力計(jì)算模型宜選擇河流一維模型，納污能力和污染物濃度計(jì)算公式分別如下：

式中M——水域納污能力，t/a；Cs——水質(zhì)目標(biāo)濃度值，mg/L；Cx——流經(jīng)x距離后的污染物濃度，mg/L；Q——初始斷面的入流流量，m3/s；Qp——廢污水排放流量，m3/s；C0——初始斷面的污染物濃度，mg/L；K——污染物綜合衰減系數(shù)，1/s；x——沿河段的縱向距離，m；u——設(shè)計(jì)流量下河道斷面的平均流速，m/s；ΔX——上下斷面之間距離，m；CA——上斷面污染物濃度，mg/L；CB——下斷面污染物濃度，mg/L；

3.2 參數(shù)確定

以COD 和NH3-N 兩個(gè)污染因子作為分析指標(biāo)，本項(xiàng)目研究范圍包括3 個(gè)二級水功能區(qū)，其間清江干流布設(shè)了11 個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面，為消除單次測驗(yàn)的誤差，COD 和NH3-N 的初始濃度（C0）均采用年均值，NH3-N 的初始濃度為0.28mg/L，COD 的初始濃度為3.4mg/L。目標(biāo)值（Cs）采用各水功能區(qū)管理目標(biāo)確定的水質(zhì)類別對應(yīng)污染因子的上限值。清江恩施飲用水源、工業(yè)用水區(qū)水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅱ類，對應(yīng)的NH3-N和COD 限值分別為0.5mg/L 和15mg/L。清江恩施排污控制區(qū)水質(zhì)管理目標(biāo)按水資源管理考核要求的Ⅳ類確定，對應(yīng)的NH3-N 和COD 限值分別為1.5mg/L 和30mg/L。清江恩施過渡區(qū)水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅲ類，對應(yīng)的NH3-N 和COD 限值分別為1.0mg/L 和20mg/L。采用恩施站作為參考站，近10 年最小月平均流量（12.1 m3/s）作為設(shè)計(jì)流量。選取清江干流鹽水溪匯合口下游斷面到恩施站斷面這一順直、水流穩(wěn)定、無支流匯入、無入河排污口的河段，實(shí)測COD 和NH3-N 降解濃度，計(jì)算得出COD 和NH3-N 降解系數(shù)。分段計(jì)算清江恩施城區(qū)河段的納污能力。同時(shí)采用經(jīng)驗(yàn)降解系數(shù)計(jì)算納污能力進(jìn)行比較驗(yàn)證，確定三個(gè)功能區(qū)的納污能力。

3.3 典型斷面流量計(jì)算

干流斷面的流量采用參考站流量用面積比直接縮放，入河支流斷面的流量考慮用降水量修正，入河排污口斷面流量采用實(shí)測值，其中首創(chuàng)污水處理廠目前滿負(fù)荷運(yùn)行，本次研究按設(shè)計(jì)值6 萬m3/d 計(jì)算入河廢污水量。各斷面多年平均流量、近10 年最小月平均流量成果見表2 和表3。

表2 清江干流各斷面流量表

表3 入河支流各斷面流量表

3.4 典型斷面流速確定

本次研究對清江干流的12 個(gè)斷面進(jìn)行了斷面測量，采用水力學(xué)方法推求給定流量下的流速見表4。

表4 設(shè)計(jì)流量時(shí)斷面平均流速

4 降解系數(shù)分析

依據(jù)河段的實(shí)際情況，考慮日常水質(zhì)監(jiān)測成果，本次降解系數(shù)分析選擇清江干流鹽水溪匯合口下游斷面到恩施站斷面這一順直、水流穩(wěn)定、無支流匯入、無入河排污口的河段，斷面進(jìn)行。對兩個(gè)斷面從2017 年10 月至2018 年9 月進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測，選取8 個(gè)有效水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和恩施站斷面已有的流量流速監(jiān)測數(shù)據(jù)，計(jì)算降解系數(shù)K 值結(jié)果見表5 和表6。

表5 NH3-N 降解系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

表6 COD 降解系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

由表5 和表6 可知NH3-N 降解系數(shù)分布在8.06995*10-5到0.0016 之間，COD 降解系數(shù)分布在3.9602*10-5到0.0031 之間，可見由實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算的降解系數(shù)不穩(wěn)定，根據(jù)與推薦降解系數(shù)比較，選取較接近的最小值8.06995*10-5計(jì)算NH3-N 納污能力；分析采用最小值3.9602*10-5計(jì)算COD 納污能力。

5 納污能力計(jì)算

設(shè)置3 個(gè)控制斷面，7 個(gè)分段計(jì)算結(jié)點(diǎn)，清江恩施段納污能力為三個(gè)水功能區(qū)納污能力之和，采用湖北省水資源綜合規(guī)劃推薦降解系數(shù)值（KNH3-N=0.5/d=5.787*10-6/s, KCOD=0.26/d=3.009*10-6/s）和實(shí)測分析降解系數(shù)值計(jì)算各功能區(qū)納污能力結(jié)果見表7。

表7 推薦或?qū)崪y降解系數(shù)下納污能力計(jì)算結(jié)果表

6 結(jié)論

（1）推薦降解系數(shù)情況下清江恩施城區(qū)段COD 納污能力為32349.6t/a，NH3-N 納污能力為350.2 t/a。分水功能區(qū)來看，清江恩施飲用水源、工業(yè)用水區(qū)，清江恩施排污控制區(qū)COD 和NH3-N 均有一定納污能力，但清江恩施過渡區(qū)NH3-N 納污能力為-16.9，說明該水功能區(qū)在出口斷面不能達(dá)到水質(zhì)管理目標(biāo)要求，水功能區(qū)內(nèi)自然降解能力不夠。

實(shí)測分析降解系數(shù)情況下，清江恩施城區(qū)段COD 納污能力為32151.3 t/a，NH3-N 納污能力為493 t/a。分水功能區(qū)來看，清江恩施飲用水源、工業(yè)用水區(qū)，清江恩施排污控制區(qū)，清江恩施過渡區(qū)COD 和NH3-N均有一定納污能力。

（2）根據(jù)以上兩種情況，不論有沒有納污能力或是能否充分降解，均應(yīng)以污染物削減為原則。若入河污染物總量小于河流納污能力，則入河總量可作為其入河控制量。當(dāng)水功能區(qū)入河總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其納污能力時(shí)，污染物削減任務(wù)則重，為有效控制污染物入河量，可根據(jù)實(shí)際情況制定入河污染控制方案，分階段分河段削減污染物，以期達(dá)到水功能區(qū)水質(zhì)管理目標(biāo)。

（3）清江恩施城區(qū)污水處理廠排污河段附近和城區(qū)麻園河、鹽水溪、龍洞河、高橋河、巴公溪、蔡家河支流河口水質(zhì)較差，主要污染物COD、NH3-N 均受清江恩施城區(qū)段入河排污口及支流水質(zhì)的影響，應(yīng)盡快完善污水收集管網(wǎng)，加大污水收集率，提高污水處理率，提高污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，降低污染物排放濃度，有效解決恩施市城區(qū)清江水質(zhì)持續(xù)較差的狀況，改善市區(qū)生活環(huán)境，建設(shè)美麗河流，提高人民群眾的生活幸福指數(shù)。