安陽河動態(tài)納污能力分析

耿文斌 趙姍 侯俊山 閆壽松 李曉峰 朱文舉

摘 要：在不同保證率和不同時間尺度的設(shè)計水文條件下，動態(tài)計算出安陽河市區(qū)段2016年水體納污能力和年內(nèi)分配，并對計算結(jié)果進行了對比分析，結(jié)果表明：安陽河市區(qū)段整體處于污染狀態(tài)，3個水功能區(qū)中僅安陽河安陽市排污控制區(qū)污染物排放不超標，其余水功能區(qū)COD和NH3-N排放量均超過納污能力上限，且NH3-N超標情況更為嚴重;安陽河市區(qū)段汛期月均納污能力與非汛期月均納污能力相差較小;安陽河市區(qū)段納污能力1—5月整體呈下降趨勢，5—7月呈逐漸上升趨勢，至8月納污能力達到最大，隨后又呈現(xiàn)波動下降趨勢，5月為全年最小;納污能力的大小與時間尺度成負相關(guān)關(guān)系，不同時間尺度下確定的年納污能力月尺度>水期尺度>年尺度。

關(guān)鍵詞：納污能力;保證率;時間尺度;安陽河

中圖分類號：X522;TV212.5 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.021

引用格式：耿文斌，趙姍，侯俊山，等.安陽河動態(tài)納污能力分析[J].人民黃河，2021，43（7）：110-113.

Abstract：Under the designed hydrological conditions of different guarantee rates and different time scales， the paper dynamically calculated the sewage capacity and annual distribution of the urban section of Anyang River in 2016. The calculation results were comparatively analyzed. The results show that the pollutant discharge in Anyang sewage control area is not exceeding the standard， the COD and NH3-N discharge of other water function areas exceed the upper limit of the capacity and the NH3-N is more serious. The monthly average water environmental capacity of the river in flood season is smaller than that in non-flood season， the water environmental capacity of the river in July to October is larger， the water environmental capacity of August is the maximum in the whole year and the water environmental capacity of November to May is gradually reduced， in May， the water environmental capacity is the lowest in the whole year. There is a negative correlation between the size of the capacity and the time scale and the annual capacity is the monthly scale > the water scale > the annual scale.

Key words： water environmental capacity; guarantee rate; time scale; Anyang River

納污能力是指一定條件下水體的最大納污量[1-2]。納污能力是制定污染物限排量的重要依據(jù)，能直接反映水體的水質(zhì)狀況[3-4]。目前我國納污能力大多按照《水域納污能力計算規(guī)程》（GB/T 25173—2010）計算，其中設(shè)計水文條件選取90%保證率最枯月平均流量或近10 a最枯月平均流量，這種條件下得到的納污能力為一固定值，且設(shè)計水文條件較為嚴格，以此作為標準應(yīng)用于水資源管理和保護必然安全[5]。但實際納污能力與水文過程關(guān)系密切，水文過程在自然條件下是動態(tài)變化的，納污能力也是一個動態(tài)變化的量[6-7]。將一個確定的值作為控制指標難以揭示水體的實際污染負荷，不利于保護和改善水質(zhì)，也不利于水資源的合理開發(fā)利用，因此開展水體動態(tài)納污能力評價很有必要[8]。

我國對動態(tài)納污能力的研究眾多，但多以不同保證率、不同水文條件來計算水體動態(tài)納污能力。李喬臻[9]以95%、90%、75%、50%、20%保證率下的流量為設(shè)計流量，選取不同來水水質(zhì)分析了琶江河段3個水功能區(qū)的納污能力;周洋等[10]運用一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型和水環(huán)境容量模型，根據(jù)水質(zhì)、水文監(jiān)測資料和沿岸排污情況，計算了渭河陜西段豐水年、平水年、枯水年COD的水環(huán)境容量。這些研究都只分析了不同保證率下年納污能力的動態(tài)變化特征，并未結(jié)合年內(nèi)水文特性進行分析，只能確定水功能區(qū)全年的污染物限排量，年內(nèi)的污染物限排量分配仍不清晰，以此為水資源管理的依據(jù)會出現(xiàn)全年污染物排放量不超標，但某些月份因污染物排放量過多而造成水功能區(qū)水質(zhì)變差的現(xiàn)象。筆者基于安陽水文站48 a（1969—2016年）長系列資料，在不同保證率條件下，根據(jù)不同時間尺度確定設(shè)計水文條件，以COD和NH3-N為控制因子，建立河流一維水質(zhì)模型[11-13]，計算2016年安陽河市區(qū)段年、水期和月納污能力，以期為安陽河確定污染物限排總量、年內(nèi)污染物限排量分配提供數(shù)據(jù)支撐，為安陽河管理與保護提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

安陽河是海河流域漳衛(wèi)南運河水系的第二大支流，發(fā)源于林州市清泉寺，自西向東流經(jīng)林州市、安陽縣、安陽市區(qū)、內(nèi)黃縣（見圖1），在內(nèi)黃縣李大晁入衛(wèi)河，全長約164 km，流域面積1 920 km2。上游穿過林州盆地后，在橫水鎮(zhèn)附近進入山區(qū)，于彰武水庫以下進入平原。干流上建有彰武水庫和小南海水庫。安陽河的主要補給水源包括巖溶泉水（泉主要有小南海泉和珍珠泉，泉域面積935 km2）和大氣降水，據(jù)安陽水文站多年觀測資料統(tǒng)計，最大流量可達2 060 m3/s（1982年8月2日），最小流量為0.29 m3/s（1982年7月8日），多年平均流量為10.73 m3/s[14]。

安陽河市區(qū)段共包括3個二級水功能區(qū)，分別為安陽河彰武水庫飲用水源區(qū)、安陽河安陽縣蔣村用水區(qū)和安陽河安陽市排污控制區(qū)，總長約49.1 km，水質(zhì)目標分別為Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類。

2 納污能力計算模型

2.1 計算模型

本次計算單元為彰武水庫大壩至入衛(wèi)河口，共包含3個水功能區(qū)，計算單元示意見圖2。

安陽河總體上具有流速小、河道寬、水淺等特點，主要河道寬深比小，入河污染物在較短河段內(nèi)混合均勻，污染物橫向變化不大。因此，可采用概化一維水質(zhì)模型進行納污能力計算，計算公式如下：

M=31.536（QP+Q）（CseKx86.4u-C0e-KL86.4u）（1）

式中：M為水功能區(qū)納污能力，t/a;Q為水功能區(qū)設(shè)計流量，m3/s;QP為廢污水排放量，m3/s;Cs為水功能區(qū)水質(zhì)控制目標質(zhì)量濃度，mg/L;C0為水功能區(qū)初始斷面質(zhì)量濃度，mg/L;K為污染物綜合衰減系數(shù)，1/d;x為概化點距控制斷面的距離，m;L為水功能區(qū)長度，km;u為設(shè)計流量下斷面平均流速，m/s。

根據(jù)研究區(qū)排污口分布以及資料掌握情況[15]，將各個水功能區(qū)內(nèi)多個排污口概化為一個集中排污口，且集中排污口位于河段中點處，因此納污能力計算公式改為

M=31.536（QP+Q）（CseKL2×86.4u-C0e-KL86.4u）（2）

2.2 模型參數(shù)

2.2.1 設(shè)計水文條件的確定

水體納污能力動態(tài)變化受多因素共同影響，而設(shè)計水文條件是納污能力計算的重要前提，對計算結(jié)果影響較大?；诎碴査恼径嗄瓯O(jiān)測數(shù)據(jù)，分別確定不同時間尺度和不同保證率下的設(shè)計水文條件，并對納污能力的變化特征進行分析。

（1）基于年尺度的設(shè)計水文條件的確定。選取系列資料中逐年最枯月平均流量，采用P-Ⅲ型曲線參數(shù)估計法繪制最佳經(jīng)驗頻率曲線，確定50%、75%、90%保證率下的設(shè)計流量分別為2.94、1.76、1.03 m3/s，根據(jù)河道大斷面狀況分析得到對應(yīng)的設(shè)計流速。

（2）基于水期尺度的設(shè)計水文條件的確定。將年內(nèi)月份分為汛期（6—10月）和非汛期（11月至翌年5月），選取逐年汛期和非汛期內(nèi)的最枯月平均流量，采用P-Ⅲ型曲線參數(shù)估計法，分別繪制汛期和非汛期的最佳經(jīng)驗頻率曲線，確定75%保證率下的設(shè)計流量分別為2.06、1.88 m3/s，90%保證率下的分別為1.16、1.07 m3/s，并根據(jù)河道大斷面狀況分析得到對應(yīng)的設(shè)計流速。

（3）基于月尺度的設(shè)計水文條件的確定。選取逐年各月平均流量，采用P-Ⅲ型曲線參數(shù)估計法分別繪制1—12月的最佳經(jīng)驗頻率曲線，確定90%保證率下1—12月的設(shè)計流量分別為2.13、2.08、1.88、1.52、1.37、1.48、1.98、2.46、2.24、2.33、2.16、2.12 m3/s，再根據(jù)河道大斷面狀況分析得到對應(yīng)的設(shè)計流速。

根據(jù)經(jīng)驗頻率曲線分析結(jié)果可知，相同保證率下，時間尺度越小，對應(yīng)的設(shè)計流量越大。主要原因是設(shè)計水文條件的確定方法不同，年尺度下選擇逐年最枯月平均流量進行計算，水期尺度則分別選擇逐年汛期最枯月平均流量和非汛期最枯月平均流量進行計算，而安陽河屬于常年河，枯水年和平水年沒有明顯的汛期特征，甚至個別年份汛期內(nèi)月平均流量小于非汛期內(nèi)月平均流量，因此汛期和非汛期確定的設(shè)計流量更大。月尺度分別選擇對應(yīng)的月平均流量作為系列值進行分析，確定的設(shè)計流量更大。

2.2.2 水質(zhì)濃度及綜合衰減系數(shù)的確定

水功能區(qū)初始斷面質(zhì)量濃度C0采用實測數(shù)據(jù);水功能區(qū)水質(zhì)目標質(zhì)量濃度Cs以水質(zhì)類別為控制指標。根據(jù)《全國地表水環(huán)境容量核定技術(shù)復核要點》中提供的河道水質(zhì)綜合衰減系數(shù)參考值，結(jié)合各水功能區(qū)優(yōu)劣狀況和水文特征選取綜合衰減系數(shù)。由經(jīng)驗法，COD的綜合衰減系數(shù)計算公式為

K=0.05+0.68u（3）

式中：u為設(shè)計流速。

NH3-N的綜合衰減系數(shù)計算公式為

K=0.061+0.551u（4）

2.3 數(shù)據(jù)來源

安陽河水文數(shù)據(jù)來源于安陽水文站長系列監(jiān)測數(shù)據(jù);污染物排放數(shù)據(jù)來源于安陽市水利局和安陽水文水資源勘測局共同出版的《安陽市入河排污口監(jiān)測報告》，水功能區(qū)污染物入河量統(tǒng)計見表1。

3 納污能力計算分析

3.1 年尺度納污能力計算分析

安陽河市區(qū)段年尺度納污能力計算結(jié)果見表2，由表2可以看出，安陽河市區(qū)段3個水功能區(qū)中安陽河安陽市排污控制區(qū)納污能力最大，安陽河彰武水庫飲用水源區(qū)納污能力最小;當上游來水水質(zhì)優(yōu)于水功能區(qū)水質(zhì)目標，其他因素一定時，納污能力與保證率的大小成負相關(guān)關(guān)系，即納污能力隨保證率的增大而變小。

3.2 水期尺度納污能力計算分析

安陽河市區(qū)段水期尺度納污能力計算結(jié)果見表3，由表3可以看出，安陽河市區(qū)段汛期月均納污能力與非汛期月均納污能力相差較小。主要原因是安陽河為常年河，在豐水年，徑流量較為集中，主要集中在6—10月，占年徑流量的60%～80%，平水年、枯水年年內(nèi)徑流分配較為均勻，汛期特征不明顯，特枯水年基本無明顯的汛期特征，且汛期安陽河上游進行灌溉、水庫蓄水等，導致汛期月均流量與非汛期月均流量相差較小。

3.3 月尺度納污能力計算分析

安陽河市區(qū)段月尺度納污能力計算結(jié)果見表4，安陽河市區(qū)段COD和NH3-N年納污能力分別為1 393.4 t和91.5 t。由表4可知，安陽河市區(qū)段逐月納污能力呈波動變化趨勢，并未與流量季節(jié)變化保持完全一致，說明安陽河納污能力不僅受自然水文條件的影響，還受到人類活動的影響，且人類活動對納污能力的影響較大，如6月為汛期，但受人類活動影響（上游灌溉、水庫蓄水等），其納污能力較5月增大不明顯。安陽河市區(qū)段納污能力1—5月整體呈下降趨勢，5—7月呈逐漸上升趨勢，至8月納污能力達到最大，隨后又呈現(xiàn)波動下降趨勢。

3.4 綜合對比分析

由不同尺度（年、水期、月）納污能力的對比分析可知，納污能力與時間尺度成負相關(guān)關(guān)系，不同時間尺度下確定的年納污能力月尺度>水期尺度>年尺度。

主要原因是，年尺度納污能力計算分析時考慮多年的不利水文條件，以此為全年的水文條件進行納污能力計算，這種計算方法雖然對水環(huán)境的改善有促進效果，但計算尺度較大，確定的設(shè)計水文條件不具備代表性，水體水質(zhì)狀況大多數(shù)時段優(yōu)于設(shè)計水文條件，確定的年納污能力較小。隨著計算尺度的減小，設(shè)計水文條件以水期、月為尺度確定，更接近水體實際情況，計算得到的納污能力更接近水體污染承載力。

由確定的納污能力與年污染物入河量進行對比分析，安陽河市區(qū)段整體處于污染狀態(tài)，3個水功能區(qū)僅安陽河安陽市排污控制區(qū)污染物排放不超標，其余水功能區(qū)COD和NH3-N排放量均超過納污能力上限，且NH3-N超標更嚴重。主要原因是，水域周圍農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及養(yǎng)殖活動較多，廢水未經(jīng)處理直接排入河道，因此研究區(qū)在控制污染物排放時，對NH3-N排放的限制應(yīng)更嚴格。

4 結(jié) 語

納污能力與水體水文過程關(guān)系密切，是一個動態(tài)變化的量，筆者在不同保證率和不同時間尺度下對安陽河市區(qū)段動態(tài)納污能力進行了計算，分析了不同保證率和不同時間尺度對納污能力的影響?？紤]保證率和時間尺度的變化，可以使納污能力的計算結(jié)果與水體實際狀況更相符。目前水功能區(qū)存在監(jiān)測時間間隔過長的問題，且以特定的監(jiān)測點水質(zhì)分析結(jié)果來判斷整個水功能區(qū)的水質(zhì)狀況，存在極大的偶然性，因此建議以污染物排放量與納污能力比值判斷水功能區(qū)是否達標，并分別從月、水期和年尺度進行納污能力考核，以避免傳統(tǒng)考核模式存在的偶然性問題。本文僅進行了年、水期和月尺度的納污能力動態(tài)分析，今后可考慮更小時間尺度（日、時）的計算，以了解水體的實際狀況，及時對水資源管控做出調(diào)整，提高水功能區(qū)納污能力。

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【責任編輯 呂艷梅】