基于河流一維數(shù)學(xué)模型對地表水功能區(qū)納污能力核定和限排總量的研究

丁麗英 高俊蓮

（晉中市水文水資源勘測站 山西晉中030600）

0 引言

晉中市[1]境內(nèi)河流眾多，分屬兩大流域、三大水系。本文是在對地表水功能區(qū)中開發(fā)利用區(qū)內(nèi)污染較為嚴(yán)重的16 個重要水功能區(qū)的20 個監(jiān)測斷面進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，選擇河流一維數(shù)學(xué)模型法，核定水功能區(qū)納污能力，并依據(jù)晉中市水功能區(qū)達(dá)標(biāo)目標(biāo)分解方案和2016年“水十條”確定的水質(zhì)控制目標(biāo)，制定重要水功能區(qū)限排總量控制及削減方案。

1 水功能區(qū)納污能力核定

1.1 計算納污能力模型的確定

據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》[2]相關(guān)規(guī)定，寬深比不大的中小河流，污染物質(zhì)在較短的河段內(nèi)，基本能在斷面內(nèi)均勻混合，斷面污染物濃度橫向變化不大，且Q<150 m3/s 的中小河段，可采用一維模型計算納污能力。因此本次納污能力計算選用一維數(shù)學(xué)模型。公式為：

式中：W——水功能區(qū)納污能力，t/a；

Q——水功能區(qū)設(shè)計流量，m3/s；

q——水功能區(qū)入河污水量，m3/s；

Cs——水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，mg/L；

C0——水功能區(qū)上斷面污染物濃度，mg/L；

k——污染物綜合衰減系數(shù)，1/d；

L——水功能區(qū)上斷面到下斷面的距離，km；

Li——簡化后排污口到下斷面的距離，km；

v——水功能區(qū)設(shè)計流量下的河段平均流速，m/s。

污染源的簡化：對一個納污能力計算單元而言，其入河排污口分布千差萬別。為簡化因排污口分布所帶來的納污能力計算得復(fù)雜性，將排污口在功能區(qū)上的分布加以簡化。如果計算單元內(nèi)只含有一個排污口，則上式中Li即為該排污口至下計算斷面的距離；如果具有多個排污口，但分布相對較集中，可將其簡化為一個排污口進(jìn)行計算，此時Li為兩個相對最遠(yuǎn)排污口距離的中點至下計算斷面的距離；若多個排污口分布比較分散，在納污能力計算時將排污口簡化為功能區(qū)中斷面排污，據(jù)此排污分布推算納污能力。

當(dāng)入河排污口概化為位于計算河段的中部，納污能力計算公式如下：

1.2 納污能力設(shè)計條件的確定

依據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，結(jié)合晉中市各河流水文條件、水環(huán)境現(xiàn)狀以及社會發(fā)展需求，確定主要參數(shù)設(shè)計條件。

1.2.1 污染物的確定

根據(jù)污染物確定原則及《山西省主要河流水環(huán)境承載能力及限制排污總量研究技術(shù)細(xì)則》，結(jié)合晉中市河流實際情況，納污能力分析計算統(tǒng)一采用COD和氨氮作為污染物控制指標(biāo)。

1.2.2 設(shè)計流量的確定

設(shè)計流量對納污能力計算結(jié)果影響較大，為反映水文年際周期變化和其中長期發(fā)展趨勢，本次流量資料系列取90%保證率最枯月平均流量或10～30年最枯月平均流量作為設(shè)計流量。受資料觀測年限的條件限制，對資料系列資料較短的斷面可用水文比擬或插補(bǔ)延長的方法，并結(jié)合實測流量資料進(jìn)行分析，確定設(shè)計流量。

1.2.3 設(shè)計流速的確定

1）對有實測流量流速資料的斷面，可用利用水文站斷面及流量資料，根據(jù)公式V=Q/A 計算設(shè)計流速，式中：V 為設(shè)計流速，m/s；Q 為設(shè)計流量，m3/s；A 為過水?dāng)嗝婷娣e，m2。

2）在上下游均無水文資料且斷面特征無法比照時，利用DEM 數(shù)字高程模型生成控制斷面的大斷面圖，提取功能區(qū)河段比降，根據(jù)設(shè)計流量，選用合適的糙率，運用曼寧公式推求控制斷面的設(shè)計流速。

1.2.4 綜合衰減系數(shù)k 的取值

根據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》，綜合衰減系數(shù)k的確定采用分析借用法，并與已有相關(guān)區(qū)域納污能力計算成果對照核定。按照保證經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，從嚴(yán)核定水域納污能力的原則，參照表1 綜合衰減系數(shù)取值范圍，確定監(jiān)測斷面COD、氨氮的綜合衰減系數(shù)。

根據(jù)以上計算原則可以得到各監(jiān)測斷面90%保證率下的斷面設(shè)計流量和平均流速，結(jié)果見表1 所示。

表1 水功能區(qū)納污計算k 值取值范圍

1.2.5 初始濃度值Co和目標(biāo)水質(zhì)濃度Cs 的確定

下游功能區(qū)的初始濃度值Co 是依據(jù)上游水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)值來確定；目標(biāo)水質(zhì)濃度值Cs 需結(jié)合實際情況，兼顧上下游水資源開發(fā)程度，在其水質(zhì)控制目標(biāo)范圍內(nèi)作一定調(diào)整。水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）。

1.3 參數(shù)設(shè)計合理性分析

某個斷面納污能力的大小直接關(guān)系該河段限排總量控制及削減方案的制定。納污能力的大小不僅與流量、流速、河寬、水深、泥沙含量等因素有關(guān)[3]，還與河道污染程度也有關(guān)，同時還受氣候季節(jié)溫度等因素影響，為此，設(shè)計成果的合理性分析顯得尤為重要。分析如下：

1）水文要素合理性分析

對于全國重點、省重點監(jiān)測斷面采用的設(shè)計流量、流速，均是按《河流流量測驗規(guī)范》（SL50179-2015）和《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）的規(guī)定進(jìn)行了水文測驗、資料整編和數(shù)據(jù)合理性分析，具有代表性、一致性和可靠性。但對于個別市重點監(jiān)測斷面而言，資料系列短，設(shè)計流量、流速可通過水文比擬法，同時結(jié)合近幾年實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，最終得出較為客觀、合理的數(shù)據(jù)。如郝村斷面，位于蘆家莊下游30 km，通過上下游降雨徑流關(guān)系分析，90%保證率條件下，流量為0.35 m3/s，近幾年實測最枯流量為0.29 m3/s，為保證分析結(jié)果能滿足最不利條件下的納污量，最終選取流量0.29 m3/s，相應(yīng)流速0.07 m/s，其余類推。

2）污染物入河量合理性分析

主要對廢污水入河量和主要污染物異常值進(jìn)行復(fù)核，確保監(jiān)測結(jié)果合理。廢污水入河量分析主要通過污水處理廠上游的工業(yè)、城鎮(zhèn)生活和三產(chǎn)供、用、耗、排做典型分析，結(jié)果顯示：污水處理廠廢污水收集率在67%～80%，而污水入河率為35%～75%。廢污水入河率小主要是為節(jié)約水資源，減少新鮮水量，一些對水質(zhì)要求不高的工礦企業(yè)和農(nóng)田灌溉充分利用污水處理廠的回用水，從而減少了入河排污量，污水排放率和入河率符合當(dāng)?shù)毓I(yè)和城鎮(zhèn)生活排放規(guī)律及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平，廢污水入河量合理。

而主要污染物異常值表現(xiàn)典型的是山西新和太明化工有限公司和平遙峰巖煤焦排污口，監(jiān)測主要污染物COD 含量分別為1 360 mg/L、585 mg/L，NH3-N含量分別為162 mg/L、70.5 mg/L，為晉中之最。依據(jù)不同單位多次取樣化驗，對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比對、分析，結(jié)果總體一致，確保主要污染物監(jiān)測結(jié)果合理。

3）綜合衰減系數(shù)的合理性檢查分析

當(dāng)設(shè)計流量、流速及廢污水入河量確定之后，那么對納污能力影響最大的因素就是綜合衰減系數(shù)，該因素合理性檢查是綜合分析過程，主要考慮分析計算結(jié)果與斷面現(xiàn)狀水質(zhì)和入河排污量監(jiān)測結(jié)果是否相符，不相符的應(yīng)分析原因。如汾河沿線西建安、北鹽場、洪相園則等監(jiān)測斷面，為劣V 類水質(zhì)，目標(biāo)水質(zhì)為V 類，納污能力計算結(jié)果是不需要污染物削減，與現(xiàn)狀水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果矛盾。通過調(diào)查分析，區(qū)間廢污水排放量極少，出現(xiàn)水質(zhì)差的原因主要是由于上游斷面來水污染嚴(yán)重所致，類似斷面達(dá)標(biāo)的前提是上游斷面必須先行達(dá)標(biāo)。通過斷面資料逐一分析，最終確定COD綜合衰減系數(shù)0.20～0.35 d-1之間，氨氮的綜合衰減系數(shù)為0.15～0.24 d-1之間。

通過以上綜合分析，認(rèn)為設(shè)計條件下各斷面參數(shù)選取合理。見表2。

表2 監(jiān)測斷面90%保證率設(shè)計流量、流速及衰減系數(shù)

1.4 納污能力核定成果

綜上，分析成果與歷史各流域納污能力相關(guān)分析成果相對比，最終核定全市重點水功能區(qū)COD W納=7 814 t/a、氨氮W納=329 t/a，分別占全市W納的86.2%、83.6%。重點水功能區(qū)監(jiān)測斷面納污能力見表4。

2 分階段限排總量控制及削減方案

分階段限排總量Q排是指，在一年內(nèi)，允許污染物進(jìn)入水功能區(qū)的最大數(shù)量。計算Q排需根據(jù)水功能區(qū)的納污能力W納和實際污染物入河量Q入，綜合考慮水功能區(qū)水質(zhì)狀況、當(dāng)?shù)丶夹g(shù)經(jīng)濟(jì)條件和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平。入河污染物削減量Q消以現(xiàn)狀年污染物入河量Q入為基礎(chǔ)進(jìn)行分析計算，當(dāng)河段污染物Q入

式中：Q入——入河污廢水總量，t/a；

q——實測入河污廢水流量，m3/s；

c——實測污染物濃度，mg/L；

t——污廢水排放天數(shù)，d。

此外，定義α 為分階段消減系數(shù)取值范圍，60%～100%。

水功能區(qū)限制排污總量Q排，是在水域納污能力W納的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有成果、區(qū)域經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平、河流水資源配置等因素，嚴(yán)格控制入河排污總量Q入，對于有、無污染物入河量資料兩種情況分別采用以下指定原則。如下表3。

根據(jù)功能區(qū)是否達(dá)標(biāo)、河段污染程度以及水功能區(qū)的控制目標(biāo)，對各監(jiān)測斷面限排總量Q排及削減量Q消進(jìn)行分析研究，其中：馬首、南政、南姚、義棠、道美橋、前龍鳳垴6 個斷面污染物需要分階段削減，α 值選取是綜合考慮水功能區(qū)現(xiàn)狀水質(zhì)、現(xiàn)狀污染物入河量、污染物削減程度、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，污染治理程度及其下游水功能區(qū)的敏感性等因素，按照從嚴(yán)控制、未來有所改善的要求，確定水功能區(qū)各階段限制排污總量Q排。南六門、三壩、龍鳳入河口、兩渡、靈石、蔡家莊、蛤蟆灘7 個斷面2018 水平年削減，其余不需要削減，詳見表3、表4。

表3 重要水功能區(qū)監(jiān)測斷面分階段限排總量控制和削減方案研究

表4 重要水功能區(qū)監(jiān)測斷面分階段限排總量控制及削減方案

1）2018 水平年

2018年重點水功能區(qū)監(jiān)測斷面COD Q排=8 887 t/a、氨氮Q排=815 t/a，分別占全市2018年Q排的69.2%、58.3%；COD Q消=4 840 t/a、氨氮Q消=925 t/a，分別占全市2018年Q消的81.9%、75.1%。Q消最大的監(jiān)測斷面位于太谷烏馬河南六門。

2）2020 水平年

2020年重點水功能區(qū)監(jiān)測斷面COD Q排=6 624 t/a、氨氮Q排=297 t/a，分別占全市2020年COD 和氨氮Q排的73.9%、70.7%；COD Q消=2 264 t/a、氨氮Q消=518 t/a，覆蓋了全市的削減量。Q消最大的監(jiān)測斷面位于平遙惠濟(jì)河南政。按方案削減后，水功能區(qū)可望實現(xiàn)達(dá)標(biāo)率控制目標(biāo)。

3 主要結(jié)論與建議

1）重要水功能區(qū)監(jiān)測斷面現(xiàn)狀達(dá)標(biāo)率低，排污口分布密集。所制定的限排削減方案與功能區(qū)現(xiàn)狀水質(zhì)相吻合，即水質(zhì)差的斷面，入河排污量大，需要削減的污染物也多，因此從根本上看，對水功能區(qū)污染物實現(xiàn)總量控制最終有賴于污染源治理成效。

2）對于汾河沿線，污染源性質(zhì)和途徑復(fù)雜，存在跨縣區(qū)、跨流域污水排放情形，部分?jǐn)嗝嫠|(zhì)能否達(dá)標(biāo)主要取決于上游市（縣）污染物控制力度，因此，從源頭上控制水功能區(qū)污染物入河量，是下游河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提條件和外在基礎(chǔ)。

3）納污能力和限排總量的大小與設(shè)計參數(shù)關(guān)系密切，流量大、流速小、排污多、衰減系數(shù)大的斷面，其納污能力和限排總量相對較大。

4）削減方案與現(xiàn)狀污染物濃度及水功能區(qū)的目標(biāo)值有關(guān)，現(xiàn)狀污染物濃度相近的斷面，水質(zhì)目標(biāo)級別越高削減量越大，而對于水質(zhì)目標(biāo)相同的斷面，現(xiàn)狀污染物濃度大削減量越多。

5）河流水質(zhì)受工業(yè)布局、城鎮(zhèn)化建設(shè)、水資源開發(fā)等因素影響在時空上呈動態(tài)變化趨勢，建議將納污能力的分析和限排削減方案的制定列入日常工作中，做到隨監(jiān)測、隨分析，逐步摸索出控制污染物排放總量相關(guān)聯(lián)的動態(tài)規(guī)律，并以此指導(dǎo)實踐中控制方案的應(yīng)用。