山西汾河复流前后水环境承载能力分析

张泽宇,梁存峰

(1.太原理工大学水利科学与工程学院,山西太原 030024;2.晋中水文水资源勘测分局, 山西晋中 030600)

汾河一直是山西省经济发展的重要资源保障之一。随着经济的发展,迅速增长的工农业生产和城市生活取水量使得大部分汾河水量被引用消耗,河道实际流量迅速减少。据统计,汾河流域1980—2000 年平均地表水利用消耗率为64.8%,同期平均汇入黄河的水量为58 471 万m3。根据水文站历年观测资料分析,汾河水库以上各监测断面未有河干和断流现象出现,汾河水库以下各站除赵城、河津两站外均不同程度出现河干和断流现象,其中断流最严重的汾河二坝站平均断流138 d/a,义棠站平均断流100 d/a[1]。大量未经处理达标的污水直接排入河道,使汾河干流水质远低于山西省水功能区划规定的水质目标。2008年山西省政府提出再现“汾河流水哗啦啦”和汾河水生态明显改善的目标,在汾河上中游和下游分别建设了万家寨引黄入晋工程南干线和临汾马房沟引沁入汾工程两个大型调水工程。引黄入晋工程南干线向汾河引水3.2 亿m3/a,临汾马房沟引沁入汾工程设计引水量5 902 万m3,除满足生产、生活用水外,用于维持汾河生态需水,保证汾河不断流。污染治理是清水复流工程的一个重要方面。笔者重点针对功能区水质目标,根据1956—2006 年系列不同水文条件分析计算汾河复流前后的纳污能力,旨在为汾河清水复流后水环境的综合治理提供参考依据。

1 复流前水功能区达标状况

根据《山西省水功能区划》, 汾河干流总长693.8 km,共划分5 个一级水功能区：静乐源头保护区、静乐娄烦开发利用区、古交保留区、太原运城开发利用区和河津缓冲区。在开发利用区内又划分了20 个二级水功能区,具体见表1。

表1 汾河复流前水功能区纳污能力

汾河干流有入河排污口110 处(包括入汾支流口15 处),其中入河废污水量小于300 万m3/a 的排污口81 处,300 万～500 万m3/a 的排污口8 处,大于500 万m3/a 的排污口21 处,废污水入河量达33 654万m3/a,COD 入河量达49 843 t/a,NH3-N 入河量达9 015 t/a。在不同水功能区上,污废水排放主要集中在排污控制区, 其污废水年排放量达17 413万m3/a,COD 入河量达31 326 t/a,NH3-N 入河量达6 858 t/a。

根据2006 年汾河水功能区水质监测资料,汾河干流23 个功能区中,水质达到Ⅱ类的功能区为1 个;达到Ⅲ类的为1 个;达到Ⅳ类的2 个;达到劣Ⅴ类的19个,占汾河水功能区总数的82.6%。对照水功能区水质目标,仅3 个功能区水质达标,达标率仅为13%。

2 纳污能力计算与分析方法

纳污能力计算的重点区是水功能区的开发利用区(饮用水源区除外),对于需要改善水质的保留区和缓冲区,也同时计算其纳污能力。根据各二级水功能区的设计条件和水质目标,以各水功能区为计算单元,自上而下逐段进行水域纳污能力计算。

2.1 选用模型

根据污染物在各河段横断面上均匀混合的特点,采用河流一维模型[2-4]：

式中：W 为水功能区纳污能力,t/a;Q 为水功能区设计流量,m3/s;q 为水功能区入河污水量,m3/s;ρs 为水功能区水质目标,mg/L;ρ0为水功能区上断面污染物质量浓度,mg/L;k 为污染物综合降解系数,d-1;x 为水功能区上断面到下断面的距离,km;x1为简化后排污口到下计算断面的距离,km;u 为水功能区设计流量下的河段平均流速,m/s。

2.2 水功能区水质目标的确定

水功能区水质目标按照《山西省水功能区划》规定的水质目标对照相应标准予以确定。以COD、NH3-N 为主要污染控制指标。

2.3 水功能区设计流量和流速的确定

①设计流量。汾河复流前,有水文站的水功能区,设计流量采用1956—2006 年系列实测资料进行分析计算。无水文资料的河段,设计流量按以下原则确定：距水文站较近,区间无较大支流加入或大的取水口,直接借用邻近水文站的资料推求设计流量;距水文站较远,区间有较大支流加入或大的取水口,通过水量平衡计算,确定设计流量。汾河复流后,各控制站设计流量采用“汾河清水复流工程水量调度方案”中的相应资料确定。 ②设计流速。有水文资料的根据水文站断面水位流速关系确定;无水文资料的,采用曼宁公式[5]计算。

2.4 综合降解系数的确定

综合降解系数根据汾河实测资料确定,COD 的k 值取值范围在0.20 ～0.48d-1,平均为0.34d-1;NH3-N 的k 值取值范围在0.12 ～0.32d-1,平均为0.22d-1[6]。

3 纳污能力分析

3.1 复流前不同水量条件下纳污能力

根据SL 348—2006《水域纳污能力计算规程》,采用90%保证率最枯月平均流量对汾河复流前即汾河未实施引黄、引沁输水前的纳污能力进行分析计算。经计算,复流前COD 和NH3-N 的纳污能力分别为21 687 t/a 和975 t/a,其中开发利用区纳污能力分别为20 875 t/a 和941 t/a,占各功能区纳污能力总和的96.3%和96%(表1)。

为反映汾河在不同水量条件下的纳污能力,结合北方季节性河流的特点,选取不同保证率(20%、50%、75%及95%)枯季(10 月至翌年5 月)平均流量进行纳污能力的分析计算(表2)。结果显示：在不同保证率来水条件下,COD 的平均纳污能力由95%保证率来水条件下的29 495 t/a,增大到20%保证率来水条件下的85 375 t/a,增加了1.89 倍;NH3-N 平均纳污能力由95%保证率来水条件下的1 343 t/a,增大到20%保证率来水条件下的3 054 t/a,增加了1.27 倍。

偏枯水年、枯水年枯季(75%、95%保证率来水条件)全河COD、NH3-N 总纳污能力小于现状污染物入河量,也即在偏枯水年、枯水年现状污染物入河量大于汾河本身的水环境承载能力。平水年(保证率50%来水条件)全河COD 纳污能力总体上大于现状污染物入河量,但太原、介休、霍州、稷山等区县污染物现状入河量仍大于其纳污能力,表明上述城市附近河段污染物入河量已超过其水环境承载能力。偏丰水年(20%保证率来水条件)全河总纳污能力远大于现状污染物入河量,但就局部河段如太原市区、介休等区县所在河段而言,其纳污能力仍小于现状入河量,尤其是太原市现状入河量为其纳污能力的1.6 倍。

3.2 复流后纳污能力

汾河复流后各控制站设计流量采用山西省水利厅编制的《汾河清水复流工程水量调度方案》中相应资料。复流后各控制断面设计流量平均较复流前增大0.5 m3/s 左右。汾河入黄口设计流量由复流前的0.12 m3/s 增加为复流后的1.34 m3/s。经计算,复流后COD 和NH3-N 的纳污能力分别为30 275 t/a和1 283 t/a(表3)。

表2 复流前不同水量条件下水功能区纳污能力 t/a

表3 汾河复流后水功能区纳污能力 t/a

4 污染物总量控制方案

4.1 限排总量

考虑汾河中下游水质已遭受严重污染的实际,本次限制排污总量的原则是流域内各行政区排放的主要污染物总量不再增加,具体计算方法为：若功能区现状入河量小于或等于该功能区允许纳污量,则将该目标控制总量视为功能区入河污染物控制总量;反之,将该功能区允许纳污量作为其入河污染物控制总量。分析计算得汾河干流复流后COD、NH3-N 限制排污总量分别为25 139 t/a 和1 158 t/a。

4.2 现状排放削减率

以各功能区纳污能力以及现状污染排放状况为基础,统计得出汾河干流复流后水力条件下,COD、NH3-N 应削减量分别为24 704 t/a 和7 857 t/a(表4),平均削减率分别为49.6%和87.2%。现状排放各行政分区主要污染物削减率见图1。

表4 汾河复流后现状排放行政分区污染物削减量 t/a

图1 现状排放各行政分区主要污染物削减率

4.3 达标排放削减率

达标排放削减率是指假设现有排污口都达到污水综合Ⅱ类排放标准,按照水功能区纳污能力和限制排污总量的要求计算的污染物削减率[7]。以汾河干流主要行政区为单元,达标排放后COD、NH3-N 入河量分别为38 247 t/a 和5510 t/a,仍不能满足各水功能区的水质目标, 仍需削减15 936t/a和4 356 t/a。达标排放后COD、NH3-N 平均削减率41.7%和79.0%,各行政分区主要污染物削减率见图2。

图2 达标排放后各行政分区主要污染物削减率

5 结 语

经计算,汾河复流前COD 和NH3-N 的纳污能力分别为21 687 t/a 和975 t/a,其中开发利用区纳污能力分别为20 875 t/a 和941 t/a,占各功能区纳污能力总和的96.3%和96.6%。

复流后各功能区COD 和NH3-N 的纳污能力分别为30 275 t/a 和1 283 t/a,总纳污能力分别较复流前增加39.6%和31.6%。限制排污总量分别为25 139 t/a 和1 158 t/a,污染物削减量分别为24 704 t/a和7 857 t/a,平均削减率分别为49.6%和87.2%。若各入河排污口达标排放后,COD、NH3-N 仍要削减15 936 t/a 和4 356 t/a。

可见要达到“汾河清水复流”的水质目标要求,污染源达标排放是远远不够的,必须依据限制排污总量进行控制：①要以水功能区管理为载体,依法向环保部门提出限制排污的意见;②要加强重要断面的水质监测以及入河排污总量的监控,将确定的水功能区纳污能力作为污染物减排依据和河道管理依据;③强化入河排污口审批和监督检查,严格污染物总量控制和污染物浓度控制,确保水质目标的最终实现[8]。

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