基于一维水质模型的新乡市河流纳污能力计算

王富强，王 雷，荣 飞

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

随着社会经济的快速发展，水资源短缺、水环境恶化、水生态退化问题越来越突出，严重制约了区域社会经济的发展［1］．水资源保护是为了维护水域水量、水质、水生态的功能与资源属性，防止水源枯竭、水污染和水生态系统恶化［2］． 随着工业社会的发展，河流污染导致的环境问题越发突出，如何提高河流纳污能力，保证河流水质达标，成为学术界的热点研究课题．在此背景下，大量学者利用水质模型在河流纳污能力计算方面做了研究工作． 一维水质模型在研究中得到了广泛应用［3－6］． 吴师利用一维水质模型估算了动态纳污能力，预测了不同污水排放量对指定河段水质的不同影响［3］;胡守丽等根据深圳河流特点，采用一维水质模型，计算了它的纳污能力，并讨论河口潮汐、排污口位置、截污能力限制等不同因素对深圳河纳污能力的影响情况［4］;李锦秀等进行了三峡水库整体一维水质数学模拟研究，研究结果可对三峡库区水质的变化趋势进行模拟预测［5］;刘晓东等基于一维水质模型的原理，提出了多参数识别的反演优化算法［6］．

新乡市作为河南省重要的工业城市，大量的工业废水和生活污水排入河流，导致新乡市河流水污染加剧，严重破坏了生态环境［7］． 笔者利用一维水质模型计算新乡市主要河流的水体纳污能力，并提出2020 年的污染物总量控制方案．

1 基本情况

1．1 自然概况

新乡市地处黄河流域和海河流域，位于河南省北部，南临黄河，与省会郑州、古都开封隔河相望;地处黄河、海河两大水系，水资源总量11．42 亿m3，人均水资源量201．46 m3． 主要河流包括黄河流域的文岩渠、天然渠、天然文岩渠、黄庄河;海河流域的卫河、大沙河、峪河、东孟姜女河、西孟姜女河、石门河、百泉河、大狮涝河;人工渠道主要包括人民胜利渠和共产主义渠．

1．2 河流水质现状评价

依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)和《地表水水资源质量评价技术规程》(SL 395—2007)，对全市2 大水系、14 条主要河流，772．7 km的水质监测河段进行评价．结果显示，全年达标率为14．0%;汛期达标率为23． 1%;非汛期达标率为18．8%;具体结果见表1．

表1 河道按河长达标情况统计

1．3 污染物现状调查

分析新乡市11 个主要入河排污口2011 年的监测资料，得污染物入河排放量约29 045．9 万t/a，具体分布如图1 所示．

图1 主要污染物入河排放量分布情况

由于新乡市排放的废水主要为生活废水和工业废水，而生活废水和工业废水的主要成分为COD 和氨氮，因此，以COD 和氨氮作为控制因子来进行河流纳污能力计算．

2 新乡市主要河流纳污能力计算

2．1 一维水质模型

新乡市河流总体上具有流速小、河道窄、水深浅等特点，因此，利用一维水质模型计算新乡市主要河流的纳污能力．计算公式为

式中:M 为纳污能力，t/a;Q 为河道断面设计流量，m3/s;Cs为水质目标值，mg/L;Co为初始浓度值，mg/L;k 为污染物综合降解系数，1/d;l 为河道长度，km;u为设计流量下的平均流速，m/s．

2．2 参数率定

2．2．1 污染物综合降解系数

降解系数不仅和河流的流量、水温、流速、水深、泥沙含量等因素有关，而且还与水体的污染程度密切相关［8－9］．降解系数常用二断面法求取，即选择稳定均匀混合并无支流口和排污口的河段，测得上下两断面污染物的浓度、流速和长度，即可求出k 值．计算公式为

式中:c1为河段初始端点污染物浓度，mg/L;c2为河段末端端点污染物浓度，mg/L;x 为河段长度，km;u为河段平均流速，km/d．

根据黄河流域一些河段的k 值实验结果类比分析，得到新乡市河流中COD 的k 值为0．17(1/d)，氨氮的k 值为0．15(1/d)．

2．2．2 断面设计流量与平均流速

根据现状年2011 年前实测水文资料，采用保证率为90%的最枯月平均流量作为设计流量，计算河流纳污能力，以保证年内最枯时水体等级符合目标值．根据河段断面分析计算出设计流量下各主要河段断面的平均流速．

2．2．3 背景浓度Co

背景浓度是指进入某河流前水体中的污染物浓度值，它受河流的本底值、上游河段的污染物入河量及区间面源的影响． 计算中用各段对照断面近几年实测水质资料分析确定Co值．

2．2．4 水质目标Cs

根据新乡市河段所定管理水质目标值作为控制标准，综合考虑规划河段内各河流的实际情况，进而确定水质目标值．

2．3 污染源概化

由于新乡市入河排污口在河流的不同断面不规则地分布．因此，将相对集中的多个入河排污口概化为一个集中的排污口，使之位于河段中点处，该集中点源的实际自净长度为河段的一半．

2．4 纳污能力计算

根据上述设计条件、模型选择、参数率定，针对共产主义渠的水文特点、断面参数及监测数据，以共产主义渠为例计算其纳污能力． 计算河段包括河段1(合河水文站断面—六店村107 国道公路桥断面)，河段2(六店村107 国道公路桥断面—入卫河口断面)，结果见表2．由表2 可见，共产主义渠COD的纳污能力为2 298． 3 t/a，氨氮的纳污能力为100．6 t/a．同理计算其他河流纳污能力见表3．由表3 可见，新乡市COD 的纳污能力为1．1 万t/a，氨氮的纳污能力为0．05 万t/a．

表2 共产主义渠纳污能力计算结果

表3 主要河流纳污能力及现状排污量t/a

3 污染物总量控制方案

以河流为单元，计算2020 年污染物入河控制量．根据新乡市水功能区水质现状，饮用水源区和保护区各规划水平年入河控制量均采用现状纳污能力进行控制，其他水功能区各水平年的入河污染物总量若小于河流纳污能力，则以污染物入河总量作为入河控制量;当水功能区污染物入河总量远大于其纳污能力时，为有效控制污染物入河量，可根据实际情况制定入河污染物控制方案，分阶段削减污染物，以2020 年污染物削减量不小于60%为控制目标进行方案制定，具体见表4．

表4 新乡市各主要河流2020 年排污量及削减量

4 结 语

1)通过调查新乡市主要河流的水质现状、主要污染物排放状况得出，在全年监测的772．7 km 的评价河段中，达标河长108．0 km，达标率为14．0%;2011 年新乡市11 个主要入河排污口的污染物入河排放量约为29 045．9 万t/a．

2)利用一维水质模型，以COD 和氨氮作为控制因子，计算了共产主义渠的河流纳污能力，其中COD和氨氮的纳污能力分别为2 298．3 t/a，100．6 t/a;新乡市河流COD 和氨氮的纳污能力分别为1．1 万t/a，0．05 万t/a．

3)根据污染物入河量控制原则和新乡市河流污染物排放状况，提出了新乡市河流入河污染物的总量控制方案． 到2020 年新乡市COD 和氨氮的入河控制量分别为22 603．8 万t/a 和2 060．5 万t/a，削减量分别为17 699．7 万t/a 和2 349．0 万t/a．

［1］Boon P J，Calow P，Petter G E． River conservation and management［M］．John Wiley ＆ Sons，1992．

［2］Lewis J． Integrated water resources management:theory，practice，cases［J］． Physics and Chemistry of the Earth，Parts A/B/C，2002，27(11):719 －720．

［3］吴师．淮河鲁台子一石头埠段动态纳污能力估算及水质污染预测预报［J］． 水资源保护，2005，21(4):52－55．

［4］胡守丽，秦华鹏，熊向陨． 深圳河纳污能力评价与污染削减方案优化［J］． 给水排水，2006，32(增刊):118－121．

［5］李锦秀，廖文根，黄真理． 三峡水库整体一维水质数学模拟研究［J］．水利学报，2002，7(5):7 －10．

［6］刘晓东，华祖林，谢增芳，等．一维河流水质模型多参数识别的反演优化通用算法［J］．水利发电学报，2012，31(2):122 －127．

［7］宰松梅，温季，孙浩，等．河南省新乡市水资源承载力评价研究［J］．水利学报，2011，42(7):783 －788．

［8］张文志．采用一维水质模型计算河流纳污能力中设计条件和参数影响分析［J］．中国西部科技(学术)，2007(13):43 －45．

［9］李红亮，李文体． 水域纳污能力分析方法研究与应用［J］．南水北调与水利科技，2006，4(增刊):58 －60，97．