纳污能力计算模型验证与分析

赵飞燕 赵嵩林

根据河南省林州市人民政府办公室《关于印发林州市洹河环境综合整治方案的通知》（林政办〔2009〕54号）安排，为实施最严格水资源管理制度奠定基础、支持《安阳市环境保护“十二五”规划》，2014年河南省安阳水文水资源勘测局组织完成了《林州市洹河纳污能力计算报告》编制工作。在水质模型中，将污染物在水环境中的物理降解、化学降解和生物降解概化为综合衰减系数。为保证计算结果的合理性、准确性，对所确定的污染物综合衰减系数进行了模型验证与分析。

一、方法简述

水质模型验证：就是通过实测资料，对模型参数及模型计算结果进行验证，验证模拟结果与水资源质量实际情况是否存在误差。

选取与实测接近的水文条件，利用水质监测数据与入河排污口资料进行模型验证。

二、监测方法

采用二断面法：选取一个河道顺直、水流稳定、中间无支流汇入、无排污口的河段，分别在河段上游（A点）和下游（B点）布设采样点，监测污染物浓度值，并同时测定断面平均流速。

三、模型验证河段断面选取

洹河流域上宽下窄呈倒葫芦形，上游宽一般为30km，中间20km，下游宽仅5km左右。地势西高东低，自西向东依次从山区、丘陵、盆地过渡到平原。其中林州市至安阳县善应村为山区，再下至曲沟镇的固现村为丘陵盆地地区，其余为平原及低洼区。干流纵比降自上而下逐渐由陡变缓：清泉寺至水磨山为1/120，水磨山至横水为1/250，横水至卸甲坪为1/380，卸甲坪至小南海水库为1/280，林州市洹河纳污能力计算单元为陵阳镇至丁家沟。

选取林州市洹河“翟阳公路桥—横水水文站（9.94km）、横水水文站—卸甲坪村（10.49km）”作为试验河段，翟阳公路桥、横水水文站、卸甲坪村分别作为上、中、下断面。

四、监测计划

分别在翟阳公路桥、横水水文站、卸甲坪村布设采样点，追踪监测项目为化学需氧量、氨氮、电导率、pH值，同时用流速仪法测定河段断面流量、过流面积、断面平均流速。

选定在非汛期10月、12月进行两次追踪监测。三个断面采样时间间隔为同一水团到下一断面的到达时间，现场测定上断面采用平均流速去确定下断面采样时间，翟阳公路桥、卸甲坪村测流、采样间隔时间为4h，横水水文站测流、采样间隔时间为2h。

为保证分析质量，每个水样做2个平行，测定时带一定比例的质控样。

五、实测研究结果

通过对监测数据合理分析，按水流传播时间和监测断面污染物浓度变化，对数据进行拟合。

1.化学需氧量综合衰减系数

翟阳公路桥—卸甲坪村化学需氧量综合衰减系数最大值为1.06（l/d），最小值为 0.30（l/d），平均值为 0.68（l/d）；翟阳公路桥—横水水文站化学需氧量综合衰减系数最大值为2.58（l/d），最小值为0.32（l/d），平均值为 1.45（l/d）；横水水文站—卸甲坪村化学需氧量综合衰减系数最大值为 1.78（l/d），最小值为 0.26（l/d），平均值为 1.02（l/d）。

2.氨氮综合衰减系数

翟阳公路桥—卸甲坪村氨氮综合衰减系数最大值为1.44（l/d），最小值为0.24（l/d），平均值为 0.84（l/d）；翟阳公路桥—横水水文站氨氮综合衰减系数最大值为 0.90（l/d），最小值为 0.16（l/d），平均值为0.53（l/d）；横水水文站—卸甲坪村氨氮综合衰减系数最大值为1.88（l/d），最小值为 0.24（l/d），平均值为 1.06（l/d）（结果见表 1）。

表1 污染物综合衰减系数实测结果表

六、分析借用数据与实测结果对比分析

k值按《河南省重要河湖水功能区纳污能力核定和分阶段限制排污总量控制方案实施细则》（河南省水文水资源局，2012）要求采用《淮河流域及山东半岛水资源保护规划》分析成果，即：

图1 林州市洹河纳污能力计算单元（河段）不同k值下的纳污能力相关图（按75%保证率下设计水文条件，设计流量为0.590 m3/s，设计流速为0.34 m/s）

化学需氧量（CODcr）k=0.050+0.68u

氨氮（NH3-N） k=0.061+0.55lu

按借用公式计算，在实测条件下，翟阳公路桥—卸甲坪村化学需氧量综合衰减系数为 0.25～0.32（l/d），氨氮综合衰减系数为 0.22～0.28（l/d）。

分析借用数据与实测结果相比，分析借用数据数值普遍偏低。

七、实测结果与分析借用数据变异原因分析

（1）模型验证的实验河段坡降较大（林州市洹河河道比降：水磨山至横水为1/250，横水至卸甲坪为1/380，卸甲坪至小南海水库为1/280，），相同设计水文条件下，水流较急。

（2）部分河段水面浅，河道宽，曝气性好，便于复氧。

（3）计算单元（实验河段）内，有四个电站水坝，水位人为拦蓄抬高，改变了河道原有形态，加大了横向、纵向扩散，致使污染物浓度迅速变小。

（4）实验研究期间，上断面（翟阳公路桥）污染物浓度梯度变化较大且水体含沙量高、颗粒大、水体浑浊，遇到水流变缓、水坝拦截，污染物自净较快。

八、结论及建议

综合衰减系数反映了污染物在水体作用下降解速度的快慢。许多科学实验和研究资料表明,衰减系数不但与河流的水文条件,如流量、流速、河宽、水深、泥沙含量等因素有关,更为重要的是衰减系数还与河道的污染程度有关。该模型验证的结果也充分证明了这一点。

仅就综合衰减系数而言，分析借用数据与实测结果下限相近，根据“k值和纳污能力呈正相关关系”的结论（见图1和图2），如果还原到河道原来形态（理想模型下），从偏安全角度讲，此次k值的模型验证结果是可以接受的。

分析借用数据与实测研究结果对比结果普遍偏低的主要原因与河流自身条件和所处自然环境有关，需要进一步深入研究■