鄱阳湖九江工业用水区纳污能力研究

杨芳 李建 裴中平 周琴

摘要：水功能区水域纳污能力是污染物入河湖总量控制的基础，当前水域纳污能力计算较多使用公式的解析解法，计算结果较为粗略。选取鄱阳湖九江工业用水区作为研究对象，采用解析解法和数值解法相结合的方法对鄱阳湖九江工业用水区纳污能力进行联合求解，利用解析解法计算水域纳污能力初值，再以此作为模型启动条件，通过数值模型对解析解法获得的初始值进行试算检验和优化。计算结果表明，鄱阳湖九江工业用水区的最优水域纳污能力COD为9 776 t/a，氨氮为142 t/a。研究统筹考虑了河道形态、岸边流速变化、丰水期长江江水顶托和倒灌等因素，弥补了解析解法的局限性，结果更具合理性，可为鄱阳湖九江工业用水区水质管理和限制排污总量控制提供参考。

关键词：水域纳污能力;解析解法;数值解法;鄱阳湖;工业用水区

中图分类号：X52文献标志码：A

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：李建

Assimilative capacity of Jiujiang industrial water function zone beside Poyang Lake using analytical method and numerical method

YANG Fang，LI Jian，PEI Zhongping，ZHOU Qin

（Changjiang Water Resources Protection Institute，Wuhan 430051，China）

Abstract：The assimilative capacity of a water function zone is the basis for gross control of pollutants discharge.At present，the capacity is commonly calculated by analytical method，but the calculation results are not accurate.In this research，we took Jiujiang industrial water function zone beside Poyang Lake as the object of research，and calculated its assimilative capacity.The analytical method was used to calculate the initial value，and the numerical method was used to optimize the initial value.The calculation results showed that the optimal assimilative capacity of Jiujiang industrial water function zone beside Poyang Lake for COD is 9 776 t/a，and that for ammonia nitrogen （NH3-N） is 142 t/a.This study takes into account such factors as the river morphology，the change of inshore velocity，and the effects of characteristic hydrological conditions.It can make up for the limitations of the analytical method and generate more reasonable results.It can provide a reference for water pollutants gross control in Jiujiang industrial water function zone beside Poyang Lake.

Key words：assimilative capacity of water bodies;analytical method;numerical method;Poyang Lake;industrial water function zone

水域納污能力计算是江河湖泊限制排污总量控制的基础。《中国水利百科全书》（2004年）环境水利分册将水域纳污能力定义为水域能持续发挥给定功能而接纳的最大污染物负荷量，即根据规定的水文概率或经调节的河道流量，确定在自净作用下，保证达到功能区水质要求所允许的污染物排放量。《水域纳污能力计算规程》（GB/T 25173-2010）明确水域纳污能力是指，针对江河、湖泊、水库、运河、渠道等已划定水功能区的地表水域，在设计水文条件下，某种污染物满足水功能区水质目标要求所能容纳的该污染物的最大数量。

国外常用“环境容量”、“最大容许纳污量”和“水体容许排污水平”等概念来描述水域纳污能力，并将其融合在总量控制研究中[1]。20世纪60年代，日本最早开始水体允许污染物负荷量估算研究，提出“环境容量”概念[2]。随后欧美国家相继开展环境容量研究，通常将水环境容量计算和污染物总量分配在同一过程中实现[3]，早期较多采用公式法、线性规划等确定性方法进行研究[4-5]，未考虑河流水文、水动力及水质条件的动态变化，之后随机理论被引入水环境容量研究，先后提出了概率稀释模型、随机水质优化模型等不确定方法[6-8]，当前研究较多关注于河流流量、排污流量、排污浓度、河流水质背景浓度等因子不确定性对污染负荷分配的影响。

国内对于流域水域纳污能力的研究经历了由浓度控制到目标总量控制再到容量总量控制的发展历程，例如，太湖流域已将容量总量控制运用于重点控制区的污染防治。目前针对水域纳污能力的研究方法较多，国内学者改进了概率稀释模型法[9]，提出了模型试错法[10-12]和基于盲数理论的未确知数学法[13]等计算方法，但在管理实践中仍以公式法[14]、线性规划法[15]等确定性方法为主，其主要原因是国内水环境管理体制、水污染现状与国外存在较大差异，且多数地区缺乏长系列水质监测数据[16-17]，国外先进方法在国内的适用条件尚不够成熟。

3计算步骤与结果

综合利用兩种方法进行水域纳污能力的计算，通过解析解法求得水功能区纳污能力的初始值，再以此作为数值模型起算条件，利用数值解法对初始值进行试算检验和优化。

3.1设计水文条件与计算参数

结合鄱阳湖“高水是湖、低水似河，洪水一片、枯水一线”的鲜明特点，采用湖口水文站90%最枯月均流量作为设计水文条件。由于鄱阳湖在汛期存在江水倒灌情况，在统计最枯月均流量时排除了江水倒灌情况下的最枯月流量。对1950-2015年湖口水文站流量资料进行统计，用适线法获得湖口水文站90%最枯月均流量为632 m.3/s，对应的多年平均水位为6.76 m（吴淞高程）。

蛤蟆石断面位于鄱阳湖九江工业用水区内，距离功能区上游约500 m，功能区上游断面至蛤蟆石间没有排污口，因此选取蛤蟆石断面水质作为功能区背景浓度控制断面。根据近年（2014-2017年）蛤蟆石断面的水质监测结果，枯水期（11月至次年2月）COD平均浓度10.17 mg/L，氨氮0.46 mg/L，以此作为数值模型模拟的背景浓度。

尽管鄱阳湖九江工业用水区水质管理目标为Ⅳ类，但其下游水功能区水域——鄱阳湖湖区保留区的水功能区水质目标为Ⅱ类，因此鄱阳湖九江工业用水区下断面必须以Ⅱ类水质目标严格控制，即COD取15 mg/L，氨氮取0.5 mg/L。

3.2基于解析解法的纳污能力初值计算

根据水域纳污能力解析解计算公式（8），得到在设计水文条件下鄱阳湖九江工业用水区水域纳污能力的初始值，COD为8217.6  t/a，氨氮为85.25 t/a（见表1）。

3.3基于数值解法的纳污能力终值试算

3.3.1数值模型的建立与验证

采用MIKE21模型进行数值计算。鄱阳湖九江工业用水区下游为湖口水文站，上游为星子水位站，模型模拟范围选定为星子-湖口段，长40 km。

采用三角形结合四边形网格的方式对鄱阳湖星子-湖口段40 km计算水域（1∶10000水下地形，鄱阳湖水文局提供）[HJ2.1mm]进行剖分。其中，鄱阳湖九江工业用水区河段顺直，采用四边形网格，其他非顺直河段采用三角形网格以适应复杂的湖泊岸线边界。四边形网格长50～60 m，宽20～30 m，三角形最大面积10 000 m.2，采用邻近点法对网格节点高程进行插值，形成水动力水质模型的计算网格（图2）。

水动力模型和对流扩散模型参数采用经验公式、以往研究成果和模型试算等多种方式综合确定，各参数取值见表2所示。

采用2015年屏峰站水位和蛤蟆石断面水质实测数据对模型进行验证，数值模型的验证结果显示模拟误差在可接受范围内（图3）。

3.3.2污水排放量固定时允许排放浓度的试算[HJ1.9mm]

为了便于计算，通常需要将水功能区排污口概化至河段中间位置。在水域纳污能力初始值M0确定的情况下，污水排放量Q污与污染物浓度C污有

多重反比例组合关系。在利用模型数值解法进行污染物扩散情况计算的时候，首先需要确定一个起算的污水流量值，由此对应一个污染物的起算浓度。在概化排污口一系列流量Q污与浓度C污组合中，筛选C污值的条件是判断概化排污口排污后污染物到达水功能区下断面时，其浓度是否刚好达到水质控制目标的上限。

根据污染源现状调查成果和近期规划，研究区域近期入湖污水总量将达到22.77万t/d，即污水排放流量可达2.64 m.3/s。在预留部分发展空间基础上，确定鄱阳湖九江工业用水区纳污能力试算的污水排放量初值为3 m.3/s，由此可推出，概化排污口COD的对应浓度约为87 mg/L，氨氮对应浓度约为0.9 mg/L，以此确定不同浓度的试算工况见表3。

对多组污染物输入浓度进行试算，取各代表断面污染物最大浓度统计不同污染物输入浓度工况下COD浓度、氨氮浓度沿程变化（表4）。

从表4中可以看出，当概化排污口污水排放流量为3 m.3/s，COD排放浓度为95 mg/L，氨氮排放浓度为1.5 mg/L时，鄱阳湖九江工业用水区下断面、距离概化排污口下游2 500 m处COD和氨氮浓度均可恢复至地表水Ⅱ类控制目标（分别为15 mg/L和0.5 mg/L）。在上述污水量和污染物输入条件下，计算得出概化排污口的污染物入湖负荷量即为鄱阳湖九江工业用水区的水域纳污能力，其中COD为8 988 t/a，氨氮为142 t/a。

3.3.3污染物排放浓度固定时允许排放流量的试算

为严格控制入河污染物浓度，鄱阳湖九江工业用水区要求现有排污口污水排放标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，即COD排放浓度为50 mg/L，氨氮排放浓度为5 mg/L。上述试算计算结果中，氨氮已满足污水排放标准要求，在该排污浓度下计算得出的氨氮纳污能力数值已经是一个严格限值。而COD为 95 mg/L的排放浓度不满足污水排放标准，因此需继续优化COD的排放浓度和排放量。

表4计算结果显示，在污水排放流量一定的情况下，污染物排放浓度越小，对排污口下游水质的影响越小，当COD排放浓度为95 mg/L时，鄱阳湖九江工业用水区下断面（概化排污口下游2 500 m）处

COD浓度已衰减至15 mg/L，由此可推断COD排放浓度执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级

A标（COD≤50 mg/L）时，概化排污口下游2 500 m处COD浓度低于15 mg/L，优于Ⅱ类水质管理目标，此时该水功能区的承载能力没有得到完全利用。基于此，以COD排放浓度50 mg/L为模型输入条件，以鄱阳湖九江开发利用区下断面COD≤15 mg/L为控制条件，试算可允许最大污水排放量。

通过对多组流量输入条件进行试算，取各代表断面污染物浓度最大值统计得到不同工况下COD浓度沿程变化表，见表5。

试算结果表明，当概化排污口COD浓度为50 mg/L，污水流量為6.2 m.3/s时，鄱阳湖九江工业用水区下断面COD可满足Ⅱ类水质控制目标（15 mg/L）。在上述污染物排放浓度和污水排放量条件下，概化排污口COD入湖负荷量即为鄱阳湖九江工业用水区COD的纳污能力，为9 776 t/a。

综合上述试算结果，得到鄱阳湖九江工业用水区的最优水域纳污能力COD为 9 776 t/a，氨氮为142 t/a。污染物按该纳污能力负荷量排放时COD和氨氮影响范围，见图4。

4讨论

4.1解析解法的局限性分析

解析解法是目前普遍采用的一种开发利用区水域纳污能力计算方法，也是《水域纳污能力计算规程》（GB/T 25173-2010）推荐使用的一种方法。但是，解析解法也存在一定的局限性[26]。

（1）河流二维模型横断面概化的局限性。进行解析解计算时必须假定污染物连续恒定排放，计算河段横断面为矩形，对于横断面不能概化为矩形的河段，原则上只能通过数值模型求解计算。鄱阳湖湖口水道地形复杂，复式断面特征明显，河道岸滩地形变化造成的影响，解析解法无法精确反应。利用二维模型进行解析解求解的另一重要特点条件是假定岸边计算水域断面流速为恒定均匀的，这种概化忽略了断面横向的流速变化，因此通过解析解获得的水域纳污能力值是较为粗略的。

（2）计算水域污染带宽度取值的局限性。对于[CM（22]河宽比较大的大型河流，污染物从岸边排放后不可能达到全断面混合，即容许污染物降解稀释的混合区一般在岸边一定范围内，此时需要计算岸边水域的纳污能力。在不使用数值模型模拟的情况下，岸边水域计算范围的取值存在较大不确定性，同样对水域纳污能力计算结果的准确性产生一定影响。

解析解法获得的纳污能力比较适合作为数值解模型试算的起算条件，是纳污能力精确计算的重要参考，有助于快速确定水功能区纳污能力的最优值。

4.2丰水期壅水条件影响分析

鄱阳湖是长江中下游最大的通江湖泊，与长江之间存在着复杂的水文和水动力交互作用，而江水倒灌是长江顶托过程的极端现象。鄱阳湖壅水后，湖口和星子之间的水位差变小，流速减小，对污染物迁移扩散可能产生不利影响，因此有必要进一步讨论特征丰水期水文条件下的排污影响，即保持概化排污口排污条件（最佳排放流量和浓度）不变，分析特征水动力条件下的污染物扩散影响。

一般情况下，当湖口与星子之间的水位差为0时，鄱阳湖九江工业用水区水流条件对污染物迁移扩散较为不利。当湖口与星子之间水位差为0时有两种情况发生，一种是长江高水位对鄱阳湖水面产生顶托，但是没有发生江水倒灌现象;另一种是在江水顶托基础上进一步发生了江水倒灌现象。筛选1950-2015年期间湖口与星子之间水位差为0的日期，发现1971年7月30日和1963年8月25日最具代表性，此时鄱阳湖水位处于相对较低的状态，研究区域的水动力条件也相对不利，故以此作为丰水期的工况条件（表6）。

计算丰水期两组工况，统计分析排污口下游沿程污染物最大浓度变化，结果见图5和表7。模拟计算表明，丰水期在长江江水顶托、倒灌等特征水文条件下，按照COD 9 776 t/a、氨氮142 t/a污染物入湖量计算，鄱阳湖开发利用区下断面COD和氨氮浓度均优于水质控制目标。因此，本研究计算的COD和氨氮纳污能力在丰水期特征水文条件下也是符合水质控制条件的。

5结论

国内水功能区管理实践中，开发利用区纳污能力计算大多采用公式的解析解法，但在模型概化、污染带宽度取值等方面存在较多局限性。本文利用公式的解析解法与数值解法相结合的方法对鄱阳湖九江开发利用区纳污能力进行了联合求解。通过研究主要得出以下结论。

（1）平面二维水动力水质方程的求解方法分为解析解法和数值解法，其中解析解法计算结果较为粗略，而数值解法计算结果更为准确。利用解析解法计算结果作为数值解法试算的起算条件，有助于快速确定水功能区纳污能力的最优值。

（2）利用数值解法进行计算时，在污染物排放总负荷量一定情况下，污水排放量和污染物排放浓度存在反比例组合关系，需以水功能区下断面水质管理需求作为判断条件，遴选污水排放量和污染物排放浓度的最佳组合，同时需综合考虑河道形态、岸边水深和流速变化、特征水文条件影响，以及污染物排放标准要求等条件。

（3）经计算，鄱阳湖九江开发利用区纳污能力最优值为COD为9 776 t/a，氨氮为142 t/a。

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