举水干流水功能区纳污能力计算研究

2019-09-27陈晓群

节水灌溉 2019年9期

喻婷，陈晓群，苗滕

(湖北省水利水电科学研究院湖北省水利水电科技推广中心，武汉 430070)

2002年《中华人民共和国水法》首次明确了“水域纳污能力”的概念，此后水域纳污能力与水域限制排污总量一起构成了我国水资源保护行业的重要基础，为相关行业水资源管理提供了有效依据[1]。河流纳污能力是判断河流水质状况，提升水资源管理水平的有效方法，国内学者们根据其研究河道的特点选取了不同的水质模型并进行了相应的纳污能力计算研究。陶淑芸等采用MIKE11软件建立蔷薇河水文水动力和水质模型，计算和率定蔷薇河流域污染负荷和水功能区纳污能力[2]，但该研究没有将污染源进行分区计算，不利于污染物入河总量控制和管理。闫峰陵等根据采用二维水质模型计算金沙江攀枝花河段梯级建设前后COD、氨氮纳污能力，分析纳污能力受梯级开发影响程度[3]，但该研究没有优选模型参数及介绍河道设计水文条件，计算结果合理性亦无分析。詹晓群分别采用一维、二维非稳态模型和湖库均匀混合衰减模型计算东江源区水功能区纳污能力，核定限排总量[4]，但未分析污染物削减的类型，不利于治污工作的开展。滕昱采用河流一维水质模型计算大连市重点河流的纳污能力及污染物控制排放总量[5]，但该研究没有按照水功能区进行计算，且分析评价尺度较粗。

本文针对举水干流中下游麻城～柳子港段进行计算分区，分析得到各分区入河污染源，建立MIKE二维水动力对流扩散模型模拟得到设计水文条件下河段内COD、NH3-N、TP的变化趋势并优选出水动力水质模型参数，最后采用河流一维模型计算出举水干流各计算分区的纳污能力。通过对比分析各分区纳污能力与入河污染物量，研究得到各分区污染物限排方案，为举水流域开展污染整治行动提供数据支持。

1 水质模型建立

举水干流中下游麻城～柳子港段长116.69 km，是接纳麻城市、武汉市新洲区工业废水和城市生活污水的主要载体。该河段河床起伏不大，地势平缓，多为丘陵和河谷平原。为较好地反映举水污染物空间分布状况，选用MIKE21模型对水质状况进行模拟。利用实测水文资料对模型计算所需基本参数、水动力参数和对流扩散参数进行率定选择。

1.1 模型介绍

举水中下游段二维水动力及水质的模拟分别通过HD模块和AD模型进行计算。HD模块为二维水动力模型，其控制方程为二维浅水方程，包括连续性方程和动量方程。AD模块为对流扩散模型，与水动力模块是动态连接的。模拟系统是基于Boussinesq和静压假定的二维不可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程的数值算法。

1.1.1 水动力模型原理

(1)水动力模型基本控制方程。笛卡尔坐标系下的二维浅水方程：

(1)

(2)

(3)

该二维浅水方程基于Bousinesq涡黏假定和静压假定。

(2)湍流模型。湍流建模采用大涡模拟方法中的Smagorinsky压格子尺度模型。该模型用一个与特征长度尺度相关的有效涡黏值来描述亚网格尺度输移。亚网格尺度涡黏值由下式给出：

(4)

式中：cs为定值；l为特征长度；Sij为形变率。

形变率Sij由下式给出：

(5)

(6)

(7)

曼宁系数M可以由底床糙率长度得到：

(8)

1.1.2 水质模型原理

MIKE21对流扩散模型根据HD模块产生的水动力条件，应用对流扩散方程进行计算。

对流扩散方程：

(9)

对流扩散系数是一个综合参数项，包含了分子扩散、湍流扩散以及剪切扩散效应。

1.2 计算分区及控制因子

举水流域计算分区综合参考水功能区划成果、县级行政区划等因素，共分为10个区。考虑到污染源经概化处理后，计算工作量会大幅度减小[6]，本研究分析计算出各分区的概化污染源，见表1。

根据举水流域水质现状评价结论，水体表现出以有机类、营养类污染为主的典型特征，与流域内居民生产生活方式特征相吻合[7]。本研究选取COD、NH3-N、TP作为纳污能力分析计算的控制因子。

1.3 地形文件

由举水流域麻城～柳子港段地形图，提取高程点数据，生成50×50 m网格地形文件，见图1。

表1 计算分区及概化污染源统计

Tab.1 Computation of zoning and generalized pollution source statistics

一级功能区名称二级功能区名称县级行政区计算分区编号废污水量/(万m3·a-1)主要污染物入河量/(t·a-1)CODTPNH3-N举水源头保护区麻城市P1291.30992.7314.06142.50举水麻城上游保留区麻城市P2453.041378.7319.57201.45举水麻城开发利用区举水麻城饮用水源、工业用水区麻城市P3144.93483.946.6680.26举水麻城排污控制区麻城市P4156.26456.326.2775.86举水麻城过渡区麻城市P5296.30954.7712.94141.65举水闵家集～三店保留区麻城市P6732.573140.0341.38459.14新洲区P7367.941282.2417.67198.64举水新洲开发利用区举水新洲饮用水源、工业用水区新洲区P8268.94688.649.28100.48举水新洲～团风保留区新洲区P9617.552330.2428.81310.20团风县P10461.541984.1622.47308.63合计3790.3813691.80179.112018.81

1.4 计算流量和下游水位

为满足设计条件，在现有资料的情况下，上断面流量过程采用2014-2016年麻城水文站日平均流量，下断面水位过程采用同时期柳子港水文站日平均水位，模拟时段2014年1月至2016年3月。

1.5 排污口参数

研究河道流经麻城城区，将麻城城区点源污染排放概化为一个源点(图2)，入河流量为0.81 m3/s，COD、TP和NH3-N的浓度分别为47.71、0.85和8.20 mg/L。

图2 模型计算区域源点示意图Fig.2 Schematic diagram of source points in model

2 模型参数率定

MIKE 21FM水动力水质模型参数主要包括涡流黏度、糙率系数、扩散系数和衰减系数。本次研究参考类似河道水动力水质模拟参数取值范围，通过不断调整参数取值使水质模拟值和实测值最接近，从而确定模型参数。

3 模拟计算结果

(1)水动力模拟情况。由水动力模型计算可知，研究河段内研究期内流速最大值为0.73 m/s，最小值0.01 m/s，平均流速0.06 m/s(见图3)。

图3 研究河道中下游流速模拟值Fig.3 Simulation value of flow velocity in the middle and lower reaches of the river

(2)水质模拟情况。通过水动力水质耦合模拟，得到研究期内河道COD、TP、NH3-N的平均浓度分别为8.39、0.47、0.89 mg/L。通过与举水干流麻城水文站、新洲柳子港水文站监测资料以及2018年5月现场实测水质结果对比，模拟结果能够较好研区域内水质变化规律。

在日变化过程中，6、7月污染物浓度显著大于河流水质管理目标(见图4～图6)。主要因为流域内农业活动较多，每年梅雨季节流域内降水显著增加会携带农业面源大规模入河，导致水质恶化。

图4 COD模拟浓度Fig.4 Simulated concentration of COD

图5 TP模拟浓度Fig.5 Simulated concentration of TP

图6 NH3-N模拟浓度Fig.6 Simulated concentration of NH3-N

4 纳污能力计算

4.1 计算公式

在纳污能力计算中，参数的确定和取值是否符合客观实际，直接关系到计算结果是否准确合理。本研究直接采用MIKE21模型率定得到的水动力水质参数(表2)进行纳污能力核算。

表2 水动力水质模型参数

Tab.2 Parameters in the Hydrodynamic water quality model

参数名称取值说明模拟时段20141201至20160301举水中下游段低水期。时间步长300s 实际时间步长随时间变化,由于网格较小,为了满足CFL稳定准则,实际计算步长在1～3s之间。水动力参数涡流黏度0.28采用Smagorinsky方程默认值。糙率系数32m1/3/s默认值,介于河流糙率系数适宜范围内。水质参数扩散系数1.0同水动力涡黏系数的1.0倍。衰减系数COD:0.2d-1TP:0.15d-1NH3-N:0.2d-1参照相关研究成果取初始值,通过模型试算求得最优值。

根据《水域纳污能力计算规程》[8]，举水干流为污染物在横断面上均匀混合的中、小型河段，适宜采用河流一维模型，计算公式如下：

(1)河段的污染物浓度按式计算：

(10)

式中：C0为初始断面的污染物浓度，mg/L；Cx为流经x距离后的污染物浓度，mg/L；x为沿河段的纵向距离，m；u为设计流量下河段断面的平均流速，m/s；K为污染物综合衰减系数，s-1。

(2)相应的水域纳污能力按式计算：

M=(Cs-Cs) (Q+Qp)

(11)

式中：Q为初始断面的入流流量，m3/s；Qp为废污水的排放流量，m3/s；M为水域纳污能力，g/s。

(3)入河排污口位于计算河段的中部时(即x=L/2)，水功能区下断面的污染物浓度及其相应的水域纳污能力分别按以下公式计算：

(12)

M=(Cs-Cx=L)(Q+Qp)

(13)

式中：M为污染物入河速率，g/s；Cx=L为水功能区下断面污染物浓度，mg/L。

4.2 参数确定

本研究河段为举水干流中游段，上断面为麻城水文站，下断面为柳子港水文站。

(1)设计水文条件。选取2006-2016年实测水文资料，计算举水麻城段最枯月平均流量，以作为现状水平年的河道生态基流，即5.66 m3/s。根据水动力模型分析计算，在设计水文条件下，计算河段内平均流速均接近0.06 m/s。

(2)河流水质目标浓度Cs和初始断面污染物浓度C0r。举水水质目标按地表水环境质量标准[9]Ⅲ类计。各分区水质目标浓度及初始断面污染物浓度见表3。

表3 举水干流各分区特性表

Tab.3 Characteristics in all divisions

分区现状水质类别初始浓度C0r/(mg·L-1)CODNH3-NTP目标浓度Cs/(mg·L-1)CODNH3-NTPP1Ⅱ150.150.02150.50.1P2Ⅱ150.500.10150.50.1P3Ⅱ150.500.10150.50.1P4Ⅳ150.500.10301.50.3P5Ⅳ301.500.30201.00.2P6Ⅲ301.500.30201.00.2P7Ⅲ201.000.20201.00.2P8Ⅱ201.000.20150.50.1P9Ⅱ150.500.10150.50.1P10Ⅱ150.500.10150.50.1

(3)排污口概化。计算河段汇水区内汇集了P3～P7分区的废污水和主要污染物。采用排污口中点概化的方法，得到计算河段废污水排放流量为4.39 m3/s，COD、TP、NH3-N入河速率分别为378.27、5.38、57.53 g/s。

(4)污染物综合衰减系数。污染物进入水体后，水体和污染物之间同时进行着物理、化学和生物作用的过程[10]，即污染物综合衰减过程。污染物综合衰减系数对计算水体的纳污能力有着重要的影响。根据相关研究，我国河流COD的衰减系数为0.009～0.470 d-1，氨氮的衰减系数为0.105～0.350 d-1。根据汉江相关研究和MIKE21水动力水质模拟分析，综合优选出计算河段COD、TP和NH3-N的综合衰减系数分别为0.20、0.15和0.20 d-1。

4.3 计算结果

(1)纳污能力核算结果。根据确定的计算模型和参数，得到举水干流各分区纳污能力核算结果(见表4)。

(2)核算成果合理性分析。①基本资料的合理性检验：采用近10年日尺度麻城水文站、柳子港水文站的实测水文资料确定纳污能力核算的设计水文条件，具备合理性；水质资料来源于湖北省环保厅地表水考核断面监测评估结果，具备合理性；陆域污染源资料基于当地经济社会发展水平、产业结构现状及规划、GDP、废污水处理水平等资料分析得出，具备合理性。②计算条件简化和假定的合理性分析。本研究综合考虑举水水功能区划和行政分区，将其分为10个分区，具备合理性。③数学模型选用、参数确定的合理性分析与检验。根据《水域纳污能力计算规程》，采用河流一维模型计算各分区的纳污能力，水体特征污染物选COD、TP和NH3-N为指标。污染物降解系数综合参考相似河道的参数取值和本研究水动力水质模型率定结果，具备合理性。④与河流现状排污情况比较分析。据调查，生产生活方式的不同使得各河段水质指标现状有所差异，其差异与纳污能力核算的结果相吻合。

表4 举水主要污染物纳污能力核算成果

Tab.4 Result of the water environmental capacity calculationin the Jushui River

计算分区功能区类别水质达标情况纳污能力CODNH3-NTPP1保护区水质达标992.73142.5014.06P2保留区水质达标1378.73201.4519.57P3开发利用区水质达标483.9480.266.66P4开发利用区水质达标7157.30446.6586.17P5开发利用区水质不达标000P6保留区水质达标3140.03459.1441.38P7保留区水质达标1282.24198.6417.67P8开发利用区水质达标715.22118.7210.52P9保留区水质达标2330.24310.2028.81P10保留区水质达标1984.16308.6322.47合计19464.592266.19247.31

综上所述，举水纳污能力核算成果具备合理性。

(3)污染物总量限排方案。通过对比分析各分区主要污染物纳污能力和入河量，为达到污染物总量控制目标，举水流域污染物削减工作还应进一步加强。

位于麻城开发利用区过渡区的P5分区污染物削减任务最重，与举水干流各水功能区水质现状结果一致。该分区需以核定的纳污能力作为限排总量开展污染物削减工作，COD、NH3-N、TP的削减量分别为954.77、141.65、12.94 t/a，重点削减对象为工业污染源以及居民生活源。