清江恩施城区段水质降解系数及纳污能力研究

周红英，向春华，尹应华，熊 英，赵诗岳

（1. 恩施州水文水资源勘测局，湖北 恩施 445000；2. 湖北省水文水资源应急监测中心，湖北 武汉 430079）

水是人类赖以生存的不可替代资源，是经济和社会发展的基础。恩施市位于清江中上游，是恩施州政治经济文化中心。近年来，清江恩施市城区过境河段水质持续较差，两处污水处理厂是清江恩施城区河段最大的排污口，另有一些零星散排污水，由水污染而引起的水资源问题，已成为恩施市可持续发展的制约因素[1-4]。因此通过对清江城区段水质实测分析数据，进而计算该河段水质实际降解系数，分析确定清江恩施城区段的纳污能力，为清江恩施市城区段水环境保护和实施最严格水资源管理提供可靠的理论依据和技术支撑，对恩施生态文明建设具有重要意义。

1 研究方法、范围及对象

1.1 研究方法

（1）通过污染源调查、排污口监测、水质监测，了解研究河段主要入河排污口设置及排污量，确定该河段主要污染因子；

（2）分析研究河段的水文特征、河道特征及其变化情况，确定水文参数；

（3）选取顺直、水流稳定、无支流汇入、无入河排污口的河段，监测多次污染物浓度值和水流流速，计算确定此河段的水质降解系数；

（4）在同样的设计水文条件下，采用本次实测计算的水质降解系数和湖北省水资源综合规划推荐的水质降解系数分别计算清江恩施城区河段的纳污能力，比较两种方法计算的纳污能力结果，探讨清江恩施城区段流域水污染控制的措施与对策。

图1 清江恩施城区河段二级水功能区划示意图

1.2 研究范围

本次研究河段范围起于恩施市大龙潭水库坝下，止于恩施市大沙坝，东经109°26′55″～109°29′25″，北纬30°21′21″～30°15′4″，河长16.6 km（见图1）。该区域划分为1 个一级水功能区，即清江恩施开发利用区，清江恩施开发利用区又划分为3 个二级水功能区，即清江恩施饮用水源工业用水区、清江恩施排污控制区、清江恩施过渡区，水质管理目标分别为Ⅱ类、Ⅳ类、Ⅲ类。纳污能力计算以水功能区为单元进行统计分析。

1.3 研究对象

根据近两年污染源调查、排污口监测及河段水质监测情况，了解到研究河段内工业企业少，主要入河排污口为污水处理厂排污口和城区部分未收集完全的分散生活排污口，该河段主要污染因子为NH3-N 和COD，因此本次分别对研究河段内NH3-N 和COD 两个污染因子的降解系数和纳污能力进行分析研究。

2 水质断面布设及水质监测结果

2.1 水质断面布设

本次研究共设置22 个水质监测断面，包括清江干流14 个断面（大龙潭水库为背景断面，清江恩施饮用水源、工业用水区内7 个断面，清江恩施排污控制区内3 个断面，清江恩施过渡区内3 个断面），带水河、麻园河、盐水溪、龙洞河、高桥河、巴公溪、蔡家河等7 条入河支流7 个断面，入河排污口1 个断面（见图2 和表1）。

图2 清江恩施城区段纳污能力研究项目监测站网示意图

表1 水质监测断面布设表

2.2 监测时段

监测时间为2017 年10 月到2018 年9 月共12 个月，每月在22 个断面采样对NH3-N 和COD 两个污染因子进行检测，采样时同步监测流速流量。

2.3 水质监测评价结果

依据2017 年10 月至2018 年9 月各断面水质实测数据可知：从21 个干支流监测断面情况看，14 个干流断面连珠大桥上和连珠大桥下断面水质较差，单次水质有5 次水质为Ⅳ类或劣Ⅴ类水，此两个断面主要受首创污水处理厂入河排污口及超过其处理能力的污水直排口影响，7 条支流中除带水河外其余6 条支流河口水质均较差，均值达到Ⅲ类以上，蔡家河均值达到Ⅴ类水，麻园河达到劣Ⅴ类水，支流水质污染源主要为流域范围内生活生产污水。用所监测的全部断面来分析水功能区水质达标情况，清江恩施饮用水源、工业用水区7 个水质断面每月NH3-N 均值在0.5mg/L 以内，COD 均值小于7 mg/L，综合类别达到《地表水环境质量标准》Ⅱ类水质；清江恩施排污控制区内3 个断面主要污染指标NH3-N 月均值有4 次超过1.5mg/L，水功能区有4 个月不达标；清江恩施过渡区内3 个断面主要污染指标NH3-N 月均值有4 次超标1.0mg/L，水功能区有4 个月不达标。

3 模型选择与模型参数确定

3.1 模型选择

清江恩施城区段流量受上游大龙潭发电和下泄流量影响，据恩施水文站多年监测资料显示，枯水期流量一般小于150m3/s，属于中小型河段，根据《水域纳污能力计算规程》（GB/T25173-2010），该河段纳污能力计算模型宜选择河流一维模型，纳污能力和污染物浓度计算公式分别如下：

式中M——水域纳污能力，t/a；Cs——水质目标浓度值，mg/L；Cx——流经x距离后的污染物浓度，mg/L；Q——初始断面的入流流量，m3/s；Qp——废污水排放流量，m3/s；C0——初始断面的污染物浓度，mg/L；K——污染物综合衰减系数，1/s；x——沿河段的纵向距离，m；u——设计流量下河道断面的平均流速，m/s；ΔX——上下断面之间距离，m；CA——上断面污染物浓度，mg/L；CB——下断面污染物浓度，mg/L；

3.2 参数确定

以COD 和NH3-N 两个污染因子作为分析指标，本项目研究范围包括3 个二级水功能区，其间清江干流布设了11 个水质监测断面，为消除单次测验的误差，COD 和NH3-N 的初始浓度（C0）均采用年均值，NH3-N 的初始浓度为0.28mg/L，COD 的初始浓度为3.4mg/L。目标值（Cs）采用各水功能区管理目标确定的水质类别对应污染因子的上限值。清江恩施饮用水源、工业用水区水质管理目标为Ⅱ类，对应的NH3-N和COD 限值分别为0.5mg/L 和15mg/L。清江恩施排污控制区水质管理目标按水资源管理考核要求的Ⅳ类确定，对应的NH3-N 和COD 限值分别为1.5mg/L 和30mg/L。清江恩施过渡区水质管理目标为Ⅲ类，对应的NH3-N 和COD 限值分别为1.0mg/L 和20mg/L。采用恩施站作为参考站，近10 年最小月平均流量（12.1 m3/s）作为设计流量。选取清江干流盐水溪汇合口下游断面到恩施站断面这一顺直、水流稳定、无支流汇入、无入河排污口的河段，实测COD 和NH3-N 降解浓度，计算得出COD 和NH3-N 降解系数。分段计算清江恩施城区河段的纳污能力。同时采用经验降解系数计算纳污能力进行比较验证，确定三个功能区的纳污能力。

3.3 典型断面流量计算

干流断面的流量采用参考站流量用面积比直接缩放，入河支流断面的流量考虑用降水量修正，入河排污口断面流量采用实测值，其中首创污水处理厂目前满负荷运行，本次研究按设计值6 万m3/d 计算入河废污水量。各断面多年平均流量、近10 年最小月平均流量成果见表2 和表3。

表2 清江干流各断面流量表

表3 入河支流各断面流量表

3.4 典型断面流速确定

本次研究对清江干流的12 个断面进行了断面测量，采用水力学方法推求给定流量下的流速见表4。

表4 设计流量时断面平均流速

4 降解系数分析

依据河段的实际情况，考虑日常水质监测成果，本次降解系数分析选择清江干流盐水溪汇合口下游断面到恩施站断面这一顺直、水流稳定、无支流汇入、无入河排污口的河段，断面进行。对两个断面从2017 年10 月至2018 年9 月进行水质监测，选取8 个有效水质监测数据和恩施站断面已有的流量流速监测数据，计算降解系数K 值结果见表5 和表6。

表5 NH3-N 降解系数计算结果表

表6 COD 降解系数计算结果表

由表5 和表6 可知NH3-N 降解系数分布在8.06995*10-5到0.0016 之间，COD 降解系数分布在3.9602*10-5到0.0031 之间，可见由实测数据计算的降解系数不稳定，根据与推荐降解系数比较，选取较接近的最小值8.06995*10-5计算NH3-N 纳污能力；分析采用最小值3.9602*10-5计算COD 纳污能力。

5 纳污能力计算

设置3 个控制断面，7 个分段计算结点，清江恩施段纳污能力为三个水功能区纳污能力之和，采用湖北省水资源综合规划推荐降解系数值（KNH3-N=0.5/d=5.787*10-6/s, KCOD=0.26/d=3.009*10-6/s）和实测分析降解系数值计算各功能区纳污能力结果见表7。

表7 推荐或实测降解系数下纳污能力计算结果表

6 结论

（1）推荐降解系数情况下清江恩施城区段COD 纳污能力为32349.6t/a，NH3-N 纳污能力为350.2 t/a。分水功能区来看，清江恩施饮用水源、工业用水区，清江恩施排污控制区COD 和NH3-N 均有一定纳污能力，但清江恩施过渡区NH3-N 纳污能力为-16.9，说明该水功能区在出口断面不能达到水质管理目标要求，水功能区内自然降解能力不够。

实测分析降解系数情况下，清江恩施城区段COD 纳污能力为32151.3 t/a，NH3-N 纳污能力为493 t/a。分水功能区来看，清江恩施饮用水源、工业用水区，清江恩施排污控制区，清江恩施过渡区COD 和NH3-N均有一定纳污能力。

（2）根据以上两种情况，不论有没有纳污能力或是能否充分降解，均应以污染物削减为原则。若入河污染物总量小于河流纳污能力，则入河总量可作为其入河控制量。当水功能区入河总量远远大于其纳污能力时，污染物削减任务则重，为有效控制污染物入河量，可根据实际情况制定入河污染控制方案，分阶段分河段削减污染物，以期达到水功能区水质管理目标。

（3）清江恩施城区污水处理厂排污河段附近和城区麻园河、盐水溪、龙洞河、高桥河、巴公溪、蔡家河支流河口水质较差，主要污染物COD、NH3-N 均受清江恩施城区段入河排污口及支流水质的影响，应尽快完善污水收集管网，加大污水收集率，提高污水处理率，提高污染物排放标准，降低污染物排放浓度，有效解决恩施市城区清江水质持续较差的状况，改善市区生活环境，建设美丽河流，提高人民群众的生活幸福指数。