基于概化模型方法的辽河中下游平原区河道污染负荷计算

2021-10-28汪晶

水利规划与设计 2021年11期

汪晶

(辽宁省铁岭水文局，辽宁铁岭 112000)

经验统计以及物理模型为国内外污染负荷计算的两种主要模型。经验统计模型主要采用流域地理特征和污染负荷之间的相关性，采用统计学方法对非点源污染负荷进行简单经验计算，常用的经验统计模型采用输入、输出系数进行污染负荷的输出计算[1- 2]。这其中包括SCS降雨径流模型[3- 4]、通用土壤侵蚀方程(USLE)[5- 6]以及国内水环境容量计算相关标准规范中提出的经验统计公式等[7- 11]。经验模型需要的计算数据量较少，且计算原理较为简单，不需要对污染点源复杂的变化过程进行过多分析，但是受到调查数据量、经验系数、降水量变化以及下垫面条件变化等多因素影响程度较高。物理模型通过对污染负荷影响因子进行量化，对污染点源的发生变化过程进行模拟。这类方法主要包含的模型有SWAT[8]、CREAMS[9]、AGNPS[10]、EPIC[11]、HSPF[12]等。物理模型对污染负荷的产生、迁移变化过程进行充分考虑，对非点源污染负荷模拟更符合实际情况，且受到区域时空影响因素程度较低，但计算原理较为复杂，需要进行较多参数的设置，对数据量要求标准较高且运行工作量较大。本文分别采用概化模型法和产污系数法计算了辽河流域中下游平原区干流河道纳污量。辽河流域中下游平原区干流河道概化模型法是根据河流不同河段污染源分布特点以及具体入河方式，通过实际监测纳污河流水体上下游控制断面污染因子浓度变化，应用二断面法计算污染因子衰减系数，依据河流一维水质计算公式推算入河污染负荷量。研究成果为辽河流域河道外源污染负荷推算提供了不同的参考方法。

1 概化模型计算污染负荷方法

首先对排污口位于河段内的的污染负荷量进行概化模型计算，计算方程为：

(1)

式中，X1—概化的排污口距离初设计算断面的距离，km；X2—计算排污口和下一个计算断面之间的间距,km；QP—断面计算流量，m3/s；Qe—概化排污口排污量，m3/s；W—纳污能力，kg/d；C0—初始断面水质浓度，mg/L；CS—水质目标浓度，mg/L；u—计算断面流速均值，m/s；k—计算断面污染负荷衰减系数综合值，1/d，该系数主要受到水流条件的综合影响。各河段综合衰减系数采用二断面方法进行计算，该方法主要在恒定均匀河段进行衰减系数的计算，通过对污染负荷量、水流速率以及河段长度进行测定，并对综合衰减系数进行计算：

k=86.4u×[ln(C1-C2)]/X

(2)

其次对排污口位于功能区上游初始断面附近(或无排污口)的河段内的的污染负荷量进行概化模型计算，计算方程为：

(3)

变量同方程(1)含义。

2 辽河下游平原区河道污染负荷计算

2.1 辽河各河段污染因子综合衰减系数率定

选定辽河石佛寺水库等6个水质监测点作为计算断面。考虑各监测点之间河段的自然功能，对不同河段的污染负荷的衰减系数进行单独计算，结合各水质监测点上下游断面的水质实测数据和纳污实际变化进行综合分析。采用各监测点2020年实际测定的氨氮和 COD负荷量，对不同河段之间各月份的COD以及氨氮的综合衰减系数进行计算，计算结果见表1—2。

表1 辽河各河段COD综合衰减系数月变化情况

由 COD 各月份衰减系数变化结果可以看出，辽河各水质监测断面分别在除冬季外的三个季节出现综合衰减系数的峰值，各河段衰减系数总体分布在0.01～0.0181 1/d之间，毓宝台大桥-红庙子大桥衰减系数变幅区间高于其他4个水质断面。辽河各计算河段中石佛寺水库衰减系数变化幅度最小。不同与 COD污染负荷的衰减系数，各河段氨氮衰减系数总体呈现冬春和春夏交替变化，各河段衰减系数总体在0.025～0.70 1/d之间变化，其中马虎山大桥-毓宝台大桥氨氮综合衰减系数变幅最大，石佛寺水库在整个年份氨氮衰减系数变幅最小，相对变化较为稳定。

表2 辽河各河段氨氮综合衰减系数月变化情况

2.2 辽河各河段逐月COD纳污量推算

结合概化模型方法对辽河下游平原河段选取4个河段作为逐月COD纳污量进行推算，各河段长度分别为6.1、32、59.3、79.9km。枯水期辽河流量Q≤150m3/s，根据各河段排污特点，应用不同排污口概化模型进行纳污量计算，计算因子为河段考核重要指标化学需氧量COD和氨氮。本次计算流量采用2020年马虎山水文站、平安堡水文站、辽中水文站各月份实测水文数据。各河段逐月COD纳污量推算结果见表3—6。

表3 2020年辽河石佛寺水库各月份COD纳污量推算结果

表4 2020年辽河石佛寺水库至马虎山大桥段各月份COD纳污量推算结果

表5 2020年辽河马虎山大桥至毓宝台大桥段各月份COD纳污量推算结果

从2020年辽河石佛寺水库各月份COD纳污推算结果可看出，各河段在2月份的纳污量为全年最低值，达到27 t，而在9月份出现全年最高COD纳污量。从9月份开始COD纳污量逐步递减变化。从2020年辽河石佛寺水库至马虎山大桥段各月份COD纳污量推算结果可看出，相比于石佛寺水库河段，石佛寺水库至马虎山大桥段的COD纳污量最低值出现在3月份，最大COD纳污量出现在6月份，从10月份开始呈现逐步递减变化。从2020年辽河马虎山大桥至毓宝台大桥段各月份COD纳污量变化分析可看出，该河段COD 纳污量全年最低值出现在4月份，在最大COD纳污量出现在11月份，从11月份开始COD 纳污量呈现下降变化。毓宝台大桥至红庙子大桥河段在2月份出现最低的COD纳污量，而最高值主要发生在9月份，从9月份开始，毓宝台大桥至红庙子大桥河段COD纳污量呈现下降变化。5 月至10月为此区间 COD 污染负荷比较大的时间段，排放量 504～1504.2t。11 月份进入冬季逐月减少。

表6 辽河毓宝台大桥至红庙子大桥各月份COD纳污量推算结果

2.3 辽河各河段逐月氨氮纳污量推算

根据各河段排污特点，应用不同排污口概化模型进行氨氮纳污量计算，流量采用2020年马虎山水文站、平安堡水文站、辽中水文站各月份实测水文数据，计算结果见表7—10。

表7 2020年辽河石佛寺水库各月份氨氮纳污量推算结果

表8 2020年辽河石佛寺水库至马虎山大桥段各月份氨氮纳污量推算结果

表9 2020年辽河马虎山大桥至毓宝台大桥段各月份氨氮纳污量推算结果

从2020年辽河石佛寺水库各月份氨氮纳污量推算结果可看出，石佛寺水库段全年氨氮纳污量最低值出现在12月份，仅为1.9t，而最高值出现在4月份，从9月份开始石佛寺水库段氨氮纳污量逐步递减变化。辽河石佛寺水库至马虎山大桥氨氮最高纳污量出现在1月份，可达到65.1t，最低值出现在7月份。该河段氨氮负荷主要来源于河口及支流市政排污影响较大。辽河马虎山大桥至毓宝台大桥河段氨氮全年最高纳污量出现在3月份，最低值出现在11月份。11月份为污染负荷量最小，为0.1t。

表10 辽河毓宝台大桥至红庙子大桥各月份氨氮纳污量推算结果

11月份进入冬季逐月减少，氨氮排放量微弱。辽河毓宝台大桥至红庙子大桥段氨氮纳污量全年最高值出现在5月份，最低值主要出现在12月份。10月份后进入冬季氨氮纳污量逐月减少。

2.4 辽河各河段不同时期纳污量核算

分别对辽河各河段不同时期的纳污量进行核算，核算结果见表11—12。

表11 2020辽河各河段不同水期 COD 纳污量核算

表12 2020辽河各河段不同水期氨氮纳污量核算

从2020辽河各河段不同时期 COD 纳污量核算结果可看出，汛期及非汛期石佛寺水库进入河道内的COD纳污量分别达到2871.4t和1920.9t，进入河段内的COD纳污量全年总计为4792t。汛期及非汛期石佛寺水库大坝至马虎山大桥段入河道内的COD纳污量分别达到772.3t和1642.5t，进入河段内的COD纳污量全年总计为2411.5t。汛期及非汛期马虎山大桥至毓宝台大桥段入河道内的COD纳污量分别达615.9t和1310.7t，进入河段内的COD 纳污量全年总计为1928.3t。汛期及非汛期毓宝台大桥至红庙子大桥段入河道内的COD纳污量分别达到4030.7t和2616.9t，进入河段内的COD纳污量全年总计为6647.7t。辽河沈阳段2020年全年化学需氧量污染负荷入河量为 15779.5t，汛期化学需氧量污染负荷入河量 8290.3t，非汛期化学需氧量污染负荷入河量7491t。从2020辽河各河段不同水期氨氮纳污量核算可看出，汛期和非汛期石佛寺水库的氨氮纳污量分别达到43.5t和138.7t，进入河段内的氨氮纳污量全年总计为182.2t。汛期和非汛期石佛寺水库大坝至马虎山大桥段氨氮纳污量分别达到38.5t和135.3t，进入河段内的氨氮纳污量全年总计为173.5t。汛期和非汛期石马虎山大桥至毓宝台大桥段氨氮纳污量分别达到23.5t和86.2t，进入河段内的氨氮纳污量全年总计为108.5t。汛期和非汛期石佛寺水库大坝至马虎山大桥段氨氮纳污量分别达到61.8t和389.0t，进入河段内的氨氮纳污量全年总计为450.7t。辽河沈阳段全年氨氮纳污量总计为914.9t，2020年沈阳市汛期降雨量较少，汛期面源污染入河较弱。石佛寺水库大坝到马虎山大桥河段入河污染负荷主要来自于沈北新区长河和新城子左小河市政污水汇入影响明显，其它河段污染负荷主要来自于面源。