河道水环境承载力分析计算方法研究

2023-09-13翟城武齐乐秦

陕西水利 2023年9期

方圆，翟城武，齐乐秦

（陕西水环境工程勘测设计研究院,陕西西安 710018）

1 绪论

1.1 水环境承载力的概念

水环境承载力（Water Environmental Carrying Capacity）是以承载力概念为基础。“水环境承载力”这一词语最早出现在《福建省湄州湾环境规划综合研究总报告》中,其定义为：地区环境在某一时期、某种状态或条件下所能承受的人类活动强度的限值。根据目前研究成果,对水环境承载力有四种定义,即：①纳污能力；②系统功能；③承受阈值；④支撑能力。本次研究的水环境承载力即水体纳污能力,是在一定时期和某一确定的水域内,水体在满足用水功能的前提下所能容纳的各种污染物的阈值。

1.2 国内外研究进展

1969年日本提出要对污染物排放总量进行控制,以改善水和大气环境质量状况,并于在1971年开始对水质总量控制计划问题进行了研究。欧美国家的学者一般采用同化容量、最大容许纳污量和水体容许排污水平等概念语。国外对水体纳污能力问题的研究起步较早,如Ecekr、Liebman和Loucks等人将流量等参数作为确定性变量处理,然后由线性规划方法计算治理投资最低情况下的水体允许排污水平。

20世纪70年代后期我国引入了纳污能力的概念,开始水体纳污能力的研究工作,着重从水体纳污能力实际应用的角度开展工作,全国一些城市制定了水环境综合整治规划、水污染综合防治规划、污染物总量控制规划以及水环境功能区划。国内一般天然河流纳污能力计算,也多是从稳态河流水质模型得到的定常设计条件下的纳污量。

2 研究区概况

2.1 自然地理概况

延河属入黄一级支流,发源于榆林市靖边县天赐湾镇,流经榆林、延安2市、4个县区,在延安市延长县南河沟乡注入黄河,流域面积7725 km2,干流全长286.9 km。其中榆林市段称“秀延河”,长38.4 km,延安市段长248.5 km。

延河流域位于黄河中游,属黄土高原丘陵沟壑区,北部以黄土梁峁、沟壑为主,南部以黄土沟壑为主。北部植被较差,水土流失严重；南部植被好,水土流失轻微；东南部还有少量残塬。

延河流域属大陆性季风气候,年平均降水量520 mm,多年平均径流量为2.74亿m3,多年平均含沙量244 kg/m3～311 kg/m3,多年平均输沙量为8756万t,属于典型的多泥沙河流。

2.2 社会经济概况

延河沿岸涉及榆林市靖边县、延安市安塞区、宝塔区、延长县2市4县（区）,榆林市靖边县境内为源头河段。延河流域内油气资源丰富、旅游资源丰富,以小杂粮为主的特色农业初具规模,二三产业蓬勃发展。

延河流域95%面积为延安辖区,2020年实现生产总值1082.91亿元,人均生产总值为4.83万元。延河干流连接安塞县城、延安中心城区、延长县城及12个重点城镇、重要产业园区,流域面积占全市总面积的20%,流域内人口占全市总人口的35.3%,经济总量占全市的28%,地方财政收入占全市的46.2%,是延安政治、经济、文化的核心区域。

安塞区为延安市区的卫星城市,工业以石油为龙头,发展迅猛,各项社会事业全面进步；宝塔区是延安市的政治、经济、文化中心,初步形成以果菜牧为主的第一产业,油煤气为主的第二产业,商贸物流餐饮为主的第三产业,经济结构较为合理；延长县与宝塔区毗邻,其工业主要以石油开采为主,县内黄河沿岸种植酥梨,林果业近年来有较快的发展。

3 研究目标、内容和技术路线

3.1 研究目标

本次以延河干流为例,开展关于其水环境承载力的研究。首先进行纳污能力计算的基础资料、水文条件、计算模型分析研究；其次,分析延河现状水质、污染物排放量、水功能区划,预测设计水平年延河污染物排放量；最后,根据水质模型计算延河各水功能区的COD、氨氮的纳污能力,分析延河COD、氨氮限制排污量及削减量。

3.2 编制范围

本次研究编制范围为延安市延河干流河段,根据延河干流现状污染情况,选用水质模型计算纳污能力及污染物削减量。

3.3 研究内容

1）延河水质现状分析

通过现场查勘和调研,收集延河水文和水质资料,获得完成水环境研究所需的相关信息,对搜集的资料进行可靠性、代表性及合理性分析。根据收集到的延河资料,分析延河现状水环境状况及水质情况,主要污染物类型等。

2）对2020年、2025年和2030年入河污染负荷进行分析评价,通过收集2020年入河排污口资料,统计2020年延河入河污水量、入河COD和氨氮量,通过预测得到2025年和2030年延河入河污水量和入河污染物量。

3）水体纳污能力计算

在模型参数率定基础上,开展2020年、2025年、2030年生态流量下水域COD、氨氮水体纳污能力的量化研究,明确延河水体纳污能力,揭示水体纳污能力空间分布规律。依据改善保护区、保留区和饮用水源区水质,充分利用水体纳污能力的原则,确定不同水平年延河各水功能区限制排污量和污染物削减量。

3.4 技术路线

结合水环境特点,通过资料收集和综合分析,在污染负荷分析和水质评价的基础上,并充分考虑水环境的水文学特性,确定水体纳污能力的计算模型,提出延河污染物限制排污量和污染物削减量,本次具体技术路线见图1。

图1 技术路线图

4 河流水体纳污能力计算模型

根据《水域纳污能力计算规程》（GB/T 25173-2010）,河流纳污能力模型主要包括零维模型、一维模型和二维模型。

4.1 河流零维模型

零维模型适用于混合污染物的小型河段,其计算模型如下：

（1）污染物浓度计算公式如下：

（2）水体纳污能力计算公式如下：

4.2 河流一维模型

一维模型适用于横断面上污染物均匀混合的中、小型河段。其计算模型如下：

（1）污染物浓度计算公式如下：

（2）相应的水域纳污能力按式（4）计算：

（3）入河排污口位于计算河段的中部时（即X=L/2时）,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式（5）和式（6）计算：

4.3 河流二维模型

二维模型适用于污染物非均匀混合的大型河段,二维对流扩散方程如下：

（1）二维对流扩散方程公式（7）的求解方法如下：

①河道断面为矩形,式（7）的解析解按式（8）计算：

②以岸边污染物浓度作为下游控制断面的控制浓度时,即=0,岸边污染物浓度按式（9）计算：

③其余的水域纳污能力按式（10）或式（11）计算：

当y=0：

（2）二维对流扩散方程公式（7）也可采用数值法求解。当污染物为非恒定排放,也可按差分法推求数值解。用数值法求得计算水域代表点的污染物平均浓度C（x,y）,按式（10）计算水域纳污能力。

5 延河水体纳污能力分析计算

5.1 计算模型选取及参数的确定

5.1.1 污染物的确定

根据陕西省环保部门统计数据,延河不同水平年污染物排放量见表1。

表1 不同水平年延河污染物排放量统计表

5.1.2 计算模型的选择

1）模型选择

鉴于延河的河流条件及污染物扩散转化情况,延河延安市控制单元环境容量计算拟采用一维稳态水质模型,计算公式如下：

公式符号意义同前。

2）计算单元划分及水质目标

根据延河水功能区划,划分本次计算单元并确定各单元水质目标,见表2。

表2 延河计算单元划分及水质目标表

3）设计水文条件

本次将延河安塞站、延安站、甘谷驿站多年平均径流量的10%作为延河的设计流量,计算结果见表3。

表3 延河干流水文站生态流量计算成果表

5.2 计算结果及讨论

1）纳污能力计算

经计算,延河干流不同水平年COD纳污能力分别为3704 t/a、3755.9 t/a、3801.5 t/a,氨氮纳污能力分别为185.2 t/a、187.8 t/a、190.1 t/a,计算结果见表4。

表4 延河干流COD、氨氮纳污能力计算成果表

2）限制排污量及削减量计算

经计算,延河2020年COD入河控制量为2208.8 t/a,入河削减量为1303.2 t/a,氨氮入河控制量为152.3 t/a,入河削减量为233.3 t/a,2025年COD入河控制量为2433.1 t/a,入河削减量为1605.7 t/a,氨氮入河控制量为158.8t/a,入河削减量为273 t/a,2030年COD入河控制量为2552.6 t/a,入河削减量为1809.3 t/a,氨氮入河控制量为163.6 t/a,入河削减量为307.1 t/a,见表5～表7。