邯鄲市滏陽河納污能力及模型參數(shù)影響分析

郭鳳震

(河北省邯鄲水文水資源勘測(cè)局,河北邯鄲 056001)

邯鄲市滏陽河納污能力及模型參數(shù)影響分析

郭鳳震

(河北省邯鄲水文水資源勘測(cè)局,河北邯鄲 056001)

分析邯鄲市滏陽河水質(zhì)及入河排污口排污現(xiàn)狀,根據(jù)各計(jì)算單元用水現(xiàn)狀和水質(zhì)目標(biāo),利用一維水質(zhì)模型計(jì)算水體COD和NH3-N納污能力。對(duì)污染源概化、設(shè)計(jì)流量、流速、污染物綜合衰減系數(shù)等設(shè)計(jì)條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明,受上游水庫控制,滏陽河枯水期納污能力高于汛期,現(xiàn)狀入河排污量大于納污能力,需要對(duì)現(xiàn)狀入河污染物總量進(jìn)行削減。

滏陽河;納污能力;一維模型;設(shè)計(jì)條件

1 邯鄲市水資源狀況

1.1 基本情況

邯鄲市位于河北省南部,位于太行山東麓,全市多年平均降水量548.9mm(1956—2000年),全市多年平均水資源總量14.85億m3,地表水資源量6.21億m3,地下水資源量12.68億m3,(地表水、地下水重復(fù)計(jì)算量4.04億m3)[1]。因局部長(zhǎng)期超采,該市已形成2500km2地下水漏斗區(qū)。邯鄲市在水資源缺乏的同時(shí),地表水除漳河水質(zhì)較好外,水質(zhì)較差;平原區(qū)因苦咸水和高氟水影響,一半以上區(qū)域淺層地下水不符合GB5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。總體而言,邯鄲市水資源量小質(zhì)差,屬于資源型和水質(zhì)型嚴(yán)重缺水區(qū)域[2]。

滏陽河屬海河流域子牙河水系,發(fā)源于邯鄲市峰峰礦區(qū)滏山南麓和村,全長(zhǎng)402km,邯鄲境內(nèi)165 km,是邯鄲市的母親河,具有城市工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉、漁業(yè)養(yǎng)殖、生態(tài)用水和防洪發(fā)電功能。由于大量廢污水直接排入河道,水體遭受嚴(yán)重污染,影響了水資源功能發(fā)揮,制約了經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,威脅著生態(tài)環(huán)境安全。

1.2 滏陽河入河排污口及水質(zhì)現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)查,邯鄲市滏陽河主要入河排污口有33個(gè)。年排廢污水為13833萬m3、COD為 15516.5 t、NH3-N 為2606.2t。

水質(zhì)評(píng)價(jià)采用邯鄲水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心實(shí)測(cè)資料。依據(jù)GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,評(píng)價(jià)方法采用單因子評(píng)價(jià)法。

評(píng)價(jià)結(jié)果顯示:南留旺橋以上水質(zhì)較好,符合Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);東武仕水庫水質(zhì)屬于Ⅲ類;馬頭閘斷面水質(zhì)為Ⅲ類;河水經(jīng)過馬頭工業(yè)城后污染物濃度急劇上升,張莊橋斷面水質(zhì)為Ⅴ類;由于主城區(qū)生活污水的匯入,水廠路橋、劉二莊斷面水質(zhì)為劣Ⅴ類;蘇里、蓮花口斷面水質(zhì)更差。

2 邯鄲市滏陽河納污能力

河流納污能力是一個(gè)與河流水文、水質(zhì)和水力條件等密切相關(guān)的重要水管理參數(shù),隨規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)的變化而變化,反映特定水體水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)與污染物排放量之間的動(dòng)態(tài)輸入響應(yīng)關(guān)系[3],受污染源概化、設(shè)計(jì)流量、流速、上游本底濃度、污染物綜合衰減系數(shù)等設(shè)計(jì)條件和參數(shù)影響。

2.1 水質(zhì)模型選擇

水質(zhì)模型是描述河流水體中污染物變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式。水質(zhì)模型包括零維模型和一維模型。水質(zhì)模型建立的基礎(chǔ)是物質(zhì)守恒定律和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理 ,即:

式中:ρ為污染物質(zhì)量濃度,mg/L;t為污染物在確定區(qū)域內(nèi)降解時(shí)間,d;k為污染物綜合衰減系數(shù),1/d。

2.1.1 零維模型

零維模型應(yīng)用于流速小于0.1 m/s的計(jì)算單元,模型公式為:

式中:W為計(jì)算單元納污能力,t/a;Q為計(jì)算單元設(shè)計(jì)流量,m3/s;q為計(jì)算單元入河污水量,m3/s;ρs為計(jì)算單元水質(zhì)目標(biāo),mg/L;ρ0為計(jì)算單元上斷面污染物質(zhì)量濃度,mg/L;V為計(jì)算單元水體體積,m3。

2.1.2 一維模型

一維模型應(yīng)用于污染物濃度橫向變化不大且流速大于0.1m/s的計(jì)算單元,模型公式為:

式中:x為計(jì)算單元上斷面到下斷面的距離,km;xi為概化后排污口到下計(jì)算斷面的距離,km;u為計(jì)算單元設(shè)計(jì)流量下的平均流速,m/s。

在計(jì)算單元內(nèi)有支流匯入Q支和取水Q取情況時(shí),計(jì)算公式如下:

a.在概化排污口上游取水時(shí)

b.在概化排污口下游取水時(shí)

式中:Q支、Q取為分別為支流匯入和取水流量,m3/s。

當(dāng)設(shè)計(jì)流量為零時(shí),模型計(jì)算公式為:

2.2 計(jì)算單元和控制指標(biāo)

依據(jù)《河北省水功能區(qū)劃》《邯鄲市生態(tài)水網(wǎng)防治規(guī)劃》,共設(shè)南留旺橋以上段、東武仕水庫、東武仕水庫出庫—成峰路橋段、成峰路橋—張莊橋段、張莊橋—和平橋段、和平橋—蘇里橋段和蘇里橋—出境等7個(gè)計(jì)算單元。由于南留旺橋以上、東武仕水庫屬于飲用水水源保護(hù)區(qū),不允許直接排污,本文中不再計(jì)算納污能力和確定相應(yīng)參數(shù)。

根據(jù)滏陽河水污染的特點(diǎn),以COD、NH3-N為污染控制指標(biāo)。

2.3 模型參數(shù)確定

2.3.1 水質(zhì)目標(biāo)的確定

依據(jù)上游計(jì)算單元水質(zhì)目標(biāo)不能低于其下游單元水質(zhì)目標(biāo)的原則,結(jié)合規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)和用水現(xiàn)狀,蘇里橋以上各段水質(zhì)目標(biāo)確定為Ⅲ類水,蘇里至出境水質(zhì)目標(biāo)確定Ⅴ類水。

2.3.2 設(shè)計(jì)流量的確定

為了使計(jì)算納污能力反映出不同情況下的實(shí)際納污能力,采用4個(gè)方案確定設(shè)計(jì)流量,分別計(jì)算納污能力。

方案1:近10年(1998—2007年)最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)流量。

方案 2:近 10年枯水期平均流量作為設(shè)計(jì)流量。方案3:近10年汛期平均流量作為設(shè)計(jì)流量。方案4:基準(zhǔn)年(2007年)枯水期平均流量作為設(shè)計(jì)流量。

水庫出口—成峰路橋、成峰路橋—張莊橋,蘇里—出境分別采用東武仕水庫壩下、張莊橋、蓮花口水文站實(shí)測(cè)資料;張莊橋—和平橋、和平橋—蘇里的實(shí)測(cè)流量分別根據(jù)文獻(xiàn)[4]進(jìn)行還原。

4種方案確定的各計(jì)算單元的設(shè)計(jì)流量見表1。

2.3.3 設(shè)計(jì)流速的確定

設(shè)計(jì)流速根據(jù)確定的設(shè)計(jì)流量從水文控制斷面枯水期、汛期、最枯月的流量、水位、流速關(guān)系曲線查出相應(yīng)流速來確定。各計(jì)算單元設(shè)計(jì)流速見表1。

2.3.4 污染源的概化

不同計(jì)算單元內(nèi)入河排污口分布千差萬別,一般將排污口分布概化為均勻分布或位于計(jì)算單元中間的一個(gè)集中點(diǎn)。考慮排污量影響,將各排污口至下段面距離與其排污量綜合考慮,計(jì)算加權(quán)平均值以確定概化距離xi,公式為:

式中:xi為污染源概化距離,km;si為排污口至下斷面距離,km;Qi為排污口單口污水排放量,m3/a。

各計(jì)算單元概化后排污口到下計(jì)算斷面的距離xi見表2。

2.3.5 綜合衰減系數(shù)k的確定

污染物綜合衰減系數(shù)k是反映污染物沿程變化的綜合系數(shù)。綜合衰減系數(shù)k值按照300km河長(zhǎng)內(nèi)污染物衰減不超過75%的原則確定[5]。

COD綜合衰減系數(shù)計(jì)算公式為:

式中:u為計(jì)算單元設(shè)計(jì)流速,m/s。

NH3-N綜合衰減系數(shù)為:

各計(jì)算單元中各方案的COD、NH3-N的綜合衰減系數(shù)見表2。

2.3.6 綜合衰減系數(shù)k驗(yàn)證

為驗(yàn)證綜合衰減系數(shù)的合理性,在水庫出口—成峰路橋單元的北開河橋至成峰路橋河段進(jìn)行了試驗(yàn),在上下兩橋布設(shè)采樣點(diǎn),監(jiān)測(cè)COD、NH3-N濃度,同時(shí)測(cè)定斷面平均流速,按照公式(10)計(jì)算k值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

式中:ρ1為河段上斷面污染物質(zhì)量濃度,mg/L;ρ2為河段下斷面污染物質(zhì)量濃度,mg/L;Vs為河段平均流速,km/d;Δx為上下斷面距離,km。

從表3來看,COD綜合衰減系數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,NH3-N綜合衰減系數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果個(gè)別有誤差,但總體一致。因此綜合衰減系數(shù)確定方法符合滏陽河情況。

2.4 納污能力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上確定的模型和參數(shù),各計(jì)算單元不同方案對(duì)應(yīng)的納污能力見表4。

表1 邯鄲市滏陽河不同方案對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)流量、流速

表2 不同方案污染物綜合衰減系數(shù)、排污口概化距離

表3 綜合衰減系數(shù)驗(yàn)證

從表4可以看出,無論采用哪種方案,納污能力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)狀排污量,要改善邯鄲市滏陽河水環(huán)境現(xiàn)狀并達(dá)到規(guī)劃水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),必須對(duì)入河污染物進(jìn)行削減。

表4 邯鄲市滏陽河納污能力統(tǒng)計(jì)t/a

表5 不同流量、流速和綜合衰減系數(shù)所對(duì)應(yīng)的COD納污能力

3 模型參數(shù)影響分析

3.1 污染源概化影響

根據(jù)集中概化法計(jì)算水庫出口—成峰路橋排污口概化距離為15.5km,考慮排污量進(jìn)行加權(quán)計(jì)算的概化距離為21.5km,在其他參數(shù)不變的情況下,納污能力計(jì)算結(jié)果變大。概化點(diǎn)越靠近下游,計(jì)算結(jié)果越小。

3.2 計(jì)算單元上斷面污染物濃度 ρ0影響

上斷面污染物濃度對(duì)計(jì)算單元納污能力的計(jì)算結(jié)果影響較大,納污能力隨上斷面污染物濃度的增大呈直線下降。

3.3 設(shè)計(jì)流量和流速、綜合衰減系數(shù)影響

由于綜合衰減系數(shù)受流量和流速影響,將設(shè)計(jì)流量、流速和綜合衰減系數(shù)一并分析。以成峰路橋—張莊橋計(jì)算單元為例,張莊橋水文站實(shí)測(cè)流量、流速關(guān)系見圖1,根據(jù)公式(8)計(jì)算相應(yīng)綜合衰減系數(shù),模型其他系數(shù)x、xi、ρo、ρs、q、Q取值均不變 ,流速u取值范圍0.183～0.470m/s,綜合衰減系數(shù)kCOD取值范圍0.073～0.188 d-1。不同設(shè)計(jì)流量、流速和綜合衰減系數(shù)情況下COD對(duì)應(yīng)納污能力見表5.

圖1 張莊橋站流量、流速關(guān)系

不同設(shè)計(jì)流速、綜合衰減系數(shù)對(duì)應(yīng)COD納污能力變化見圖2。

圖2 u、k、W 三者關(guān)系

從圖2可以看出:相同流速u情況下,隨著綜合衰減系數(shù)k的增加,納污能力WCOD也相應(yīng)增加;相同綜合衰減系數(shù)k情況下,隨著流速u的增加,計(jì)算單元納污能力WCOD相應(yīng)增加,影響程度逐漸增強(qiáng)。

4 結(jié) 語

a.邯鄲市滏陽河屬于水庫控制河道,由于枯水期農(nóng)田灌溉的需要,枯水期平均流量大于汛期平均流量,枯水期納污能力也高于汛期。現(xiàn)狀排污量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于納污能力,要達(dá)到規(guī)劃水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),必須對(duì)入河污染物量進(jìn)行削減。

b.邯鄲市滏陽河主要屬于平原河道,落差較小,流量增加而流速增加不明顯。根據(jù)設(shè)計(jì)流量確定的設(shè)計(jì)流速可能有誤差。

c.對(duì)于排污口分布復(fù)雜且排污量相差懸殊的單元,在污染源概化時(shí)考慮排污量,采用加權(quán)計(jì)算法確定概化點(diǎn)位置,可準(zhǔn)確反映排污情況。

d.綜合衰減系數(shù)k受自然條件和水體影響較大,經(jīng)驗(yàn)證本文采用的綜合衰減系數(shù)k的確定方法符合滏陽河實(shí)際。

[1]邯鄲市水利局.邯鄲市第二次水資源評(píng)價(jià)[M].北京:學(xué)苑出版社,2008:138-139.

[2]郭鳳震,胡新鎖.邯鄲市水功能區(qū)納污能力及限制排污總量計(jì)算分析[C]//中國水利學(xué)會(huì)第四屆青年論壇論文集,北京:中國水利水電出版社,2008:156-161.

[3]朱健,王平,李捍東.賈河納污能力及排污總量控制分析[J].水資源保護(hù),2009,25(3):48-51.

[4]河北省邯鄲水文水資源勘測(cè)局.邯鄲市城區(qū)雨洪資源研究報(bào)告[R].邯鄲:河北省邯鄲市水文水資源勘測(cè)局,2010:78-115.

[5]河北省水利廳,河北省水文水資源勘測(cè)局.河北省水功能區(qū)納污能力及限制排污總量意見[R].石家莊:河北省水利廳,河北省水文水資源勘測(cè)局,2008:64-65.

Analysis of water environment capacity and impact of model parameters of Fuyang River in Handan

GUO Feng-zhen
(Handan Hydrology and Water ResourcesSurvey Bureau of Hebei Province,Handan 056001,China)

Analyzing water quality of Fuyang River and the current status of sewage outfalls discharging into the river,and according to the current water utilization status of each calculation unit and water quality target,the water environmental capacity of COD andNH3-N were calculated by using one-dimensional water quality model.The impact of factors such as schematization of the pollution sources,design discharge,integrated degradation coefficient of the pollutants and other design conditions on the computation results was discussed.The results indicated that due to the upstream reservoir control,environment capacity of Fuyang River was higher in dry season than that in flood season.Current amount of pollutant discharge wasgreater than the water environment capacity,and the total amount of pollutants discharged into rivers needed to be reduced.

Fuyang River;water environment capacity;one-dimensional model;design conditions

X522

A

1004-6933(2011)03-0020-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.005

河北省水利科研項(xiàng)目(2007-35)

郭鳳震(1966—),河北威縣人,高級(jí)工程師,從事水環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)研究工作。E-mail:shuizhigfz@sina.com

(收稿日期:2010-03-07 編輯:高渭文)