山西汾河復流前后水環境承載能力分析

張澤宇,梁存峰

(1.太原理工大學水利科學與工程學院,山西太原 030024;2.晉中水文水資源勘測分局, 山西晉中 030600)

汾河一直是山西省經濟發展的重要資源保障之一。隨著經濟的發展,迅速增長的工農業生產和城市生活取水量使得大部分汾河水量被引用消耗,河道實際流量迅速減少。據統計,汾河流域1980—2000 年平均地表水利用消耗率為64.8%,同期平均匯入黃河的水量為58 471 萬m3。根據水文站歷年觀測資料分析,汾河水庫以上各監測斷面未有河干和斷流現象出現,汾河水庫以下各站除趙城、河津兩站外均不同程度出現河干和斷流現象,其中斷流最嚴重的汾河二壩站平均斷流138 d/a,義棠站平均斷流100 d/a[1]。大量未經處理達標的污水直接排入河道,使汾河干流水質遠低于山西省水功能區劃規定的水質目標。2008年山西省政府提出再現“汾河流水嘩啦啦”和汾河水生態明顯改善的目標,在汾河上中游和下游分別建設了萬家寨引黃入晉工程南干線和臨汾馬房溝引沁入汾工程兩個大型調水工程。引黃入晉工程南干線向汾河引水3.2 億m3/a,臨汾馬房溝引沁入汾工程設計引水量5 902 萬m3,除滿足生產、生活用水外,用于維持汾河生態需水,保證汾河不斷流。污染治理是清水復流工程的一個重要方面。筆者重點針對功能區水質目標,根據1956—2006 年系列不同水文條件分析計算汾河復流前后的納污能力,旨在為汾河清水復流后水環境的綜合治理提供參考依據。

1 復流前水功能區達標狀況

根據《山西省水功能區劃》, 汾河干流總長693.8 km,共劃分5 個一級水功能區：靜樂源頭保護區、靜樂婁煩開發利用區、古交保留區、太原運城開發利用區和河津緩沖區。在開發利用區內又劃分了20 個二級水功能區,具體見表1。

表1 汾河復流前水功能區納污能力

汾河干流有入河排污口110 處(包括入汾支流口15 處),其中入河廢污水量小于300 萬m3/a 的排污口81 處,300 萬～500 萬m3/a 的排污口8 處,大于500 萬m3/a 的排污口21 處,廢污水入河量達33 654萬m3/a,COD 入河量達49 843 t/a,NH3-N 入河量達9 015 t/a。在不同水功能區上,污廢水排放主要集中在排污控制區, 其污廢水年排放量達17 413萬m3/a,COD 入河量達31 326 t/a,NH3-N 入河量達6 858 t/a。

根據2006 年汾河水功能區水質監測資料,汾河干流23 個功能區中,水質達到Ⅱ類的功能區為1 個;達到Ⅲ類的為1 個;達到Ⅳ類的2 個;達到劣Ⅴ類的19個,占汾河水功能區總數的82.6%。對照水功能區水質目標,僅3 個功能區水質達標,達標率僅為13%。

2 納污能力計算與分析方法

納污能力計算的重點區是水功能區的開發利用區(飲用水源區除外),對于需要改善水質的保留區和緩沖區,也同時計算其納污能力。根據各二級水功能區的設計條件和水質目標,以各水功能區為計算單元,自上而下逐段進行水域納污能力計算。

2.1 選用模型

根據污染物在各河段橫斷面上均勻混合的特點,采用河流一維模型[2-4]：

式中：W 為水功能區納污能力,t/a;Q 為水功能區設計流量,m3/s;q 為水功能區入河污水量,m3/s;ρs 為水功能區水質目標,mg/L;ρ0為水功能區上斷面污染物質量濃度,mg/L;k 為污染物綜合降解系數,d-1;x 為水功能區上斷面到下斷面的距離,km;x1為簡化后排污口到下計算斷面的距離,km;u 為水功能區設計流量下的河段平均流速,m/s。

2.2 水功能區水質目標的確定

水功能區水質目標按照《山西省水功能區劃》規定的水質目標對照相應標準予以確定。以COD、NH3-N 為主要污染控制指標。

2.3 水功能區設計流量和流速的確定

①設計流量。汾河復流前,有水文站的水功能區,設計流量采用1956—2006 年系列實測資料進行分析計算。無水文資料的河段,設計流量按以下原則確定：距水文站較近,區間無較大支流加入或大的取水口,直接借用鄰近水文站的資料推求設計流量;距水文站較遠,區間有較大支流加入或大的取水口,通過水量平衡計算,確定設計流量。汾河復流后,各控制站設計流量采用“汾河清水復流工程水量調度方案”中的相應資料確定。 ②設計流速。有水文資料的根據水文站斷面水位流速關系確定;無水文資料的,采用曼寧公式[5]計算。

2.4 綜合降解系數的確定

綜合降解系數根據汾河實測資料確定,COD 的k 值取值范圍在0.20 ～0.48d-1,平均為0.34d-1;NH3-N 的k 值取值范圍在0.12 ～0.32d-1,平均為0.22d-1[6]。

3 納污能力分析

3.1 復流前不同水量條件下納污能力

根據SL 348—2006《水域納污能力計算規程》,采用90%保證率最枯月平均流量對汾河復流前即汾河未實施引黃、引沁輸水前的納污能力進行分析計算。經計算,復流前COD 和NH3-N 的納污能力分別為21 687 t/a 和975 t/a,其中開發利用區納污能力分別為20 875 t/a 和941 t/a,占各功能區納污能力總和的96.3%和96%(表1)。

為反映汾河在不同水量條件下的納污能力,結合北方季節性河流的特點,選取不同保證率(20%、50%、75%及95%)枯季(10 月至翌年5 月)平均流量進行納污能力的分析計算(表2)。結果顯示：在不同保證率來水條件下,COD 的平均納污能力由95%保證率來水條件下的29 495 t/a,增大到20%保證率來水條件下的85 375 t/a,增加了1.89 倍;NH3-N 平均納污能力由95%保證率來水條件下的1 343 t/a,增大到20%保證率來水條件下的3 054 t/a,增加了1.27 倍。

偏枯水年、枯水年枯季(75%、95%保證率來水條件)全河COD、NH3-N 總納污能力小于現狀污染物入河量,也即在偏枯水年、枯水年現狀污染物入河量大于汾河本身的水環境承載能力。平水年(保證率50%來水條件)全河COD 納污能力總體上大于現狀污染物入河量,但太原、介休、霍州、稷山等區縣污染物現狀入河量仍大于其納污能力,表明上述城市附近河段污染物入河量已超過其水環境承載能力。偏豐水年(20%保證率來水條件)全河總納污能力遠大于現狀污染物入河量,但就局部河段如太原市區、介休等區縣所在河段而言,其納污能力仍小于現狀入河量,尤其是太原市現狀入河量為其納污能力的1.6 倍。

3.2 復流后納污能力

汾河復流后各控制站設計流量采用山西省水利廳編制的《汾河清水復流工程水量調度方案》中相應資料。復流后各控制斷面設計流量平均較復流前增大0.5 m3/s 左右。汾河入黃口設計流量由復流前的0.12 m3/s 增加為復流后的1.34 m3/s。經計算,復流后COD 和NH3-N 的納污能力分別為30 275 t/a和1 283 t/a(表3)。

表2 復流前不同水量條件下水功能區納污能力 t/a

表3 汾河復流后水功能區納污能力 t/a

4 污染物總量控制方案

4.1 限排總量

考慮汾河中下游水質已遭受嚴重污染的實際,本次限制排污總量的原則是流域內各行政區排放的主要污染物總量不再增加,具體計算方法為：若功能區現狀入河量小于或等于該功能區允許納污量,則將該目標控制總量視為功能區入河污染物控制總量;反之,將該功能區允許納污量作為其入河污染物控制總量。分析計算得汾河干流復流后COD、NH3-N 限制排污總量分別為25 139 t/a 和1 158 t/a。

4.2 現狀排放削減率

以各功能區納污能力以及現狀污染排放狀況為基礎,統計得出汾河干流復流后水力條件下,COD、NH3-N 應削減量分別為24 704 t/a 和7 857 t/a(表4),平均削減率分別為49.6%和87.2%。現狀排放各行政分區主要污染物削減率見圖1。

表4 汾河復流后現狀排放行政分區污染物削減量 t/a

圖1 現狀排放各行政分區主要污染物削減率

4.3 達標排放削減率

達標排放削減率是指假設現有排污口都達到污水綜合Ⅱ類排放標準,按照水功能區納污能力和限制排污總量的要求計算的污染物削減率[7]。以汾河干流主要行政區為單元,達標排放后COD、NH3-N 入河量分別為38 247 t/a 和5510 t/a,仍不能滿足各水功能區的水質目標, 仍需削減15 936t/a和4 356 t/a。達標排放后COD、NH3-N 平均削減率41.7%和79.0%,各行政分區主要污染物削減率見圖2。

圖2 達標排放后各行政分區主要污染物削減率

5 結 語

經計算,汾河復流前COD 和NH3-N 的納污能力分別為21 687 t/a 和975 t/a,其中開發利用區納污能力分別為20 875 t/a 和941 t/a,占各功能區納污能力總和的96.3%和96.6%。

復流后各功能區COD 和NH3-N 的納污能力分別為30 275 t/a 和1 283 t/a,總納污能力分別較復流前增加39.6%和31.6%。限制排污總量分別為25 139 t/a 和1 158 t/a,污染物削減量分別為24 704 t/a和7 857 t/a,平均削減率分別為49.6%和87.2%。若各入河排污口達標排放后,COD、NH3-N 仍要削減15 936 t/a 和4 356 t/a。

可見要達到“汾河清水復流”的水質目標要求,污染源達標排放是遠遠不夠的,必須依據限制排污總量進行控制：①要以水功能區管理為載體,依法向環保部門提出限制排污的意見;②要加強重要斷面的水質監測以及入河排污總量的監控,將確定的水功能區納污能力作為污染物減排依據和河道管理依據;③強化入河排污口審批和監督檢查,嚴格污染物總量控制和污染物濃度控制,確保水質目標的最終實現[8]。

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