新鄉市共產主義渠納污能力模型參數率定

鄭茹楠 李仁杰

新鄉市共產主義渠納污能力模型參數率定

鄭茹楠 李仁杰

一、前言

新鄉市作為正在發展中的中原城市，位于海河流域范圍內，飽受水資源短缺、水污染嚴重的制約，水環境質量差、水生態受損重、環境隱患多等問題十分突出，影響和損害群眾健康，不利于經濟社會持續發展。共產主義渠是流經新鄉縣、新鄉市郊、衛輝市的重要河流，作為泄洪排澇河道主要承接了新鄉市市區和新鄉縣、衛輝市的澇水和污水。對其進行納污能力核定是政府開展水污染防治和污染減排工作的重要依據，對加強工業污染源控制、加大主要污染物減排力度、提高城市污水處理率、改善重點流域水環境質量起到技術支撐作用，是保障人民群眾切身利益和新鄉市全面建成小康社會的必要舉措。

2017年在國務院對全國25個?。ㄊ?、自治區）“十二五”水污染防治規劃的實施情況考核中河南省全國排名第17名。其中海河流域水質較差，個別河流污染較為嚴重，總磷和氨氮污染突出。經過多年治理，地表水主要污染物已由原先的化學需氧量和氨氮，逐漸變為總磷和氨氮。河南省水污染防治攻堅戰明確提出：2017年要初步建立共產主義渠等河流環境流量改善機制，省轄海河流域水質優良（達到或優于Ⅲ類）比例總體達52%以上，為加快推進共產主義渠納污能力核算工作提出了更高的要求。

二、模型選擇

新鄉市共產主義渠納污能力計算單元采用合河水文站和黃土崗水文站測流斷面作為計算斷面。采用理論頻率皮爾遜Ⅲ型曲線，根據豫北地區水文特性，Cs取3倍CV值，確定合河水文站和黃土崗水文站90%、75%保證率最枯月平均流量作為設計流量。點繪水位～流量關系曲線、水位～流速關系曲線，由設計流量查相應水位，再由相應水位查斷面平均流速。

共產主義渠系引黃濟衛人工開挖的泄洪渠道，渠首在武陟縣秦廠，流經武陟縣、獲嘉縣、新鄉縣、新鄉市、衛輝市、?？h，于湯陰縣五陵鎮北入衛河，全長167km。

新鄉市共產主義渠計算單元（合河站至市界）該河段的彎曲系數為1.13，可以視為平直河流。選取合河水文站和黃土崗水文站2002～2016年共計15年的年平均流量資料，合河水文站多年年均流量值為9.69 m3/s，平均流速0.42 m/s；黃土崗水文站多年年均流量值為13.4 m3/s，平均流速0.64 m/s。

依據設計水文條件，河流特征資料確定本次計算單元采用的水質模型。由于新鄉市共產主義渠計算單元（河段）屬于小型河段、彎曲系數較小、寬深比不大，故采用河流一維計算模型。

河流一維計算模型：水質模型以物質守恒定律和化學反應動力學原理為基礎，即：

式中：C—污染物質量濃度，mg/L；

t—污染物在確定區域內降解時間，d；

k—污染物綜合衰減系數，L/d。

對于河道水體流動明顯的河道用一維水質模型模擬。

因為流動河道中，污染物濃度沿程是變化的，上式引進dt=dx/u，并求得其一維水質模型穩態解析解為：

式中：x—與起始斷面間的距離，km；

u—設計條件下河段平均流速，km/d；

C0—起始斷面污染物濃度，mg/L；

其他符號意義同前。

將計算河段內的多個排污口概化為一個集中的排污口，概化排污口位于河段中點處，相當于一個集中點源，該集中點源的實際自凈長度為河段長的一半，設河段長度為L，則污染物自凈長度為L/2。因此，對于功能區下斷面，其污染物濃度為：（-kL/2u）

式中:Q0—功能區設計流量，m3/s；

C0—初始濃度值，mg/L；

k—污染物綜合衰減系數，L/d；

X—縱向距離，km；

u—設計流量下的平均流速，m/s。

其他符號意義同前。

通過上式，可以推導出計算納污能力的公式：

式中：W—功能區納污能力，t/a；

q—功能區入河污水流量，m3/s；

Cs—本功能區水質目標值，mg/L；

其他符號意義同前。

三、參數率定

納污能力計算應根據需要和可能選擇合適的數學模型，確定模型的參數，包括污染物綜合降解系數等，并對計算成果進行合理性檢驗模型計算結果與實測值進行對比修正。

1.初始濃度值C0的確定

依據《河南省水功能區劃報告》（2004），新鄉市共產主義渠合河水文站至六店村107國道公路橋上之間的“共渠河南新鄉市排污控制區”納污能力計算單元初始濃度值按“Ⅳ類水標準值”作為初始濃度，“共渠河南新鄉、鶴壁農業用水區”計算單元初始濃度值按“Ⅴ類水標準值”作為初始濃度。

2.水質目標值Cs的確定

一般采用本功能區的水質目標限制作為Cs。依據《河南省水功能區劃報告》（2004），“共渠河南新鄉市排污控制區和共渠河南新鄉、鶴壁農業用水區”水質目標均為Ⅴ類。

3.綜合衰減系數的確定

污染物綜合衰減系數k常用自然條件下的實測資料率定，率定方法常用二斷面法和多斷面法。本研究采用《全國重要江河湖泊水功能區納污能力核定和分階段限制排污總量控制方案》中海河流域試點研究成果，COD綜合衰減系數取值在0.03～0.19L/d之間，平均為0.10L/d；氨氮綜合衰減系數取值在0.02～0.22L/d之間，平均為0.11L/d。k值計算公式按《河南省重要河湖水功能區納污能力核定和分階段限制排污總量控制方案實施細則》（河南省水文水資源局，2012）提出的《淮河流域及山東半島水資源保護規劃》分析成果，即：

化學需氧量（CODcr）：k=0.050+0.68u

氨氮（NH3-N）：k=0.061+0.551u

式中：u—計算單元設計流速，m/s；

k—綜合衰減系數，L/d。

四、結語

以2016年為例，共渠新鄉市排污控制區主要污染物化學需氧量和氨氮入河量分別為903.32 t/a和94.37 t/a；共渠河南新鄉、鶴壁農業用水區化學需氧量和氨氮入河量分別為181.06 t/a和7.76 t/a。共渠新鄉市排污控制區主要污染物入河量遠大于計算單元（河段）納污能力，共渠河南新鄉、鶴壁農業用水區主要污染物入河量小于其納污能力。結合水質評價結果，共渠河南新鄉、鶴壁農業用水區化學需氧量超標率100%，氨氮超標率83.3%，水功能區不達標，主要是由于上游污染引起。為實現各水功能區達標目標，市政府應與水利、環保、城建、農業等部門按照各自職責，通力協作，在工業污染源控制、城市污水處理、污水回用、農業面源污染控制和水生態修復等方面發揮各自作用■

（作者單位：河南省新鄉水文水資源勘測局 453000）