嘉魚縣水功能區(qū)納污能力計算方法的探討

張凡

[摘 要]從水功能區(qū)納污能力的概念出發(fā)，探討嘉魚縣水功能區(qū)納污能力計算方法。選取需要改善水質的渡普河保留區(qū)作為河流水功能區(qū)的代表、選取水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化的大巖湖保留區(qū)作為湖庫水功能區(qū)的代表，分別選取合適的水質模型，并對模型參數(shù)進行估算，最終計算出各水功能區(qū)現(xiàn)有納污能力，從而為嘉魚縣水資源保護與規(guī)劃提供科學依據(jù)。

[關鍵詞]水功能區(qū)；納污能力；水質模型；計算

[中圖分類號]X52 [文獻標識碼]A

水功能區(qū)納污能力是指在滿足水域功能要求的前提下，在給定的水功能區(qū)水質目標、設計水量、入河排污口位置及排污方式下，水功能區(qū)水體所能容納的最大污染物量。納污能力是實施水功能區(qū)管理的基本依據(jù)。

中共中央2011年1號文件《中共中央國務院關于加快水利改革發(fā)展的決定》明確提出建立水功能區(qū)限制納污制度。同年湖北省水利工作會上，再次提出了“各級政府要把限制排污總量作為水污染防治和污染減排工作的重要依據(jù)，完善水功能區(qū)劃，科學核定河（湖、庫）水功能區(qū)的納污能力，制定入河（湖、庫）污染物排放總量控制指標”。

納污能力核定是制定限排總量控制方案的基礎，而納污能力核定和限排總量控制方案的制定既是落實國家最嚴格水資源管理制度、建立納污紅線的具體措施，也是改善水域環(huán)境、有效控制污染物進入水域的重要依據(jù)，并為水資源保護、水污染防治工作提供重要技術支持。

1 計算范圍與內容

1.1 計算范圍

本次納污能力計算主要是以探討嘉魚縣水功能區(qū)納污能力的計算方法為目的，選取了渡普河和大巖湖分別作為河流和湖庫的代表進行納污能力計算。

1.2 計算指標

根據(jù)區(qū)域水質現(xiàn)狀和水污染特點，本次納污能力計算中渡普河控制指標確定為CODMn、NH3-N和TP，大巖湖控制指標確定為TN和TP。

1.3 計算內容

本次納污能力計算以水功能區(qū)為單元，綜合嘉魚縣當?shù)氐乃乃Y源情況、入河（湖）排污口狀況及水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀，選取合適的模型分析得出的，直接反映了水域的水環(huán)境承載能力。

2 計算條件

2.1 設計水文條件

2.1.1 設計流量或庫容的確定

水功能區(qū)納污能力計算的設計條件，以計算斷面的設計流量（水量）表示。根據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》，現(xiàn)狀條件下，一般采用最近10年最枯月平均流量（水量）或90%保證率最枯月平均流量（水量）作為設計流量（水量）。集中式飲用水水源地，采用95%保證率最枯月平均流量（水量）作為其設計流量（水量）。無水文資料的，采用內插法、水量平衡法、類比法等方法推求設計流量。

湖（庫）的設計水量一般采用近10年最低月平均水位或90%保證率最枯月平均水位相應的蓄水量。根據(jù)湖（庫）水位資料，求出設計枯水位，其所對應的湖泊（水庫）蓄水量即為湖（庫）設計水量，水庫也可采用死庫容相應的蓄水量作為設計水量。本次計算的大巖湖因缺乏水位資料采取湖泊規(guī)劃中的生態(tài)水位所相應的畜水量作為設計水量。

2.1.2 斷面設計流速的確定

無資料時，采用經(jīng)驗公式V=αQβ計算斷面流速，α、β為經(jīng)驗系數(shù)，由實測資料回歸將實測流速轉換為設計條件下的流速。

2.2 入河排污口的概化

污染物一般是沿河岸分多處排放的，一般受資料和經(jīng)費所限，很難準確計算每一排污口所排放的污染物對河流水質的影響。為簡化計算，需要將計算河段內的多個入河排污口概化為一個集中排污口。本次計算中排污口概化采用權重法，通過每一個排污口對河段內排污總量的貢獻值確定概化后排污口的位置，公式見式（2.2）。另外，如有較大支流，則將支流作為入河排污口處理，排放流量為支流入河前的斷面流量。因渡普河屬于小型河段，無較大支流，故本次報告中可不考慮支流的排放量。

3 計算模型的選擇及其模型參數(shù)估算

3.1 模型的選擇

3.1.1 渡普河

渡普河為寬深比不大的中小型河流，污染物質在較短的河段內，基本能在斷面內均勻混合，斷面污染物濃度橫向變化不大，根據(jù)污染物擴散特性，宜采用一維水質模型計算納污能力。

此次計算結合水環(huán)境容量的概念，不考慮現(xiàn)狀污染物的濃度影響，只考慮河段的入河流量影響，通過公式（3.1）以及物料平衡原則，推導出河段污染物濃度計算公式，推導過程如下，其中圖3-1為計算示意圖。

圖中，各參數(shù)的單位同前。其中，河段長度為L，初始斷面濃度為C0，入流流量為Q，概化后排污口的污染物濃度為Cp，排放流量Qp，入河速率m（m=CpQp），距終止斷面距離為x。污染物流經(jīng)排污口前的濃度為C1，根據(jù)公式（3.1），計算得到C1濃度：

則公式（3.6）即為河流一維模型納污能力計算公式。

式中，M為水域納污能力，g/s；C0為初始水質濃度，mg/l；CS 為水質濃度目標值，mg/l；K為污染物綜合衰減系數(shù)，1/s；L為河段長，m；u為設計流速，m/s；Q為初始斷面的入流流量（設計值），m3/s；QP為廢污水排放流量，m3/s。

3.1.2 大巖湖

依據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》（GB/T 25173-2010）之規(guī)定，對于湖（庫）及河段在數(shù)學模型的選擇均作出了明確的規(guī)定。

根據(jù)水質監(jiān)測結果顯示，大巖湖呈輕度富營養(yǎng)化，其營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)超過了50，宜采用富營養(yǎng)化模型計算納污能力。

式中，MN為氮或磷的納污能力，t/a；Ls為單位湖（庫）面積上氮或磷的納污能力，mg/m2a；A為湖（庫）水面積，m2；Ps為湖（庫）中氮（磷）的年平均控制濃度，g/m3；h為設計流量下湖（庫）的平均水深，m；Qa為湖（庫）的年入流水量，m3/a；Rp為氮、磷在湖（庫）中的滯留系數(shù)，1/a；V為設計條件下的湖（庫）容積，m3；W出為年出湖（庫）的氮、磷量，t/a；W入為年入湖（庫）的氮、磷量，t/a。

3.2 模型參數(shù)的確定

3.2.1 初始濃度值C0的確定

根據(jù)上一個水功能區(qū)的水質目標值來確定C0，即上一個水功能區(qū)的水質目標值就是下一個功能區(qū)的初始濃度值C0。

源頭水初始濃度C0可根據(jù)實際情況取GB3838-2002中Ⅰ或Ⅱ類水目標極限值或直接取源頭水在設計流量下的實測濃度。

3.2.2 目標濃度值Cs的確定

各水功能區(qū)水質目標的確定是納污能力計算的基本依據(jù)。水功能區(qū)水質目標的取值，主要以水功能區(qū)劃確定的水功能區(qū)類別為依據(jù)。

水質控制指標采用能反映水體污染特征的高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮和總磷作為必控指標，其標準值執(zhí)行《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002），詳見表3-1。

3.2.3 綜合衰減系數(shù)K的確定

為簡化計算，在水質模型中，將污染物在水環(huán)境中的物理降解、化學降解和生物降解概化為綜合衰減系數(shù)K。

本次計算中的渡普河，其綜合衰減系數(shù)K采取《水域納污能力計算規(guī)程》（GB/T 25173-2010）中的兩點實測法進行確定。

選取一個順直、水流穩(wěn)定、無支流匯入、無入河排污口的河段，分別在其上游（A點）和下游（B點）布設采樣點，監(jiān)測污染物濃度值和水流流速，按下式計算k值：

實測法均監(jiān)測3組數(shù)據(jù)取其平均值。

4 納污能力計算成果與分析

4.1 納污能力核定成果

嘉魚縣渡普河納污能力計算結果：CODMn共計27.09t/a，氨氮9.64 t/a，總磷4.67 t/a。嘉魚縣大巖湖納污能力計算結果：總磷7.40 t/a，總氮88.48t/a。

4.2 合理性分析

4.2.1 渡普河

根據(jù)嘉魚縣水利局提供的資料和實地調查，渡普河河段內較明顯入河排污口有5處，根據(jù)污染物入河量計算結果顯示高錳酸鹽指數(shù)和總磷的入河污染量小于其納污能力，氨氮的入河污染量超過了其納污能力較多，與水質監(jiān)測結果中的氨氮含量超標一致。

4.2.2 大巖湖

根據(jù)現(xiàn)狀監(jiān)測分析，大巖湖整體水質較差，主要超標污染物為總磷、總氮，且根據(jù)水質監(jiān)測結果，總磷、總氮明顯超標，且水體呈現(xiàn)輕度富營養(yǎng)化。

根據(jù)嘉魚水利局提供的資料結合實地調查，大巖湖雖然無明顯入河排污口，點源污染控制較好，但面源污染較為嚴重。周邊農業(yè)畜禽污染及水產(chǎn)養(yǎng)殖污染較為嚴重，居民大范圍養(yǎng)魚。目前，大巖湖養(yǎng)殖面積近兩萬畝，已接近湖泊水面的80%，養(yǎng)殖密度過大，大大超過了湖泊的生態(tài)環(huán)境承載能力。隨著大巖湖發(fā)展圍欄圍網(wǎng)養(yǎng)殖、精養(yǎng)魚池，不僅致使湖區(qū)水體有機污染嚴重，而且圍網(wǎng)阻礙水體的自然流動，嚴重影響水體的自凈功能。主要污染指標有COD、TN、TP、NH3-N等，其中總磷、總氮污染含量已經(jīng)超過其納污能力，與湖區(qū)水質監(jiān)測結果中高錳酸鹽指數(shù)略微超標、總氮多次超標、總磷含量超標1倍、水體呈現(xiàn)輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)的結果基本一致。

綜上所述，結合入河排污口和面源污染調查情況綜合考慮，本次納污能力計算成果基本符合嘉魚縣內水功能區(qū)的水質現(xiàn)狀及變化趨勢。

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