舉水干流水功能區納污能力計算研究

喻 婷，陳曉群，苗 滕

(湖北省水利水電科學研究院 湖北省水利水電科技推廣中心，武漢 430070)

2002年《中華人民共和國水法》首次明確了“水域納污能力”的概念，此后水域納污能力與水域限制排污總量一起構成了我國水資源保護行業的重要基礎，為相關行業水資源管理提供了有效依據[1]。河流納污能力是判斷河流水質狀況，提升水資源管理水平的有效方法，國內學者們根據其研究河道的特點選取了不同的水質模型并進行了相應的納污能力計算研究。陶淑蕓等采用MIKE11軟件建立薔薇河水文水動力和水質模型，計算和率定薔薇河流域污染負荷和水功能區納污能力[2]，但該研究沒有將污染源進行分區計算，不利于污染物入河總量控制和管理。閆峰陵等根據采用二維水質模型計算金沙江攀枝花河段梯級建設前后COD、氨氮納污能力，分析納污能力受梯級開發影響程度[3]，但該研究沒有優選模型參數及介紹河道設計水文條件，計算結果合理性亦無分析。詹曉群分別采用一維、二維非穩態模型和湖庫均勻混合衰減模型計算東江源區水功能區納污能力，核定限排總量[4]，但未分析污染物削減的類型，不利于治污工作的開展。滕昱采用河流一維水質模型計算大連市重點河流的納污能力及污染物控制排放總量[5]，但該研究沒有按照水功能區進行計算，且分析評價尺度較粗。

本文針對舉水干流中下游麻城～柳子港段進行計算分區，分析得到各分區入河污染源，建立MIKE二維水動力對流擴散模型模擬得到設計水文條件下河段內COD、NH3-N、TP的變化趨勢并優選出水動力水質模型參數，最后采用河流一維模型計算出舉水干流各計算分區的納污能力。通過對比分析各分區納污能力與入河污染物量，研究得到各分區污染物限排方案，為舉水流域開展污染整治行動提供數據支持。

1 水質模型建立

舉水干流中下游麻城～柳子港段長116.69 km，是接納麻城市、武漢市新洲區工業廢水和城市生活污水的主要載體。該河段河床起伏不大，地勢平緩，多為丘陵和河谷平原。為較好地反映舉水污染物空間分布狀況，選用MIKE21模型對水質狀況進行模擬。利用實測水文資料對模型計算所需基本參數、水動力參數和對流擴散參數進行率定選擇。

1.1 模型介紹

舉水中下游段二維水動力及水質的模擬分別通過HD模塊和AD模型進行計算。HD模塊為二維水動力模型，其控制方程為二維淺水方程，包括連續性方程和動量方程。AD模塊為對流擴散模型，與水動力模塊是動態連接的。模擬系統是基于Boussinesq和靜壓假定的二維不可壓縮雷諾平均Navier-Stokes方程的數值算法。

1.1.1 水動力模型原理

(1)水動力模型基本控制方程。笛卡爾坐標系下的二維淺水方程：

(1)

(2)

(3)

該二維淺水方程基于Bousinesq渦黏假定和靜壓假定。

(2)湍流模型。湍流建模采用大渦模擬方法中的Smagorinsky壓格子尺度模型。該模型用一個與特征長度尺度相關的有效渦黏值來描述亞網格尺度輸移。亞網格尺度渦黏值由下式給出：

(4)

式中：cs為定值；l為特征長度；Sij為形變率。

形變率Sij由下式給出：

(5)

(6)

(7)

曼寧系數M可以由底床糙率長度得到：

(8)

1.1.2 水質模型原理

MIKE21對流擴散模型根據HD模塊產生的水動力條件，應用對流擴散方程進行計算。

對流擴散方程：

(9)

對流擴散系數是一個綜合參數項，包含了分子擴散、湍流擴散以及剪切擴散效應。

1.2 計算分區及控制因子

舉水流域計算分區綜合參考水功能區劃成果、縣級行政區劃等因素，共分為10個區。考慮到污染源經概化處理后，計算工作量會大幅度減小[6]，本研究分析計算出各分區的概化污染源，見表1。

根據舉水流域水質現狀評價結論，水體表現出以有機類、營養類污染為主的典型特征，與流域內居民生產生活方式特征相吻合[7]。本研究選取COD、NH3-N、TP作為納污能力分析計算的控制因子。

1.3 地形文件

由舉水流域麻城～柳子港段地形圖，提取高程點數據，生成50×50 m網格地形文件，見圖1。

表1 計算分區及概化污染源統計

Tab.1 Computation of zoning and generalized pollution source statistics

一級功能區名稱二級功能區名稱縣級行政區計算分區編號廢污水量/(萬m3·a-1)主要污染物入河量/(t·a-1)CODTPNH3-N舉水源頭保護區麻城市P1291.30992.7314.06142.50舉水麻城上游保留區麻城市P2453.041378.7319.57201.45舉水麻城開發利用區舉水麻城飲用水源、工業用水區麻城市P3144.93483.946.6680.26舉水麻城排污控制區麻城市P4156.26456.326.2775.86舉水麻城過渡區麻城市P5296.30954.7712.94141.65舉水閔家集～三店保留區麻城市P6732.573140.0341.38459.14新洲區P7367.941282.2417.67198.64舉水新洲開發利用區舉水新洲飲用水源、工業用水區新洲區P8268.94688.649.28100.48舉水新洲～團風保留區新洲區P9617.552330.2428.81310.20團風縣P10461.541984.1622.47308.63合 計3790.3813691.80179.112018.81

1.4 計算流量和下游水位

為滿足設計條件，在現有資料的情況下，上斷面流量過程采用2014-2016年麻城水文站日平均流量，下斷面水位過程采用同時期柳子港水文站日平均水位，模擬時段2014年1月至2016年3月。

1.5 排污口參數

研究河道流經麻城城區，將麻城城區點源污染排放概化為一個源點(圖2)，入河流量為0.81 m3/s，COD、TP和NH3-N的濃度分別為47.71、0.85和8.20 mg/L。

圖2 模型計算區域源點示意圖Fig.2 Schematic diagram of source points in model

2 模型參數率定

MIKE 21FM水動力水質模型參數主要包括渦流黏度、糙率系數、擴散系數和衰減系數。本次研究參考類似河道水動力水質模擬參數取值范圍，通過不斷調整參數取值使水質模擬值和實測值最接近，從而確定模型參數。

3 模擬計算結果

(1)水動力模擬情況。由水動力模型計算可知，研究河段內研究期內流速最大值為0.73 m/s，最小值0.01 m/s，平均流速0.06 m/s(見圖3)。

圖3 研究河道中下游流速模擬值Fig.3 Simulation value of flow velocity in the middle and lower reaches of the river

(2)水質模擬情況。通過水動力水質耦合模擬，得到研究期內河道COD、TP、NH3-N的平均濃度分別為8.39、0.47、0.89 mg/L。通過與舉水干流麻城水文站、新洲柳子港水文站監測資料以及2018年5月現場實測水質結果對比，模擬結果能夠較好研區域內水質變化規律。

在日變化過程中，6、7月污染物濃度顯著大于河流水質管理目標(見圖4～圖6)。主要因為流域內農業活動較多，每年梅雨季節流域內降水顯著增加會攜帶農業面源大規模入河，導致水質惡化。

圖4 COD模擬濃度Fig.4 Simulated concentration of COD

圖5 TP模擬濃度Fig.5 Simulated concentration of TP

圖6 NH3-N模擬濃度Fig.6 Simulated concentration of NH3-N

4 納污能力計算

4.1 計算公式

在納污能力計算中，參數的確定和取值是否符合客觀實際，直接關系到計算結果是否準確合理。本研究直接采用MIKE21模型率定得到的水動力水質參數(表2)進行納污能力核算。

表2 水動力水質模型參數

Tab.2 Parameters in the Hydrodynamic water quality model

參數名稱取值說明模擬時段20141201至20160301舉水中下游段低水期。時間步長300s 實際時間步長隨時間變化,由于網格較小,為了滿足CFL穩定準則,實際計算步長在1～3s之間。水動力參數渦流黏度0.28采用Smagorinsky方程默認值。糙率系數32m1/3/s默認值,介于河流糙率系數適宜范圍內。水質參數擴散系數1.0同水動力渦黏系數的1.0倍。衰減系數COD:0.2d-1TP:0.15d-1NH3-N:0.2d-1參照相關研究成果取初始值,通過模型試算求得最優值。

根據《水域納污能力計算規程》[8]，舉水干流為污染物在橫斷面上均勻混合的中、小型河段，適宜采用河流一維模型，計算公式如下：

(1)河段的污染物濃度按式計算：

(10)

式中：C0為初始斷面的污染物濃度，mg/L；Cx為流經x距離后的污染物濃度，mg/L；x為沿河段的縱向距離，m；u為設計流量下河段斷面的平均流速，m/s；K為污染物綜合衰減系數，s-1。

(2)相應的水域納污能力按式計算：

M=(Cs-Cs) (Q+Qp)

(11)

式中：Q為初始斷面的入流流量，m3/s；Qp為廢污水的排放流量，m3/s；M為水域納污能力，g/s。

(3)入河排污口位于計算河段的中部時(即x=L/2)，水功能區下斷面的污染物濃度及其相應的水域納污能力分別按以下公式計算：

(12)

M=(Cs-Cx=L)(Q+Qp)

(13)

式中：M為污染物入河速率，g/s；Cx=L為水功能區下斷面污染物濃度，mg/L。

4.2 參數確定

本研究河段為舉水干流中游段，上斷面為麻城水文站，下斷面為柳子港水文站。

(1)設計水文條件。選取2006-2016年實測水文資料，計算舉水麻城段最枯月平均流量，以作為現狀水平年的河道生態基流，即5.66 m3/s。根據水動力模型分析計算，在設計水文條件下，計算河段內平均流速均接近0.06 m/s。

(2)河流水質目標濃度Cs和初始斷面污染物濃度C0r。舉水水質目標按地表水環境質量標準[9]Ⅲ類計。各分區水質目標濃度及初始斷面污染物濃度見表3。

表3 舉水干流各分區特性表

Tab.3 Characteristics in all divisions

分區現狀水質類別初始濃度C0r/(mg·L-1)CODNH3-NTP目標濃度Cs/(mg·L-1)CODNH3-NTPP1Ⅱ150.150.02150.50.1P2Ⅱ150.500.10150.50.1P3Ⅱ150.500.10150.50.1P4Ⅳ150.500.10301.50.3P5Ⅳ301.500.30201.00.2P6Ⅲ301.500.30201.00.2P7Ⅲ201.000.20201.00.2P8Ⅱ201.000.20150.50.1P9Ⅱ150.500.10150.50.1P10Ⅱ150.500.10150.50.1

(3)排污口概化。計算河段匯水區內匯集了P3～P7分區的廢污水和主要污染物。采用排污口中點概化的方法，得到計算河段廢污水排放流量為4.39 m3/s，COD、TP、NH3-N入河速率分別為378.27、5.38、57.53 g/s。

(4)污染物綜合衰減系數。污染物進入水體后，水體和污染物之間同時進行著物理、化學和生物作用的過程[10]，即污染物綜合衰減過程。污染物綜合衰減系數對計算水體的納污能力有著重要的影響。根據相關研究，我國河流COD的衰減系數為0.009～0.470 d-1，氨氮的衰減系數為0.105～0.350 d-1。根據漢江相關研究和MIKE21水動力水質模擬分析，綜合優選出計算河段COD、TP和NH3-N的綜合衰減系數分別為0.20、0.15和0.20 d-1。

4.3 計算結果

(1)納污能力核算結果。根據確定的計算模型和參數，得到舉水干流各分區納污能力核算結果(見表4)。

(2)核算成果合理性分析。①基本資料的合理性檢驗：采用近10年日尺度麻城水文站、柳子港水文站的實測水文資料確定納污能力核算的設計水文條件，具備合理性；水質資料來源于湖北省環保廳地表水考核斷面監測評估結果，具備合理性；陸域污染源資料基于當地經濟社會發展水平、產業結構現狀及規劃、GDP、廢污水處理水平等資料分析得出，具備合理性。②計算條件簡化和假定的合理性分析。本研究綜合考慮舉水水功能區劃和行政分區，將其分為10個分區，具備合理性。③數學模型選用、參數確定的合理性分析與檢驗。根據《水域納污能力計算規程》，采用河流一維模型計算各分區的納污能力，水體特征污染物選COD、TP和NH3-N為指標。污染物降解系數綜合參考相似河道的參數取值和本研究水動力水質模型率定結果，具備合理性。④與河流現狀排污情況比較分析。據調查，生產生活方式的不同使得各河段水質指標現狀有所差異，其差異與納污能力核算的結果相吻合。

表4 舉水主要污染物納污能力核算成果

Tab.4 Result of the water environmental capacity calculationin the Jushui River

計算分區功能區類別水質達標情況納污能力CODNH3-NTPP1保護區水質達標992.73142.5014.06P2保留區水質達標1378.73201.4519.57P3開發利用區水質達標483.9480.266.66P4開發利用區水質達標7157.30446.6586.17P5開發利用區水質不達標000P6保留區水質達標3140.03459.1441.38P7保留區水質達標1282.24198.6417.67P8開發利用區水質達標715.22118.7210.52P9保留區水質達標2330.24310.2028.81P10保留區水質達標1984.16308.6322.47合計19464.592266.19247.31

綜上所述，舉水納污能力核算成果具備合理性。

(3)污染物總量限排方案。通過對比分析各分區主要污染物納污能力和入河量，為達到污染物總量控制目標，舉水流域污染物削減工作還應進一步加強。

位于麻城開發利用區過渡區的P5分區污染物削減任務最重，與舉水干流各水功能區水質現狀結果一致。該分區需以核定的納污能力作為限排總量開展污染物削減工作，COD、NH3-N、TP的削減量分別為954.77、141.65、12.94 t/a，重點削減對象為工業污染源以及居民生活源。

5 結 論

本文根據舉水干流水文水質資料，建立了MIKE21水質模型，模擬了舉水干流麻城～柳子港河段中COD、NH3-N和TP的水質變化過程，并按照計算規程分析計算了舉水干流各分區納污能力，結果表明：

(1)模型通過水動力水質耦合模擬，得到了河段內污染物濃度變化過程圖，通過與實測水質資料對比，模擬結果能較好反映區域內水質變化規律。

(2)總體上舉水干流具有一定的納污能力，COD、NH3-N和TP的納污能力分別為19 464.59、2 266.19和247.31 t/a。

(3)根據污染物限排總量分析，舉水流域亟須進行污染物量削減工作，重點削減對象為工業污染源以及居民生活源。

根據舉水干流水質現狀，提出以下幾點討論和建議：

(1)加強城鄉污水處理工程建設，盡快實施舉水河沿岸街道、鄉鎮污水集中處理全覆蓋工程。

(2)加大農業面源治理力度，大力開展生態濕地和生態穩定塘等建設以提高生活廢污水污染物去除率，大力推廣生態循環農業發展模式以提高農田農藥化肥利用率。

(3)流域內麻城市、團風縣和新洲區存在工業聚集區，建議完善工業廢污水監控體系，強化工業廢污水排放管理。

(4)建議加強舉水干流各水功能區交界斷面水質監測力度，各水功能區主管部門應充分溝通、協調，確保交界斷面水質達標，為河道水質改善提供基礎保障。