基于一維水質模型的鹽津河納污能力計算

潘祥東，唐 磊，蒲迅赤，馮鏡潔，李 然

(四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065)

0 引 言

伴隨著城市化進程的快速推進，水資源的普遍短缺已經成為一個嚴重問題。為了更加科學化的管理河流，在其達到生態目標的同時能充分利用當地水資源發展經濟，納污能力作為一個重要的指標，將水體對污染物的承載能力量化地表示了出來[1]。

環境容量的概念在1968年首先由日本學者提出[2]。國外對于水環境容量的研究成果很豐富，歐美學者一般用同化容量、最大允許納污量、水體容許排污水平、稀釋容量等類似概念[3-5]。1972年，美國國家環保總局(USEPA)提出了TMDLs(Total Maximum Daily Loads)計劃，即最大日負荷量，是指針對某一污染物，在滿足水質標準情況下，水體能夠承載的該污染物的最大日負荷量，該計劃能夠較快速的反映水質情況與水環境質量之間的動態聯系[6]。加拿大學者Vollenweider于1975年提出Vollenweider模型，紐約市環保局利用該模型計算出當地河流總磷的最大日負荷量和當前實際負荷量[7]。日本于20世紀80年代確立了以COD總量控制制度，并在東京灣等三個封閉海域推廣到更多指標的總量控制。歐盟國家于2000年頒布歐盟共同水政策框架指令，政策實施后，水環境狀況得以改善[8]。美國佛羅里達環境保護署于21世紀初針對Okeechobee湖頻繁爆發水華而開展了研究工作，確定了基于最大日負荷量的TP的水質濃度目標[9]。Dennis在2002年提出了計算水體中硒元素的環境安全最大日負荷量的方案，將TMDLs計劃用于硒元素，旨在使硒元素濃度保持低于威脅魚類和水生鳥類繁殖的水平[10]。Walton等基于OTIS模型利用空間水質數據和溶質運移模擬對最大日常負荷量進行了預測，取得了良好的效果[11]。Linker等在2013年基于最大日負荷量計劃對切薩皮克灣的總氮和總磷的營養負荷分配，方案實施后當地水質得到改善[12]。Camacho等在2018年針對TMDLs計劃在使用時缺少不確定分析的問題提出了使用Bayesian框架計算最大日負荷量的構想，并且應用在佛羅里達州的Sawgrass湖[13]。

“水域納污能力”的概念由“水環境容量”拓展而來。我國關于環境容量的研究開始于20世紀70年代，但在定義上沒有確切統一的論述。張永良[14]認為水環境容量是水體在不破壞其確定的水質目標的前提下可以容納的污染物量，這種說法得到了不少人的認可。“納污能力”在1998年第一次出現在全國水資源保護規劃中，《中華人民共和國水法》確定了它的定義[15]。水體納污能力計算量化了水域污染物最大排放量，成了經濟發展與水質保護的紐帶。周孝德等于1999年提出可以使用段首、段尾和功能區段末控制法在一維穩態條件下計算河流納污能力，并且應用于渭河干流陜西段[16]。吳師等利用一維水質模型估算了河流動態納污能力，預測不同排污量對河段的水質影響[17]。2010年，水利部出臺的《水域納污能力計算規程》(GB/T 25173-2010)[1]制定了水體納污能力數學模型計算的國家標準，進一步規范了納污能力計算方法。Kang等在2012年根據珠海市福山工業園區的環境與社會經濟現狀和發展規劃，建立了納污能力綜合評價指標體系[18]。王富強等于2014年對新鄉市河流納污能力進行計算分析，并且依據計算結果進行污染物削減[19]。張曉等于2017年基于一維水質模型，建立了考慮取水口和支流的納污能力計算模型[20]。黃一凡等在2019年進行了基于水位-面積-湖容關系的東洞庭湖動態納污能力分析，測算不同水文水質條件下的東洞庭湖動態納污能力系數以及COD、NH3-N的動態納污能力[21]。

1 納污能力計算模型

根據《水域納污能力計算規程》[1]，選擇合適的數學模型進行水質模擬及納污能力計算。本文采用混合模型和一級動力學方程計算出特定斷面水質情況，再結合納污能力計算模型計算出河流納污能力。河段水質計算流程見圖1。

圖1 河段水質計算示意圖Fig.1 Schematic diagram of river water quality calculation

1.1 混合模型

采用流量加權混合模型來計算干支流混合及污水排放后水體的污染物濃度，數學方程可表示為：

(1)

式中：C0為廢水與河水完全混合后的污染物濃度，mg/L；Q1為排污口上游來水流量，m3/s；C1為上游來水的水質濃度，mg/L；Q2為污水流量，m3/s；C2為污水中污染物的濃度，mg/L。

1.2 一級動力學方程

污染物在進入水體后的輸移過程中通過物理、化學及生物的作用發生濃度衰減。在降解過程中污染物的濃度隨時間的變化可以用一級動力學方程進行描述[22-24]，即：

(2)

式中：Cx為距離初始斷面x km處的污染物濃度，mg/L；C0為污染物初始濃度，mg/L；k為污染物綜合衰減系數,1/d；x為河段長度，km；u為河段平均流速，km/d。

1.3 納污能力計算模型

根據《水域納污能力計算規程》(GB/T 25173-2010)，采用適用于污染物均勻混合的小型河段計算模型，計算鹽津河納污能力，其計算模型如下：

M=31.536 (Cs-Cx) (Q+Qp)

(3)

式中：M為計算單元的納污能力，t/a；Q為河段上斷面的設計流量，m3/s；Qp為計算單元旁側入流流量，m3/s；Cs為計算單元水質目標濃度值，mg/L；Cx為控制斷面污染物濃度值，mg/L。

2 鹽津河納污能力計算

2.1 鹽津河水質現狀

鹽津河系赤水河右岸一級支流，流域面積265 km2，主河道河長36 km，平均比降2.17%，多年平均流量為3.11 m3/s。鹽津河及其支流的控制區域見圖2，鹽津河的水質目標為地表Ш類水質標準。

圖2 鹽津河控制區域圖Fig.2 Yanjin river control area

仁懷市環境保護監測站和貴州開磷質量檢測中心有限責任公司在2016年對鹽津河匯口斷面水質進行了監測，如表1所示。鹽津河匯口監測斷面位于鹽津河匯入赤水河前1 km處。從監測結果來看，匯口斷面在2016年所監測的12月NH3-N和TP出現了嚴重超標的情況。

2.2 污染源現狀調查及預測

計算區域內污染源包括點源污染和面源污染。鹽津河入河的廢水主要為生活廢水和工業廢水，其主要成分為COD和NH3-N，同時監測到該河流TP存在超標的情況，因此，以COD、NH3-N和TP作為控制因子來進行河流納污能力計算。據統計，現狀年鹽津河污染物入河量中COD為1 067.9 t/a、NH3-N為131.8 t/a、TP為17.0 t/a。根據鹽津河的實際情況，同時結合當地的經濟發展和人口增長情況，對2030年進行了污染源進行預測，預計在2030年污染物入河量中COD為1 608.2 t/a、NH3-N為163.0 t/a、TP為16.4 t/a。現狀年與預測水平年污染物入河量如圖3所示。

表1 水質現狀監測情況 mg/L

圖3 現狀年與預測水平年污染物入河量Fig.3 Annual pollutant inflow into river at current and predicted levels

2.3 控制單元劃分及邊界條件的確定

由于鹽津河支流魚鰍河流量很小，因此僅對鹽津河干流進行計算。按照鹽津河的地理狀況將其劃分為三個控制單元，具體情況如下：

(1)鹽津河上游河流段(以后稱鹽津上游段)。以石板塘水庫源頭，流經蒼龍、中樞街道后到鹽津河水庫庫尾，長18 km。

(2)鹽津河水庫段(以后稱鹽津河水庫)。鹽津河水庫位于仁懷市鹽津街道鹽津村，90%保證率最枯月平均水位為620 m,相應庫容為2800 萬m3。

(3)鹽津河下游河流段(以后稱鹽津下游段)。鹽津河水庫壩址至小河口(赤水河匯入口)，長10 km。

根據現狀年2016年實測水文資料，采用保證率為90%的最枯月平均流量作為設計流量，計算河流納污能力。鹽津河各計算單元邊界條件見表2。點源污染按照其實際位置添加進入各控制單元，面源污染以線源的方式添加進入各控制單元。

2.4 參數率定

衰減系數k反映了污染物在水體中降解速度的快慢。污染物綜合衰減系數與河流的水文條件、污染物的具體性質、特征等因素有關。根據鹽津河實際情況，同時參考當地類似規模的河流的綜合衰減系數取值，對河道和水庫中的污染物綜合衰減系數分別取值。各指標綜合衰減系數見表3。

表2 鹽津河不同水平年各控制單元計算邊界條件Tab.2 Boundary conditions calculated by control units of yanjin river at different levels

表3 各水質指標綜合衰減系數取值表Tab.3 Values of comprehensive attenuation coefficient of each water quality index

2.5 納污能力計算結果及分析

根據鹽津河各控制單元流量及污染源等邊界條件，采用一維水質模型計算得到各控制斷面水質濃度，在此基礎上采用納污能力計算公式(3)，計算得到各控制單元納污能力，詳見表4。在現狀年(2016年)，COD納污能力為-89.6 t/a，NH3-N為-36.2 t/a，TP為-1.0 t/a；在規劃水平年(2030年)，COD納污能力為-397.5 t/a，NH3-N為-89.9 t/a，TP為-5.5 t/a。從計算結果看，現狀年除鹽津河水庫外，其余控制單元納污能力均為負值，現狀年水環境壓力凸顯。規劃水平年，由于區域供水量增加，污染負荷加大，各控制單元納污能力均為負值，表明在區域供水規劃的基礎上，污染負荷超過河流的自凈能力。

表4 鹽津河不同水平年納污能力計算結果表Tab.4 Calculation results of annual pollution carrying capacity of yanjin river at different levels

3 污染物總量控制策略

按照防治結合的原則，針對各控制單元污染特征和目標，依據當地已有的規劃策略，制定了規劃水平年(2030年)控制策略。

在鹽津上游段已經規劃的策略為提高城鎮污水處理率、提高畜禽養殖糞污資源化利用率、飲用水源地達到目標水質要求并保持優良、減少萬元工業增加值用水量；提高工業用水重復利用率。在規劃水平年的控制策略為污水再生利用率達到35%、面源污染物削減50%、污水截流去除外源污染、提高枯水期生態流量使初始斷面流量增加到0.9 m3/s、人工濕地削減污染物50%。

鹽津河水庫和鹽津下游段的已經規劃的策略為提高城鎮污水處理率、提高畜禽養殖糞污資源化利用率、減少萬元工業增加值用水量、提高工業用水重復利用率。在規劃水平年鹽津河水庫的控制策略為污水再生利用率達到35%、面源污染物削減50%、污水截流去除外源污染。鹽津下游段規劃水平年策略在鹽津河水庫的基礎上新增人工濕地削減污染物50%。

根據污染控制策略，采用納污能力計算公式(3)，計算得到2030年規劃實施后各控制單元納污能力，結果如表5所示。規劃水平年(2030年)本次規劃實施后與當地已有規劃實施后相比，COD削減量為722.3 t/a，NH3-N削減量為97.2 t/a，TP削減量為9.3 t/a。各控制單元納污能力明顯提高，鹽津河控制單元納污能力為正值。其控制斷面濃度能滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中Ⅲ類水質標準[25]。

表5 規劃實施后各控制單元納污能力改善效果統計表(2030年) t/a

4 結 語

通過調查鹽津河水質現狀，同時結合當地的經濟發展和人口增長情況，對2030年進行了污染源預測。利用水質一維模型分別模擬了鹽津河三個控制單元的水質情況，并采用納污能力計算模型計算了現狀年(2016年)和規劃水平年(2030年)鹽津河的納污能力。在現狀年，COD納污能力為-89.6 t/a，NH3-N為-36.2 t/a，TP為-1.0 t/a；在規劃水平年，COD納污能力為-397.5 t/a，NH3-N為-89.9 t/a，TP為-5.5 t/a。鹽津河在設計水文條件下污染物入河量遠遠超過其自身自凈的能力，納污能力結果為負值。最后根據計算結果，分別對鹽津河各控制單元分別提出了相應的水污染防治策略。策略實施后，規劃水平年鹽津河已經達到其生態目標。

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