基于概化模型方法的遼河中下游平原區河道污染負荷計算

汪 晶

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

經驗統計以及物理模型為國內外污染負荷計算的兩種主要模型。經驗統計模型主要采用流域地理特征和污染負荷之間的相關性，采用統計學方法對非點源污染負荷進行簡單經驗計算，常用的經驗統計模型采用輸入、輸出系數進行污染負荷的輸出計算[1- 2]。這其中包括SCS降雨徑流模型[3- 4]、通用土壤侵蝕方程(USLE)[5- 6]以及國內水環境容量計算相關標準規范中提出的經驗統計公式等[7- 11]。經驗模型需要的計算數據量較少，且計算原理較為簡單，不需要對污染點源復雜的變化過程進行過多分析，但是受到調查數據量、經驗系數、降水量變化以及下墊面條件變化等多因素影響程度較高。物理模型通過對污染負荷影響因子進行量化，對污染點源的發生變化過程進行模擬。這類方法主要包含的模型有SWAT[8]、CREAMS[9]、AGNPS[10]、EPIC[11]、HSPF[12]等。物理模型對污染負荷的產生、遷移變化過程進行充分考慮，對非點源污染負荷模擬更符合實際情況，且受到區域時空影響因素程度較低，但計算原理較為復雜，需要進行較多參數的設置，對數據量要求標準較高且運行工作量較大。本文分別采用概化模型法和產污系數法計算了遼河流域中下游平原區干流河道納污量。遼河流域中下游平原區干流河道概化模型法是根據河流不同河段污染源分布特點以及具體入河方式，通過實際監測納污河流水體上下游控制斷面污染因子濃度變化，應用二斷面法計算污染因子衰減系數，依據河流一維水質計算公式推算入河污染負荷量。研究成果為遼河流域河道外源污染負荷推算提供了不同的參考方法。

1 概化模型計算污染負荷方法

首先對排污口位于河段內的的污染負荷量進行概化模型計算，計算方程為：

(1)

式中，X1—概化的排污口距離初設計算斷面的距離，km；X2—計算排污口和下一個計算斷面之間的間距,km；QP—斷面計算流量，m3/s；Qe—概化排污口排污量，m3/s；W—納污能力，kg/d；C0—初始斷面水質濃度，mg/L；CS—水質目標濃度，mg/L；u—計算斷面流速均值，m/s；k—計算斷面污染負荷衰減系數綜合值，1/d，該系數主要受到水流條件的綜合影響。各河段綜合衰減系數采用二斷面方法進行計算，該方法主要在恒定均勻河段進行衰減系數的計算，通過對污染負荷量、水流速率以及河段長度進行測定，并對綜合衰減系數進行計算：

k=86.4u×[ln(C1-C2)]/X

(2)

其次對排污口位于功能區上游初始斷面附近(或無排污口)的河段內的的污染負荷量進行概化模型計算，計算方程為：

(3)

變量同方程(1)含義。

2 遼河下游平原區河道污染負荷計算

2.1 遼河各河段污染因子綜合衰減系數率定

選定遼河石佛寺水庫等6個水質監測點作為計算斷面。考慮各監測點之間河段的自然功能，對不同河段的污染負荷的衰減系數進行單獨計算，結合各水質監測點上下游斷面的水質實測數據和納污實際變化進行綜合分析。采用各監測點2020年實際測定的氨氮和 COD負荷量，對不同河段之間各月份的COD以及氨氮的綜合衰減系數進行計算，計算結果見表1—2。

表1 遼河各河段COD綜合衰減系數月變化情況

由 COD 各月份衰減系數變化結果可以看出，遼河各水質監測斷面分別在除冬季外的三個季節出現綜合衰減系數的峰值，各河段衰減系數總體分布在0.01～0.0181 1/d之間，毓寶臺大橋-紅廟子大橋衰減系數變幅區間高于其他4個水質斷面。遼河各計算河段中石佛寺水庫衰減系數變化幅度最小。不同與 COD污染負荷的衰減系數，各河段氨氮衰減系數總體呈現冬春和春夏交替變化，各河段衰減系數總體在0.025～0.70 1/d之間變化，其中馬虎山大橋-毓寶臺大橋氨氮綜合衰減系數變幅最大，石佛寺水庫在整個年份氨氮衰減系數變幅最小，相對變化較為穩定。

表2 遼河各河段氨氮綜合衰減系數月變化情況

2.2 遼河各河段逐月COD納污量推算

結合概化模型方法對遼河下游平原河段選取4個河段作為逐月COD納污量進行推算，各河段長度分別為6.1、32、59.3、79.9km。枯水期遼河流量Q≤150m3/s，根據各河段排污特點，應用不同排污口概化模型進行納污量計算，計算因子為河段考核重要指標化學需氧量COD和氨氮。本次計算流量采用2020年馬虎山水文站、平安堡水文站、遼中水文站各月份實測水文數據。各河段逐月COD納污量推算結果見表3—6。

表3 2020年遼河石佛寺水庫各月份COD納污量推算結果

表4 2020年遼河石佛寺水庫至馬虎山大橋段各月份COD納污量推算結果

表5 2020年遼河馬虎山大橋至毓寶臺大橋段各月份COD納污量推算結果

從2020年遼河石佛寺水庫各月份COD納污推算結果可看出，各河段在2月份的納污量為全年最低值，達到27 t，而在9月份出現全年最高COD納污量。從9月份開始COD納污量逐步遞減變化。從2020年遼河石佛寺水庫至馬虎山大橋段各月份COD納污量推算結果可看出，相比于石佛寺水庫河段，石佛寺水庫至馬虎山大橋段的COD納污量最低值出現在3月份，最大COD納污量出現在6月份，從10月份開始呈現逐步遞減變化。從2020年遼河馬虎山大橋至毓寶臺大橋段各月份COD納污量變化分析可看出，該河段COD 納污量全年最低值出現在4月份，在最大COD納污量出現在11月份，從11月份開始COD 納污量呈現下降變化。毓寶臺大橋至紅廟子大橋河段在2月份出現最低的COD納污量，而最高值主要發生在9月份，從9月份開始，毓寶臺大橋至紅廟子大橋河段COD納污量呈現下降變化。5 月至10月為此區間 COD 污染負荷比較大的時間段，排放量 504～1504.2t。11 月份進入冬季逐月減少。

表6 遼河毓寶臺大橋至紅廟子大橋各月份COD納污量推算結果

2.3 遼河各河段逐月氨氮納污量推算

根據各河段排污特點，應用不同排污口概化模型進行氨氮納污量計算，流量采用2020年馬虎山水文站、平安堡水文站、遼中水文站各月份實測水文數據，計算結果見表7—10。

表7 2020年遼河石佛寺水庫各月份氨氮納污量推算結果

表8 2020年遼河石佛寺水庫至馬虎山大橋段各月份氨氮納污量推算結果

表9 2020年遼河馬虎山大橋至毓寶臺大橋段各月份氨氮納污量推算結果

從2020年遼河石佛寺水庫各月份氨氮納污量推算結果可看出，石佛寺水庫段全年氨氮納污量最低值出現在12月份，僅為1.9t，而最高值出現在4月份，從9月份開始石佛寺水庫段氨氮納污量逐步遞減變化。遼河石佛寺水庫至馬虎山大橋氨氮最高納污量出現在1月份，可達到65.1t，最低值出現在7月份。該河段氨氮負荷主要來源于河口及支流市政排污影響較大。遼河馬虎山大橋至毓寶臺大橋河段氨氮全年最高納污量出現在3月份，最低值出現在11月份。11月份為污染負荷量最小，為0.1t。

表10 遼河毓寶臺大橋至紅廟子大橋各月份氨氮納污量推算結果

11月份進入冬季逐月減少，氨氮排放量微弱。遼河毓寶臺大橋至紅廟子大橋段氨氮納污量全年最高值出現在5月份，最低值主要出現在12月份。10月份后進入冬季氨氮納污量逐月減少。

2.4 遼河各河段不同時期納污量核算

分別對遼河各河段不同時期的納污量進行核算，核算結果見表11—12。

表11 2020遼河各河段不同水期 COD 納污量核算

表12 2020遼河各河段不同水期氨氮納污量核算

從2020遼河各河段不同時期 COD 納污量核算結果可看出，汛期及非汛期石佛寺水庫進入河道內的COD納污量分別達到2871.4t和1920.9t，進入河段內的COD納污量全年總計為4792t。汛期及非汛期石佛寺水庫大壩至馬虎山大橋段入河道內的COD納污量分別達到772.3t和1642.5t，進入河段內的COD納污量全年總計為2411.5t。汛期及非汛期馬虎山大橋至毓寶臺大橋段入河道內的COD納污量分別達615.9t和1310.7t，進入河段內的COD 納污量全年總計為1928.3t。汛期及非汛期毓寶臺大橋至紅廟子大橋段入河道內的COD納污量分別達到4030.7t和2616.9t，進入河段內的COD納污量全年總計為6647.7t。遼河沈陽段2020年全年化學需氧量污染負荷入河量為 15779.5t，汛期化學需氧量污染負荷入河量 8290.3t，非汛期化學需氧量污染負荷入河量7491t。從2020遼河各河段不同水期氨氮納污量核算可看出，汛期和非汛期石佛寺水庫的氨氮納污量分別達到43.5t和138.7t，進入河段內的氨氮納污量全年總計為182.2t。汛期和非汛期石佛寺水庫大壩至馬虎山大橋段氨氮納污量分別達到38.5t和135.3t，進入河段內的氨氮納污量全年總計為173.5t。汛期和非汛期石馬虎山大橋至毓寶臺大橋段氨氮納污量分別達到23.5t和86.2t，進入河段內的氨氮納污量全年總計為108.5t。汛期和非汛期石佛寺水庫大壩至馬虎山大橋段氨氮納污量分別達到61.8t和389.0t，進入河段內的氨氮納污量全年總計為450.7t。遼河沈陽段全年氨氮納污量總計為914.9t，2020年沈陽市汛期降雨量較少，汛期面源污染入河較弱。石佛寺水庫大壩到馬虎山大橋河段入河污染負荷主要來自于沈北新區長河和新城子左小河市政污水匯入影響明顯，其它河段污染負荷主要來自于面源。

3 結論

(1)遼河流域典型河段氨氮和化學需氧量納污量大大超出了理論納污能力。其中氨氮納污量超出納污能力 1.53 倍，化學需氧量納污量超出納污能力 3.45 倍。因此，氨氮和化學需氧量超載是遼河流域平原區典型河段非汛期水質不達標的重要原因。

(2)石佛寺水庫大壩到馬虎山大橋河段入河污染負荷主要來自于沈北新區長河和新城子左小河市政污水匯入影響明顯，其它河段污染負荷主要來自于面源，其中氨氮和COD面源所占比例分別為14.5%和54.9%。

(3)本文未對面源污染來源進行解析、存在不足，在后續研究中還應對遼河下游平原區各河段的污染來源進行深入分析。