基于平原河網模型的控制單元污染物允許排放量分配研究

周超 徐文文 王永泉 嚴天宇

（1.華設設計集團股份有限公司，江蘇南京 210014；2.江蘇省交通運輸環(huán)境保護工程技術研究中心，江蘇南京 210014）

1 引言

臺州市黃巖區(qū)地處溫黃平原，河網密布，是典型的平原河網地區(qū)。近年來，隨著城鎮(zhèn)規(guī)模的擴大、工農業(yè)生產的發(fā)展，水環(huán)境質量有所下降，成為制約黃巖區(qū)社會經濟發(fā)展和人居環(huán)境質量提升的重要因素之一。目前，黃巖區(qū)的永寧江江口、東官河朱砂堆2處省控斷面，南官河壩頭閘、鑒洋湖2 處市控斷面，現(xiàn)狀水質已超過GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》Ⅴ類標準［1］。

現(xiàn)階段國內多研究基于平原河網模型開展區(qū)域水環(huán)境整治［2-5］。本文根據(jù)河網概化原則建立了黃巖區(qū)平原河網數(shù)學模型，將研究范圍內的黃巖區(qū)20條河流進行概化和水量水質計算，按照排污口概化原則，將所有污染源入河劃分為40 個排污口，并進行水動力模型以及水質模型率定。基于上述基礎，以典型河流永寧江為例，采用控制斷面達標法得出永寧江流域2016 年最大允許排放量以及削減量目標，并根據(jù)允許入河量分配模型，得出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道最大允許入河量及削減量目標，為精細化的區(qū)域水環(huán)境治理提供技術支撐。

2 研究方法

2.1 水動力方程

模型控制方程。描述明渠一維非恒定流的基本方程為一維Saint-Venant 方程組：

式中，q 為旁側入流；Q，A，B，Z 分別為河道斷面流量、過水面積、河寬和水位；Vx為旁側入流流速在水流方向上的分量，一般可以近似為0；K 為流量模數(shù)，反映河道的實際過流能力；α 為動量校正系數(shù)，能夠反映河道斷面流速分布均勻性；x 為空間坐標；t 為時間坐標。

對上述方程組采用四點線性隱式格式進行離散。

2.2 水質方程

將平原河網區(qū)的河道概化為一維模型要素，其水質模型基本方程的守恒形式如下：

式中，C 為模擬物質的濃度；u 為河流平均流速；Ex為對流擴散系數(shù)；K 為模擬物質的一級衰減系數(shù)；x 為空間坐標；t 為時間坐標。

對流擴散系數(shù)是一個綜合參數(shù)項，包含了分子擴散、湍流擴散以及剪切擴散效應。而在數(shù)值模型中，擴散系數(shù)除了與物理背景相關之外，還與計算空間大小、時間步長等相關。模型通過經驗公式來估算對流擴散系數(shù)：

式中，V 是流速，來自水動力計算結果；a 和b 是設定的參數(shù)。

2.3 允許入河量分配模型

僅考慮自然條件差異，允許排放量公平分配模型數(shù)學表述如下：

式中，δ 為控制斷面的最大允許增值濃度，δ＝Cs-Cb，其中Cs為控制斷面控制濃度，Cb為控制斷面背景濃度；ai為排污者i 對水質控制斷面的污染貢獻率；x～i為等貢獻量分配結果；xˉi為平均分配結果；xi為排污者i 的允許排放量；m 為排污者個數(shù)；xiu為公平區(qū)間上限；xid為公平區(qū)間下限；ui為滿意度，ui＝（xi-xid）/（xiu-xid）（xid＜xi＜xiu，i＝1，2，…，m）。

3 結果與討論

3.1 模型建立

3.1.1 河網概化

為了模擬黃巖區(qū)河網水量水質的時空變化，進而為整個黃巖區(qū)污染物允許排放量計算提供科學依據(jù)，本文根據(jù)河網概化原則建立了黃巖區(qū)河網數(shù)學模型。對研究范圍內的黃巖區(qū)20 條河流進行概化和水量水質計算，具體的概化情況見圖1。

圖1 黃巖區(qū)河網概化

3.1.2 邊界條件

邊界條件是河網數(shù)學模型的主要約束條件，本模型考慮了兩種邊界屬性，分別為外部邊界、內部邊界。外部邊界即開邊界，是指控制計算區(qū)域內、外水體交換的約束條件，本模型共設置15 個開邊界；內部邊界是指模型計算范圍內以點源或面源形式給出的排水口。

3.1.3 模型參數(shù)選取

（1）設計水文條件確定

根據(jù)長序列降雨量資料推求不同水文保證率的典型年，建立黃巖區(qū)主要水體的水量數(shù)學模型，本文以1963—2013 年50 年水文資料為基礎，對連續(xù)50年的逐日降雨資料進行頻率分析，得出黃巖區(qū)90%保證率下枯水年為1968 年，選取枯水年中對水環(huán)境不利時的入河流量作為設計水文條件，求出河道枯水年平均流量作為設計水量。河道屬性、閘壩位置及調度方案等采用2014 年的現(xiàn)狀工況。

（2）不均勻系數(shù)選取

河道越寬，污染物排入水體后達到均勻混合越難，不均勻系數(shù)就越小。一般性河流的不均勻系數(shù)取值范圍見表1［6］。

表1 河流不均勻系數(shù)取值

（3）河道糙率及污染物降解系數(shù)選取

黃巖區(qū)水環(huán)境數(shù)學模型中河道糙率選取經驗值為0.02～0.04。

利用一維穩(wěn)態(tài)模型對水質降解系數(shù)進行求取，得出黃巖區(qū)氨氮降解系數(shù)取值為0.10～0.12 d-1，總磷降解系數(shù)取值為0.04～0.06 d-1。

3.1.4 排污口概化

按照排污口概化原則，根據(jù)研究范圍內黃巖區(qū)各街道鄉(xiāng)鎮(zhèn)地形條件以及各類污染源的空間分布，將研究范圍內黃巖區(qū)所有污染源入河劃分為40 個排污口，其中，永寧江流域17 個、南官河流域13 個、東官河流域6 個、鑒洋湖流域4 個。

基于NMR測試混凝土微觀結構的試驗樣本，為圖2中隨機切割下來的尺寸為40 mm×40 mm×40 mm的混凝土立方體，盡量保持樣本中的粗骨料基本一致。圖3為 NMR法測試微觀結構的混凝土樣本。

3.2 模型率定驗證

3.2.1 水動力模型率定驗證

采用壩頭閘、黃沙閘、西江閘、永寧江閘2015 年全年監(jiān)測資料對水動力模型進行率定，采用試錯法（即根據(jù)部分斷面實測的流量資料）調試各河道的糙率，使得計算水位過程與實測水位相吻合（見圖2），率定得出河道糙率為0.021～0.039 之間。由水位誤差分析結果可知，水位的相對誤差均在10%以內，說明該模型可用于描述臺州市黃巖區(qū)研究區(qū)域河網的水量變化過程。

圖2 2015 年研究區(qū)域4 個實測斷面水位計算值與實測值率定

3.2.2 水質模型率定驗證

根據(jù)臺州市黃巖區(qū)環(huán)境監(jiān)測站對朱砂堆、江口等4 個監(jiān)測斷面2015 年氨氮、總磷全年的監(jiān)測結果，對水質模型進行率定。率定得到黃巖區(qū)氨氮、總磷降解系數(shù)分別為0.10～0.12 d-1，0.10～0.13 d-1。模型計算值與實測值的對比結果見圖3。

圖3 2015 年研究區(qū)域部分監(jiān)測斷面氨氮、總磷計算值與實測值率定

各斷面的水質氨氮、總磷模型計算值與實測值吻合較好，相對誤差分別在18.2%和18.6%以內，說明建立的水質模型適用于該地區(qū)的氨氮、總磷水質模擬。

3.3 控制單元污染物允許排放量的分配

3.3.1 最大允許排放量與削減量

表2 黃巖區(qū)永寧江流域規(guī)劃年（2016 年）污染物最大允許排放量計算結果

3.3.2 允許入河量分配計算（1）污染貢獻率的確定

根據(jù)建立的水環(huán)境計算模型，分別計算永寧江流域17 個排污口對江口斷面的貢獻率，結果見表3。由表3 可看出，污染貢獻率的大小隨距控制斷面距離的減小而增大。

表3 黃巖區(qū)永寧江流域各排污單元污染貢獻率

（2）允許入河量分配結果

根據(jù)允許入河量分配模型，求得各排污單元允許入河量，再根據(jù)所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道進行合并，得出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道最大允許入河量及削減量目標，見表4。由表4 可知，最大允許入河量以及削減量目標不僅分配到各排污單元，而且分配至各排污單位（鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道）。

表4 黃巖區(qū)永寧江流域各排污單位允許入河量t/a

4 結論

以浙江省臺州市黃巖區(qū)4 個控制斷面所在河道為例，建立了該區(qū)域水環(huán)境數(shù)學模型，對模型進行率定驗證，并以黃巖區(qū)永寧江為例，基于已建立的模型對研究區(qū)域的規(guī)劃年最大允許入量進行計算并分配至各控制單元，從而指導區(qū)域水環(huán)境整治。

（1）根據(jù)斷面流量資料對該模型的水動力模擬進行驗證，水位的相對誤差均在10%以內，說明該模型可用于描述臺州市黃巖區(qū)研究區(qū)域河網的水量變化過程。

（2）根據(jù)斷面水質監(jiān)測結果對該模型的水質模擬進行驗證，結果顯示，各斷面的水質氨氮、總磷模型計算值與實測值吻合較好，相對誤差分別在18.2%和18.6%以內，說明該模型適用于該地區(qū)的氨氮、總磷水質模擬。

（3）以永寧江流域為例，通過平原河網模型分別計算永寧江流域17 個排污口對江口斷面的貢獻率，根據(jù)允許入河量分配模型，求得各排污單元允許入河量，再根據(jù)所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道進行合并，得出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道最大允許入河量及削減量目標，從而可有效地指導當?shù)亻_展流域水環(huán)境整治。