河道水環境承載力分析計算方法研究

方 圓，翟城武，齊樂秦

（陜西水環境工程勘測設計研究院,陜西 西安 710018）

1 緒論

1.1 水環境承載力的概念

水環境承載力（Water Environmental Carrying Capacity）是以承載力概念為基礎。“水環境承載力”這一詞語最早出現在《福建省湄州灣環境規劃綜合研究總報告》中,其定義為：地區環境在某一時期、某種狀態或條件下所能承受的人類活動強度的限值。根據目前研究成果,對水環境承載力有四種定義,即：①納污能力；②系統功能；③承受閾值；④支撐能力。本次研究的水環境承載力即水體納污能力,是在一定時期和某一確定的水域內,水體在滿足用水功能的前提下所能容納的各種污染物的閾值。

1.2 國內外研究進展

1969年日本提出要對污染物排放總量進行控制,以改善水和大氣環境質量狀況,并于在1971年開始對水質總量控制計劃問題進行了研究。歐美國家的學者一般采用同化容量、最大容許納污量和水體容許排污水平等概念語。國外對水體納污能力問題的研究起步較早,如Ecekr、Liebman和Loucks等人將流量等參數作為確定性變量處理,然后由線性規劃方法計算治理投資最低情況下的水體允許排污水平。

20世紀70年代后期我國引入了納污能力的概念,開始水體納污能力的研究工作,著重從水體納污能力實際應用的角度開展工作,全國一些城市制定了水環境綜合整治規劃、水污染綜合防治規劃、污染物總量控制規劃以及水環境功能區劃。國內一般天然河流納污能力計算,也多是從穩態河流水質模型得到的定常設計條件下的納污量。

2 研究區概況

2.1 自然地理概況

延河屬入黃一級支流,發源于榆林市靖邊縣天賜灣鎮,流經榆林、延安2市、4個縣區,在延安市延長縣南河溝鄉注入黃河,流域面積7725 km2,干流全長286.9 km。其中榆林市段稱“秀延河”,長38.4 km,延安市段長248.5 km。

延河流域位于黃河中游,屬黃土高原丘陵溝壑區,北部以黃土梁峁、溝壑為主,南部以黃土溝壑為主。北部植被較差,水土流失嚴重；南部植被好,水土流失輕微；東南部還有少量殘塬。

延河流域屬大陸性季風氣候,年平均降水量520 mm,多年平均徑流量為2.74億m3,多年平均含沙量244 kg/m3～311 kg/m3,多年平均輸沙量為8756萬t,屬于典型的多泥沙河流。

2.2 社會經濟概況

延河沿岸涉及榆林市靖邊縣、延安市安塞區、寶塔區、延長縣2市4縣（區）,榆林市靖邊縣境內為源頭河段。延河流域內油氣資源豐富、旅游資源豐富,以小雜糧為主的特色農業初具規模,二三產業蓬勃發展。

延河流域95%面積為延安轄區,2020年實現生產總值1082.91億元,人均生產總值為4.83萬元。延河干流連接安塞縣城、延安中心城區、延長縣城及12個重點城鎮、重要產業園區,流域面積占全市總面積的20%,流域內人口占全市總人口的35.3%,經濟總量占全市的28%,地方財政收入占全市的46.2%,是延安政治、經濟、文化的核心區域。

安塞區為延安市區的衛星城市,工業以石油為龍頭,發展迅猛,各項社會事業全面進步；寶塔區是延安市的政治、經濟、文化中心,初步形成以果菜牧為主的第一產業,油煤氣為主的第二產業,商貿物流餐飲為主的第三產業,經濟結構較為合理；延長縣與寶塔區毗鄰,其工業主要以石油開采為主,縣內黃河沿岸種植酥梨,林果業近年來有較快的發展。

3 研究目標、內容和技術路線

3.1 研究目標

本次以延河干流為例,開展關于其水環境承載力的研究。首先進行納污能力計算的基礎資料、水文條件、計算模型分析研究；其次,分析延河現狀水質、污染物排放量、水功能區劃,預測設計水平年延河污染物排放量；最后,根據水質模型計算延河各水功能區的COD、氨氮的納污能力,分析延河COD、氨氮限制排污量及削減量。

3.2 編制范圍

本次研究編制范圍為延安市延河干流河段,根據延河干流現狀污染情況,選用水質模型計算納污能力及污染物削減量。

3.3 研究內容

1）延河水質現狀分析

通過現場查勘和調研,收集延河水文和水質資料,獲得完成水環境研究所需的相關信息,對搜集的資料進行可靠性、代表性及合理性分析。根據收集到的延河資料,分析延河現狀水環境狀況及水質情況,主要污染物類型等。

2）對2020年、2025年和2030年入河污染負荷進行分析評價,通過收集2020年入河排污口資料,統計2020年延河入河污水量、入河COD和氨氮量,通過預測得到2025年和2030年延河入河污水量和入河污染物量。

3）水體納污能力計算

在模型參數率定基礎上,開展2020年、2025年、2030年生態流量下水域COD、氨氮水體納污能力的量化研究,明確延河水體納污能力,揭示水體納污能力空間分布規律。依據改善保護區、保留區和飲用水源區水質,充分利用水體納污能力的原則,確定不同水平年延河各水功能區限制排污量和污染物削減量。

3.4 技術路線

結合水環境特點,通過資料收集和綜合分析,在污染負荷分析和水質評價的基礎上,并充分考慮水環境的水文學特性,確定水體納污能力的計算模型,提出延河污染物限制排污量和污染物削減量,本次具體技術路線見圖1。

圖1 技術路線圖

4 河流水體納污能力計算模型

根據《水域納污能力計算規程》（GB/T 25173-2010）,河流納污能力模型主要包括零維模型、一維模型和二維模型。

4.1 河流零維模型

零維模型適用于混合污染物的小型河段,其計算模型如下：

（1）污染物濃度計算公式如下：

（2）水體納污能力計算公式如下：

4.2 河流一維模型

一維模型適用于橫斷面上污染物均勻混合的中、小型河段。其計算模型如下：

（1）污染物濃度計算公式如下：

（2）相應的水域納污能力按式（4）計算：

（3）入河排污口位于計算河段的中部時（即X=L/2時）,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式（5）和式（6）計算：

4.3 河流二維模型

二維模型適用于污染物非均勻混合的大型河段,二維對流擴散方程如下：

（1）二維對流擴散方程公式（7）的求解方法如下：

①河道斷面為矩形,式（7）的解析解按式（8）計算：

②以岸邊污染物濃度作為下游控制斷面的控制濃度時,即=0,岸邊污染物濃度按式（9）計算：

③其余的水域納污能力按式（10）或式（11）計算：

當y=0：

（2）二維對流擴散方程公式（7）也可采用數值法求解。當污染物為非恒定排放,也可按差分法推求數值解。用數值法求得計算水域代表點的污染物平均濃度C（x,y）,按式（10）計算水域納污能力。

5 延河水體納污能力分析計算

5.1 計算模型選取及參數的確定

5.1.1 污染物的確定

根據陜西省環保部門統計數據,延河不同水平年污染物排放量見表1。

表1 不同水平年延河污染物排放量統計表

5.1.2 計算模型的選擇

1）模型選擇

鑒于延河的河流條件及污染物擴散轉化情況,延河延安市控制單元環境容量計算擬采用一維穩態水質模型,計算公式如下：

公式符號意義同前。

2）計算單元劃分及水質目標

根據延河水功能區劃,劃分本次計算單元并確定各單元水質目標,見表2。

表2 延河計算單元劃分及水質目標表

3）設計水文條件

本次將延河安塞站、延安站、甘谷驛站多年平均徑流量的10%作為延河的設計流量,計算結果見表3。

表3 延河干流水文站生態流量計算成果表

5.2 計算結果及討論

1）納污能力計算

經計算,延河干流不同水平年COD納污能力分別為3704 t/a、3755.9 t/a、3801.5 t/a,氨氮納污能力分別為185.2 t/a、187.8 t/a、190.1 t/a,計算結果見表4。

表4 延河干流COD、氨氮納污能力計算成果表

2）限制排污量及削減量計算

經計算,延河2020年COD入河控制量為2208.8 t/a,入河削減量為1303.2 t/a,氨氮入河控制量為152.3 t/a,入河削減量為233.3 t/a,2025年COD入河控制量為2433.1 t/a,入河削減量為1605.7 t/a,氨氮入河控制量為158.8t/a,入河削減量為273 t/a,2030年COD入河控制量為2552.6 t/a,入河削減量為1809.3 t/a,氨氮入河控制量為163.6 t/a,入河削減量為307.1 t/a,見表5～表7。

續表5

表5 2020年延河限制排污量及削減量計算成果表

表6 2025年延河限制排污量及削減量計算成果表

表7 2030年延河限制排污量及削減量計算成果表

6 結論

1）本文提出了水環境承載力的相關理論,明確了水體納污能力的影響范圍和研究內容。

2）提出了水環境承載力計算的基礎資料,列舉了河流零維、一維、二維水質模型,同時明確了各模型的計算條件、模型參數的確定。

3）最后以延河干流為例,分析了延河現狀排污口數量、排污量、污染物排放量,并按照一維水質模型計算延河干流納污能力,計算延河污染物控制量及削減量。