潮白新河下游流域水環(huán)境容量計(jì)算及分析

李 莉，張征云，劉紅磊，于 丹

（天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，天津 300191）

1 概述

水環(huán)境容量是反映水生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)活動密切關(guān)系的度量尺度，是一個(gè)比較復(fù)雜含糊的概念，目前比較公認(rèn)的水環(huán)境容量表述為：在不影響與一水體正常使用的前提下與滿足社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和保持水生態(tài)系統(tǒng)健康的基礎(chǔ)上，參照人類環(huán)境目標(biāo)要求某一水域所能容納的某種污染物的最大負(fù)荷量或保持水體生態(tài)系統(tǒng)平衡的綜合能力[1]。

2 潮白新河流域概況

潮白河上游分為潮河和白河兩大支流，分別發(fā)源于河北省的豐寧縣和沽源縣，兩河在密云縣河槽村匯合后始稱潮白河。潮白河流經(jīng)香河縣入潮白新河，在吳村閘以下約20 km 處進(jìn)入天津市。潮白河吳村閘以下河道經(jīng)1972年調(diào)直、擴(kuò)寬，至河口寧車沽防潮閘稱潮白新河。潮白新河自河北省香河縣吳村閘開始，經(jīng)天津市寶坻區(qū)史各莊鎮(zhèn)張賈莊村入境，流經(jīng)寶坻區(qū)、寧河縣、濱海新區(qū)塘沽于塘沽寧車沽防潮閘匯永定新河入渤海灣，全長99.2 km，其中天津市轄區(qū)內(nèi)河道長度81 km，河道設(shè)計(jì)功能為泄洪（非汛期用于農(nóng)灌）。

3 計(jì)算參數(shù)確定

3.1 流量確定

潮白新河在天津入海，入海口的入海水量監(jiān)測數(shù)據(jù)為潮白河設(shè)計(jì)流量的確定提供了重要依據(jù)。潮白新河1985—1999年15年間入海水量見表1。通過水文比擬法，得到潮白新河90%、75%保證率下的入海流量分別為0.762、3.53 m3/s，以此作為寧車沽閘的末端流量。

運(yùn)用同樣的方法，通過對水利資料的查詢及計(jì)算獲得潮白新河上朱劉莊閘、里自沽閘90%保證率下的流量（分別為0.579、0.594 m3/s），以此作為潮白新河寶坻區(qū)段和寧河縣段水環(huán)境容量核算的起始基準(zhǔn)斷面流量；引青入潮河的流量為0.113 m3/s。而在75%保證率下，朱劉莊閘、里自沽閘的流量分別為2.69、2.76 m3/s，引青入潮河的流量為0.525 m3/s。

表1 1985—1999年潮白新河入海水量（寧車沽斷面）

在潮白新河河畔設(shè)置的分洪閘、泄洪涵、取水泵站等從潮白新河取水的都可以看作是潮白新河的取水口，共計(jì)18 個(gè)（其中寶坻區(qū)8 個(gè)、寧河縣10個(gè)）。潮白新河河畔較多閘壩接納灌溉退水、地表徑流或是生活污水，這些泄涵、閘壩可看作是潮白新河的排污口，共計(jì)8 個(gè)（其中寶坻區(qū)2 個(gè)、寧河縣6 個(gè)）。為獲得每個(gè)取水口或進(jìn)水口（排污口）的流量數(shù)據(jù)，假設(shè)：①在每個(gè)計(jì)算區(qū)段，上下監(jiān)測斷面的流量差值為該區(qū)段中取水口及排污口流量之和；②除監(jiān)測斷面外，各泵、閘的設(shè)計(jì)流量與各自的實(shí)際流量成正比（這些斷面不以行洪為目的，其流量設(shè)計(jì)亦不針對幾年一遇洪水）。據(jù)此計(jì)算，可得每個(gè)取水口或進(jìn)水口（排污口）的基準(zhǔn)流量數(shù)據(jù)，以此作為潮白新河下游流域水環(huán)境容量計(jì)算的基礎(chǔ)。計(jì)算結(jié)果，見表2-3。

表2 潮白新河下游寶坻區(qū)段支流、渠、閘位置及計(jì)算流量

表3 潮白新河下游寧河縣段支流、渠、閘位置及計(jì)算流量

3.2 設(shè)計(jì)流速確定

相比于流量資料，潮白新河的流速資料更為缺乏。參考與之水文條件相似的薊運(yùn)河，利用1978年海河流域水文年鑒第二冊中的薊運(yùn)河的流量、流速實(shí)測值，確定其初始流速為0.08 m/s。根據(jù)水環(huán)境容量計(jì)算軟件中的條件要求，以0.10 m/s 進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算。

3.3 污染物初始濃度及降解系數(shù)確定

（1）污染物初始濃度。按照以下原則，確定每條河流污染物的初始濃度。①潮白新河污染物的初始濃度按照上游監(jiān)測斷面的目標(biāo)水質(zhì)確定；②在其他情況下，判斷計(jì)算河流的實(shí)際監(jiān)測水質(zhì)，如果實(shí)際監(jiān)測水質(zhì)優(yōu)于目標(biāo)水質(zhì)，則污染物初始濃度為實(shí)際監(jiān)測值，反之則采用水質(zhì)目標(biāo)為初始濃度。

潮白新河現(xiàn)狀水質(zhì)為綜合劣V 類，上游來水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)（V 類）。因此，采用目標(biāo)水質(zhì)（V 類）標(biāo)準(zhǔn)作為河流水體污染物初始濃度，即COD 濃度為40.00 mg/L、NH3-N濃度2.00 mg/L。

（2）污染物降解系數(shù)。在進(jìn)行理想水環(huán)境容量計(jì)算過程中，需要確定綜合降解系數(shù)以及入河系數(shù)等參數(shù)。天津市的河流實(shí)際監(jiān)測的水質(zhì)情況多為V 類和劣V 類，且缺乏有系統(tǒng)的綜合降解系數(shù)以及入河系數(shù)的實(shí)測和研究成果。因此，根據(jù)一般河道水質(zhì)降解系數(shù)參考值，選定COD 的綜合降解系數(shù)為0.20（1/d）、NH3-N 的綜合降解系數(shù)為

0.10（1/d）。

4 模型選擇

潮白新河屬于人工影響劇烈、閘壩泵站眾多的河流，閘門的開啟時(shí)間不規(guī)則，綜合考慮各方面因素，潮白新河屬于狹長河流，并且深度不大，排污口的廢水排放量與河流的流量比例適當(dāng)，污染物在較短的時(shí)間內(nèi)基本能混合均勻，故橫向和垂向的污染物濃度梯度可以忽略。采用一維模型進(jìn)行正向模擬，并對河流的流速值進(jìn)行適當(dāng)修正，使其滿足河流污染物一維穩(wěn)態(tài)衰減微分方程進(jìn)行水環(huán)境容量的計(jì)算條件[2]。

式中：u 為河流斷面平均流速（m/s）；x 為沿程距離（km）；K為綜合降解系數(shù)（1/d）；C為沿程污染物濃度（mg/L）；C0為前一個(gè)節(jié)點(diǎn)后污染物濃度（mg/L）。

具體操作方法采用中國環(huán)境科學(xué)研究院研發(fā)的水環(huán)境容量核算模型進(jìn)行。

5 水環(huán)境容量計(jì)算

將確定的計(jì)算單元的設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)流速、監(jiān)測斷面情況、排污口情況、支流情況、排污口入河系數(shù)、污染物降解系數(shù)等計(jì)算要素帶入模型中，通過排污口污染物（COD、NH3-N）濃度的調(diào)節(jié)，可以得到潮白新河61%河段水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)下游流域的理想水環(huán)境容量。通過計(jì)算可知，90%保證率下及61%河段水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)潮白新河下游流域近期水環(huán)境容量為：COD2 382 t/a、NH3-N 74 t/a；遠(yuǎn)期水環(huán)境容量為：COD1 783 t/a、NH3-N 61 t/a。而在75%保證率下及61%河段水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)潮白新河下游流域近期水環(huán)境容量為：COD10 998 t/a、NH3-N 354 t/a；遠(yuǎn)期水環(huán)境容量為：COD8 468 t/a、NH3-N 286 t/a。具體分區(qū)縣計(jì)算結(jié)果，見表4-5。

表4 90%保證率下潮白新河下游流域61%河段達(dá)標(biāo)時(shí)水環(huán)境容量核算結(jié)果

表5 75%保證率下潮白新河下游流域61%河段達(dá)標(biāo)時(shí)水環(huán)境容量核算結(jié)果

6 結(jié)論

本研究水環(huán)境容量計(jì)算依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為河段水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為61%，在進(jìn)行上述計(jì)算時(shí)，是以潮白新河天津市入境達(dá)標(biāo)為前提進(jìn)行的。但是，其實(shí)際水質(zhì)并非如此，潮白新河入境河流的水質(zhì)基本上為劣V 類。只有處理好上、下游之間的關(guān)系，實(shí)施全流域污染控制，才能有效地開展潮白新河水環(huán)境容量總量控制。

[1]張永良.水環(huán)境容量綜合手冊[M].北京：清華大學(xué)出版社，1991.

[2]夏青.流域水污染物總量控S UJ[M]．北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1996．