汾河太原段納污能力計算

楊瑞芳 段 妍 王鵬杰

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024)

近年來，隨著太原市經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市工業(yè)廢水和生活污水排放量日益增加，大量廢污水未經(jīng)處理或處理后不達(dá)標(biāo)直接或間接排入汾河，由于豐水期短且環(huán)境容量有限，導(dǎo)致河道污染嚴(yán)重，河流水質(zhì)惡化。保護(hù)汾河水資源，限制污染物排放總量迫在眉睫，而定量控制排污總量的基本依據(jù)是水體的納污能力，因此對汾河太原段納污能力的定量評價至關(guān)重要。水體的納污能力，是指在水域使用功能不受破壞的條件下，受納污染物的最大數(shù)量。即在一定設(shè)計水量條件下，滿足水功能區(qū)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的污染物最大允許負(fù)荷量［1］。本文在分析了汾河太原段水質(zhì)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)汾河太原段各功能區(qū)水質(zhì)管理目標(biāo)，計算其不同保證率下的納污能力，以便管理不同時期污染物的排放。

1 研究區(qū)概況

汾河是黃河第二大支流，也是山西省最大的河流。汾河全長716 km，流經(jīng)6個地市，34個縣市，流域面積39 471 km2，占全省國土面積的25.3%。汾河太原段全長192 km，自北向南縱貫太原市，穿過婁煩縣、古交市、太原市區(qū)，于清徐縣出境。近年來，由于市區(qū)內(nèi)污水排放量大，汾河太原段水質(zhì)污染嚴(yán)重，據(jù)2011年監(jiān)測資料顯示，有50%的河段為劣Ⅴ類水質(zhì)，20%為Ⅳ類水質(zhì)，30%為Ⅲ類水質(zhì)［2］。

根據(jù)《山西省水功能區(qū)劃》，汾河太原段共劃分一級水功能區(qū)4個，包括1個保護(hù)區(qū)，1個保留區(qū)，2個開發(fā)利用區(qū)，二級水功能區(qū)劃是在一級區(qū)劃的開發(fā)利用區(qū)內(nèi)進(jìn)行，其中汾河靜樂婁煩開發(fā)利用區(qū)有1個，汾河太原運城開發(fā)利用區(qū)有7個［3］，詳見表1。

表1 汾河太原段水功能區(qū)劃成果

2 納污能力計算

2.1 計算范圍及指標(biāo)

汾河太原段靜樂源頭水保護(hù)區(qū)現(xiàn)狀水質(zhì)良好，水質(zhì)類別為Ⅱ類～Ⅲ類，靜樂婁煩開發(fā)利用區(qū)和古交保留區(qū)水質(zhì)類別為Ⅲ類，用水矛盾不突出，因此水質(zhì)目標(biāo)是維持現(xiàn)狀水質(zhì)，其納污能力采用其現(xiàn)狀污染物入河量。因此本次研究納污能力計算主要針對汾河太原段中太原運城開發(fā)利用區(qū)的二級功能區(qū)，包括1個工業(yè)用水區(qū)，2個農(nóng)業(yè)用水區(qū)，1個景觀娛樂用水區(qū)，1個過渡區(qū)，2個排污控制區(qū)。根據(jù)汾河水質(zhì)現(xiàn)狀及水污染特點，本次納污能力計算指標(biāo)選取化學(xué)需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)。

2.2 數(shù)學(xué)模型

汾河太原段大部分河道較窄、水深較淺、污染物混合較快。對于這種寬深比不大的中小型河道，采用一維河流水質(zhì)模型進(jìn)行納污能力計算。

對同一個水功能區(qū)相應(yīng)的河段而言，污染物排放口通常不均勻地分布于河流的不同斷面，最終污染物匯集于控制斷面，因此當(dāng)一個河段內(nèi)有多個排污口時，可將其集中于一點，概化為一個排污口［4］，假設(shè)其位于河段中點，如圖1所示。

圖1 污染源概化圖

根據(jù)圖1，將排污口概化至河段中點時，則污染物自凈長度為河段的一半，設(shè)河段長度為L，則污染物自凈長度為L/2。因此，該功能區(qū)下斷面的污染物濃度為:

其中，Cx為河段控制斷面污染物濃度，mg/L;C0為河段起始斷面污染物濃度，mg/L;Qr為設(shè)計流量，m3/s;k為污染物綜合自凈系數(shù)，L/s;u為平均流速，m/s。

則功能區(qū)納污能力m應(yīng)為:

其中，m為污染物最大允許入河速率，即納污能力，g/s;Cs為水質(zhì)目標(biāo)值，mg/L。

該模型計算的是在滿足水域功能要求的前提下，各功能區(qū)在確定的水質(zhì)目標(biāo)和設(shè)計流量的條件下所具有的納污能力。

2.3 模型參數(shù)

1)斷面設(shè)計流量。計算河流的納污能力需要使用不同保證率下的流量。單一的設(shè)計流量不適用于不同時期污染物排放的管理［5］，所以選取50%，75%，95%保證率下的設(shè)計流量，依據(jù)1994年～2006年長系列水文資料所計算出的各保證率下最枯月平均流量進(jìn)行計算［6］。

2)斷面平均流速。在實測資料比較豐富的地區(qū)，能繪制出水位—流量、水位—面積關(guān)系曲線，在已知設(shè)計流量情況下，即可以推求斷面設(shè)計水位和相應(yīng)面積，則斷面平均流速V為:

其中，V為設(shè)計流速;Q為設(shè)計流量;A為過水?dāng)嗝婷娣e。

斷面設(shè)計流量與斷面平均流速結(jié)果見表2。

表2 不同保證率下的設(shè)計流量、設(shè)計流速

3)初始濃度值C0與水質(zhì)目標(biāo)值Cs。根據(jù)水功能區(qū)劃和污染控制原則，上一個功能區(qū)不論接納多少污染物質(zhì)，在進(jìn)入下一個功能區(qū)時，其水質(zhì)必須達(dá)到該功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的要求。根據(jù)這一原則，初始濃度C0一般采用上一個功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)值;水質(zhì)目標(biāo)Cs以本河段水功能區(qū)所定水質(zhì)目標(biāo)值作為控制標(biāo)準(zhǔn)來確定。Cs不僅要滿足功能水質(zhì)要求，還要充分考慮該功能區(qū)的實際排污情況。

4)綜合衰減系數(shù)K。污染物綜合衰減系數(shù)K的取值可用實測資料率定法或水團(tuán)追蹤法、經(jīng)驗公式法求得，但由于本次無詳盡的水質(zhì)監(jiān)測資料［7］，根據(jù)汾河實際情況，結(jié)合已有的研究資料，COD的K取值為0.34(1/d);氨氮的K取值為0.22(1/d)。

2.4 計算結(jié)果

根據(jù)上述參數(shù)，通過一維河流水質(zhì)模型進(jìn)行計算，得出了汾河太原段各河段不同設(shè)計流量下對COD和氨氮的納污能力。50%設(shè)計流量下汾河太原段的納污總量為COD 11 421 t/年，氨氮654 t/年;75%設(shè)計流量下為COD 7 846 t/年，氨氮425 t/年;95%設(shè)計流量下為COD 4 093 t/年，氨氮203 t/年。該河段各功能區(qū)不同保證率下的納污能力情況見表3。

表3 各功能區(qū)不同保證率下的納污能力 t/年

在50%，75%，95%保證率下，各功能區(qū)COD和氨氮的納污能力逐漸減小，即隨著河道來水量的減小，河道納污能力呈減小趨勢。COD的平均納污能力由95%保證率來水條件下的4 093 t/年，增大到50%保證率來水條件下的11 421 t/年，增加了1.8倍;氨氮平均納污能力由95%保證率來水條件下的203 t/年，增大到50%保證率來水條件下的654 t/年，增加了2.2倍。

從表3中可以看出，汾河太原排污控制區(qū)即南內(nèi)環(huán)橋到小店橋的納污能力最大，雖然河段污染比較嚴(yán)重，但該河段流量較大，水質(zhì)目標(biāo)較低，使其納污能力較大;不同污染因子的納污能力是不同的，COD的納污能力明顯要比氨氮的納污能力高出一個數(shù)量級，這與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的限值有關(guān)，說明氨氮極易造成汾河的污染。

3 結(jié)論與建議

汾河太原段在50%，75%，95%保證率下的納污能力逐漸降低，即納污能力隨著來水量的減少而降低，污染物的排放量需加大控制。因此，為了保護(hù)并改善汾河水質(zhì)，需要削減污水排放量并降低污水中污染物質(zhì)濃度，應(yīng)該加強(qiáng)和健全計量、監(jiān)測手段，科學(xué)地控制污水排放量和污染物排放濃度，可以按照功能區(qū)的納污能力的大小排放不同質(zhì)和不同量的水，充分發(fā)揮各河段的自凈能力;定期清理疏浚河道，減少淤積，加快流速，增強(qiáng)河道的自凈能力;進(jìn)一步完善排水管網(wǎng)，對老化的排污排洪管網(wǎng)進(jìn)行改造，實現(xiàn)雨污分流，加快污水收集率，提高污水處理率;加快污水處理廠的建設(shè)，提高污水處理率，使工業(yè)廢水和生活污水達(dá)標(biāo)排放;通過人工建設(shè)濕地和修復(fù)原有濕地來改變汾河的水環(huán)境，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，取得污水處理與資源化的最佳效益。

［1］ 王彥紅.水體納污能力計算中各參數(shù)的分析與確定［J］.山西水利科技，2007(2):55-57.

［2］ 太原市環(huán)境監(jiān)測中心站.太原市地表水環(huán)境監(jiān)測年報［Z］.2011.

［3］ 山西省水利廳.山西省水功能區(qū)劃［Z］.2005.

［4］ 左其亭.城市水資源承載能力——理論、方法、應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005:114-117.

［5］ 魏素潔，張 君，劉家宏，等.大汶河泰安段納污能力計算［J］.人民黃河，2012，34(3):63-64.

［6］ 張曉斌，張建國，白繼中.汾河水環(huán)境容量計算及特征分析［J］.水資源與水工程學(xué)報，2010(21):137-138.

［7］ 徐樹媛.晉城市水資源保護(hù)規(guī)劃與污染物總量控制研究［D］.太原:太原理工大學(xué)，2006.