納污能力計算模型驗證與分析

趙飛燕 趙嵩林

根據河南省林州市人民政府辦公室《關于印發林州市洹河環境綜合整治方案的通知》（林政辦〔2009〕54號）安排，為實施最嚴格水資源管理制度奠定基礎、支持《安陽市環境保護“十二五”規劃》，2014年河南省安陽水文水資源勘測局組織完成了《林州市洹河納污能力計算報告》編制工作。在水質模型中，將污染物在水環境中的物理降解、化學降解和生物降解概化為綜合衰減系數。為保證計算結果的合理性、準確性，對所確定的污染物綜合衰減系數進行了模型驗證與分析。

一、方法簡述

水質模型驗證：就是通過實測資料，對模型參數及模型計算結果進行驗證，驗證模擬結果與水資源質量實際情況是否存在誤差。

選取與實測接近的水文條件，利用水質監測數據與入河排污口資料進行模型驗證。

二、監測方法

采用二斷面法：選取一個河道順直、水流穩定、中間無支流匯入、無排污口的河段，分別在河段上游（A點）和下游（B點）布設采樣點，監測污染物濃度值，并同時測定斷面平均流速。

三、模型驗證河段斷面選取

洹河流域上寬下窄呈倒葫蘆形，上游寬一般為30km，中間20km，下游寬僅5km左右。地勢西高東低，自西向東依次從山區、丘陵、盆地過渡到平原。其中林州市至安陽縣善應村為山區，再下至曲溝鎮的固現村為丘陵盆地地區，其余為平原及低洼區。干流縱比降自上而下逐漸由陡變緩：清泉寺至水磨山為1/120，水磨山至橫水為1/250，橫水至卸甲坪為1/380，卸甲坪至小南海水庫為1/280，林州市洹河納污能力計算單元為陵陽鎮至丁家溝。

選取林州市洹河“翟陽公路橋—橫水水文站（9.94km）、橫水水文站—卸甲坪村（10.49km）”作為試驗河段，翟陽公路橋、橫水水文站、卸甲坪村分別作為上、中、下斷面。

四、監測計劃

分別在翟陽公路橋、橫水水文站、卸甲坪村布設采樣點，追蹤監測項目為化學需氧量、氨氮、電導率、pH值，同時用流速儀法測定河段斷面流量、過流面積、斷面平均流速。

選定在非汛期10月、12月進行兩次追蹤監測。三個斷面采樣時間間隔為同一水團到下一斷面的到達時間，現場測定上斷面采用平均流速去確定下斷面采樣時間，翟陽公路橋、卸甲坪村測流、采樣間隔時間為4h，橫水水文站測流、采樣間隔時間為2h。

為保證分析質量，每個水樣做2個平行，測定時帶一定比例的質控樣。

五、實測研究結果

通過對監測數據合理分析，按水流傳播時間和監測斷面污染物濃度變化，對數據進行擬合。

1.化學需氧量綜合衰減系數

翟陽公路橋—卸甲坪村化學需氧量綜合衰減系數最大值為1.06（l/d），最小值為 0.30（l/d），平均值為 0.68（l/d）；翟陽公路橋—橫水水文站化學需氧量綜合衰減系數最大值為2.58（l/d），最小值為0.32（l/d），平均值為 1.45（l/d）；橫水水文站—卸甲坪村化學需氧量綜合衰減系數最大值為 1.78（l/d），最小值為 0.26（l/d），平均值為 1.02（l/d）。

2.氨氮綜合衰減系數

翟陽公路橋—卸甲坪村氨氮綜合衰減系數最大值為1.44（l/d），最小值為0.24（l/d），平均值為 0.84（l/d）；翟陽公路橋—橫水水文站氨氮綜合衰減系數最大值為 0.90（l/d），最小值為 0.16（l/d），平均值為0.53（l/d）；橫水水文站—卸甲坪村氨氮綜合衰減系數最大值為1.88（l/d），最小值為 0.24（l/d），平均值為 1.06（l/d）（結果見表 1）。

表1 污染物綜合衰減系數實測結果表

六、分析借用數據與實測結果對比分析

k值按《河南省重要河湖水功能區納污能力核定和分階段限制排污總量控制方案實施細則》（河南省水文水資源局，2012）要求采用《淮河流域及山東半島水資源保護規劃》分析成果，即：

圖1 林州市洹河納污能力計算單元（河段）不同k值下的納污能力相關圖（按75%保證率下設計水文條件，設計流量為0.590 m3/s，設計流速為0.34 m/s）

化學需氧量（CODcr）k=0.050+0.68u

氨氮（NH3-N） k=0.061+0.55lu

按借用公式計算，在實測條件下，翟陽公路橋—卸甲坪村化學需氧量綜合衰減系數為 0.25～0.32（l/d），氨氮綜合衰減系數為 0.22～0.28（l/d）。

分析借用數據與實測結果相比，分析借用數據數值普遍偏低。

七、實測結果與分析借用數據變異原因分析

（1）模型驗證的實驗河段坡降較大（林州市洹河河道比降：水磨山至橫水為1/250，橫水至卸甲坪為1/380，卸甲坪至小南海水庫為1/280，），相同設計水文條件下，水流較急。

（2）部分河段水面淺，河道寬，曝氣性好，便于復氧。

（3）計算單元（實驗河段）內，有四個電站水壩，水位人為攔蓄抬高，改變了河道原有形態，加大了橫向、縱向擴散，致使污染物濃度迅速變小。

（4）實驗研究期間，上斷面（翟陽公路橋）污染物濃度梯度變化較大且水體含沙量高、顆粒大、水體渾濁，遇到水流變緩、水壩攔截，污染物自凈較快。

八、結論及建議

綜合衰減系數反映了污染物在水體作用下降解速度的快慢。許多科學實驗和研究資料表明,衰減系數不但與河流的水文條件,如流量、流速、河寬、水深、泥沙含量等因素有關,更為重要的是衰減系數還與河道的污染程度有關。該模型驗證的結果也充分證明了這一點。

僅就綜合衰減系數而言，分析借用數據與實測結果下限相近，根據“k值和納污能力呈正相關關系”的結論（見圖1和圖2），如果還原到河道原來形態（理想模型下），從偏安全角度講，此次k值的模型驗證結果是可以接受的。

分析借用數據與實測研究結果對比結果普遍偏低的主要原因與河流自身條件和所處自然環境有關，需要進一步深入研究■