基于水質(zhì)目標(biāo)管理的涑水河水環(huán)境容量研究

劉璐瑤， 馮民權(quán)

(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實驗室培育基地， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

河流水質(zhì)目標(biāo)管理是在原有總量控制技術(shù)體系上發(fā)展而來的[1]， 20世紀(jì)70 年代以來，歐美等許多發(fā)達(dá)國家針對本國水污染狀況相繼開展了水質(zhì)管理技術(shù)的研究，如美國 TMDL 計劃等。Lebo等[2]則對這一治理方案的實施效果進(jìn)行了評估，總結(jié)了影響水質(zhì)波動的主要因素。Lee等[3]以韓國洛東江為對象，系統(tǒng)分析了韓國河流TMDL計劃中水質(zhì)目標(biāo)的確定方法，為流域管理提供參考。歐美國家的研究一般用最大日容許納污量、容許排污水平和同化容量等定義。Koutseris[4]分析并計算了希臘某海濱的水環(huán)境容量；Borges等[5]研究了某流域上5個水庫在不同環(huán)境因子影響下的關(guān)系，并分析計算了水環(huán)境容量。Cho等[6]采用線性規(guī)劃法對河流污染物的污染負(fù)荷進(jìn)行了分配；Kerachian等[7]研究利用遺傳算法對季節(jié)性河流污染物的污染負(fù)荷進(jìn)行分配。

我國比美國等發(fā)達(dá)國家晚幾年也開始了水環(huán)境污染總量控制研究，在以水質(zhì)目標(biāo)管理為導(dǎo)向的河流治理模式方面，我國學(xué)者展開了積極的探索和嘗試。孟偉等[8]提出了我國水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)管理技術(shù)的研究方向和發(fā)展趨勢。雷坤等[9]提出了控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)方法，闡述了控制單元劃分、水質(zhì)目標(biāo)核定、控制單元水環(huán)境問題診斷的基本流程和方法。我國對水環(huán)境容量的研究開始于20世紀(jì)90年代，水環(huán)境容量的研究及其應(yīng)用方面得到較快發(fā)展。金海生等[10]以斷面平均的一維動態(tài)水質(zhì)模型為基礎(chǔ)，建立了計算潮沙河流一維動態(tài)水環(huán)境容量的數(shù)學(xué)模型。周孝德等[11]提出了一維穩(wěn)態(tài)條件下水環(huán)境容量計算的3種方法，分別為段尾控制、段首控制以及功能區(qū)末端控制方法。韓龍喜等[12]在對中小型河段污染源進(jìn)行概化的基礎(chǔ)上提出納污能力的計算方法及計算公式，為水資源保護(hù)與規(guī)劃提供了一種簡捷有效的方法。

目前，簡單的總量控制不能確定水環(huán)境污染問題，嚴(yán)重限制了我國水環(huán)境管理的進(jìn)一步發(fā)展，因此，水質(zhì)改善需應(yīng)用水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)。涑水河屬于干旱和半干旱地區(qū)，近年來，由于上游水量減少以及周圍工業(yè)企業(yè)和城市污水的排放，造成了嚴(yán)重的污染，改善涑水河水質(zhì)迫在眉睫。本研究應(yīng)用水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)方法建立水動力水質(zhì)模型，研究計算涑水河各河段在不同水期的水環(huán)境容量，并進(jìn)行污染物削減，為污染物超標(biāo)排放的河段的削減量計算提供一種新思路。

2 水動力水質(zhì)模型

2.1 控制方程

因為涑水河流量較小，河流深度較淺，垂向斷面濃度基本無變化，因此只考慮水流方向濃度變化的一維模型，對于一維均勻流水動力控制方程組：

連續(xù)方程：

(1)

能量方程：

(2)

水質(zhì)模型基本方程為：

(3)

式中：z為斷面水位，m；Q為流量，m3/s；A為河道過水面積，m2；g為重力加速度，m/s2；B為水面寬度，m；q為旁側(cè)入流流量，m3/s；R為水力半徑，m；c為謝才系數(shù)，m1/2/s；x為位置坐標(biāo)，m;t為時間，s;C為污染物濃度，mg/L；E為縱向分散系數(shù)，m2/s；k為污染物綜合衰減系數(shù)，d-1。

2.2 參數(shù)率定與模型驗證

采用張留莊2013、2014年流量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)率定和驗證，本研究通過模型試算，取河床糙率n=0.03，結(jié)果如圖1、2。

本次計算預(yù)測水質(zhì)指標(biāo)為氨氮、COD。采用張留莊2013、2014年水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行率定與驗證，如圖3、4，考慮到降解系數(shù)與水流速度、溫度、水深等因素相關(guān)，設(shè)置降解系數(shù)值：COD為0.144～0.240d-1。

3 水環(huán)境容量計算與污染物削減

3.1 理論與方法

采用動態(tài)水環(huán)境容量計算方法，針對不同季節(jié)的流量特征來計算水環(huán)境容量。按照不同功能區(qū)采用段首控制法和段末控制法[13-14]，高功能區(qū)段采用段首控制法，低功能區(qū)段采用段末控制法。

圖1 2013年水動力模型參數(shù)率定圖2 2014年水動力模型驗證

圖3 2014年水質(zhì)模型參數(shù)率定圖4 2013年水質(zhì)模型驗證

3.1.1 污染物入河量計算 利用公式(4)計算出河流污染物通量值：

W=∑(C·Q)

(4)

式中：W為水污染控制斷面污染物通量，t/a ；C為河道水污染控制斷面水質(zhì)濃度，mg/L；Q為河道水污染控制斷面的水量，m3/ s 。

3.1.2 段首控制法 段首控制法計算式為[15]：

(5)

式中：E為功能區(qū)段的水環(huán)境容量，t/d；Q0為來水流量，m3/s；Cs為功能區(qū)段水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L；C0為來水污染物濃度，mg/L；Qi為混合后干流流量，m3/s；Li為第i河段長度，m；ui為第i河段設(shè)計平均流速，m/s；qi為第i河段的排污量，m3/s。

3.1.3 段末控制法 段末控制法計算式為[15]：

(6)

式中：Qi+1為第i+1個斷面前的干流流量，m3/s；qi+1為第i+1個斷面處的排污流量，m3/s。

3.1.4 削減量計算

ΔW=W-P

(7)

式中：ΔW為剩余環(huán)境容量，t/a；P為污染物入河量，t/a；W為水環(huán)境容量，t/a。ΔW為負(fù)值時，絕對值即為削減量。

3.1.5 削減量分配 對水功能區(qū)3、5、6、7排污口進(jìn)行等比例分配法。分配公式如下：

(8)

式中：Pi為污染源i分得的權(quán)重；mio為控制區(qū)域內(nèi)i的現(xiàn)狀排放總量，t/a。

3.2 計算條件的確定

3.2.1 研究區(qū)域的基本概況 以涑水河為例，涑水河是運(yùn)城市境內(nèi)最長的一條河流，發(fā)源于運(yùn)城市絳縣陳村峪，全長196.6 km，是一條集給水、排水、灌溉、養(yǎng)殖、防洪等于一體的多功能河流。流經(jīng)絳縣、聞喜、夏縣、鹽湖、臨猗、永濟(jì)6 個縣(市、區(qū))，屬黃河一級支流，在永濟(jì)市上源頭村附近注入黃河。涑水河流域共有106 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，1796 個行政村，230.1 萬人，耕地33.27×104hm2，是運(yùn)城市人口最為密集、生產(chǎn)力布局最為集中的區(qū)域，也是經(jīng)濟(jì)最為活躍的區(qū)域[15-16]。

3.2.2 控制單元劃分 依據(jù)《山西省水環(huán)境功能劃分》中水體功能劃分確定各監(jiān)測斷面執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，以地方政府考核斷面責(zé)任目標(biāo)、水功能區(qū)劃目標(biāo)、“十三五”規(guī)劃目標(biāo)要求為水質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行水環(huán)境容量計算，如表1及圖5。

表1 涑水河功能區(qū)劃分及水質(zhì)目標(biāo)

圖5 涑水河功能區(qū)段劃分

3.3 結(jié)果與討論

3.3.1 水環(huán)境容量計算結(jié)果 對氨氮、COD進(jìn)行計算時，當(dāng)功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類時，采用段首控制法計算；水質(zhì)目標(biāo)為Ⅴ、劣Ⅴ類時，采用段末控制法計算。計算結(jié)果見表2。

從水環(huán)境容量計算結(jié)果可得，COD在95%、75%、50%頻率年分別為：-6802.037、-5891.560、-5203.764 t/a；NH3—N在95%、75%、50%頻率年分別為：-3328.943、-2070.057、-1821.376 t/a。

3.3.2 入河污染物計算結(jié)果 入河污染物計算結(jié)果見表3。

表2 涑水河各功能區(qū)不同頻率年的COD、NH3—N水環(huán)境容量 t/a

3.3.3 污染物削減結(jié)果 根據(jù)計算可以得出COD、NH3—N在個頻率年的排污削減量，如圖6、7。

從圖6、7得出污染物目標(biāo)削減成果，涑水河中下游污染嚴(yán)重，其中污染嚴(yán)重的功能區(qū)分別是：聞喜過渡區(qū)、臨猗排污控制區(qū)、臨猗過渡區(qū)和伍姓湖農(nóng)業(yè)漁業(yè)用水區(qū)，在這幾個功能區(qū)中污染最嚴(yán)重的是臨猗過渡區(qū)，COD在特枯年、枯水年和平水年削減量分別為2103.75、1926.58、1702.33 t/a；NH3—N削減量分別為927.07、605.31、546.29 t/a。

3.3.4 削減量分配 對水功能區(qū)3、5、6、7排污口進(jìn)行等比例分配，排污口對COD的削減分配如圖8、9。

從圖8、9中可以看出，導(dǎo)致水功能區(qū)3、5、6、7污染最嚴(yán)重的是臨猗工業(yè)園區(qū)排污口和臨猗化晉公司排污口，其次是臨猗城市排污口。

由此可見，本文通過利用水量和水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行模擬，針對頻率年特征計算水環(huán)境容量。利用模型對涑水河水環(huán)境容量進(jìn)行研究，實現(xiàn)涑水河對COD、NH3—N等污染物的削減，從而使涑水河水質(zhì)得到改善。但在計算過程中沒有完全考慮動態(tài)水環(huán)境容量的確定，影響了流域水環(huán)境容量的計算精度。

表3 涑水河各功能區(qū)COD、NH3—N的入河污染量 t/a

圖6 COD在各頻率年的排污削減量圖7 NH3—N在各頻率年的排污削減量

圖8不同排污口對COD的削減分配圖9不同排污口對NH3—N的削減分配

4 結(jié) 論

(1)通過段首控制法和段末控制法相結(jié)合的方法計算涑水河的水環(huán)境容量，結(jié)果表明，絳縣、聞喜農(nóng)業(yè)用水區(qū)的COD 、NH3—N環(huán)境容量為正，其余功能區(qū)的COD 、NH3—N環(huán)境容量均為負(fù)值。

(2)通過計算可以得出，涑水河中下游污染嚴(yán)重，其中污染嚴(yán)重的功能區(qū)分別是：聞喜過渡區(qū)、臨猗排污控制區(qū)、臨猗過渡區(qū)和伍姓湖農(nóng)業(yè)漁業(yè)用水區(qū)，在這幾個功能區(qū)中污染最嚴(yán)重的是臨猗過渡區(qū)，COD在特枯年、枯水年和平水年削減量分別為2103.75、1926.58、1702.33 t/a；NH3—N削減量分別為927.07、605.31、546.29 t/a。

(3)通過對涑水河水環(huán)境容量和削減量的計算，防止水體進(jìn)一步惡化，為涑水河水環(huán)境治理和改善等提供了技術(shù)支持。

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