河道水環(huán)境承載力分析計算方法研究

方 圓，翟城武，齊樂秦

（陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計研究院,陜西 西安 710018）

1 緒論

1.1 水環(huán)境承載力的概念

水環(huán)境承載力（Water Environmental Carrying Capacity）是以承載力概念為基礎(chǔ)。“水環(huán)境承載力”這一詞語最早出現(xiàn)在《福建省湄州灣環(huán)境規(guī)劃綜合研究總報告》中,其定義為：地區(qū)環(huán)境在某一時期、某種狀態(tài)或條件下所能承受的人類活動強度的限值。根據(jù)目前研究成果,對水環(huán)境承載力有四種定義,即：①納污能力；②系統(tǒng)功能；③承受閾值；④支撐能力。本次研究的水環(huán)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(nèi),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(nèi)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(huán)境質(zhì)量狀況,并于在1971年開始對水質(zhì)總量控制計劃問題進行了研究。歐美國家的學(xué)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(shù)作為確定性變量處理,然后由線性規(guī)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(jì)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(yīng)用的角度開展工作,全國一些城市制定了水環(huán)境綜合整治規(guī)劃、水污染綜合防治規(guī)劃、污染物總量控制規(guī)劃以及水環(huán)境功能區(qū)劃。國內(nèi)一般天然河流納污能力計算,也多是從穩(wěn)態(tài)河流水質(zhì)模型得到的定常設(shè)計條件下的納污量。

2 研究區(qū)概況

2.1 自然地理概況

延河屬入黃一級支流,發(fā)源于榆林市靖邊縣天賜灣鎮(zhèn),流經(jīng)榆林、延安2市、4個縣區(qū),在延安市延長縣南河溝鄉(xiāng)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(qū),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(yán)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?qū)俅箨懶约撅L(fēng)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(jīng)濟概況

延河沿岸涉及榆林市靖邊縣、延安市安塞區(qū)、寶塔區(qū)、延長縣2市4縣（區(qū)）,榆林市靖邊縣境內(nèi)為源頭河段。延河流域內(nèi)油氣資源豐富、旅游資源豐富,以小雜糧為主的特色農(nóng)業(yè)初具規(guī)模,二三產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。

延河流域95%面積為延安轄區(qū),2020年實現(xiàn)生產(chǎn)總值1082.91億元,人均生產(chǎn)總值為4.83萬元。延河干流連接安塞縣城、延安中心城區(qū)、延長縣城及12個重點城鎮(zhèn)、重要產(chǎn)業(yè)園區(qū),流域面積占全市總面積的20%,流域內(nèi)人口占全市總?cè)丝诘?5.3%,經(jīng)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(jīng)濟、文化的核心區(qū)域。

安塞區(qū)為延安市區(qū)的衛(wèi)星城市,工業(yè)以石油為龍頭,發(fā)展迅猛,各項社會事業(yè)全面進步；寶塔區(qū)是延安市的政治、經(jīng)濟、文化中心,初步形成以果菜牧為主的第一產(chǎn)業(yè),油煤氣為主的第二產(chǎn)業(yè),商貿(mào)物流餐飲為主的第三產(chǎn)業(yè),經(jīng)濟結(jié)構(gòu)較為合理；延長縣與寶塔區(qū)毗鄰,其工業(yè)主要以石油開采為主,縣內(nèi)黃河沿岸種植酥梨,林果業(yè)近年來有較快的發(fā)展。

3 研究目標(biāo)、內(nèi)容和技術(shù)路線

3.1 研究目標(biāo)

本次以延河干流為例,開展關(guān)于其水環(huán)境承載力的研究。首先進行納污能力計算的基礎(chǔ)資料、水文條件、計算模型分析研究；其次,分析延河現(xiàn)狀水質(zhì)、污染物排放量、水功能區(qū)劃,預(yù)測設(shè)計水平年延河污染物排放量；最后,根據(jù)水質(zhì)模型計算延河各水功能區(qū)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(jù)延河干流現(xiàn)狀污染情況,選用水質(zhì)模型計算納污能力及污染物削減量。

3.3 研究內(nèi)容

1）延河水質(zhì)現(xiàn)狀分析

通過現(xiàn)場查勘和調(diào)研,收集延河水文和水質(zhì)資料,獲得完成水環(huán)境研究所需的相關(guān)信息,對搜集的資料進行可靠性、代表性及合理性分析。根據(jù)收集到的延河資料,分析延河現(xiàn)狀水環(huán)境狀況及水質(zhì)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(tǒng)計2020年延河入河污水量、入河COD和氨氮量,通過預(yù)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(shù)率定基礎(chǔ)上,開展2020年、2025年、2030年生態(tài)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(guī)律。依據(jù)改善保護區(qū)、保留區(qū)和飲用水源區(qū)水質(zhì),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(qū)限制排污量和污染物削減量。

3.4 技術(shù)路線

結(jié)合水環(huán)境特點,通過資料收集和綜合分析,在污染負荷分析和水質(zhì)評價的基礎(chǔ)上,并充分考慮水環(huán)境的水文學(xué)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(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

4 河流水體納污能力計算模型

根據(jù)《水域納污能力計算規(guī)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(yīng)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(qū)下斷面的污染物濃度及其相應(yīng)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(dāng)y=0：

（2）二維對流擴散方程公式（7）也可采用數(shù)值法求解。當(dāng)污染物為非恒定排放,也可按差分法推求數(shù)值解。用數(shù)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(shù)的確定

5.1.1 污染物的確定

根據(jù)陜西省環(huán)保部門統(tǒng)計數(shù)據(jù),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(tǒng)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(zhuǎn)化情況,延河延安市控制單元環(huán)境容量計算擬采用一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)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(zhì)目標(biāo)

根據(jù)延河水功能區(qū)劃,劃分本次計算單元并確定各單元水質(zhì)目標(biāo),見表2。

表2 延河計算單元劃分及水質(zhì)目標(biāo)表

3）設(shè)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(shè)計流量,計算結(jié)果見表3。

表3 延河干流水文站生態(tài)流量計算成果表

5.2 計算結(jié)果及討論

1）納污能力計算

經(jīng)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(jié)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(jīng)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(xù)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(jié)論

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

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

3）最后以延河干流為例,分析了延河現(xiàn)狀排污口數(shù)量、排污量、污染物排放量,并按照一維水質(zhì)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。