入河排污口設置對水功能區水質影響分析

桂 佳

（寧夏寧東水務有限責任公司，寧夏銀川 750001）

目前，水資源短缺、水生態環境惡化等問題已經直接影響到我國的用水安全、公眾健康和社會穩定，成為制約經濟社會可持續發展的重要瓶頸。我國水環境面臨的形勢嚴峻，雖然經過多年治理，許多江河湖泊的入河污染物量仍遠超出水功能區的納污能力及水生態的承載能力，導致部分水體功能喪失。入河排污口管理是控制污染物入河總量的重要手段，也是保護水資源、改善水環境、促進水資源可持續利用的一項重要保障措施[1]。

黃河流域寧夏段是寧夏回族自治區重要的生態保護和環境治理地區，是自治區重要的經濟帶和經濟主要增長極，也是人口主要聚集區、特色農業種植區和工業重點承載區。加強黃河流域生態保護有利于寧夏補齊水資源不足短板，促進協調均衡發展[2]。本文以黃河流域寧夏段二級水功能區黃河吳忠排污控制區為研究對象，分析黃河吳忠排污控制區納污能力和污染物入河量關系，預測現有入河排污口設置后黃河吳忠排污控制區不同斷面污染物濃度，以掌握黃河吳忠排污控制區對入河污染物的承載力以及沿途入河排污口設置對水功能區水質影響程度，為黃河吳忠排污控制區經濟社會發展布局和水生態環境保護提供科學依據。

1 水功能區概況

1.1 水功能區基本情況

黃河吳忠排污控制區為黃河寧夏開發利用區的二級水功能區，起始斷面為青銅峽水文站，終止斷面為葉盛公路橋，代表斷面為葉盛公路橋，總長30.5 km。黃河吳忠排污控制區屬于排污控制區，無水質目標管理要求。根據《自治區人民政府關于印發寧夏回族自治區水污染防治工作方案的通知》，葉盛公路橋水質目標為《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）II類標準，本文采用II類標準作為黃河吳忠排污控制區水質目標，該水功能區現狀水質滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）II類水質目標管理要求。

1.2 水功能區現有排污口

黃河吳忠排污控制區主要有清水溝、苦水河、南干溝、羅家河4條入河排水溝，該水功能區入河排污口為直接或間接通過排水溝入黃河的排污口。結合實際調查及排污口登記情況，黃河吳忠排污控制區共有排污口24處，廢污水入河流量為1.71 m3/s，主要污染物CODcr和NH3-N入河總量分別為2 554.84 t/a和388.08 t/a。

2 水功能區納污能力及污染物入河量

根據《全國水資源綜合規劃技術細則》，全國統一采用CODcr和NH3-N作為江河、湖庫水質保護的污染物控制指標。本文重點分析黃河吳忠排污控制區對主要污染物CODcr和NH3-N的納污能力。

表1 黃河吳忠排污控制區納污能力、限制排污總量及污染物入河量對比

根據《黃委關于印發黃河流域“一河一策”編制水資源與水生態保護意見的函》，2020年黃河吳忠排污控制區對主要污染物CODcr和NH3-N的納污能力為42 034 t/a和582 t/a，限制排污總量為6 908 t/a和509 t/a。黃河吳忠排污控制區現有24處排污口，主要污染物CODcr和NH3-N入河總量為2 554.84 t/a和388.08 t/a。黃河吳忠排污控制區現有污染物入河量未超其納污能力和限制排污總量，對主要污染物CODcr和NH3-N仍有4 353.16 t/a和120.92 t/a的容納空間，表明黃河吳忠排污控制區對入河污染物尚具有承載力。黃河吳忠排污控制區納污能力、限制排污總量及污染物入河量對比（見表1）。

3 水功能區水質預測

3.1 計算模型

黃河吳忠排污控制區總長30.5 km，多年平均徑流量274.6×108m3/a，屬于大型河段。根據《水域納污能力計算規程》（GB/T 25173-2010），采用河流二維水質模型分析入河排污口外排污染物對黃河吳忠排污控制區水體水質的影響。二維對流擴散方程計算公式如下：

式中：C（x，y）-計算水域代表點的污染物平均濃度，mg/L；C0-初始斷面的污染物濃度，mg/L；m-污染物入河速率，g/s；h-設計流量下計算水域的平均水深，m；Ey-污染物的橫向擴散系數，m2/s；x-沿河段的縱向距離，m；v-設計流量下計算水域的平均流速，m/s；y-計算點到岸邊的橫向距離，m；K-污染物綜合衰減系數，1/s。

黃河吳忠排污控制區沿途未設排污口情況下，污染物隨水體流動混合降解，各斷面污染物濃度預測采用下式：

式中符號意義同前。

3.2 參數確定

3.2.1 初始斷面污染物濃度 初始斷面污染物濃度采用黃河吳忠排污控制區起始斷面青銅峽水文站污染物濃度，依據2019年水質監測資料，初始斷面主要污染物CODcr和NH3-N濃度分別為12.7 mg/L和0.12 mg/L。

3.2.2 污染物入河速率 黃河吳忠排污控制區現有24處排污口可概化為黃河干流7處排污口（見圖1），自起始斷面至終止斷面依次有青銅峽市第三污水處理廠、寧夏青銅峽工業園區（區塊一）污水處理廠、南干溝、吳忠一污、清水溝、苦水河和羅家河排污口匯入。7處概化排污口污染物入河速率（見表2）。

3.2.3 設計流量下水域的平均流速及水深 一般情況下，天然河流中枯水季節是對水質最不利的時期，河流水質問題一般出現在枯水期。計算河流水域納污能力，應采用90 %保證率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量作為設計流量。本文采用青銅峽水文站2009-2018年最枯流量作為設計流量，近10年平均流量為729 m3/s，最枯流量發生在2017年4月，大小為275 m3/s，即設計流量為275 m3/s。

表2 黃河吳忠排污控制區7處概化排污口污染物入河速率統計表

圖1 黃河吳忠排污控制區沿途入河排污口位置示意圖

根據《黃河寧夏河段二期防洪工程初步設計報告》中本河段糙率、比降、邊坡以及底寬等參數，計算出設計流量下河道的平均流速為0.997 m/s，平均水深為1.01 m。

3.2.4 污染物橫向擴散系數 污染物橫向擴散系數采用費休公式，順直河段為：

彎曲河段為：

式中：Ey-水流的橫向擴散系數，m2/s；H-河道斷面平均水深，m；g-重力加速度，m/s2；J-河流水力比降。

各參數引用前文取值，計算出污染物橫向擴散系數為0.816 m2/s。

3.2.5 污染物綜合衰減系數 污染物進入河流在輸移過程中通過物理、化學及生物的作用發生濃度衰減，其衰減系數反映了污染物在水體作用下降解速度的快慢[3]。云飛等[4]對黃河寧夏段CODcr和NH3-N降解系數測算結果表明，黃河寧夏段CODcr和NH3-N降解系數分別為0.2 d-1和0.3 d-1。韓宇平等[5]根據長系列流量、水質資料計算出青銅峽至石嘴山段NH3-N降解系數為0.28 d-1。根據前人研究成果，本文CODcr和NH3-N綜合衰減系數采用0.2 d-1和0.9 d-1。

3.3 預測結果

采用二維水質模型預測設置與未設置入河排污口情況下，不同斷面可降解物質CODcr和NH3-N污染物濃度，分析黃河吳忠排污控制區污染物排放與黃河水體充分混合后沿黃河縱向降解過程。計算點到岸邊的橫向距離取1 m，由于靠近岸邊處污染物濃度最高，計算截面選取靠近岸邊處污染物濃度較合理。

通過分析黃河吳忠排污控制區設置與未設置入河排污口情況下，污染物CODcr和NH3-N隨水體混合降解過程可知（見圖2），沿途未設入河排污口情況下，黃河吳忠排污控制區從起始斷面至終止斷面，污染物濃度逐漸降低；而7處概化排污口排放污染物后，排污斷面水體濃度顯著升高，隨后又逐漸降解，直至下一處排污口排放污染物，污染物濃度又明顯提升，依次循環。黃河吳忠排污控制中下游段污染物濃度增加幅度較明顯，原因在于該段排污口分布較密集且入河污染物量大，污染物CODcr和NH3-N濃度最高分別達到12.975 mg/L和0.272 mg/L，未超《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）II類水質目標管理要求，表明黃河吳忠排污控制區沿途入河排污口布局合理，入河排污口設置能夠保證黃河吳忠排污控制區任意段污染物CODcr和NH3-N濃度滿足水質目標管理要求。

表3 設置與未設置入河排污口情況下終止斷面污染物濃度對比表

圖2 黃河吳忠排污控制區沿途設置與未設置入河排污口情況下不同斷面污染物濃度預測結果

對比設置與未設置入河排污口情況下終止斷面污染物濃度可知（見表3），終止斷面污染物CODcr和NH3-N濃度增加比例分別為8.48 %和134.51 %，其中污染物NH3-N濃度增加幅度顯著的原因是入河污染物濃度遠高于初始斷面背景濃度。

4 結論與討論

本文從水體納污能力和水質遷移兩方面分析了黃河吳忠排污控制區受沿途入河排污口污染程度，由納污能力與污染物入河量對比結果可知，黃河吳忠排污控制區對主要污染物CODcr和NH3-N尚有4 353.16 t/a和120.92 t/a承載力；現有入河排污口設置情況下黃河吳忠排污控制區水質預測結果表明，現有入河排污口設置未使黃河吳忠排污控制區任意段污染物濃度超出水質目標管理要求，現有排污口布局合理。基于上述成果，建議黃河吳忠排污口控制區今后新增入河排污口，將入河污染物總量控制在黃河吳忠排污控制區富余水環境容量內，嚴格限制污染物入河，并且盡可能將入河排污口設置于黃河吳忠排污控制區上游段，降低中下游段入河排污口設置數量及污染物入河總量，以免造成中下游段部分排污斷面水質超標。