改進的S-P模型在喀什地區(qū)河道降解及納污能力計算的適用性分析

阿提卡木·阿布來提

（新疆喀什水文勘測局，新疆 喀什 844000）

0 前言

河道降解及納污能力計算的合理性對于河流生態(tài)保護十分重要，是河流生態(tài)環(huán)境保護的重要依據[1]。近些年來，對于河流降解及納污能力的分析計算逐步得到國內學者的廣泛關注，并取得一定的研究成果[2～6]，這其中S-P模型應用效果較好，但傳統(tǒng)S-P模型不能對污染物的衰減濃度進行有效表征，使得其計算穩(wěn)定性較低，因此有學者增加污染衰減濃度系數(shù)，對該模型進行改進，提出改進的S-P模型，并在一些地區(qū)河流降解及納污能力分析中得到應用[7～11]，但在新疆地區(qū)還未得到相關應用。喀什地區(qū)有大型的河流5條，多項研究結果表明喀什地區(qū)近些年來河流水質變化總體較為穩(wěn)定，但有個別污染指標有顯著上升的變化趨勢。為加大對喀什地區(qū)河流的環(huán)境保護，需要對其河流降解及納污能力進行分析，為此本文結合改進的S-P模型對喀什主要河流的降解及納污能力進行分析，從而分析該模型在喀什地區(qū)的適用性，研究成果對于喀什地區(qū)河流的生態(tài)保護規(guī)劃具有重要的參考價值。

1 改進S-P模型主要原理

S-P模型采用非線性模型對污染物降解溶度進行演算，其污染物降解方程為:

式中:x為河流降解段主要計算的污染物濃度，mg/L；K1、K2為河流污染物降解參數(shù)；CS為河流水體的降解濃度，mg/L；C為水體中有機物溶解狀態(tài)的濃度，mg/L；ν為河流水流的流速，m/s；t為演算時間段，h。

改進的模型對其臨界負值進行改進計算，采用特征值進行判定，計算方程為:

式中:L0表示為河段起算的初始距離長度，km；xc表示為污染物降解衰減的水體溶解氧的濃度，mg/L。

當CS＞0，改進的模型需要進行方程轉換，其轉換方程為:

對上述方程進行求解，得到求解方程為:

式中:Lb表示為水土中主要污染的降解濃度主要覆蓋的河段長度，km；xb表示為主要污染物的衰減濃度值，mg/L。

假定河流主要污染物呈現(xiàn)明顯非線性變化，其衰減濃度計算方程為:

式中:LC表示計算河段的起點距離，km。

污染系數(shù):

式中:C0表示為污染物降解的初始計算濃度，mg/L；C表示計算時刻的污染物降解的濃度度，mg/L。

主要水功能區(qū)的納污能力:

式中:W表示計算的河流納污能力，t/a；C0表示為污染物計算的時段初濃度，mg/L；Cm表示為時段末的計算濃度，mg/L；K表示河道計算的降解系數(shù)值；L表示為區(qū)域河道計算的長度，km；μ表示為河流斷面計算的速率，m/s；Q表示計算段河流斷面的流量，m3/s。

2 模型應用

2.1 區(qū)域水質概況

本文主要以喀什主要河流為研究區(qū)域，區(qū)域主要水功能區(qū)河流特征及主要水質分類的主要特征見表1。喀什地區(qū)各水功能區(qū)河流水質主要保持在III類，少數(shù)河流水質標準在IV類，近些年來，由于加強河流水生態(tài)保護，各水功能區(qū)河流水質均有一定程度的改善。

表1 水功能區(qū)主要水質指標特征參數(shù)

2.2 降解系數(shù)擬合計算結果

分別結果改進的S-P模型對區(qū)域兩種典型河流水體污染物BOD5以及COD進行降解系數(shù)的分析計算，計算結果見表2、表 3。

表2 COD指標降解系數(shù)計算對比結果

表3 BOD5指標降解系數(shù)計算對比結果

從兩種污染指標的模型求解誤差對比結果可看出，相比于傳統(tǒng)S-P模型，改進S-P模型的誤差得到不同程度的降低，在COD污染指標上，傳統(tǒng)S-P模型下的河流降解系數(shù)計算誤差在-14.31%～27.63%之間，而改進的S-P模型下其河流降解系數(shù)計算誤差降低到±10%以內，相比于其他區(qū)域，改進的S-P模型在河流各監(jiān)測斷面降解系數(shù)計算誤差上平均降低12.7%。從BOD5的計算對比誤差可看出，采用傳統(tǒng)S-P模型計算的河流降解系數(shù)的誤差在-15.03%～28.98%之間，計算誤差均大于±15%，而采用改進的S-P模型后，各監(jiān)測斷面降解系數(shù)的計算誤差均在±10%以內，相比于傳統(tǒng)S-P模型，改進的S-P模型在河流BOD5的降解系數(shù)的計算誤差得到明顯改善，相比于傳統(tǒng)模型，改進的S-P模型河流降解系數(shù)誤差降低13.3%，這主要是因為改進的S-P模型增加污染衰減濃度系數(shù)，使得河流降解系數(shù)的計算更能反映河流污染物沿程變化，因此計算精度得到提升，更適用于喀什地區(qū)的河流降解系數(shù)計算。

2.3 納污能力計算結果

在河流主要污染指標降解分析的基礎上，分別對現(xiàn)狀年、遠景年、規(guī)劃年各水功能河流納污能力進行分析計算，計算結果見表4、表5以及表6。

表4 現(xiàn)狀年2019年區(qū)域水功能區(qū)納污能力計算結果

表5 遠景年2030年區(qū)域水功能區(qū)納污能力預測結果

表6 遠景年2040年區(qū)域水功能區(qū)納污能力預測結果

從分析結果可看出，喀什地區(qū)不同現(xiàn)狀年份BOD5指標納污能力在6.43×104t/a～13.87×104t/a，而現(xiàn)狀年份COD納污能力在23.77×104t/a～62.28×104t/a之間，喀什地區(qū)COD納污能力總體好于BOD5指標的納污能力，而對于生態(tài)保護規(guī)劃年份而言，喀什地區(qū)的各種污染指標的納污能力有一定程度的降低，這主要是因為隨著河流生態(tài)保護規(guī)劃措施的逐步實施，其河流水質將得到不同程度的改善，使得其納污能力相應有所減少。而進入遠景年份，喀什地區(qū)河流水質將得到進一步改善，河流水質能力的提升，也使得其納污能力相應減少。

3 結論

（1）改進的S-P模型可適用于喀什地區(qū)河流降解系數(shù)及納污能力的計算，改進后的模型，在喀什地區(qū)河流主要監(jiān)測斷面COD和BOD5兩種指標的降解系數(shù)求解誤差均在±10%以內，具有較好的求解精度；

（2）對于生態(tài)保護規(guī)劃和遠景年份而言，受到喀什地區(qū)河流水質改善的影響，由于喀什地區(qū)主要河流需要納污的污染物量級減少，其相應能力將降低。