清江恩施城區段水質降解系數及納污能力研究

周紅英，向春華，尹應華，熊 英，趙詩岳

（1. 恩施州水文水資源勘測局，湖北 恩施 445000；2. 湖北省水文水資源應急監測中心，湖北 武漢 430079）

水是人類賴以生存的不可替代資源，是經濟和社會發展的基礎。恩施市位于清江中上游，是恩施州政治經濟文化中心。近年來，清江恩施市城區過境河段水質持續較差，兩處污水處理廠是清江恩施城區河段最大的排污口，另有一些零星散排污水，由水污染而引起的水資源問題，已成為恩施市可持續發展的制約因素[1-4]。因此通過對清江城區段水質實測分析數據，進而計算該河段水質實際降解系數，分析確定清江恩施城區段的納污能力，為清江恩施市城區段水環境保護和實施最嚴格水資源管理提供可靠的理論依據和技術支撐，對恩施生態文明建設具有重要意義。

1 研究方法、范圍及對象

1.1 研究方法

（1）通過污染源調查、排污口監測、水質監測，了解研究河段主要入河排污口設置及排污量，確定該河段主要污染因子；

（2）分析研究河段的水文特征、河道特征及其變化情況，確定水文參數；

（3）選取順直、水流穩定、無支流匯入、無入河排污口的河段，監測多次污染物濃度值和水流流速，計算確定此河段的水質降解系數；

（4）在同樣的設計水文條件下，采用本次實測計算的水質降解系數和湖北省水資源綜合規劃推薦的水質降解系數分別計算清江恩施城區河段的納污能力，比較兩種方法計算的納污能力結果，探討清江恩施城區段流域水污染控制的措施與對策。

圖1 清江恩施城區河段二級水功能區劃示意圖

1.2 研究范圍

本次研究河段范圍起于恩施市大龍潭水庫壩下，止于恩施市大沙壩，東經109°26′55″～109°29′25″，北緯30°21′21″～30°15′4″，河長16.6 km（見圖1）。該區域劃分為1 個一級水功能區，即清江恩施開發利用區，清江恩施開發利用區又劃分為3 個二級水功能區，即清江恩施飲用水源工業用水區、清江恩施排污控制區、清江恩施過渡區，水質管理目標分別為Ⅱ類、Ⅳ類、Ⅲ類。納污能力計算以水功能區為單元進行統計分析。

1.3 研究對象

根據近兩年污染源調查、排污口監測及河段水質監測情況，了解到研究河段內工業企業少，主要入河排污口為污水處理廠排污口和城區部分未收集完全的分散生活排污口，該河段主要污染因子為NH3-N 和COD，因此本次分別對研究河段內NH3-N 和COD 兩個污染因子的降解系數和納污能力進行分析研究。

2 水質斷面布設及水質監測結果

2.1 水質斷面布設

本次研究共設置22 個水質監測斷面，包括清江干流14 個斷面（大龍潭水庫為背景斷面，清江恩施飲用水源、工業用水區內7 個斷面，清江恩施排污控制區內3 個斷面，清江恩施過渡區內3 個斷面），帶水河、麻園河、鹽水溪、龍洞河、高橋河、巴公溪、蔡家河等7 條入河支流7 個斷面，入河排污口1 個斷面（見圖2 和表1）。

圖2 清江恩施城區段納污能力研究項目監測站網示意圖

表1 水質監測斷面布設表

2.2 監測時段

監測時間為2017 年10 月到2018 年9 月共12 個月，每月在22 個斷面采樣對NH3-N 和COD 兩個污染因子進行檢測，采樣時同步監測流速流量。

2.3 水質監測評價結果

依據2017 年10 月至2018 年9 月各斷面水質實測數據可知：從21 個干支流監測斷面情況看，14 個干流斷面連珠大橋上和連珠大橋下斷面水質較差，單次水質有5 次水質為Ⅳ類或劣Ⅴ類水，此兩個斷面主要受首創污水處理廠入河排污口及超過其處理能力的污水直排口影響，7 條支流中除帶水河外其余6 條支流河口水質均較差，均值達到Ⅲ類以上，蔡家河均值達到Ⅴ類水，麻園河達到劣Ⅴ類水，支流水質污染源主要為流域范圍內生活生產污水。用所監測的全部斷面來分析水功能區水質達標情況，清江恩施飲用水源、工業用水區7 個水質斷面每月NH3-N 均值在0.5mg/L 以內，COD 均值小于7 mg/L，綜合類別達到《地表水環境質量標準》Ⅱ類水質；清江恩施排污控制區內3 個斷面主要污染指標NH3-N 月均值有4 次超過1.5mg/L，水功能區有4 個月不達標；清江恩施過渡區內3 個斷面主要污染指標NH3-N 月均值有4 次超標1.0mg/L，水功能區有4 個月不達標。

3 模型選擇與模型參數確定

3.1 模型選擇

清江恩施城區段流量受上游大龍潭發電和下泄流量影響，據恩施水文站多年監測資料顯示，枯水期流量一般小于150m3/s，屬于中小型河段，根據《水域納污能力計算規程》（GB/T25173-2010），該河段納污能力計算模型宜選擇河流一維模型，納污能力和污染物濃度計算公式分別如下：

式中M——水域納污能力，t/a；Cs——水質目標濃度值，mg/L；Cx——流經x距離后的污染物濃度，mg/L；Q——初始斷面的入流流量，m3/s；Qp——廢污水排放流量，m3/s；C0——初始斷面的污染物濃度，mg/L；K——污染物綜合衰減系數，1/s；x——沿河段的縱向距離，m；u——設計流量下河道斷面的平均流速，m/s；ΔX——上下斷面之間距離，m；CA——上斷面污染物濃度，mg/L；CB——下斷面污染物濃度，mg/L；

3.2 參數確定

以COD 和NH3-N 兩個污染因子作為分析指標，本項目研究范圍包括3 個二級水功能區，其間清江干流布設了11 個水質監測斷面，為消除單次測驗的誤差，COD 和NH3-N 的初始濃度（C0）均采用年均值，NH3-N 的初始濃度為0.28mg/L，COD 的初始濃度為3.4mg/L。目標值（Cs）采用各水功能區管理目標確定的水質類別對應污染因子的上限值。清江恩施飲用水源、工業用水區水質管理目標為Ⅱ類，對應的NH3-N和COD 限值分別為0.5mg/L 和15mg/L。清江恩施排污控制區水質管理目標按水資源管理考核要求的Ⅳ類確定，對應的NH3-N 和COD 限值分別為1.5mg/L 和30mg/L。清江恩施過渡區水質管理目標為Ⅲ類，對應的NH3-N 和COD 限值分別為1.0mg/L 和20mg/L。采用恩施站作為參考站，近10 年最小月平均流量（12.1 m3/s）作為設計流量。選取清江干流鹽水溪匯合口下游斷面到恩施站斷面這一順直、水流穩定、無支流匯入、無入河排污口的河段，實測COD 和NH3-N 降解濃度，計算得出COD 和NH3-N 降解系數。分段計算清江恩施城區河段的納污能力。同時采用經驗降解系數計算納污能力進行比較驗證，確定三個功能區的納污能力。

3.3 典型斷面流量計算

干流斷面的流量采用參考站流量用面積比直接縮放，入河支流斷面的流量考慮用降水量修正，入河排污口斷面流量采用實測值，其中首創污水處理廠目前滿負荷運行，本次研究按設計值6 萬m3/d 計算入河廢污水量。各斷面多年平均流量、近10 年最小月平均流量成果見表2 和表3。

表2 清江干流各斷面流量表

表3 入河支流各斷面流量表

3.4 典型斷面流速確定

本次研究對清江干流的12 個斷面進行了斷面測量，采用水力學方法推求給定流量下的流速見表4。

表4 設計流量時斷面平均流速

4 降解系數分析

依據河段的實際情況，考慮日常水質監測成果，本次降解系數分析選擇清江干流鹽水溪匯合口下游斷面到恩施站斷面這一順直、水流穩定、無支流匯入、無入河排污口的河段，斷面進行。對兩個斷面從2017 年10 月至2018 年9 月進行水質監測，選取8 個有效水質監測數據和恩施站斷面已有的流量流速監測數據，計算降解系數K 值結果見表5 和表6。

表5 NH3-N 降解系數計算結果表

表6 COD 降解系數計算結果表

由表5 和表6 可知NH3-N 降解系數分布在8.06995*10-5到0.0016 之間，COD 降解系數分布在3.9602*10-5到0.0031 之間，可見由實測數據計算的降解系數不穩定，根據與推薦降解系數比較，選取較接近的最小值8.06995*10-5計算NH3-N 納污能力；分析采用最小值3.9602*10-5計算COD 納污能力。

5 納污能力計算

設置3 個控制斷面，7 個分段計算結點，清江恩施段納污能力為三個水功能區納污能力之和，采用湖北省水資源綜合規劃推薦降解系數值（KNH3-N=0.5/d=5.787*10-6/s, KCOD=0.26/d=3.009*10-6/s）和實測分析降解系數值計算各功能區納污能力結果見表7。

表7 推薦或實測降解系數下納污能力計算結果表

6 結論

（1）推薦降解系數情況下清江恩施城區段COD 納污能力為32349.6t/a，NH3-N 納污能力為350.2 t/a。分水功能區來看，清江恩施飲用水源、工業用水區，清江恩施排污控制區COD 和NH3-N 均有一定納污能力，但清江恩施過渡區NH3-N 納污能力為-16.9，說明該水功能區在出口斷面不能達到水質管理目標要求，水功能區內自然降解能力不夠。

實測分析降解系數情況下，清江恩施城區段COD 納污能力為32151.3 t/a，NH3-N 納污能力為493 t/a。分水功能區來看，清江恩施飲用水源、工業用水區，清江恩施排污控制區，清江恩施過渡區COD 和NH3-N均有一定納污能力。

（2）根據以上兩種情況，不論有沒有納污能力或是能否充分降解，均應以污染物削減為原則。若入河污染物總量小于河流納污能力，則入河總量可作為其入河控制量。當水功能區入河總量遠遠大于其納污能力時，污染物削減任務則重，為有效控制污染物入河量，可根據實際情況制定入河污染控制方案，分階段分河段削減污染物，以期達到水功能區水質管理目標。

（3）清江恩施城區污水處理廠排污河段附近和城區麻園河、鹽水溪、龍洞河、高橋河、巴公溪、蔡家河支流河口水質較差，主要污染物COD、NH3-N 均受清江恩施城區段入河排污口及支流水質的影響，應盡快完善污水收集管網，加大污水收集率，提高污水處理率，提高污染物排放標準，降低污染物排放濃度，有效解決恩施市城區清江水質持續較差的狀況，改善市區生活環境，建設美麗河流，提高人民群眾的生活幸福指數。