不同引水規模下平原閘控河道納污能力比較研究

喻 婷，陳燕飛，周 馳，吳雪潔，張秀蓮，陳運梅，陳曉群

(1.湖北省水利水電科學研究院湖北省水利水電科技推廣中心，湖北 武漢 430070；2.長江大學，湖北 武漢 434023)

水域納污能力是指在設計水文條件下，滿足計算水域的水質目標要求時，水體所能容納的某種污染物的最大數量[1-5]。 水域納污能力與水域限制排污總量一起構成了中國水資源保護行業的重要基礎，為相關行業水資源管理提供了有效依據[6]。

閘控工程對河流水量、水質的影響是當今國內外水科學研究的前沿與熱點之一。 Hayes等、Burke等[7-8]探析了水閘調度對河流水質、水量演變所起的作用；Birhanu 等[9]模擬了不同閘壩調控情況下河流水環境變化；朱效娟等[10]利用一維河流水動力模型及水質模型，并結合閘控感潮河網所具有的流態不穩定、流向多變等特點，建立了適用于閘控感潮河網的水環境容量模型。 本文以多閘壩控制下的重污染河流通順河為研究對象，采用模型法和污染負荷法分別計算通順河干流的納污能力，分析不同引水規模對通順河水體納污能力的影響，為通順河的水資源調度和水環境修復治理提供科學依據。

1 流域概況

通順河屬長江一級支流，是江漢平原腹地的重要河流，也是流域內農業灌溉及排水的骨干通道。通順河自漢江澤口閘起，流經潛江、仙桃、武漢3 地市，于黃陵磯閘匯入長江，全長195 km，流域面積3 266 km2。 通順河流域水系復雜、河渠縱橫，季節性河流特性明顯，流域內控制性涵閘泵站數百座，但由于缺乏科學合理的水資源統籌調度，閘控河段的水環境現狀不容樂觀。 研究區域見圖1。 根據《湖北省水功能區劃》，通順河只劃分為一個功能區，為保留區，水質目標為Ⅲ類。

圖1 通順河流域水系及水利工程分布

2013—2016 年，由于入河污染負荷遠超水環境容量，導致通順河水質總體變差，長期為V類或劣V類[11]。 根據湖北省生態環境廳2017、2018 年對通順河跨界斷面的監測結果，通順河干流水質有明顯好轉，水質從IV～V類逐漸提升為III～IV類，但離III類水質目標還有很大差距。 在長江大保護的背景下，亟需開展水域納污能力核算工作，為流域所涉各級政府開展水污染防治與污染減排工作提供重要依據。

2 計算模型

通順河為單一功能區中型河道，河道斷面形狀變化不大，可用解析解模擬斷面平均濃度的沿程變化[12]。 根據《水域納污能力計算規程》[13]，河流一維模型適用于污染物在橫斷面上均勻混合的中小型河段，河段的污染物濃度按式(1)計算，相應的水域納污能力按式(2)計算:

式中 C0——某基準斷面的濃度，mg/L；Cs——水質目標濃度值，mg/L；Cp——排放的廢污水污染物濃度，mg/L；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；K——污染物綜合降解系數，1/s；C(x)——流經x距離后的污染物濃度，mg/L；Qp——廢污水排放流量，m3/s；Q——初始斷面的入流流量，m3/s；M——水域納污能力，kg/s。

當入河排污口位于計算河段的中部時(即x=L/2)，水功能區下斷面的污染物濃度及其相應的水域納污能力分別按式(3)和(4)計算:

式中 m——污染物入河速率，g/s；Cx=L——水功能區下斷面污染物濃度，mg/L；L——計算河段長度，m；其余符號意義同前。

3 納污能力計算

影響水域納污能力的要素很多，概括起來主要有以下5 個方面:①水環境質量標準；②水體自凈能力；③水體的自然背景值；④排污口的分布方式；⑤水量[14]。

3.1 計算原則

a)通順河干流原則上不允許新增排污口，因此干流河道納污能力計算的概化排污口僅為現狀排污口，根據排污口排污量與混合帶長度響應關系，確定每個概化排污口限定的混合帶長度。

b)研究河道初始斷面為潛江境內澤口閘，澤口閘從漢江引水，取漢江的水質現狀作為初始斷面污染物背景濃度值，即COD≤15 mg/L，NH3-N≤0.5 mg/L，TN≤0.5 mg/L，TP≤0.1 mg/L為項目計算河段的初始斷面污染物。 河道水質目標為Ⅲ類[15]。

c)通順河為有水利工程控制河流，采用最小下泄流量或河道內生態基流作為設計流量。

d)采用模型法和污染負荷法分別計算通順河干流水功能區(保留區)納污能力，經綜合分析后選取合適的值。 對于水質達標的保留區，一般采用污染負荷法成果作為該保留區納污能力；對于水質超標的保留區，采用模型法計算成果作為該保留區納污能力。

3.2 計算水文條件

通順河水系整體為閘控河流，河道水量受澤口閘引水量影響。 根據《水域納污能力計算規程》，可采用最小下泄流量或河道內生態基流作為通順河設計流量。

根據《潛江、仙桃兩地跨界污染協調工作機制》(鄂環發〔2012〕26 號)要求，為確保通順河常年保持正常生態流量，現狀枯水季節應確保澤口閘取水流量不少于10 m3/s。 本研究通順河現狀(2018 年)設計流量取10 m3/s。

為提高通順河流域水環境承載能力，《通順河流域水環境綜合整治方案》確定了通順河不同水平年所需的生態補水流量，其中2020 年取水流量不少于13 m3/s，2022 年取水流量不少于15 m3/s。

3.3 模型參數

3.3.1 河段長度及水質現狀

通順河全長195.0 km，目標水質為Ⅲ類。 通順河潛江段、仙桃段、武漢段的長度分別為17.0、109.9、68.1 km，各段水質現狀分別為Ⅳ、V、Ⅲ類。

3.3.2 擴散系數和降解系數

影響污染物輸移的主要參數是擴散系數D和降解系數Kd，本模型中將水平擴散系數與水平渦粘度相關聯，擴散系數隨流場的變化而改變。

參考湖北省內相鄰類似河流的污染物降解系數研究成果，確定通順河干流水域主要污染物COD、NH3-N和TP的降解系數分別為0.15、0.20、0.10/d。

3.4 納污能力計算結果

3.4.1 2018 年計算結果

根據通順河流域入河污染物調查、排污口排查以及入河污染物計算分析結果，得到2018 年通順河主要污染負荷COD、NH3-N、TP的入河量分別為12 994.58、2 252.84、225.16 t/a。

根據通順河水功能區(保留區)各河段水質達標現狀，潛江段、仙桃段河道水質尚不達標，武漢段水質達標。 由此可以確定通順河COD、NH3-N、TP的納污能力核算結果分別為9 590.05、769.05、140.91 t/a(表1)。

3.4.2 2020 年生態補水后計算結果

根據湖北省環境科學研究院編制的《通順河流域水環境綜合整治方案》，到2020 年，通順河流域跨界斷面水質達到地表水Ⅳ類以上，即通順河保留區水質得到很大改善，但潛江段、仙桃段水質仍未能達標。 根據《通順河流域水環境綜合整治方案》，通順河現狀(2018 年)設計生態流量為10 m3/s，2020年設計生態流量為13 m3/s，2022 年設計生態流量為15 m3/s，采用模型法和污染負荷法分別計算通順河保留區的納污能力后，經綜合分析得到通順河2020 年COD、NH3-N、TP的納污能力核算結果分別為8 920.90、726.55、141.17 t/a(表1)。

3.4.3 2022 年生態補水后計算結果

根據湖北省環境科學研究院編制的《通順河流域水環境綜合整治方案》，通過綜合治理，到2022年通順河干流水質達到地表水Ⅲ類以上，潛江、仙桃、武漢段均基本達到水質目標。 采用模型法和污染負荷法分別計算通順河保留區的納污能力后，經過綜合分析得到通順河2022 年COD、NH3-N、TP的納污能力核算結果分別為9 255.51、1 708.99、185.89 t/a(表1)。

表1 不同引水流量下納污能力計算結果對比單位:t/a

3.5 結果分析

3.5.1 各引水條件下模型法計算結果分析

在10、13、15 m3/s3 種引水規模下，采用納污能力計算數學模型對通順河干流水體進行納污能力計算。 由圖2 可以看出各主要污染物的納污能力計算結果與引水規模的大小并不成正相關關系，因為納污能力計算模型為多參數非線性模型，計算結果受多個參數制約。

圖2 模型法計算結果對比

3.5.2 污染負荷法計算結果分析

選取2017年8月～2018年8月在我院治療的神經內科患者180例作為研究對象，將其隨機分為對照組與觀察組，各90例。其中，觀察組男52例，女38例，年齡45～78歲，平均年齡（63.47±5.25）歲，腦出血8例.腦梗死65例，肌萎縮側索硬化17例；對照組男50例，女40例，年齡45～79歲，平均年齡（63.52±5.16）歲，腦出血7例、腦梗死62例、肌萎縮側索硬化21例。兩組患者一般資料對比，差異無統計學意義（P＞0.05）。所有患者及其家屬均知曉本次實驗的研究目的、方法和意義，自愿配合，且經我院倫理委員會批準同意。

由于社會經濟的發展以及通順河流域治污力度的不斷加強，各水平年入河污染物量隨時間的推移不斷減少(圖3)。

圖3 污染負荷法計算結果對比

3.5.3 綜合納污能力核算結果分析

各水平年納污能力最終核算結果綜合參考了模型法、污染負荷法的計算成果，一般認為該結果最為合理。 從圖4 可知，規劃2022 年引水規模為15 m3/s、入河污染負荷大幅度削減的條件下，通順河干流水體中各主要污染物的納污能力最大，這為規劃年Ⅲ類水質目標的實現提供了較為合理的研究基礎。

圖4 綜合納污能力核算結果對比

4 結論

本文根據通順河干流水文水質資料，按照規程法和污染負荷法分析了通順河干流各引水條件下的水域納污能力。 主要結論如下。

a)引水規模對閘控河道的納污能力有一定的影響，但由于受到多參數制約，所以并不呈現出完全正相關關系，選取合適的引水規模有利于河道自凈能力的增強。

b)隨著流域水污染治理工程的不斷推進，河道引水規模越大，需要削減的污染物量越小。 為實現通順河水功能區水質目標，結合河道污染負荷入河量和納污能力計算結果，2018 年引水規模10 m3/s時，通順河需削減的COD、NH3-N、TP污染物量分別為3 404.53、1 483.79、84.25 t/a；2020 年引水規模13 m3/s時，通順河需削減的污染物量分別為1 717.36、1 110.55、50.65 t/a；2022 年引水規模15 m3/s時，通順河需削減的各種污染物量均為0。

根據湖北省生態環境廳2020 年水質監測數據，通順河流域跨界斷面(港洲村斷面)水質達到地表水Ⅳ類。 為更好地保護水環境綜合整治成果，提出如下建議。

a)在確保防汛安全基礎上，探索通順河流域水資源和水生態聯合調度機制，為河流提供休養生息、生態恢復的生態基流。

b)依據現有閘壩調度情況，結合通順河污染現狀、流經區縣現行工程情況及未來規劃措施，針對水質改善提出科學可行的閘壩調度措施，為河道治理提供依據及對策。