受閘壩影響的城市河段納污能力研究

趙嵩林,劉華勇,謝紀(jì)強(qiáng),王宇

(1.河南省安陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局,河南 安陽(yáng) 455000;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038;3.河南省新鄉(xiāng)水文水資源勘測(cè)局,河南 新鄉(xiāng) 453000)

水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)受損這三大問(wèn)題在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過(guò)程中日益凸顯[1].核定河湖水功能區(qū)納污能力、制定限制排污總量是落實(shí)水資源管理制度的重要基礎(chǔ),對(duì)于水污染防治和徹底消除黑臭水體具有重要作用[2].國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)水功能區(qū)納污能力開(kāi)展了深入研究,這些研究?jī)?yōu)化了入河污染物控制模型[3],將傳統(tǒng)的一維點(diǎn)排放模型和QUAL2K模型相結(jié)合[4],以及利用多年水文數(shù)據(jù)構(gòu)建了水質(zhì)模型等[5-7].這些研究方法和結(jié)論對(duì)水污染防治和水生態(tài)修復(fù)有著積極的指導(dǎo)意義,但在現(xiàn)實(shí)狀態(tài)下,河流具體分析計(jì)算過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題,例如,有的河段沒(méi)有按水功能區(qū)劃進(jìn)行計(jì)算,分析評(píng)價(jià)尺度較粗;或缺少對(duì)污染源概化和優(yōu)化配置進(jìn)行討論;或沒(méi)有進(jìn)行計(jì)算模型比選;或沒(méi)有考慮河段內(nèi)水利工程及入河排污口的影響.目前大多數(shù)研究缺少根據(jù)同一個(gè)水功能區(qū)不同河段水力參數(shù)變化分段進(jìn)行模型選取,因此有必要對(duì)同一研究區(qū)選擇多個(gè)模型進(jìn)行比選,以提高水體納污能力計(jì)算結(jié)果的精確度和可靠性.

本研究以安陽(yáng)市重要河段“安陽(yáng)河北士旺公路橋—曹馬橋上”為研究對(duì)象,運(yùn)用一維水質(zhì)模型、湖(庫(kù))均勻混合模型進(jìn)行納污能力計(jì)算,通過(guò)增加節(jié)點(diǎn)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響分析、有無(wú)橡膠壩對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響分析、污染源不同概化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響分析,得出不同情景下納污能力計(jì)算結(jié)果,對(duì)于城市河段排污口關(guān)并、調(diào)整和閘壩建設(shè)等具有重要的借鑒意義.

1 研究區(qū)概況

安陽(yáng)河屬于漳衛(wèi)南運(yùn)河水系,是衛(wèi)河的第二大支流,發(fā)源于林州市林濾山東麓,自西向東流經(jīng)安陽(yáng)縣、市區(qū),在內(nèi)黃縣石盤(pán)屯鄉(xiāng)趙莊南(范陽(yáng)口)注入衛(wèi)河.市區(qū)段“安陽(yáng)河北士旺公路橋—曹馬橋上”河長(zhǎng)20.26 km.市區(qū)段自上而下在殷都橋、東風(fēng)橋、于曹三處建有梯級(jí)橡膠壩.殷都橋橡膠壩以上平均水深1.87 m,殷都橋壩回水處為司空,蓄水水面面積22.71 萬(wàn)m2,蓄水體積90.76 萬(wàn)m3;東風(fēng)橋橡膠壩至殷都橋橡膠壩前區(qū)間平均水深2.70 m,蓄水水面面積20.02 萬(wàn)m2,蓄水體積56.71 萬(wàn)m3;東風(fēng)橋橡膠壩至于曹橡膠壩前區(qū)間平均水深2.36 m,蓄水水面面積33.48 萬(wàn)m2,蓄水體積92.32 萬(wàn)m3.安陽(yáng)河入河排污口共計(jì)3個(gè),從上游至下游分別是:華祥路市政管網(wǎng)、安鋼、鐵西高樓莊.

2 研究方法

2.1 計(jì)算單元

以安陽(yáng)河市區(qū)段“安陽(yáng)河北士旺公路橋—曹馬橋上”為研究對(duì)象,其一級(jí)區(qū)劃屬于安陽(yáng)河安陽(yáng)市開(kāi)發(fā)利用區(qū),二級(jí)區(qū)劃屬于安陽(yáng)河安陽(yáng)市排污控制區(qū),計(jì)算單元河長(zhǎng)為20.26 km[8](圖1).

2.2 設(shè)計(jì)水文條件的確定

安陽(yáng)河市區(qū)段設(shè)有省級(jí)重點(diǎn)水文站安陽(yáng)站,采用安陽(yáng)水文站測(cè)流斷面作為計(jì)算斷面.根據(jù)《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》和《水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范》有關(guān)要求,收集安陽(yáng)水文站最近11年最枯月平均流量(水量),采用皮爾遜Ⅲ型曲線頻率計(jì)算法,根據(jù)豫北地區(qū)水文特性偏態(tài)系數(shù)(CS)取3倍變異系數(shù)(CV)值,確定安陽(yáng)水文站斷面75 %保證率最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)流量.根據(jù)該站斷面水位流量、水位面積關(guān)系曲線,由設(shè)計(jì)流量查相應(yīng)水位,再由相應(yīng)水位查斷面面積,推算出設(shè)計(jì)流速.經(jīng)計(jì)算,該站設(shè)計(jì)流量為1.64 m3/s,設(shè)計(jì)流速為0.26 m/s.考慮到安陽(yáng)河市區(qū)段受橡膠壩影響,此次納污能力計(jì)算涉及安陽(yáng)河市區(qū)段殷都橋橡膠壩、東風(fēng)橋橡膠壩、于曹橡膠壩,將橡膠壩以上回水河段視為小型水庫(kù).經(jīng)計(jì)算,橡膠壩蓄水體積為239.79 萬(wàn)m3,水體更換時(shí)間為16.9 d.

2.3 模型選擇

2.3.1污染物的確定

根據(jù)《河南省“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》(豫政辦〔2017〕77號(hào))之相關(guān)規(guī)定,同時(shí)參考安陽(yáng)河市區(qū)段功能定位和水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)及污染特性.利用安陽(yáng)河6個(gè)采樣點(diǎn)位水質(zhì)數(shù)據(jù),參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002),采用單因子評(píng)價(jià)法對(duì)安陽(yáng)河水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià).安陽(yáng)河市區(qū)段水質(zhì)主控因子包括CODCr、BOD5、CODMn、TP和NH3-N,主要源于生活污水、工業(yè)廢水、畜禽養(yǎng)殖及農(nóng)業(yè)面源等.因此,水功能區(qū)限制納污紅線選擇化學(xué)需氧量(CODCr)、氨氮作為主要污染控制指標(biāo)[9].

2.3.2模型的選取

(1)一維水質(zhì)模型計(jì)算公式

對(duì)于污染物在橫斷面上均勻混合的河段,污染物沿程濃度采用公式為:Cx=C0exp(Kx/u).式中:Cx—流經(jīng)x距離后的污染物的質(zhì)量濃度(mg/L);x—沿河段的縱向距離(m);C0—起始計(jì)算斷面的污染物的質(zhì)量濃度(mg/L);K—污染物綜合降解系數(shù)(1/s);u—計(jì)算河段平均流速(m/s).相應(yīng)的水域納污能力采用公式為:M=(Cs-Cx)(Q+Qp);式中:M—水域納污能力(g/s);Cs—控制目標(biāo)水質(zhì)質(zhì)量濃度(mg/L);Q—初始斷面的入流流量(m3/s);Qp—廢污水排放流量(m3/s).其余符號(hào)意義同前.

(2)湖庫(kù)均勻混合模型

適用于污染物均勻混合的小型湖庫(kù),當(dāng)流入和流出湖庫(kù)的水量平衡時(shí),水域納污能力采用公式為:M=(Cs-Cx)Q+CsKV.式中:V—槽蓄量(取允許超標(biāo)河長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的量).其余符號(hào)意義同前.

(3)安陽(yáng)河市區(qū)段根據(jù)不同設(shè)計(jì)水文條件進(jìn)行兩種方案的模型選取,方案1不考慮橡膠壩影響,計(jì)算單元(河段)屬于小型河段、彎曲系數(shù)較小、寬深比不大,采用一維水質(zhì)模型.方案2考慮橡膠壩影響,橡膠壩的存在引起安陽(yáng)河市區(qū)段河道特征和水力條件變化顯著,對(duì)于水流極緩的河段采用湖(庫(kù))均勻混合模型,需增加計(jì)算節(jié)點(diǎn),并分段選取不同水質(zhì)模型:北士旺公路橋—司空(殷都橋壩回水處),采用河道一維模型;司空(殷都橋壩回水處)—于曹壩,選取湖(庫(kù))均勻混合模型;于曹壩—曹馬橋上,采用河道一維模型.分段采用一維水質(zhì)模型和湖(庫(kù))均勻混合模型.

2.3.3模型參數(shù)的確定

(1)初始質(zhì)量濃度值Co

根據(jù)上一個(gè)水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)值確定安陽(yáng)河市區(qū)段初始質(zhì)量濃度值Co,即上一個(gè)水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)值就是下一個(gè)水功能區(qū)安陽(yáng)河市區(qū)段初始質(zhì)量濃度值Co(表1).

表1 安陽(yáng)河市區(qū)段初始質(zhì)量濃度值Co和水質(zhì)目標(biāo)值Cs

(2)水質(zhì)目標(biāo)值Cs

根據(jù)《河南省水功能區(qū)劃報(bào)告》相關(guān)成果,確定安陽(yáng)河市區(qū)段水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)值Cs(表2).

表2 安陽(yáng)河市區(qū)段綜合衰減系數(shù)

(3)綜合衰減系數(shù)

根據(jù)《河南省重要河湖水功能區(qū)納污能力核定和分階段限制排污總量控制方案實(shí)施細(xì)則》(河南省水文水資源局,2012)的規(guī)定,污染物綜合衰減系數(shù)要求采用《淮河流域及山東半島水資源保護(hù)規(guī)劃》分析成果.化學(xué)需氧量(CODCr)采用公式為:KC·d=0.050+0.68u/(m·s-1);氨氮(NH3-N)采用公式為:KN·d=0.061+0.551u/(m·s-1);式中:u為計(jì)算單元設(shè)計(jì)流速(m/s);KC,KN為綜合衰減系數(shù)(d-1).通過(guò)具體分析和測(cè)算確定.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.

2.3.4排污口的概化

根據(jù)安陽(yáng)河市區(qū)段入河排污口分布狀況,將河段多個(gè)排污口概化為一個(gè)集中排污口,概化排污口位于河段中點(diǎn)處,相當(dāng)于一個(gè)集中點(diǎn)源,該集中點(diǎn)源的實(shí)際自凈長(zhǎng)度為河段長(zhǎng)的一半.計(jì)算單元河長(zhǎng)為20.26 km,則概化后入河排污口到下斷面距離為10.13 km.

2.3.5模型的驗(yàn)證

采用實(shí)測(cè)法驗(yàn)證,原則上選擇接近該計(jì)算單元設(shè)計(jì)水文條件下的時(shí)段,對(duì)廢污水排放和初始斷面及下斷面的流量、污染物濃度實(shí)施同步監(jiān)測(cè).

(1)資料選取

對(duì)計(jì)算單元內(nèi)入河排污口進(jìn)行連續(xù)24 h、每次間隔8 h,獲取3次監(jiān)測(cè)資料;同時(shí)對(duì)計(jì)算單元上、下斷面進(jìn)行連續(xù)24 h、每次間隔2 h觀測(cè)一次水位,水位變幅較大時(shí)則加測(cè)流量,同時(shí)采集水樣,共獲取3次監(jiān)測(cè)資料.調(diào)查監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)附表Ⅰ和Ⅱ.模型驗(yàn)證時(shí)計(jì)算單元上、下斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與入河排污口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有同步性,且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接近方案2設(shè)計(jì)水文條件.

(2)驗(yàn)證方法及結(jié)果

1)北士旺公路橋

初始斷面的入流流量采用上斷面北士旺公路橋3次實(shí)測(cè)值均值,為簡(jiǎn)化計(jì)算將3個(gè)入河排污口概化到初始斷面.斷面采取完全混合模式計(jì)算,河段完全混合模式采用公式為:C=(CpQp+C0Q)/(Qp+Q);式中:C—污染物濃度,mg/L;Cp—排放的廢污水污染物濃度,mg/L;C0—初始斷面的污染物濃度,mg/L.其余符號(hào)意義同前.經(jīng)計(jì)算,完全混合后水體流量為1.50 m3/s,化學(xué)需氧量質(zhì)量濃度為38.6 mg/L,氨氮質(zhì)量濃度為0.60 mg/L.

2)北士旺公路橋—司空

按一維模型采用污染物沿程濃度計(jì)算公式.在北士旺公路橋斷面完全混合后污染物經(jīng)降解到達(dá)司空斷面化學(xué)需氧量質(zhì)量濃度為36.4 mg/L,氨氮質(zhì)量濃度為0.57 mg/L.

3)司空—于曹壩

預(yù)測(cè)模型采用湖(庫(kù))均勻混合模型.該模型適用于污染物均勻混合的小型湖(庫(kù)).污染物平均濃度采用公式為:C(t)=(m+m0)/KhV+[Ch-(m+m0)/KhV]exp(Kh/t);式中:C(t)—計(jì)算時(shí)段t內(nèi)的污染物濃度(mg/L);m—污染物入河速率,g/s;m0=C0QL—湖(庫(kù))入流污染物排放速率,g/s;Kh=QL/V+K—中間變量(1/s);V—設(shè)計(jì)水文條件下的湖(庫(kù))容積(m3);Ch—湖(庫(kù))現(xiàn)狀污染物濃度(mg/L);QL—湖(庫(kù))出流量(m3/s);t—計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)(s).不考慮下滲、蒸發(fā)的損失量,QL等于上斷面流量與入河排污量之和.降解后污染物到達(dá)于曹壩斷面化學(xué)需氧量質(zhì)量濃度為21.5 mg/L,氨氮質(zhì)量濃度為0.31 mg/L.

4)于曹壩—曹馬橋上

按一維模型采用污染物沿程濃度計(jì)算公式.污染物到達(dá)曹馬橋上斷面化學(xué)需氧量質(zhì)量濃度為20.4 mg/L,氨氮質(zhì)量濃度為0.29 mg/L.

5)對(duì)比結(jié)果

下斷面化學(xué)需氧量理論預(yù)測(cè)、實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度分別為20.4 mg/L,27.0 mg/L,相對(duì)偏差為13.9%;下斷面氨氮理論預(yù)測(cè)、實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度分別為0.29 mg/L,0.29 mg/L,相對(duì)偏差接近于0.由此看出,模型計(jì)算結(jié)果精度是比較高的,基本反映現(xiàn)實(shí)客觀狀況.

3 結(jié)果與討論

3.1 不同方案下的納污能力計(jì)算結(jié)果

方案1:計(jì)算單元為安陽(yáng)河市區(qū)段“北士旺公路橋—曹馬橋上”,入河廢污水量多年均值為0.33 m3/s,利用選定的模型,獲得安陽(yáng)河市區(qū)段納污能力(表3),化學(xué)需氧量的納污能力為1 131 t/a,氨氮的納污能力為55 t/a.

表3 不同方案納污能力計(jì)算結(jié)果

方案2:將計(jì)算單元安陽(yáng)河市區(qū)段“北士旺公路橋—曹馬橋上”劃分為三段:計(jì)算單元1為北士旺公路橋—司空,入河廢污水量多年均值為0.19 m3/s;計(jì)算單元2為司空—于曹壩,入河廢污水量多年均值為0.14 m3/s;計(jì)算單元3為于曹壩—曹馬橋上,該河段無(wú)入河排污口.根據(jù)利用選定的模型,可獲得每個(gè)子計(jì)算單元的納污能力,最終獲得安陽(yáng)河市區(qū)段納污能力(表3),化學(xué)需氧量的納污能力為1 912 t/a,氨氮的納污能力為109 t/a.

從表3可看出,方案2根據(jù)河道水力特性、水文條件、水利工程現(xiàn)狀增加了計(jì)算節(jié)點(diǎn),利用微分及定積分原理,把區(qū)間分得越細(xì),每個(gè)小區(qū)間長(zhǎng)度越小,那么近似程度就越好.在同一水功能區(qū)計(jì)算單元內(nèi)增加計(jì)算節(jié)點(diǎn),分段選取不同模型進(jìn)行計(jì)算,再根據(jù)納污能力的可加性進(jìn)行加和,提高了計(jì)算結(jié)果的精確度,確保了計(jì)算結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確.另外,從模型驗(yàn)證的結(jié)果也能反映出這一點(diǎn).

3.2 閘壩布施對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

方案1既未考慮增加計(jì)算節(jié)點(diǎn),又未考慮閘壩對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,是一種基于無(wú)人類干擾的準(zhǔn)自然狀況且類渠化的河段(表3),但方案2考慮到真實(shí)河道各河段水文特征、綜合衰減系數(shù)的差異,以及自上而下殷都橋、東風(fēng)橋、于曹溝設(shè)置3處橡膠壩的影響,采用更符合客觀實(shí)際條件的適宜模型,因此這兩種方案計(jì)算的得納污能力有較大差異.

安陽(yáng)河市區(qū)段納污能力受閘壩影響十分明顯.采用方案2計(jì)算的化學(xué)需氧量比方案1大69%、氨氮大98%(表3).由于河道上閘壩影響,導(dǎo)致水文情勢(shì)發(fā)生變化,考慮水文情勢(shì)變化的納污能力研究中所提出的納污參數(shù)確定方法,在一定程度上有助于水域納污能力的準(zhǔn)確核定.雖然在城市河段修建閘壩會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)流速變緩,綜合衰減系數(shù)減小,但相應(yīng)河段水體交換時(shí)間變長(zhǎng),也易于攜帶污染物的推移質(zhì)、懸移質(zhì)沉降,且水面加寬,橡膠壩壩址處產(chǎn)生跌水,復(fù)氧率提高,更適宜微生物、浮游動(dòng)植物生長(zhǎng),從而提高水體自凈能力,使得河段納污能力明顯增加.

3.3 排污口概化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

對(duì)一個(gè)納污能力計(jì)算單元而言,其入河排污口分布千差萬(wàn)別.為簡(jiǎn)化因排污口布設(shè)所帶來(lái)的計(jì)算難度,常將排污口分布概化一個(gè)集中排污口,所有污染物由這個(gè)集中排污口以點(diǎn)源方式排放.為分析排污口概化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,現(xiàn)將安陽(yáng)河市區(qū)段“北士旺公路橋—曹馬橋上”排污口概化為集中分布在上斷面、中斷面、下斷面三種情景,根據(jù)入河排污口入河污水量、至下斷面距離,采用方案1模型,其他條件及參數(shù)保持不變,分別計(jì)算和分析納污能力,結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 排污口概化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

結(jié)果表明,在其他條件不變情況下,排污口到下斷面距離越長(zhǎng),水體自凈能力越強(qiáng),河段納污能力越大.也與相關(guān)研究結(jié)論相一致,對(duì)于長(zhǎng)度較短的河段,排污口中點(diǎn)概化與均勻概化在納污能力計(jì)算式的差異性較小[10].本河段納污能力計(jì)算采用概化排污口位于河段中點(diǎn)處,相當(dāng)于一個(gè)集中點(diǎn)源,概化結(jié)果較為合理.基于此,在提高污水處理工藝和排放標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上,關(guān)閉或優(yōu)化調(diào)整入河排污口布局,也是確保城市河段水功能區(qū)水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)的重要手段之一.

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

(1)在同一水功能區(qū)計(jì)算單元內(nèi)增加計(jì)算節(jié)點(diǎn),分段選取不同模型進(jìn)行計(jì)算,再根據(jù)納污能力的可加性進(jìn)行加和,可提高計(jì)算結(jié)果的精確度.(2)城市河段由于汛期防洪需要,主汛期閘壩開(kāi)啟便于泄洪,期間河道恢復(fù)到自然狀態(tài),方案1的納污能力計(jì)算結(jié)果可作為設(shè)計(jì)條件下的限制值.非汛期河道中的閘壩聯(lián)合調(diào)度蓄水,方案2的納污能力計(jì)算結(jié)果宜作為該設(shè)計(jì)條件下的限制值.

4.2 建議

(1)水域納污能力是動(dòng)態(tài)的,其大小隨水量和流速的變化而改變.安陽(yáng)河市區(qū)段納污能力較小,應(yīng)建立保障河流生態(tài)流量機(jī)制.(2)上游來(lái)水是否達(dá)標(biāo)關(guān)系到計(jì)算單元納污能力大小,直接影響到下斷面水質(zhì)目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn),應(yīng)持續(xù)打好城市黑臭水體治理攻堅(jiān)戰(zhàn),深入推進(jìn)城鎮(zhèn)污水收集和處理設(shè)施建設(shè).(3)為防止河道水質(zhì)受底泥污染物釋放二次污染,可通過(guò)對(duì)河道清淤疏浚有效減少河道內(nèi)源污染,減少河段污染負(fù)荷.

附 錄

附表Ⅰ、Ⅱ見(jiàn)電子版(DOI:10.16366/j.cnki.1000-2367.2023.04.018).

附表Ⅰ 安陽(yáng)河市區(qū)段計(jì)算單元水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料

附表Ⅱ 安陽(yáng)河市區(qū)段入河排污口調(diào)查監(jiān)測(cè)資料