商丘市水功能区纳污能力计算与分析

郑华山++臧红霞++郑如楠

【摘 要】 从水体纳污能力的概念出发，建立纳污能力计算模型，并对模型参数进行估算，选取适合商丘市河流状况的水质模型，计算出各水功能区现有纳污能力，从而为水资源保护与规划提供科学依据。

【关键词】 水功能区 纳污能力 计算 分析

水体纳污能力是指对确定的水功能区，在满足水域功能要求的前提下，在给定的水功能区酥誓勘曛怠⑸杓扑俊⑴盼劭谖恢眉芭盼鄯绞较？功能区水体所能容纳的最大污染物量，以吨/年表示。

受污染的水体在水中经过物理、化学和生物作用，污染物浓度和毒性随着时间的推移或在流动的过程中自然降低，这就是水体的自净作用。影响水体自净过程的因素很多，其中主要因素是：受纳水体的水文条件，微生物种类与数量，水温、复氧能力，以及水体和污染物的组成与污染物浓度等。河流的污染物自净作用是形成河流纳污能力的重要组成部分。因此，计算河流的纳污能力时，必须综合考虑河流水量、水质目标、污染物降解能力等方面的影响，并在此基础上建立河流纳污能力的计算模型。

1 计算范围与内容

1.1 计算范围

本次纳污能力计算对商丘市水功能区划的20个重点功能区进行纳污能力计算。

1.2 计算指标

根据区域水质现状和水污染的特点，纳污能力计算控制指标确定为CODcr、NH3-N。

1.3 计算内容

本次水域纳污能力计算是以功能区为单元，综合水文水资源状况、入河排污状况及水资源开发利用状况，运用水质模型分析得出的，直接反映了水域的水环境承载能力。

2 计算条件

2.1 初始断面背景浓度（C0）

源头水水质：若计算河段为河源段，C0取源头水水质。根据我省水质监测资料，河流源头水CODcr、NH3-N取Ⅰ、Ⅱ类标准值。

上断面来水水质：取上游功能区水质目标值。

2.2 水质控制目标浓度Cs

水质目标Cs值为本功能区的水质目标值。

2.3 设计水文条件

2.3.1 设计流量的计算

设计流量的大小对纳污能力的计算结果影响很大，流量资料系列太短则无法反映水文规律，资料太长则无法反映人类活动对水资源造成的影响，特别是对枯水期小流量的影响。为了反映全市水文年际周期变化和其中长期发展趋势，流量资料系列视资料情况取20～30年枯水期月平均流量值。

在水文实测资料较丰富的河段，选取75%保证率枯水期月平均流量作为设计流量。水功能区河段内无水文资料，可根据相邻上下游有水文站系列资料的水功能区设计流量用内插法确定设计流量。在资料较少，上下游水功能区均无系列水文资料时，选取平偏枯典型年的枯水期平均流量作为设计流量。在上下游均无水文资料的河段，利用产流面积与水系或水文站控制产流面积的比例确定枯水期设计流量。对湖（库）则用上述对应条件确定计算水位和计算库容。

2.3.2 设计流速的计算

对有实测流量流速资料的断面，用经验公式计算该断面的设计流速：

U=αQβ （1）

式中：α、β为经验系数，由实测资料回归得到。

对没有实测流速资料的河段，借用特征相近的其他河道流量流速关系分析确定。

3 计算模型及其模型参数估算

3.1 纳污能力计算模型

水质模型是描述河流水体中污染物变化的数学表达式，模型的建立可以为河流中污染物排放与河流水质提供定量关系。

水质模型建立的基础是物质守恒定律和化学反应动力学原理：

（2）

对于河道流量和流速较小、水流极缓的河道的水质用零维水质模型模拟，而对于水体流动明显的河道则用一维模型模拟，对于湖泊水库和河道很宽的河流则用二维水质模型描述，对干支流交汇和污染物旁侧汇入用稀释模型。

3.1.1 零维水质模型

对于停留时间很长，水体基本处于稳定状态的河段、湖泊，可以将其作为一个均匀混合的水体进行分析，在式13-2引进污染物输入、输出项可得零维模型，并求得其稳态解析解为：

（3）

式中：——出流污染物浓度，mg/L；

——入流加权平均浓度，mg/L；

T=V/Q=L/u—— 水体滞留时间，d；

—— 污染物综合降解系数，1/d；

V、L——分别为水体体积（m3）和河段长（km）；

Q、u——分别为设计流量（m3/d）和流速（km/d）。

3.1.2 一维水质模型

在流动的河道中，污染物浓度沿程是变化的，对式13-2引用dt=dx/u并求得其一维水质模型稳态解析解为：

（4）

式中：x——与起始断面间的距离，km；

u——设计条件下河段平均流速，km/d；

C0——起始断面污染物浓度，mg/L；

其它符号意义同前。

3.1.3 二维水质模型

对于水面较大的湖泊和水库，污染物自岸边进入后，其二维扩散可用极坐标进行描述。在式13-2引入dt=dr/u（r），对于角度为Φ弧度的岸边排放可得到二维稳态解析解：

（5）

式中：r— 计算点与排污口的距离，m；

h—计算区域的平均水深，m；

C—r处污染物浓度，mg/L；

C0—排污口污染物浓度，mg/L；

k—污染物综合降解系数，1/d；

Q—排污流量，m3/d；

Φ—污染物在湖水中的扩散角（弧度），平直的湖岸Φ=π；

C∞—水域初始浓度，mg/L。

3.1.4 稀释混合模型

对于干支流交汇、旁侧排污用稀释混合模型描述混合水质状况，该模型的数学表达式为：

（6）

式中：Q、C0——分别为混合前干流流量和污染物浓度；

Cw、Qw——分别为侧流汇入的流量和污染物浓度；

C——混合后的污染物浓度。

3.2 模型参数估值

污染物综合降解系数k是反映污染物沿程变化的综合系数，它体现污染物自身的变化，也体现了环境对污染物的影响。它是计算水体纳污能力的一项重要参数，对于不同的污染物、不同的环境条件，其值是不同的。该系数常用自然条件下的实测资料率定，率定方法常用二断面法和多断面法。

3.2.1 断面法

选取一个河道顺直、水流稳定、中间无支流汇入、无排污口的河段，分别在河段上游（A点）和下游（B点）布设采样点，监测污染物浓度值，并同时测验水文参数以确定断面平均流速。综合降解系数（k）按下式计算：由式4可得到：

（7）

式中：CA——河段上断面污染物浓度，mg/L；

CB——河段下断面污染物浓度，mg/L；

x——河段长度，km；

V——河段平均流速，km/d；

ln——自然对数运算符。

3.2.2 多断面法

对于有多断面水质资料的河段可用回归分析法确定k值：对一组lnC和x/u作线性回归，所得回归方程的斜率就为该河段的-k值。对各水质指标应分别作k值分析。

为了本次水功能区纳污能力计算，安排了大沙河、包河多个河段的k值实验。通过对k值的分析，得到对k值影响最大的因素是河段流速，其次是水温。通过对各河段k值分析，我们得到CODcr与河段平均流速的经验关系为：k=0.050+0.68u ；NH3-N的k值则为：k=0.061+0.551u，这个关系式将用于没有k值资料的河段。

4 计算程序与方法

商丘市水功能区纳污能力计算步骤如下是：①分析设计流量，确定区段设计流量Q和流速U；②确定来水浓度C0、出水浓度Cs。③分析模型计算参数k值；④调查分析入河排污口分布，进行污染源概化；⑤分析计算区段现状，选取计算模型并计算纳污能力。

根据商丘市河流状况，采用一维水质模型和零维水质模型。纳污能力计算方法如下：

4.1 分析功能区设计流量Q和流速U

由前面所述的方法确定各水文断面的设计流量和流速，在此基础上确定各功能区段的计算流量和流速。

4.2 确定来水浓度C0、出水浓度Cs

河源初始段面水质浓度C0采用本底值，下一河段的来水浓度C0即为上一段面的出水浓度Cs，河段的出水浓度Cs由水区能区水质目标确定。

4.3 模型计算参数k值的确定

由前面所述方法确定。

4.4 进行污染源概化

对一个纳污能力计算区段而言，其入河排污口分布千差万别，为简化因排污口分布所带来的纳污能力计算的复杂性，将排污口在功能区上的分布加以概化。根据具体情况，在纳污能力计算时将排污口概化为功能区中断面排污，据此排污分布推算河段的纳污能力。

4.5 纳污能力计算

根据水质模型和污染概化结果计算纳污能力，计算公式表述如下：

（8）

式中：；

W—纳污能力，g/s；

Cs—规划河段水质标准，mg/L；

C0—河段上游来水水质，mg/L；

Q—功能区设计流量，m3/s；

u—设计流量下的平均流速，km/d；

k—污染物综合降解系数，1/d；

L—功能区段长，km。

5 商丘市水功能区纳污能力计算结果分析

商丘市水功能区2011年纳污能力：COD共计1814.53t，氨氮 223.22t。商丘市各水功能区中，COD纳污能力最小的是沱河虞城景观用水区为1.1t，最大的是沱河夏邑排污控制区为 390.73t；氨氮纳污能力最小的是包河商丘市农业用水区为1.0t，最大的是包河虞城农业用水区，约为39.75t。

参考文献

[1]水环境监测规范（SL219-98）.水利部发布.

[2]水文年鉴.河南省水文水资源局发布.

[3]统计分析与环境监测质量保证.河南科学技术出版社.

[4]水域纳污能力计算规程.水利部发布.

[5]地表水环境质量标准.国家环境保护总局发布.

[6]污水综合排放标准.国家环境保护总局发布.