北方季节性河流纳污能力及限制排污总量分析

王成见 孟春霞 王 琳 孙宝权（青岛水文水资源勘测局 青岛 6607 中国海洋大学 青岛 6600）

北方季节性河流纳污能力及限制排污总量分析

王成见1孟春霞2王 琳1孙宝权1（1青岛水文水资源勘测局 青岛 266071 2中国海洋大学 青岛 266100）

本文以青岛胶南市为例，在分析了胶南市水文气象、入河排污口水质资料的基础上，研究了胶南市河流的水文规律以及河道拦河闸的水力特性，针对季节性河流具有河道、水库双重水力特性的特点，综合采用河道、水库纳污能力计算模型计算河道、拦河闸的纳污能力并提出限制排污总量意见。计算结果显示：拦河闸坝纳污能力贡献率达到41%；现状入河排放量远大于河道纳污能力，COD和氨氮削减量分别为2933.34t/a和260.76t/a，占总排放量的95.7%和98.9%，削减任务相当艰巨。

季节性河流 纳污能力 限制排污总量

1 引言

胶南市位于山东半岛西南部，北纬35°35′～36°08′，东经119°30′～120°11′之间，属低山丘陵区，境内山峦起伏，地势西、北偏高，南、东临海处偏低，自西北向东南倾斜入海。境内2.5km长以上的河流（含大河支流）有125条。其中较大的河流10条，独立入海的小河流26条，均属典型的北方季节性山区河流。

众所周知，北方河流季节性非常明显，径流年内分布极不均匀。根据1956～2000年水文资料分析，汛期（6～9月）的径流量占多年平均年径流量的87%，多年平均7～8月径流量占多年平均年径流量的78%，枯水期（10～5月）的径流量仅占多年平均年径流量的13%。由于河流源短流急，水资源开发利用难度较大，为缓解水资源紧缺状况，水利部门为了提高水资源开发利用率，除建有部分中小型水库外，还在10条主要河道上建有拦河闸坝18处，在风河、巨洋河、错水河等较大河流上建有3级以上梯级拦河闸，使得天然河道丧失了自然水力特性而与水库水力特性相似。显然，继续采用常规的河道纳污能力数学模型计算纳污能力，计算结果将产生较大误差。本文以胶南市为研究对象，针对青岛地区季节性河流特点，分别采用河口一维模型，均匀混合模型、河流一维模型，分别计算河口感潮河段、拦河闸及一般天然河道纳污能力，使得计算结果更加符合实际。

2 纳污能力计算

水域纳污能力是指在水域使用功能不受破坏的条件下，受纳污染物的最大数量，即在一定设计水量条件下，满足水功能区水环境质量标准要求的污染物最大允许负荷量。其大小与水功能区范围的大小、水环境要素的特性和水体净化能力、污染物的理化性质等有关，可应用数学模型对其数值进行计算。

2.1 采用的水质模型

纳污能力数学模型是依据河道、水库的水力、水文特性而确定的。根据河道（水库）水力特性不同，一般流量较小的中小型河道采用零维模型或一维模型，流量较大的大型河道采用二维模型；一般中小型水库采用湖（库）均匀混合模型；感潮河段采用河口一维模型。本文根据胶南市河道水力特性，采用河口一维、河道一维和湖（库）均匀混合模型分别计算了感潮河段、一般天然河道和河道拦河闸的纳污能力。

2.1 .1 河流一维模型

胶南市水功能区内的各河流均属于小型河流，枯季流量小于0.1m3/s，宽深比较小，污染物质在河流横断面上能很快混合，故采用一维水质模型。

一维水质模型：

式中：M——河道纳污能力，g/s；

C0——上游断面的污染物浓度，mg/L；

Cs——计算河段下断面水质目标浓度值，mg/L；

U——河道断面的平均流速，m/s；

K——污染物综合衰减系数，l/s；

L——计算河段长度，m；

Q——河道断面设计流量，m3/s。

2.1 .2 河口一维模型

胶南市风河（橡胶一坝～入海口河段）、白马河（白马河大桥～耿家岚）为感潮河段，受海水潮汐影响较大，故采用河口一维模型计算其纳污能力。

潮汐河段的水力参数可按高潮平均和低潮平均两种情况，简化为稳态流进行计算。如果污染物排放不随时间变化，涨潮与落潮的污染物浓度分别按下式计算。

涨潮（x<0，自x=0处排入）：落潮（x>0）：

其中，N为中间变量

式中：C（x）上、C（x）下——分别为涨、落潮的污染物浓度，mg/L；

ux——水流的纵向流速，m/s；

Ex——纵向离散系数，m2/s；

Q上、Q下——分别为计算水域涨潮、落潮的平均流量，m3/s。

2.1 .3 湖（库）均匀混合模型

该模型适用于污染物均匀混合的小型湖（库），河道拦河闸具有类似水库特性，其纳污能力按下式计算：

M=CSVK+（CS-C0）QL

式中：V——设计水文条件下的拦河闸蓄水量，m3；

QL——拦河闸入流量，m3/s；

其余符号意义同前。

2.2 模型参数的确定

2.2 .1 断面设计流量

计算断面的设计流量是水功能区纳污能力计算的重要参数。为保证水功能区水质目标正常情况下不被破坏，选取不为零的最小月平均流量作为样本，计算90%保证率设计条件下的设计流量。本文应用具有较长系列的红旗水文站近期30年实测流量资料，采用矩法计算系列均值、Cv、Cs值，经P-Ⅲ型频率曲线适线后得到90%保证率对应的设计流量为0.005m3/s。无水文站的河段采用水文比拟法确定断面设计流量。

2.2 .2 拦河闸设计蓄水量

由于缺乏拦河闸实测蓄水量资料，根据相近流域气候条件相似的特性，选用了有实测资料的铁山水库、小珠山水库、吉利河水库和陡崖子水库共4座水库蓄水量资料，分析得到90%保证率的各水库最枯月库容与兴利库容的比值（α=）。根据各拦河闸的气候和下垫面条件，选用与上述相似的水库最枯月库容与兴利库容的比值（α=），将拦河闸设计蓄水量乘以选择的比值近似作为设计蓄水量（vp=α×v兴）。

2.2 .3 断面设计流速

河道断面流速与断面流量具有正相关关系u=aQb，选取了红旗水文站53组涵盖计算河段设计流量范围的实测流量流速资料进行相关分析，取得了红旗水文站流量流速相关关系，u=0.3427Q0.351（4相关系数R=0.97）。对没有实测流量流速资料的河段，根据式u=aQb推求设计流速。

2.2 .4 综合衰减系数K

本文模型中采用的综合衰减系数系淮河流域水保局分析的相关关系，经青岛市大沽河部分实测资料综合而得。综合结果为：COD综合降解系数k=0.050+0.68u；氨氮综合降解系数k=0.061+0.551u。拦河闸COD和氨氮综合衰减系数采用实测综合法确定。

2.2 .5 纵向离散系数Ex河口感潮河段纵向离散系数采用爱尔德公式计算：

式中：H——河道断面平均水深，m；

J——河流水力比降。

2.3 纳污能力计算成果

模型参数确定后，应用相应的模型分别计算河道、拦河闸、感潮河段纳污能力，计算结果为：在90%设计条件下，胶南市水功能区COD和氨氮的纳污能力分别为225.69t/a和5.74t/a。各水功能区纳污能力情况见表1。

表1 胶南市各水功能区纳污能力限制排污总量计算成果表

3 限制排污总量

3.1 限制排污总量确定原则

限制排污总量确定原则是在改善饮用水源区水质的条件下，充分利用水体纳污能力满足其他类型水功能区水质要求而确定的最大排污总量。

（1）为保障城乡居民生活用水安全，应维持或逐步改善功能区的水质，限制排污总量取纳污能力与现状污染物入河量中的较小者。

（2）满足农业、景观娱乐用水需要的河道水域，其水质以能满足用水需要为原则，限制排污总量取纳污能力。

（3）排污控制区按一级A控制（COD 60mg/L，氨氮 8mg/L）。

3.2 限制排污总量核算成果

入河污染源现状调查评价是合理核定限制排污总量的基础。通过对胶南市10个水功能区12个排污口调查监测，污废水现状入河排放量为1262.58万t/a，COD排放量3066.19t/a，BOD5排放量884.72t/a，氨氮排放量263.53t/a，挥发酚排放量0.28t/a。

根据限制排污总量原则及纳污能力计算结果确定了各水功能区限制排污总量，计算成果见表1。

4 结果分析

计算结果显示，在90%设计条件下，COD和氨氮的纳污能力分别为225.69t/a和5.74t/a；COD和氨氮限制排污总量分别为132.85t/a和2.77t/a；COD和氨氮削减量分别为2933.34t/a和260.76t/a，限制排污总量占总排放量的95.7%和98.9%，削减任务相当艰巨。

为了与本文采用的计算方法作比较，按照常规计算方法对胶南市河流纳污能力进行了计算，得出了90%设计条件下，COD和氨氮的纳污能力分别为133.16t/a和5.32t/a的结果，比本文采用的方法计算结果偏小41%。从计算结果上分析，按照常规计算方法计算胶南市河道纳污能力的数值明显偏少，主要原因是常规计算方法忽略了拦河闸坝的影响。从成因上分析，由于拦河闸坝的建设，改变了河道水力特性，水域面积和水量的增加使得纳污能力相应增加，针对胶南市18座拦河闸坝而言，COD纳污能力增加了41%。由此可知，建有梯级拦河闸坝的季节性河流计算河道纳污能力时，拦河闸坝的纳污能力是一项不可忽视的重要因素，应充分考虑其不同于一般河道的水力特性，针对其特性选择合适的模型计算其纳污能力，确保计算结果真实可靠