邯郸市滏阳河纳污能力及模型参数影响分析

郭凤震

(河北省邯郸水文水资源勘测局,河北邯郸 056001)

邯郸市滏阳河纳污能力及模型参数影响分析

郭凤震

(河北省邯郸水文水资源勘测局,河北邯郸 056001)

分析邯郸市滏阳河水质及入河排污口排污现状,根据各计算单元用水现状和水质目标,利用一维水质模型计算水体COD和NH3-N纳污能力。对污染源概化、设计流量、流速、污染物综合衰减系数等设计条件对计算结果的影响进行分析。结果表明,受上游水库控制,滏阳河枯水期纳污能力高于汛期,现状入河排污量大于纳污能力,需要对现状入河污染物总量进行削减。

滏阳河;纳污能力;一维模型;设计条件

1 邯郸市水资源状况

1.1 基本情况

邯郸市位于河北省南部,位于太行山东麓,全市多年平均降水量548.9mm(1956—2000年),全市多年平均水资源总量14.85亿m3,地表水资源量6.21亿m3,地下水资源量12.68亿m3,(地表水、地下水重复计算量4.04亿m3)[1]。因局部长期超采,该市已形成2500km2地下水漏斗区。邯郸市在水资源缺乏的同时,地表水除漳河水质较好外,水质较差;平原区因苦咸水和高氟水影响,一半以上区域浅层地下水不符合GB5749—2006《生活饮用水卫生标准》。总体而言,邯郸市水资源量小质差,属于资源型和水质型严重缺水区域[2]。

滏阳河属海河流域子牙河水系,发源于邯郸市峰峰矿区滏山南麓和村,全长402km,邯郸境内165 km,是邯郸市的母亲河,具有城市工业用水、农业灌溉、渔业养殖、生态用水和防洪发电功能。由于大量废污水直接排入河道,水体遭受严重污染,影响了水资源功能发挥,制约了经济社会发展,威胁着生态环境安全。

1.2 滏阳河入河排污口及水质现状

据调查,邯郸市滏阳河主要入河排污口有33个。年排废污水为13833万m3、COD为 15516.5 t、NH3-N 为2606.2t。

水质评价采用邯郸水环境监测中心实测资料。依据GB3838—2002《地表水环境质量标准》,评价方法采用单因子评价法。

评价结果显示:南留旺桥以上水质较好,符合Ⅱ类水质标准;东武仕水库水质属于Ⅲ类;马头闸断面水质为Ⅲ类;河水经过马头工业城后污染物浓度急剧上升,张庄桥断面水质为Ⅴ类;由于主城区生活污水的汇入,水厂路桥、刘二庄断面水质为劣Ⅴ类;苏里、莲花口断面水质更差。

2 邯郸市滏阳河纳污能力

河流纳污能力是一个与河流水文、水质和水力条件等密切相关的重要水管理参数,随规划设计目标的变化而变化,反映特定水体水质保护目标与污染物排放量之间的动态输入响应关系[3],受污染源概化、设计流量、流速、上游本底浓度、污染物综合衰减系数等设计条件和参数影响。

2.1 水质模型选择

水质模型是描述河流水体中污染物变化的数学表达式。水质模型包括零维模型和一维模型。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 ,即:

式中:ρ为污染物质量浓度,mg/L;t为污染物在确定区域内降解时间,d;k为污染物综合衰减系数,1/d。

2.1.1 零维模型

零维模型应用于流速小于0.1 m/s的计算单元,模型公式为:

式中:W为计算单元纳污能力,t/a;Q为计算单元设计流量,m3/s;q为计算单元入河污水量,m3/s;ρs为计算单元水质目标,mg/L;ρ0为计算单元上断面污染物质量浓度,mg/L;V为计算单元水体体积,m3。

2.1.2 一维模型

一维模型应用于污染物浓度横向变化不大且流速大于0.1m/s的计算单元,模型公式为:

式中:x为计算单元上断面到下断面的距离,km;xi为概化后排污口到下计算断面的距离,km;u为计算单元设计流量下的平均流速,m/s。

在计算单元内有支流汇入Q支和取水Q取情况时,计算公式如下:

a.在概化排污口上游取水时

b.在概化排污口下游取水时

式中:Q支、Q取为分别为支流汇入和取水流量,m3/s。

当设计流量为零时,模型计算公式为:

2.2 计算单元和控制指标

依据《河北省水功能区划》《邯郸市生态水网防治规划》,共设南留旺桥以上段、东武仕水库、东武仕水库出库—成峰路桥段、成峰路桥—张庄桥段、张庄桥—和平桥段、和平桥—苏里桥段和苏里桥—出境等7个计算单元。由于南留旺桥以上、东武仕水库属于饮用水水源保护区,不允许直接排污,本文中不再计算纳污能力和确定相应参数。

根据滏阳河水污染的特点,以COD、NH3-N为污染控制指标。

2.3 模型参数确定

2.3.1 水质目标的确定

依据上游计算单元水质目标不能低于其下游单元水质目标的原则,结合规划水质目标和用水现状,苏里桥以上各段水质目标确定为Ⅲ类水,苏里至出境水质目标确定Ⅴ类水。

2.3.2 设计流量的确定

为了使计算纳污能力反映出不同情况下的实际纳污能力,采用4个方案确定设计流量,分别计算纳污能力。

方案1:近10年(1998—2007年)最枯月平均流量作为设计流量。

方案 2:近 10年枯水期平均流量作为设计流量。方案3:近10年汛期平均流量作为设计流量。方案4:基准年(2007年)枯水期平均流量作为设计流量。

水库出口—成峰路桥、成峰路桥—张庄桥,苏里—出境分别采用东武仕水库坝下、张庄桥、莲花口水文站实测资料;张庄桥—和平桥、和平桥—苏里的实测流量分别根据文献[4]进行还原。

4种方案确定的各计算单元的设计流量见表1。

2.3.3 设计流速的确定

设计流速根据确定的设计流量从水文控制断面枯水期、汛期、最枯月的流量、水位、流速关系曲线查出相应流速来确定。各计算单元设计流速见表1。

2.3.4 污染源的概化

不同计算单元内入河排污口分布千差万别,一般将排污口分布概化为均匀分布或位于计算单元中间的一个集中点。考虑排污量影响,将各排污口至下段面距离与其排污量综合考虑,计算加权平均值以确定概化距离xi,公式为:

式中:xi为污染源概化距离,km;si为排污口至下断面距离,km;Qi为排污口单口污水排放量,m3/a。

各计算单元概化后排污口到下计算断面的距离xi见表2。

2.3.5 综合衰减系数k的确定

污染物综合衰减系数k是反映污染物沿程变化的综合系数。综合衰减系数k值按照300km河长内污染物衰减不超过75%的原则确定[5]。

COD综合衰减系数计算公式为:

式中:u为计算单元设计流速,m/s。

NH3-N综合衰减系数为:

各计算单元中各方案的COD、NH3-N的综合衰减系数见表2。

2.3.6 综合衰减系数k验证

为验证综合衰减系数的合理性,在水库出口—成峰路桥单元的北开河桥至成峰路桥河段进行了试验,在上下两桥布设采样点,监测COD、NH3-N浓度,同时测定断面平均流速,按照公式(10)计算k值,实验结果见表3。

式中:ρ1为河段上断面污染物质量浓度,mg/L;ρ2为河段下断面污染物质量浓度,mg/L;Vs为河段平均流速,km/d;Δx为上下断面距离,km。

从表3来看,COD综合衰减系数计算结果与实验结果基本一致,NH3-N综合衰减系数计算结果与实验结果个别有误差,但总体一致。因此综合衰减系数确定方法符合滏阳河情况。

2.4 纳污能力计算结果

根据以上确定的模型和参数,各计算单元不同方案对应的纳污能力见表4。

表1 邯郸市滏阳河不同方案对应设计流量、流速

表2 不同方案污染物综合衰减系数、排污口概化距离

表3 综合衰减系数验证

从表4可以看出,无论采用哪种方案,纳污能力都远远低于现状排污量,要改善邯郸市滏阳河水环境现状并达到规划水质标准,必须对入河污染物进行削减。

表4 邯郸市滏阳河纳污能力统计t/a

表5 不同流量、流速和综合衰减系数所对应的COD纳污能力

3 模型参数影响分析

3.1 污染源概化影响

根据集中概化法计算水库出口—成峰路桥排污口概化距离为15.5km,考虑排污量进行加权计算的概化距离为21.5km,在其他参数不变的情况下,纳污能力计算结果变大。概化点越靠近下游,计算结果越小。

3.2 计算单元上断面污染物浓度 ρ0影响

上断面污染物浓度对计算单元纳污能力的计算结果影响较大,纳污能力随上断面污染物浓度的增大呈直线下降。

3.3 设计流量和流速、综合衰减系数影响

由于综合衰减系数受流量和流速影响,将设计流量、流速和综合衰减系数一并分析。以成峰路桥—张庄桥计算单元为例,张庄桥水文站实测流量、流速关系见图1,根据公式(8)计算相应综合衰减系数,模型其他系数x、xi、ρo、ρs、q、Q取值均不变 ,流速u取值范围0.183～0.470m/s,综合衰减系数kCOD取值范围0.073～0.188 d-1。不同设计流量、流速和综合衰减系数情况下COD对应纳污能力见表5.

图1 张庄桥站流量、流速关系

不同设计流速、综合衰减系数对应COD纳污能力变化见图2。

图2 u、k、W 三者关系

从图2可以看出:相同流速u情况下,随着综合衰减系数k的增加,纳污能力WCOD也相应增加;相同综合衰减系数k情况下,随着流速u的增加,计算单元纳污能力WCOD相应增加,影响程度逐渐增强。

4 结 语

a.邯郸市滏阳河属于水库控制河道,由于枯水期农田灌溉的需要,枯水期平均流量大于汛期平均流量,枯水期纳污能力也高于汛期。现状排污量远远高于纳污能力,要达到规划水质标准,必须对入河污染物量进行削减。

b.邯郸市滏阳河主要属于平原河道,落差较小,流量增加而流速增加不明显。根据设计流量确定的设计流速可能有误差。

c.对于排污口分布复杂且排污量相差悬殊的单元,在污染源概化时考虑排污量,采用加权计算法确定概化点位置,可准确反映排污情况。

d.综合衰减系数k受自然条件和水体影响较大,经验证本文采用的综合衰减系数k的确定方法符合滏阳河实际。

[1]邯郸市水利局.邯郸市第二次水资源评价[M].北京:学苑出版社,2008:138-139.

[2]郭凤震,胡新锁.邯郸市水功能区纳污能力及限制排污总量计算分析[C]//中国水利学会第四届青年论坛论文集,北京:中国水利水电出版社,2008:156-161.

[3]朱健,王平,李捍东.贾河纳污能力及排污总量控制分析[J].水资源保护,2009,25(3):48-51.

[4]河北省邯郸水文水资源勘测局.邯郸市城区雨洪资源研究报告[R].邯郸:河北省邯郸市水文水资源勘测局,2010:78-115.

[5]河北省水利厅,河北省水文水资源勘测局.河北省水功能区纳污能力及限制排污总量意见[R].石家庄:河北省水利厅,河北省水文水资源勘测局,2008:64-65.

Analysis of water environment capacity and impact of model parameters of Fuyang River in Handan

GUO Feng-zhen
(Handan Hydrology and Water ResourcesSurvey Bureau of Hebei Province,Handan 056001,China)

Analyzing water quality of Fuyang River and the current status of sewage outfalls discharging into the river,and according to the current water utilization status of each calculation unit and water quality target,the water environmental capacity of COD andNH3-N were calculated by using one-dimensional water quality model.The impact of factors such as schematization of the pollution sources,design discharge,integrated degradation coefficient of the pollutants and other design conditions on the computation results was discussed.The results indicated that due to the upstream reservoir control,environment capacity of Fuyang River was higher in dry season than that in flood season.Current amount of pollutant discharge wasgreater than the water environment capacity,and the total amount of pollutants discharged into rivers needed to be reduced.

Fuyang River;water environment capacity;one-dimensional model;design conditions

X522

A

1004-6933(2011)03-0020-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.005

河北省水利科研项目(2007-35)

郭凤震(1966—),河北威县人,高级工程师,从事水环境监测评价研究工作。E-mail:shuizhigfz@sina.com

(收稿日期:2010-03-07 编辑:高渭文)