浙江省水功能区纳污能力分析计算探讨

柯斌，劳国民

（浙江省水文局，浙江 杭州 310009）

1 纳污能力计算模型

根据浙江省水功能区的实际情况，选用的计算模型包括：山区性河流一维均匀混合模型、湖泊和水库零维模型、平原河网零维模型、感潮河段组合模型。

1.1 山区性河流—维均匀混合模型

该模型适用于宽深比不大的河流，在较短的时间内，污染物能在河段横断面上均匀混合。

由于污染物一般是沿河岸分多处排放的，每一河段内可能存在多个污染源，同时，规划各排污口的位置具有不确定性，在此采用概化的方法，即认为污染物排放口在同一功能区内沿河均匀分布，此概化体现了污染源分布的一种平均状况，混合过程也假定在排污口断面瞬时完成均匀混合，图1为某一功能区污染源均匀排放的示意图。

图1 功能区中污染源均匀排放示意图

功能区终止断面的污染物浓度按下式计算：

式中：Cs为终止断面的污染物浓度（mg／L）；C0为起始断面的污染物浓度（mg／L）；k为污染物综合衰减系数（L／s）；L为功能区长度（m）；u为设计流量下功能区的断面平均流速（m／s）；W 为进入功能区的污染物量（t／a）；Q 为功能区设计流量（m3／s）。

当Cs刚好满足该功能区水质目标时，进入该功能区的污染物量即为其纳污能力，计算公式如下：

1.2 湖泊和水库零维模型

以图2水库为代表，设有n条支流汇入湖体，各汇入支流的流 量 及 污 染 物 浓 度 分 别 为q1，q2，q3，……，qn；C01，C02，……，C0n，水库水质目标为Cs，在这种情况下，计算水库的纳污能力。

图2 水库污染物迁移示意图

假定水量为稳态，则出流流量q出＝Σqi，水库纳污能力计算公式为：

式中：qi为i条支流入流流量（m3／s）；C0i为i条支流入流浓度（mg／L）；B为水库不均匀系数（无量纲）；V为设计水文条件下的水库库容（m3）；其余指标同上。

由于水库多位于河流上游，水质较好，出流水质与入流水质接近，因此上式可简化为：

W＝31.536×BkVCs

1.3 平原河网零维模型

平原河网的功能区采用零维模型，根据不同水文条件下的河网容积，计算整个河网相应的纳污能力，再近似按河长或河段蓄量分配到功能区，公式如下：

式中：W河网为整个河网的纳污能力（t／a）；V河网为设计水文条件下整个河网槽蓄量（m3）；W功能区为功能区纳污能力（t／a）；l为功能区河长（m）；L河网为整个河网功能区总河长（m）；v为功能区河段槽蓄量（m3）；其余符号意义同前。

1.4 感潮河段组合模型

感潮河段水量由上游下泄水量和下游潮水量组成 （见图3）。

图3 感潮河段水量组成示意图

河段纳污能力可由上游来水纳污能力和下游潮水纳污能力2部分组成，计算公式如下：

式中：b为感潮河段不均匀系数；V潮为潮水量（m3）；其余符号意义同前。

上游来水纳污能力按照山区性河流一维均匀混合模型计算，设计流量和设计流速采用相应保证率的数值；感潮河段纳污能力采用零维模型计算，潮水量采用相应保证率潮差进行计算。

2 模型参数选择

上述纳污能力计算模型涉及的参数主要有综合衰减系数k、湖库不均匀系数B、感潮河段不均匀系数b。

2.1 综合衰减系数k

综合衰减系数的影响因素众多，相当复杂，一般采用下述方法进行分析。

2.1.1 分析借用

对于以前在环评、环保规划、环保科研等工作中可供利用的有关资料经过分析检验后采用。

无资料时，可借用水力特性、污染状况、及地理、气象条件相似的邻近河流的资料。

2.1.2 实测法

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，综合衰减系数可由实测数据推算。

可以根据各种经验公式推求综合衰减系数。

本次综合衰减系数主要采用分析借用和实测法，全省不同区域、不同水体类型功能区的综合衰减系数k取值范围见表1。

表1 不同类型水功能区的综合衰减系数k的确定值表

续表1

2.2 湖库不均匀系数B

湖泊、水库的不均匀系数按表2进行选用。

表2 湖泊、水库不均匀系数表

2.3 感潮河段不均匀系数b

感潮河段的不均匀系数按表3进行选用。

表3 感潮河段不均匀系数表

3 设计水文条件确定

根据SL 348—2006《水域纳污能力计算规程》，纳污能力计算应采用90%保证率最枯月或近10a最枯月平均流量（水位、蓄量）作为设计水文条件。该条件偏严格，为反映不同设计水文条件下功能区的纳污能力，从而为下一步污染物总量控制提供较为全面的科学数据，采用90%，75%和50%三种保证率最枯月平均流量 （水位、蓄量）作为设计水文条件，分别核定功能区的纳污能力。

3.1 设计流量

山区性河流水功能区设计流量确定方法：

（1）选用全省代表性好、资料系列长的流量站，统计其逐年各月平均流量，以历年最枯月平均流量系列排频，得出各站50%、75%及90%保证率的最枯月平均流量。根据河流、地形等下垫面情况，将全省划分成32个区块，将所在分区或临近分区内的水文站的设计流量换算为不同保证率的单位面积流量。

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山区性河流流量大小取决于上游降水量、下垫面条件、河流形态、集水面积等多种因素，降水量的大小对单次流量影响较大，但从长系列资料来看，影响流量的主要因素是集水面积。绘制各站50%、75%及90%保证率的最枯月平均流量与集水面积的关系见图4。由图4可见，各站不同保证率流量与集水面积基本成正相关，随着集水面积的增加，流量相应增加。

（2）在电子地图上根据等高线求取各功能区河段上断面或下断面以上汇水面积，并用水文站控制面积进行复核。

（3）各功能区按所在区块的不同保证率单位面积流量和功能区上断面或下断面流域面积或区间面积计算设计来水流量，并用水文站控制断面设计流量进行协调修正后作为纳污能力计算的设计流量条件。

图4 各站不同保证率流量与集水面积关系图

3.2 设计流速

河流控制断面的实测流与断面平均流速有如下指数关系：

式中：u为断面平均流速（m／s）；Q为断面流量（m3／s）；a、b为系数。

以诸暨站为例，该站中低水实测流量～流速关系及拟合流速见图5，由图5可见，流速与流量指数关系拟合较好，能基本反映不同流量下的实际流速情况。

图5 诸暨站中低水流量～流速关系拟合图

根据全省68个水文站实测中、低水流量资料，逐站分析系数a、b，选择相关关系好的代表站，分水系综合后作为各功能区由流量推算流速的依据。

3.3 湖库及平原河网设计水位

湖库和平原河网采用50%、75%、90%最枯月平均水位下的蓄水量作为纳污能力计算的水文条件。

全省平原河网分为杭嘉湖平原、萧绍平原、姚慈平原、鄞东、鄞西、镇海、金清水系7大河网，分别选取各河网水位代表站，统计各站历年逐月平均水位，以历年最枯月平均水位系列排频，得出各站50%、75%及90%保证率的最枯月平均水位。根据各河网的水位～槽蓄量关系，得出各平原河网不同保证率的蓄水量。

选用的水位代表站见表4。

表4 各平原河网区选用水位代表站表

3.4 感潮河段设计潮量

浙江省水系多为独流入海河流，河口段受潮汐影响较大，设计流量除上游来水外，还必须包括潮水量。其设计流量的确定方法如下：

（1）划分潮区界；

（2）根据潮位站历年潮水位资料，计算各站50%、75%及90%保证率潮差；

（3）根据河道实测断面、潮差和河段长度，计算感潮河段的潮水量。

浙江省感潮河段主要有钱塘江感潮河段、浦阳江感潮河段、甬江感潮河段、椒江感潮河段、瓯江感潮河段、飞云江感潮河段、鳌江感潮河段。各感潮河段潮区界及选用潮位站见表5。

表5 全省感潮河段潮区界及选用潮位站表

根据感潮河段选用潮位站50%，75%，90%潮差，结合功能区断面、长度资料计算各功能区的潮水量，作为纳污能力计算的设计潮量。

4 计算分区及模型选用

根据全省水系状况结合行政分区和水资源分区，纳污能力分析将全省水功能区分为10个分区，分别为钱塘江区、杭嘉湖区、苕溪区、曹娥江区、甬江区、舟山区、椒江区、瓯江区、飞云江区、鳌江区，独流入海及出省小河流按地理属性划入上述10个分区内。根据各计算分区内的水域特性，纳污能力计算选用4种模型，分别为山区性河流一维模型、湖泊水库零维模型、平原河网零维模型、感潮河段混合模型。各计算分区不同水功能区选用模型见表6。

表6 各计算分区不同水功能区选用模型表

续表6

5 纳污能力分析成果

根据浙江省水功能区选用的纳污能力计算模型及相关参数、设计水文条件、功能区水质目标等，分析计算功能区纳污能力 （见表7）。由表7可见，50%设计水文条件下，浙江省CODcr纳污能力为150.25万t／a，其中感潮河段、平原河网、山区性河流分别为51.46万，17.14万，81.64万t／a，分别占全省的34.3%，11.4%，54.3%；NH3－N纳污能力为6.13万t／a，其中感潮河段、平原河网、山区性河流分别为2.45万，0.90万，2.78万t／a，分别占全省的40.0%，14.6%，45.4%。

75%设计水文条件下，全省CODcr纳污能力为123.44万t／a，其中感潮河段、平原河网、山区性河流分别为43.95万，15.50万，64.00万t／a，分别占全省的35.6%，12.6%，51.8%；NH3－N纳污能力为4.95万t／a，其中感潮河段、平原河网、山区性河流分别为2.01万，0.81万，2.12万t／a，分别占全省的40.7%，16.5%，42.8%。

90%设计水文条件下，全省CODcr纳污能力为102.86万t／a，其中感潮河段、平原河网、山区性河流分别为36.77万，14.24万，51.84万t／a，分别占全省的35.8%，13.8%，50.4%；NH3－N纳污能力为4.19万t／a，其中感潮河段、平原河网、山区性河流分别为1.73万，0.75万，1.71万t／a，分别占全省的41.3%，18.0%，40.7%。

表7 各水系水功能区纳污能力计算成果表

6 结 语

（1）根据浙江省水功能区涉及的水域类型，纳污能力计算模型主要可选用山区性河流一维均匀混合模型、湖泊和水库零维模型、平原河网零维模型、感潮河段组合模型4类，模型参数主要有综合衰减系数k、湖库不均匀系数B、感潮河段不均匀系数b，可根据不同功能区特性来确定。

（2）为反映不同设计水文条件下功能区的纳污能力，从而为下一步污染物总量控制提供较为全面的科学数据，确定90%、75%、50%三种保证率的设计水文条件，分别计算全省水功能区的纳污能力。

（3）根据全省纳污能力分析计算成果，感潮河段、平原河网、山区性河流CODcr纳污能力的分配情况大致为0.35∶0.13∶0.52；NH3－N纳污能力的分配情况大致为0.41∶0.16∶0.43。

（4）功能区纳污能力与该功能区的水质目标、设计水文条件等密切相关。随着浙江省水利工程的变化，如河道疏浚、水库建设、引调水工程的实施等，水文条件将相应变化；同时由于经济社会发展对水功能区要求的变化，功能区水质目标也会有所调整。纳污能力应根据相应条件的变化重新核定，以利于污染物总量控制方案的科学实施。