汾河太原段纳污能力计算

杨瑞芳 段 妍 王鹏杰

(太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024)

近年来，随着太原市经济的迅速发展，城市工业废水和生活污水排放量日益增加，大量废污水未经处理或处理后不达标直接或间接排入汾河，由于丰水期短且环境容量有限，导致河道污染严重，河流水质恶化。保护汾河水资源，限制污染物排放总量迫在眉睫，而定量控制排污总量的基本依据是水体的纳污能力，因此对汾河太原段纳污能力的定量评价至关重要。水体的纳污能力，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［1］。本文在分析了汾河太原段水质现状的基础上，根据汾河太原段各功能区水质管理目标，计算其不同保证率下的纳污能力，以便管理不同时期污染物的排放。

1 研究区概况

汾河是黄河第二大支流，也是山西省最大的河流。汾河全长716 km，流经6个地市，34个县市，流域面积39 471 km2，占全省国土面积的25.3%。汾河太原段全长192 km，自北向南纵贯太原市，穿过娄烦县、古交市、太原市区，于清徐县出境。近年来，由于市区内污水排放量大，汾河太原段水质污染严重，据2011年监测资料显示，有50%的河段为劣Ⅴ类水质，20%为Ⅳ类水质，30%为Ⅲ类水质［2］。

根据《山西省水功能区划》，汾河太原段共划分一级水功能区4个，包括1个保护区，1个保留区，2个开发利用区，二级水功能区划是在一级区划的开发利用区内进行，其中汾河静乐娄烦开发利用区有1个，汾河太原运城开发利用区有7个［3］，详见表1。

表1 汾河太原段水功能区划成果

2 纳污能力计算

2.1 计算范围及指标

汾河太原段静乐源头水保护区现状水质良好，水质类别为Ⅱ类～Ⅲ类，静乐娄烦开发利用区和古交保留区水质类别为Ⅲ类，用水矛盾不突出，因此水质目标是维持现状水质，其纳污能力采用其现状污染物入河量。因此本次研究纳污能力计算主要针对汾河太原段中太原运城开发利用区的二级功能区，包括1个工业用水区，2个农业用水区，1个景观娱乐用水区，1个过渡区，2个排污控制区。根据汾河水质现状及水污染特点，本次纳污能力计算指标选取化学需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)。

2.2 数学模型

汾河太原段大部分河道较窄、水深较浅、污染物混合较快。对于这种宽深比不大的中小型河道，采用一维河流水质模型进行纳污能力计算。

对同一个水功能区相应的河段而言，污染物排放口通常不均匀地分布于河流的不同断面，最终污染物汇集于控制断面，因此当一个河段内有多个排污口时，可将其集中于一点，概化为一个排污口［4］，假设其位于河段中点，如图1所示。

图1 污染源概化图

根据图1，将排污口概化至河段中点时，则污染物自净长度为河段的一半，设河段长度为L，则污染物自净长度为L/2。因此，该功能区下断面的污染物浓度为:

其中，Cx为河段控制断面污染物浓度，mg/L;C0为河段起始断面污染物浓度，mg/L;Qr为设计流量，m3/s;k为污染物综合自净系数，L/s;u为平均流速，m/s。

则功能区纳污能力m应为:

其中，m为污染物最大允许入河速率，即纳污能力，g/s;Cs为水质目标值，mg/L。

该模型计算的是在满足水域功能要求的前提下，各功能区在确定的水质目标和设计流量的条件下所具有的纳污能力。

2.3 模型参数

1)断面设计流量。计算河流的纳污能力需要使用不同保证率下的流量。单一的设计流量不适用于不同时期污染物排放的管理［5］，所以选取50%，75%，95%保证率下的设计流量，依据1994年～2006年长系列水文资料所计算出的各保证率下最枯月平均流量进行计算［6］。

2)断面平均流速。在实测资料比较丰富的地区，能绘制出水位—流量、水位—面积关系曲线，在已知设计流量情况下，即可以推求断面设计水位和相应面积，则断面平均流速V为:

其中，V为设计流速;Q为设计流量;A为过水断面面积。

断面设计流量与断面平均流速结果见表2。

表2 不同保证率下的设计流量、设计流速

3)初始浓度值C0与水质目标值Cs。根据水功能区划和污染控制原则，上一个功能区不论接纳多少污染物质，在进入下一个功能区时，其水质必须达到该功能区水质目标的要求。根据这一原则，初始浓度C0一般采用上一个功能区的水质目标值;水质目标Cs以本河段水功能区所定水质目标值作为控制标准来确定。Cs不仅要满足功能水质要求，还要充分考虑该功能区的实际排污情况。

4)综合衰减系数K。污染物综合衰减系数K的取值可用实测资料率定法或水团追踪法、经验公式法求得，但由于本次无详尽的水质监测资料［7］，根据汾河实际情况，结合已有的研究资料，COD的K取值为0.34(1/d);氨氮的K取值为0.22(1/d)。

2.4 计算结果

根据上述参数，通过一维河流水质模型进行计算，得出了汾河太原段各河段不同设计流量下对COD和氨氮的纳污能力。50%设计流量下汾河太原段的纳污总量为COD 11 421 t/年，氨氮654 t/年;75%设计流量下为COD 7 846 t/年，氨氮425 t/年;95%设计流量下为COD 4 093 t/年，氨氮203 t/年。该河段各功能区不同保证率下的纳污能力情况见表3。

表3 各功能区不同保证率下的纳污能力 t/年

在50%，75%，95%保证率下，各功能区COD和氨氮的纳污能力逐渐减小，即随着河道来水量的减小，河道纳污能力呈减小趋势。COD的平均纳污能力由95%保证率来水条件下的4 093 t/年，增大到50%保证率来水条件下的11 421 t/年，增加了1.8倍;氨氮平均纳污能力由95%保证率来水条件下的203 t/年，增大到50%保证率来水条件下的654 t/年，增加了2.2倍。

从表3中可以看出，汾河太原排污控制区即南内环桥到小店桥的纳污能力最大，虽然河段污染比较严重，但该河段流量较大，水质目标较低，使其纳污能力较大;不同污染因子的纳污能力是不同的，COD的纳污能力明显要比氨氮的纳污能力高出一个数量级，这与水质标准的限值有关，说明氨氮极易造成汾河的污染。

3 结论与建议

汾河太原段在50%，75%，95%保证率下的纳污能力逐渐降低，即纳污能力随着来水量的减少而降低，污染物的排放量需加大控制。因此，为了保护并改善汾河水质，需要削减污水排放量并降低污水中污染物质浓度，应该加强和健全计量、监测手段，科学地控制污水排放量和污染物排放浓度，可以按照功能区的纳污能力的大小排放不同质和不同量的水，充分发挥各河段的自净能力;定期清理疏浚河道，减少淤积，加快流速，增强河道的自净能力;进一步完善排水管网，对老化的排污排洪管网进行改造，实现雨污分流，加快污水收集率，提高污水处理率;加快污水处理厂的建设，提高污水处理率，使工业废水和生活污水达标排放;通过人工建设湿地和修复原有湿地来改变汾河的水环境，充分发挥资源的生产潜力，取得污水处理与资源化的最佳效益。

［1］ 王彦红.水体纳污能力计算中各参数的分析与确定［J］.山西水利科技，2007(2):55-57.

［2］ 太原市环境监测中心站.太原市地表水环境监测年报［Z］.2011.

［3］ 山西省水利厅.山西省水功能区划［Z］.2005.

［4］ 左其亭.城市水资源承载能力——理论、方法、应用［M］.北京:化学工业出版社，2005:114-117.

［5］ 魏素洁，张 君，刘家宏，等.大汶河泰安段纳污能力计算［J］.人民黄河，2012，34(3):63-64.

［6］ 张晓斌，张建国，白继中.汾河水环境容量计算及特征分析［J］.水资源与水工程学报，2010(21):137-138.

［7］ 徐树媛.晋城市水资源保护规划与污染物总量控制研究［D］.太原:太原理工大学，2006.