细河入河口纳污能力计算与总量控制研究

郭廓

（辽宁省阜新水文局，辽宁 阜新 123000）

细河入河口纳污能力计算与总量控制研究

郭廓

（辽宁省阜新水文局，辽宁 阜新 123000）

纳污能力是对具有一定使用或保护功能的水域，按照水体功能要求及水质保护目标，评定该水域能够容纳不同污染物的最大数量，考虑辽西河流的季节性特点，以最枯月最小流量计算出的容量很小，甚至出现断流容量为零的情况，因此抛开传统的、侧重从静态的计算模式，将水文的随机特性同纳污能力计算与污染总量控制有机结合起来，使水质保护与总量控制成为可能和具有可实施性。

细河；纳污能力；水质；排污；总量控制；细河

1 概况

细河发源于阜新县他本扎兰乡东骆驼山西麓，北坡牌楼营子附近。河流走向由东北向西南流向，自发源地依次流经阜新县他本扎兰乡、阜新县县城，经市区后流经阜新县东梁、伊马图乡，在清河门区的蔡家屯入义县，在义县的复兴堡汇入大凌河。细河河长121.4 km，流域面积3 092.8 km2，其中阜新市境内流域面积2 290 km2。主要支流右岸有九营子河、伊马图河、汤头河、清河，左岸有五道桥河、稍户营子河、东沙河、大榆树河等，多集中在中上游的阜新境内。

细河从阜新市主城区穿城而过，大量的城市生活污水及工业废水排入，造成细河不同程度的污染。据有历史监测的水质资料统计，20世纪80年代末期，细河水质还相对较好，基本能够达到Ⅳ、Ⅴ类标准，从90年代初开始水质开始不断恶化，到2010年以前，水质污染常年居高不下，达到劣Ⅴ类标准。

纳污能力是对具有一定使用或保护功能的水域，按照水体功能要求及水质保护目标，评定该水域能够容纳不同污染物的最大数量。2010年以后，细河开始加大了污染治理力度，水质有所改善，但污染物入河量仍然大大超出了水体的纳污能力[1]，河流水体总体上呈污染状态。虽然削减排污量、控制污染物入河量是彻底解决细河水质问题的根本途径，但在污染物尚不能得到完全控制的情况下，合理利用水体纳污能力、进行排污总量控制[2]，则具有较为现实的意义。本文的研究，主要考虑细河季节性明显和月内水量相对稳定的特点，将水量的年保证率进一步细化至月保证率，从而充分考虑河流水量对纳污能力的影响；将总量控制与纳污能力有机结合，为改善细河水质提供有效措施。

2 纳污能力计算方案

2.1 模型选择

按照细河的特点，宽深比在3～6左右。假设宽深比不大的河流，污染物在较短的河段内，基本上能在断面内均匀混合，污染物浓度在断面上横向变化不大，可用一维水质模型[3]模拟污染物沿河流纵向的迁移问题。

设承载能力为W（kg/d），根据概化，单位河长纳污量应为W/L，建坐标系，在河段内选一微段，长为dx，坐标为x，流速为u，则，此微段污染物输运至x=L处的剩余质量为：

单位时间，经过x=L所在断面的污染物总质量，应为上游L长河段内排放的各微段的质量降解至该断面剩余质量的迭加：

相应浓度为：

根据纳污能力的定义：

式中：k为降解系数，L/d；C0为上断面来水的水质浓度，mg/L；Cs为水体的水质目标，mg/L；Q 为断面设计流量，m3/s。

2.2 综合衰减系数的确定

综合衰减系数的确定，一般采用野外实测法或利用数值解模型通过试错法求解[6]。计算模型为：

式中：CA，CB为上、下断面污染物的浓度，mg/L。

2.3 河流水量的确定

河流纳污能力计算的设计水量，采用某种频率下流经河流某一断面的流量。频率计算，各控制断面每月的设计频率采用90%，75%，50%，频率计算方法采用经验频率曲线法[4]，其公式为数学期望公式：

式中：p为频率；n为实测资料系列长；m为实测资料由大到小的排列序号。

2.4 平均流速的确定

1）流速参数公式推算[4]

式中：α，β为经验数据，由实测数据统计得到。α随河床的大小而变化，β则有一个较固定的平均值的范围，对大河而言，α=0.6，β=0.4。

2）建立实测流量～流速关系相关关系，来推球不同流量条件下的河段平均流速。

3 纳污能力计算结果

3.1 综合衰减系数

根据细河2000—20110年实际水质监测资料，分别计算每个测次的综合衰减系数，综合考虑各方面的因素，经计算COD综合衰减系数为0.4~ 0.5之间，取0.45；氨氮综合衰减系数为0.2~0.4之间，取 0.3。

3.2 细河设计水量

细河设计流量的选用，采用水文站1956—2000年共计45年的系列资料，分别推求1—12月90%，75%，50%保证率下的设计水量月均值。按月份分别统计计算，50%，75%，90%保证率条件下的设计流量分别为 3.89，2.16，1.28 m3/s。 其中，90%保证率条件下最枯月流量为0.058 m3/s，最大月流量为3.05 m3/s；枯水期、丰水期流量相差悬殊，90%保证率条件下最高可相差50余倍，75%和50%保证证率下差异更大。

3.3 设计平均流速

从建立的细河实测流量～流速关系来看，流量～流速相关关系较好，相关系数高达0.941 4。因此，选用建立实测流量～流速关系相关关系，来推球不同流量条件下的河段平均流速。实测流量～流速关系见图1，流速计算公式：y=-0.000 3x2+0.024 1x+ 0.330 5，R2=0.886 3。

图1 细河复兴堡水文站实测流量～流速关系

3.4 纳污能力计算结果

1）细河入河口段化学需氧量（COD）90%保证率条件下，纳污能力为1 271 t/a；75%保证率条件下，纳污能力为1 978 t/年；50%保证率条件下，纳污能力为3 303 t/a。 最枯月90%保证率条件下，纳污能力为87.7 t/a。

2）细河入河口段氨氮90%保证率条件下，纳污能力为50.3 t/a；75%保证率条件下，纳污能力为81.3 t/a；50%保证率条件下，纳污能力为141 t/a。最枯月90%保证率条件下，纳污能力为2.96 t/a。

4 排污总量控制方案

4.1 月保证率条件下的纳污能力

细河入河口段不同月份水量相差悬殊，按照月不同保证率，分别计算不同的纳污能力。计算结果见表1。

4.2 不同水质目标下的纳污能力

在不同水质保护目标（Ⅴ类、Ⅳ类标准）情况下，按照月75%保证率，分别计算不同的纳污能力。计算结果见表2。

4.3 排污总量控制方案设计

按照阜新市每天排放的城镇污水15万t计算，在污水处理达到《辽宁省污水综合排放标准》（COD50 mg/L、氨氮 8 mg/L）情况下，每天 COD排放量为10 t，氨氮为1.6 t。据此推算90%保证率下，细河入河口水质常年达不到Ⅴ类水质；75%保证率下，细河入河口水质只有COD在7和8月份能够达到Ⅴ类水质。因此，需要对水质进行深度处理，按照75%保证率下，全年达标月份50%以上的目标，污水处理COD需要达到40.6 mg/L以下，氨氮需要达到1.65 mg/L以下，从一定程度上看，这个目标是可以达到的。而按照传统的年最枯月水量按照75%保证率下，全年水质达标，污水处理COD需要达到4.78 mg/L以下，氨氮需要达到0.16 mg/L以下，这个控制目标现有条件下是无法实现的。计算结果见表3。

表2 不同水质保护目标下的纳污能力计算结果t/月

表3 不同水质保护目标的排污总量控制 mg/L

5 结论及建议

按照传统的纳污能力计算模式，细河入河口段纳污能力纳污能力较低，最枯月90%保证率COD纳污能力为87.7 t/a，是月90%保证率的6.9%；最枯月90%保证率氨氮承载能力为2.96 t/ a，是月90%保证率的4.9%。主要原因是细河地处辽宁西部，降水量较少，属干旱地区，加上河流季节性特点显著，最枯月流量很小。虽然以最枯月水量计算纳污能力，对水质保护目标的实现与保证较为可靠和安全，但由于计算的纳污能力过小，一是会使水污染控制任务艰巨，二是将丰水期的纳污能力白白浪费掉，不利于国民经济的发展。由上述计算结果可以看出，按照月保证率的概念计算细河入河口段纳污能力，在较高保证率的条件下可以得到更大的环境容量，这对处于干旱地区河流的水污染控制工作更具有现实的指导意义。

今后，应考虑将水污染控制、水资源调度水文预测预报、水环境容量预测预报以及水质模拟有机结合起来。采用宏观评价与微观分析，定性分析与定量计算，以及动态与静态、系统的分解与综合相结合的研究方法，应用现代科技的基本理论和研究手段，初步建立起在时空上有确实保证的水文数据库、水质数据库、污染源数据库以及其他与计算有关的信息数据库，形成一套完整、计算方便、简单易行的纳污能力计算、评价系统，为水污染防治、水资源保护决策提供依据。

［1］夏军.水资源安全的度量：水资源承载力的研究与挑战［J］.自然资源学报，2002（3）：262—269.

［2］夏青著.流域水污染总量控制［M］.北京：中国环境科学出版社，1996

［3］朱党生，王超，程晓冰．水资源保护规划理论及技术［M］．北京：中国水利水电出版社，2001.

［4］方子云.水资源保护工作手册［M］.南京：河海大学学出版社，1988.

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2015-06-21