河流纳污能力计算一维模型主要参数的取值分析

彭振华，尤爱菊，徐海波（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

河流纳污能力计算一维模型主要参数的取值分析

彭振华，尤爱菊，徐海波
（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

根据水域纳污能力计算规程，中小型河流纳污能力的计算推荐采用河流一维水质模型。由于基础观测资料普遍不足，模型的河流流速、污染物综合衰减系数2个重要参数的取值往往缺少可靠依据。以浙江省永康市水域纳污能力的计算为例，基于现有水文、水质观测成果，对河流流速和污染物综合衰减系数的取值方法和取值范围进行分析探讨。

纳污能力；一维水质模型；河流流速；降解系数

1 问题的提出

水功能区纳污能力的核定是落实纳污红线监督管理制度的基础和依据。GB 25173 — 2010《水域纳污能力计算规程》（以下简称《计算规程》）规定了纳污能力计算模型的选择原则和基本方法，指出对于多年平均流量小于150.00 m3/s的中小型河段，可采用河流一维模型计算。参照《计算规程》，各单元河段纳污能力计算的一维模型公式如下：

式（1）～（2）中：Cx为流经x距离后的污染物浓度，mg/L；C0为初始断面污染物浓度，mg/L；x为沿河段的纵向距离，m；u为河道断面平均流速，m/s；K为污染物综合衰减系数。M为纳污能力，g/s；Cs为水质目标浓度，mg/L；Q为初始断面流量，m3/s；Qp为废污水排放流量，m3/s。

上述参数中，水质目标浓度Cs根据管理目标设定；初始断面污染物浓度C0可根据上游水功能区水质目标或实测源头水质数据确定；各河段流量Q可根据区间汇水面积，采用水文比拟法计算；废污水排放流量Qp可采用实测数据，或根据社会生产基础数据估算。由于普遍缺少基础观测资料，不同河段的流速u和污染物综合衰减系数K，取值往往缺乏可靠依据。本文以浙江省永康市水域纳污能力计算为例，基于现有水文、水质资料，对流速u和污染物衰减系数K的取值方法和取值范围进行分析探讨。

2 河流流速

研究范围涉及永康市境内5条主要河流，分别为南溪、李溪、华溪、酥溪和永康江，共划分为6个河流型水功能区，在永康江干流设有1个流量监测站。主要河流水系和现设流量站的位置见图1。

图1 永康市河流水系和流量监测站位置图

除永康江干流外，其它河流、河段均没有设置流量监测，设计流量下的流速u的取值难以确定。对于无监测资料河段的流速，目前一般借用其它河段流量站的流量—流速拟合关系式计算，影响流速的因素包括流量、底坡、糙率等，对不同河段直接采用单个流量站实测流量—流速关系，往往存在较大偏差。本文尝试采用明渠均匀流公式计算河流各河段流速的近似值。

根据《计算规程》，河段弯曲系数≤1.3时，可简化为顺直河段。因此将本次计算范围内的各河流，按弯曲系数≤1.3的原则细分成多个单元河段，每个单元河段均简化为顺直河道，采用明渠均匀流公式近似计算各单元河段流速，并采用实测流量流速数据进行检验。

2.1 流速计算公式推算

明渠均匀流计算公式如下：

式（3）～（4）中:u为断面平均流速，m/s；n为河床糙率；R为水力半径，m；i为底坡；Q为流量，m3/s；A为过水断面面积，m2；b为水面宽度，m；h为平均水深，m。

研究范围内绝大部分河段的断面为矩形或梯形，河流平均宽度20.00 ～ 130.00 m，正常水位下平均水深为2.00 ～ 6.00 m。根据《计算规程》，设计水文条件应选择90%保证率最枯月平均流量或近10 a最枯月平均流量。经分析，设计水文条件下的流量仅为多年平均流量的1/30 ～ 1/15，水位低，过水断面宽浅，因此可用平均水深近似代替水力半径[1 - 2]：

则式(3)可改写为：

研究范围内大部分河道的底部为梯形或接近梯形的U形，均简化为梯形，则河道断面水面宽度与平均水深的关系式可表示为：

式中：m为边坡系数；a为河道底宽，m。根据式（3）～（7）可推得：

根据式(8)可试算求得设计流量下的水面宽度b（也可绘制流量—水面宽度关系曲线求取），然后根据式（7）可推算得该宽度下的平均水深h，再根据式（6）或式（4）可求得设计流量下的流速u。

其中，河床糙率n的取值若按照经验值一般为0.02 ～0.04，但纳污能力计算的设计流量仅为多年平均流量的1/30 ～1/15，水位低，河床粗糙程度占水深比例大，参照相关观测和研究成果[3 - 4]，本次河床糙率n的取值范围为0.03 ～ 0.06；

采用此方法计算所得的流速值为近似值，需根据代表水文站的实测流量、流速、水面宽度数据进行检验。

2.2 合理性检验

采用永康流量站的实测数据对流速计算值的准确性进行检验。枯水期不同流量下实测流速、水面宽度数值与公式计算值的对比见图2 ～ 3。

图2 流速计算值与实测拟合值的对比图

图3 水面宽度计算值与实测拟合值的对比图

可见流速、水面宽度的计算值与实测拟合值总体吻合较好，说明该计算方法基本可行，可用于纳污能力计算模型中流速参数的估算。

用式（6）计算研究范围内各河流不同河段在设计水文条件下的流速，其中主要河流各河段估算的流速均值见表1。

表1 主要河流各河段估算流速均值表

3 污染物综合衰减系数

根据《计算规程》，污染物综合衰减系数的确定方法有分析借用法、实测法、经验公式法等。此外，较常应用的方法还有水质拟合法。根据已有研究成果，影响污染物衰减系数大小的主要因素包括污染物种类、水温、溶解氧浓度和水文条件等[5 - 8]。本次的研究范围涉及多个河流型水功能区的30多个河段，入河污染物种类和水文条件各异，限于时间和经费，无法采用实测法；若采用分析借用法，往往难以找到水文水质条件类似、已有实测数据的河道；经验公式法需基于大量监测数据进行公式推导，且一般只适用于监测断面所在河流及监测数据获得时段。而水质拟合法虽然存在瞬时值计算精度低的缺点，但用于较长时段、较大范围内的衰减系数计算时，可充分利用已有的长系列水质、水文和污染源监测资料，拟合得到一定区域、时段内的平均值。因此本次研究采用水质拟合法，基于水文、水质监测数据、污染源排放监测或测算资料，采用水质模型对水功能区的污染物衰减系数进行拟合率定。

3.1 率定方法与参数

3.1.1 率定模型

采用河流一维水质模型进行率定，模型基本公式见式（1） ～ （2）。

3.1.2 率定时段

选择污染源和水质资料较完备、接近设计水文条件的枯水期作为率定时段。由于枯水期降雨量少，面源污染冲刷入河量少，可减少面源污染负荷不确定性对率定结果的影响。为降低污染源排放量随机变化带来的影响，尽量选择较长的时段。

选择研究范围内污染源和水质资料较完备的2012 —2013年，期间永康江的流量实测值变化趋势见图4。

图4 2012 — 2013年永康江流量变化趋势图

根据流量实测值，结合降雨资料分析，持续时间较长的枯水期出现在2013年10月10日至12月10日，期间永康站平均流量为7.90 m3/s，约为多年平均流量的1/5，为纳污能力计算设计流量的3.5倍。

综合考虑污染源资料的完整度和水文条件，选择2013 年10月10日至12月10日作为率定时段。

3.1.3 水质数据

水质数据采用率定时段内河流水质常规监测断面、乡镇交接断面的监测数据。水质监测断面的分布见图5。

图5 永康市水质监测断面分布图

3.1.4 水动力参数取值

各水动力参数的计算取值方法见本文2.1节。

3.1.5 污染物入河量计算

分别测算点源（生活源、工业源、畜禽养殖源）、面源（农业面源、地表径流污染源）入河量。污染物入河量计算公式为：

污染物入河量=污染物排放量×入河系数 （9）

点源污染物排放量根据排污单位环境统计数据、排污口调查实测数据、人口资料等计算；面源污染物排放量根据肥料、农药流失系数手册，相关文献推荐方法计算[9]。

点源污染物入河系数的取值原则参照《全国水环境容量核定技术指南》，根据排污口离河道距离、排污管渠类型、气温等因素确定，大多数点污染源入河系数取值为0.7 ～1.0；农业面源污染物入河系数根据农田径流系数确定；内源污染物入河系数为1.0。由于入河系数存在取值范围，因此率定得到的衰减系数K值也是一个数值范围。

永康市经济发达，研究涉及的5条河流沿岸人口密布，由于率定时段为枯水期、降雨量少、水温较低、大部分河段为山区河段，所以入河污染物主要来自点源。经测算，率定时段内5条河流集水范围内，点源COD入河量约占污染物总入河量的81% ～ 89%，点源氨氮入河量约占污染物总入河量的86% ～ 92%。面源和内源污染负荷所占的比例低，对污染物衰减系数率定结果的影响较小。

3.2 率定结果与合理性分析

采用上述方法，对各河流水功能区污染物综合衰减系数进行率定，主要指标的率定结果见表2。

表2 主要河流污染物衰减系数率定结果表 d-1

《全国水资源保护规划（浙江部分）》等相关报告列出了浙江省22个代表河段的综合衰减系数推荐值，其中对于非河网地区河流，COD、氨氮衰减系数的取值范围均为0.10 ～ 0.40 d- 1；根据中国环境规划院《全国地表水水环境容量核定技术复核要点》，非河网地区普通河道COD衰减系数取值范围为0.05 ～ 0.25 d- 1，氨氮衰减系数取值范围为0.05 ～ 0.20 d- 1。可知本次衰减系数的率定结果与相关文献推荐值接近，可用于河流纳污能力计算。

4 结论与建议

以永康市河流水功能区纳污能力计算为例，对一维水质模型中河流流速和污染物综合衰减系数的取值计算进行探讨，结论与建议如下：

（1）河流流速可采用明渠均匀流公式近似计算，同时可推算断面水面宽度和平均水深。计算结果与流量站实测结果接近。河道枯水期的糙率取值和河流流量模拟结果对流速计算准确度有较大影响，可在这2方面开展深入研究。

（2）采用水质拟合法对各河流的污染物综合衰减系数进行率定，率定结果与相关文献推荐值接近。率定时段应尽量选择污染源与水质资料较丰富、水文条件与纳污能力计算设计条件接近的时段，同时尽量减少面源和内源污染负荷的不确定性对率定结果的影响。

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（责任编辑 郎忘忧）

Analysis on Estimating Main Coefficients in One Dimensional Model of River Environmental Capacity

PENG Zhen - hua，YOU Ai - ju，XU Hai - bo
（Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary，Hangzhou 310020，Zhejiang，China）

According to the calculation criteria of watershed environmental capacity，a one dimensional model is recommended for most of medium or small rivers. The estimation of two important coefficients in the model，which are river flow velocity and pollutant comprehensive degeneration coefficient，are basically unreliable due to the insufficient data. Based on the field observation and the calculation of the river environmental capacity of Yongkang city，the method to determine these two important coefficients in the model and the range of these two coefficients will be discussed and analyzed in this study in order to construct a one dimensional model representing the river environmental capacity of Yongkang city.

environmental capacity；one dimensional water quality model；flow velocity；degeneration coefficient

X522

A

1008 - 701X(2016)06 - 0046 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2016.06.015

2016-05-24

国家科技重大专项课题(2014ZX07101 - 011)；浙江省水利科技计划项目(RB1405)。

彭振华(1982 - )，男，工程师，硕士，主要从事水污染治理工作。E-mail：bachzh@126.com