基于水质目标管理的涑水河水环境容量研究

刘璐瑶， 冯民权

(西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地， 陕西 西安 710048)

1 研究背景

河流水质目标管理是在原有总量控制技术体系上发展而来的[1]， 20世纪70 年代以来，欧美等许多发达国家针对本国水污染状况相继开展了水质管理技术的研究，如美国 TMDL 计划等。Lebo等[2]则对这一治理方案的实施效果进行了评估，总结了影响水质波动的主要因素。Lee等[3]以韩国洛东江为对象，系统分析了韩国河流TMDL计划中水质目标的确定方法，为流域管理提供参考。欧美国家的研究一般用最大日容许纳污量、容许排污水平和同化容量等定义。Koutseris[4]分析并计算了希腊某海滨的水环境容量；Borges等[5]研究了某流域上5个水库在不同环境因子影响下的关系，并分析计算了水环境容量。Cho等[6]采用线性规划法对河流污染物的污染负荷进行了分配；Kerachian等[7]研究利用遗传算法对季节性河流污染物的污染负荷进行分配。

我国比美国等发达国家晚几年也开始了水环境污染总量控制研究，在以水质目标管理为导向的河流治理模式方面，我国学者展开了积极的探索和尝试。孟伟等[8]提出了我国水环境质量目标管理技术的研究方向和发展趋势。雷坤等[9]提出了控制单元水质目标管理技术方法，阐述了控制单元划分、水质目标核定、控制单元水环境问题诊断的基本流程和方法。我国对水环境容量的研究开始于20世纪90年代，水环境容量的研究及其应用方面得到较快发展。金海生等[10]以断面平均的一维动态水质模型为基础，建立了计算潮沙河流一维动态水环境容量的数学模型。周孝德等[11]提出了一维稳态条件下水环境容量计算的3种方法，分别为段尾控制、段首控制以及功能区末端控制方法。韩龙喜等[12]在对中小型河段污染源进行概化的基础上提出纳污能力的计算方法及计算公式，为水资源保护与规划提供了一种简捷有效的方法。

目前，简单的总量控制不能确定水环境污染问题，严重限制了我国水环境管理的进一步发展，因此，水质改善需应用水质目标管理技术。涑水河属于干旱和半干旱地区，近年来，由于上游水量减少以及周围工业企业和城市污水的排放，造成了严重的污染，改善涑水河水质迫在眉睫。本研究应用水质目标管理技术方法建立水动力水质模型，研究计算涑水河各河段在不同水期的水环境容量，并进行污染物削减，为污染物超标排放的河段的削减量计算提供一种新思路。

2 水动力水质模型

2.1 控制方程

因为涑水河流量较小，河流深度较浅，垂向断面浓度基本无变化，因此只考虑水流方向浓度变化的一维模型，对于一维均匀流水动力控制方程组：

连续方程：

(1)

能量方程：

(2)

水质模型基本方程为：

(3)

式中：z为断面水位，m；Q为流量，m3/s；A为河道过水面积，m2；g为重力加速度，m/s2；B为水面宽度，m；q为旁侧入流流量，m3/s；R为水力半径，m；c为谢才系数，m1/2/s；x为位置坐标，m;t为时间，s;C为污染物浓度，mg/L；E为纵向分散系数，m2/s；k为污染物综合衰减系数，d-1。

2.2 参数率定与模型验证

采用张留庄2013、2014年流量数据进行模型参数率定和验证，本研究通过模型试算，取河床糙率n=0.03，结果如图1、2。

本次计算预测水质指标为氨氮、COD。采用张留庄2013、2014年水质数据进行率定与验证，如图3、4，考虑到降解系数与水流速度、温度、水深等因素相关，设置降解系数值：COD为0.144～0.240d-1。

3 水环境容量计算与污染物削减

3.1 理论与方法

采用动态水环境容量计算方法，针对不同季节的流量特征来计算水环境容量。按照不同功能区采用段首控制法和段末控制法[13-14]，高功能区段采用段首控制法，低功能区段采用段末控制法。

图1 2013年水动力模型参数率定图2 2014年水动力模型验证

图3 2014年水质模型参数率定图4 2013年水质模型验证

3.1.1 污染物入河量计算 利用公式(4)计算出河流污染物通量值：

W=∑(C·Q)

(4)

式中：W为水污染控制断面污染物通量，t/a ；C为河道水污染控制断面水质浓度，mg/L；Q为河道水污染控制断面的水量，m3/ s 。

3.1.2 段首控制法 段首控制法计算式为[15]：

(5)

式中：E为功能区段的水环境容量，t/d；Q0为来水流量，m3/s；Cs为功能区段水质标准，mg/L；C0为来水污染物浓度，mg/L；Qi为混合后干流流量，m3/s；Li为第i河段长度，m；ui为第i河段设计平均流速，m/s；qi为第i河段的排污量，m3/s。

3.1.3 段末控制法 段末控制法计算式为[15]：

(6)

式中：Qi+1为第i+1个断面前的干流流量，m3/s；qi+1为第i+1个断面处的排污流量，m3/s。

3.1.4 削减量计算

ΔW=W-P

(7)

式中：ΔW为剩余环境容量，t/a；P为污染物入河量，t/a；W为水环境容量，t/a。ΔW为负值时，绝对值即为削减量。

3.1.5 削减量分配 对水功能区3、5、6、7排污口进行等比例分配法。分配公式如下：

(8)

式中：Pi为污染源i分得的权重；mio为控制区域内i的现状排放总量，t/a。

3.2 计算条件的确定

3.2.1 研究区域的基本概况 以涑水河为例，涑水河是运城市境内最长的一条河流，发源于运城市绛县陈村峪，全长196.6 km，是一条集给水、排水、灌溉、养殖、防洪等于一体的多功能河流。流经绛县、闻喜、夏县、盐湖、临猗、永济6 个县(市、区)，属黄河一级支流，在永济市上源头村附近注入黄河。涑水河流域共有106 个乡镇，1796 个行政村，230.1 万人，耕地33.27×104hm2，是运城市人口最为密集、生产力布局最为集中的区域，也是经济最为活跃的区域[15-16]。

3.2.2 控制单元划分 依据《山西省水环境功能划分》中水体功能划分确定各监测断面执行标准，以地方政府考核断面责任目标、水功能区划目标、“十三五”规划目标要求为水质目标进行水环境容量计算，如表1及图5。

表1 涑水河功能区划分及水质目标

图5 涑水河功能区段划分

3.3 结果与讨论

3.3.1 水环境容量计算结果 对氨氮、COD进行计算时，当功能区水质目标为Ⅲ类时，采用段首控制法计算；水质目标为Ⅴ、劣Ⅴ类时，采用段末控制法计算。计算结果见表2。

从水环境容量计算结果可得，COD在95%、75%、50%频率年分别为：-6802.037、-5891.560、-5203.764 t/a；NH3—N在95%、75%、50%频率年分别为：-3328.943、-2070.057、-1821.376 t/a。

3.3.2 入河污染物计算结果 入河污染物计算结果见表3。

表2 涑水河各功能区不同频率年的COD、NH3—N水环境容量 t/a

3.3.3 污染物削减结果 根据计算可以得出COD、NH3—N在个频率年的排污削减量，如图6、7。

从图6、7得出污染物目标削减成果，涑水河中下游污染严重，其中污染严重的功能区分别是：闻喜过渡区、临猗排污控制区、临猗过渡区和伍姓湖农业渔业用水区，在这几个功能区中污染最严重的是临猗过渡区，COD在特枯年、枯水年和平水年削减量分别为2103.75、1926.58、1702.33 t/a；NH3—N削减量分别为927.07、605.31、546.29 t/a。

3.3.4 削减量分配 对水功能区3、5、6、7排污口进行等比例分配，排污口对COD的削减分配如图8、9。

从图8、9中可以看出，导致水功能区3、5、6、7污染最严重的是临猗工业园区排污口和临猗化晋公司排污口，其次是临猗城市排污口。

由此可见，本文通过利用水量和水质指标进行模拟，针对频率年特征计算水环境容量。利用模型对涑水河水环境容量进行研究，实现涑水河对COD、NH3—N等污染物的削减，从而使涑水河水质得到改善。但在计算过程中没有完全考虑动态水环境容量的确定，影响了流域水环境容量的计算精度。

表3 涑水河各功能区COD、NH3—N的入河污染量 t/a

图6 COD在各频率年的排污削减量图7 NH3—N在各频率年的排污削减量

图8不同排污口对COD的削减分配图9不同排污口对NH3—N的削减分配

4 结 论

(1)通过段首控制法和段末控制法相结合的方法计算涑水河的水环境容量，结果表明，绛县、闻喜农业用水区的COD 、NH3—N环境容量为正，其余功能区的COD 、NH3—N环境容量均为负值。

(2)通过计算可以得出，涑水河中下游污染严重，其中污染严重的功能区分别是：闻喜过渡区、临猗排污控制区、临猗过渡区和伍姓湖农业渔业用水区，在这几个功能区中污染最严重的是临猗过渡区，COD在特枯年、枯水年和平水年削减量分别为2103.75、1926.58、1702.33 t/a；NH3—N削减量分别为927.07、605.31、546.29 t/a。

(3)通过对涑水河水环境容量和削减量的计算，防止水体进一步恶化，为涑水河水环境治理和改善等提供了技术支持。

参考文献：

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