郑州市贾鲁河水环境容量及污染调控研究

穆小玲 席献军 朱洪生 俞芳琴 向龙

摘要：以功能区整体水质达标控制与控制断面水质达标控制的双控管理为基础，在充分考虑水环境自净能力和水文条件的基础上，根据河流纳污能力计算理论，采用流域单元断面功能区达标控制的分段概化、断面分段计算方法，采用公式法、模型法、系统最优化等传统水环境容量计算方法，在排污口水质达标约束下，对贾鲁河各水功能区的COD、氨氮水环境容量进行计算，确定各河段污染物最大允许入河量和削减量，并根据2017-2030年规划COD、氨氮目标含量下的纳污总量分配，确保实现流域污染物削减和控制。按照入河污染物总量、断面双达标的环境容量约束和削减方法，贾鲁河（郑州市区段）不仅能够实现功能区水质控制目标，而且可以实现全河段功能区达标率约束下的排污权优化调配。

关键词：纳污能力；纳污总量控制；水质模型；贾鲁河

中图分类号：X131.2 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.018

20世纪70年代以来，河流的纳污容量从定性研究迅速过渡到定量计算[1]。随着研究的不断深入，特别是水环境数学模型应用及计算机技术的不断进步，逐渐形成了公式法[2-3]、系统最优化法[4]、概率稀释模型法[5]、模型试错法等水环境容量计算方法，盲数理论等[6-7]不确定性数学方法也引入其中。近期研究中重视水环境容量安全性问题，有学者提出了考虑不均匀系数的水环境容量计算公式[8]，不仅满足断面浓度达标要求，而且考虑河段混合程度对纳污总量的影响。还有学者提出了考虑设计河段水质达标比例、设计断面水质超标幅度和设计河段计算单元长度的一维水环境容量计算方法，以及基于混合区不均匀系数修正的二维或准三维水环境容量计算方法，计算结果更加符合实际。纳污总量控制和断面达标约束控制下，综合多种水环境容量计算方法，才能计算出合理的水功能区允许纳污量，并据此确定各污染物的允许排放量，从而实现区域河流水体污染综合治理与调控[9-10]。

目前，郑州市河流水环境保护采取污染物达标排放、排污许可证制度等，把环境管理工作由污染物浓度控制向总量控制推进[11]，从而实现纳污总量控制和断面达标约束的双控管理。为保证水体污染物总量控制制度的实施，科学准确地掌握区域水环境纳污能力，必须在考虑断面水功能区水质达标的基础上实现污染物总量控制，只有水功能区水质目标和污染物总量控制同时满足，才能实现河流水环境整体安全[7，12]。笔者采用流域单元河道断面污染物浓度控制的分段概化、断面分段计算方法，采用公式法、模型法、系统最优化等传统水环境容量计算方法，提出贾鲁河（郑州市区段）水环境容量及其排污最优化管理措施，为实现河流双控管理提供科学依据。

1 研究区概况

贾鲁河是淮河二级支流，其在郑州市境内主要支流有索须河、魏河、金水河、熊耳河、七里河、潮河、丈八沟、石沟、小清河、东风渠、孔河、大孟河等。目前，贾鲁河上游及其支流已建有尖岗、常庄、丁店、楚楼、河王5座中型水库和10余座小型水库。2017年，干河及主要支流承纳市区大小排污口62个（不含索须河支流巧个排污口），规模以上排污口36个，见表1。COD排放量为14937t/a，氨氮排放量为1835t/a，分布于5个水功能区，水环境达标压力大。

2 研究方法

（1）水质模型及控制方程。河流水环境纳污能力主要包含上游来水、旁侧支流稀释容量和河流自净容量，采用功能区首断面排污、末端面达标考核，分区分段控制单元来计算总体水环境容量。河流稀释容量W稀释为

W稀释=31.536[Cs（Q0+qw）-Q0C0]（1）式中：Cs为控制断面水质标准，mg/L；Q0为上游来水设计流量，m3/s：qw为污水（旁侧支流）人流量，m3/s；C0为上游来水污染物浓度（取上游来水所在水功能区水质目标），mg/L。

对于可降解的有机污染物（如COD、氨氮），认为其降解速率符合一级反应动力学规律，其自净容量W自净可按照下列公式计算：式中；K为污染物综合衰减系数，1/d；u为断面平均流速，m/s；x为排污口与控制断面之间的距离，km。

当同时考虑稀释作用与自净作用时，排污口与控制断面之间水域的理想纳污能力即为二者之和，计算公式为式中：W为控制单元的纳污能力，t/a。

（2）最大允许入河量。最大允许入河量指上游来水的水污染物本底浓度为现状监测浓度时，下游河段在现有排污口分布情况下所允许的水污染物最大入河量。最大允许入河量计算公式同式（3），但是其中C0 释义为上游来水中水体污染物的实际浓度，mg/L。

（3）设计水文条件。北方地区水资源相对较少，河流枯季断流现象频现。将贾鲁河常年流量控制站的10a最枯月流量作为出流约束，支流流量采用75%保证率最枯月流量。若支流天然径流量远小于入河排污流量，则认为该河流枯季没有天然径流量纳污能力，僅当有人河排污流量补充时考虑废污水退水流量的纳污能力。

（4）参数率定与验证。结合贾鲁河各水功能区水质状况和水文特征，参考所在地区同类研究项目，以及2016年贾鲁河水质监测状况和温度等因素，确定计算河段COD的综合衰减系数为0.08～0.15/d，氨氮的综合衰减系数为0.06～0.12/d。为了保证理论与实际COD、氨氮综合衰减一致，根据河宽和边坡特点以及同地区研究成果选用不均匀系数进行修正，贾鲁河各计算河段的不均匀系数取0.4～0.8。

（5）控制单元排污口概化。控制单元是保证控制断面水质达标的主要污染物控制区域。在计算时暂不考虑非点源水体污染物的排入，仅考虑固定的排污口、取水口以及支流，把多个就近的排污口简化成一个排污口。没有流量的上游水库和上游不排污或没有点源污染的河段，不计算纳污能力。概化排污口的入河污染源包括工业点源、生活点源和混合源。

遵循排污口概化的原则，贾鲁河水功能区干流上共概化8个排污口，见图1。将支流上主要排污口概化入河道，部分离功能区较远的排污口直接概化到功能区河道内。通过排污口概化，结合区域水环境数学模型，建立控制断面水质与上游概化排污口的响应关系。

3 贾鲁河水环境容量及双控分析

根据2017年入河排污口调查及贾鲁河实测水文资料，结合已建立的控制断面与上游概化排污口的响应关系模型，计算双控（功能区整体水质达标控制与控制断面水质达标控制）条件下的水环境纳污能力。贾鲁河干流各功能区水质控制目标见表2（其中东风渠郑州排污控制区排污口概化入贾鲁河干流功能区）。2017年贾鲁河郑州排污控制区COD纳污能力为11119.359t/a，氨氮纳污能力为553.140t/a；贾鲁河中牟农业用水区COD纳污能力为2964.803t/a，氨氮纳污能力为147.851t/a；贾鲁河中牟排污控制区COD纳污能力为436.181t/a，氨氮纳污能力为121.804t/a；贾鲁河郑州中牟农业用水区COD纳污能力为1911.954t/a，氨氮纳污能力为95.323t/a。

在2017-2018年水质控制目标和贾鲁河整个河段现状排污口布局情况下，贾鲁河COD、氨氮纳污能力分别为39503.671、1971.651t/a。在2019-2030年水质控制目标、贾鲁河现状排污口布局情况，以及设计水文条件下，贾鲁河COD、氨氮纳污能力分别为40228.316、2007.744t/a，大部分纳污能力来源于支流（如小清河、丈八沟等）或排污口下端，不利于容量分配，不利于城区段贾鲁河干流纳污总量调节。最大允许入河量计算结果表明：在2017-2018年水质控制目标下，COD的最大允许入河量为9 372.752t/a，其中贾鲁河郑州排污控制区、贾鲁河郑州中牟农业用水区需要削减污染物排放总量；在2019-2030年水质控制目标下，COD的最大允许入河量为7085.160t/a，贾鲁河主要水功能区各控制单元部分需要削减污染物排放总量：在2017-2018年和2019-2030年水质控制目标下，贾鲁河氨氮最大允许入河量分别为-180.890、-394.060t/a，全河段现状氨氮排放量已经超过其纳污能力，只有调控、削减氨氮排放量，才能满足基本水功能区要求，逐渐改善水质。

4 分段单元纳污调控分析

根据功能区整体达标和分段断面控制下的达标约束，计算各个单元的纳污能力和现状排污条件下的最大允许入河量，分析得出各水平年水质控制目标下的污染物削减量和控制量。

（1）贾鲁河郑州饮用水源区。贾鲁河郑州饮用水源区现状条件下没有集中排污口，未来也没有规划增设排污口，因此不计算其纳污能力。

（2）贾鲁河郑州排污控制区。贾鲁河郑州排污控制区纳污能力、水体污染物最大允许入河量与现状水体污染物排放情况见表3。

从表3可以看出，现状年（2017年）COD、氨氮人河量超出该水功能区最大允许入河量，需要对入河污染物进行削减。2017-2030年贾鲁河郑州排污控制区分年度水质控制目标均为Ⅴ类，执行水质目标约束为Ⅴ类水标准。现状水质监测数据表明，COD、氨氮水质类别均超出功能区水质目标要求，主要原因：郑州市高新区五龙口污水处理厂生活污水年排放量较大，COD与氨氮浓度较高，日平均排放浓度分别达60、8mg/L；郑州市北大学城生活污水排污量较大，氨氮浓度较高，日平均排放浓度达36mg/L，总计入河量约283.824 t/a；郑州市马头岗污水处理厂生活污水排放量也较大，实际废水年排放总量为18864万t，但水质较好，其污染物含量较低。该控制区COD、氨氮入河量明显超出功能区纳污总量，为保证交界断面水质达标，需要削减和控制排污量。郑州市高新区五龙口污水处理厂应对其生活污水进行处理，达标排放；郑州市高新区五龙口污水处理厂周边的排污口以及郑州市北大学城生活污水排污口应建立排污渠，将污水输送到污水处理厂处理后达标排放。

（3）贾鲁河郑州中牟农业用水区。贾鲁河郑州中牟农业用水区纳污能力、水体污染物最大允许入河量与现状水体污染物排放情况见表4。该水功能区现状年（2017年）COD、氨氮均有剩余容量，但2019-2030年COD、氨氮入河量超出该水功能区最大允许入河量，需要对入河污染物进行削减。2017-2030年贾鲁河郑州中牟农业用水区分年度水质控制目标从2017年、2018年的Ⅴ类过渡到2019-2030年的N类，执行水功能区监测目标约束由2017-2018年的Ⅴ类水标准过渡到2019-2030年的W类水标准。现状水质监测数据表明，上游来水条件较好，同时2017-2018年水功能区水质目标较低，COD、氨氮均未超标排放，有剩余容量，但2019-2030年水功能区水质目标提高，COD、氨氮排放量均超出功能区水质目标要求，主要原因是郑州市郑汴水务有限公司污水处理厂生活污水及周边排污口排污总量较大，为保证交界断面水质达标，需要削减COD、氨氮排放量。

（4）贾鲁河中牟排污控制区。贾鲁河中牟排污控制区纳污能力、水体污染物最大允许入河量与现状水体污染物排放情况见表5。该河段现状年（2017年）COD、氨氮入河量超出该水功能区纳污总量，需要对人河污染物进行削减。污染来源主要集中在概化排污口5、6。2017-2030年贾鲁河中牟排污控制区分年度水质控制目标均为Ⅳ类，执行水质监测目标约束为N类水标准。现状水质监测数据表明，COD、氨氮入河量均超出功能区水质目标要求，主要原因是中牟县邢庄村周边生活污水排污口及周边排污口COD与氨氮排放浓度较高，日平均排放浓度分别达58.6、5.2mg/L，总计入河量分别约为1317.77、116.97t/a。此段概化河流没有污染物允许入河量，其COD、氨氮排放量明显超出功能区纳污总量，为保证交界断面的水质达标，需要削减和控制排污量，具体每年削减量见表5。

（5）贾鲁河中牟农业用水区。该水功能区现状年（2017年）COD、氨氮入河量超出最大允许入河量，污染来源主要集中在概化排污口7、8，概化排污口7、8是小清河、丈八沟进入贾鲁河的入河排污口。2017-2030年贾鲁河中牟农业用水区分年度水质控制目标均为Ⅳ类，执行水质监测目标约束为Ⅳ类水标准。此河段COD、氨氮入河量明显超出水功能区纳污总量，为保证交界断面水质达标，需要削减和控制排污量，見表6。

5 結论

以功能区整体水质达标控制与控制断面水质达标控制的双控管理为基础，在充分考虑水环境自净能力和水文条件的基础上，根据河流纳污能力计算理论，对贾鲁河各水功能区COD、氨氮水环境容量进行计算，确定各河段污染物最大允许入河量和削减量。按照人河污染物总量、断面水质双达标的环境容量约束和削减方法，贾鲁河不仅能够通过定量排放调控来实现功能区水质控制目标，而且可以实现全河段功能区达标率约束下的排污权优化调配，从而为功能区水环境管理提供依据。

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