沧州市纳污能力计算与分析

(河北省沧州水文水资源勘测局，河北 沧州 061000)

1 计算原则

水功能区纳污能力也称为水体环境容量，是相对确定的水功能区在满足水域功能要求的前提下，按给定的设计水文条件，所能容纳的最大污染物量。

水功能区纳污能力计算遵循的原则如下：

a.对于保护区、饮用水源区和集中式生活饮用水水源地(大浪淀水库)按有关规定不允许直接排污，因此纳污能力按“0”处理，不再进行计算。

b.对于保留区和缓冲区，如果现状水质已经达到《河北省水功能区划》规定的目标，保留区和缓冲区的纳污能力与其现状污染负荷相同，可直接采用现状入河污染物量代替水功能区纳污能力。对于需要改善水质的保留区和缓冲区，则按照要求计算水功能区的纳污能力，提出入河污染物的限制排污总量意见。

c.开发利用区(饮用水源区除外)纳污能力需要根据二级水功能区的设计条件和水质目标，选择符合实际的数学模型进行计算。

2 水质模型的确定

水功能区纳污能力的计算应根据实际情况确定不同的数学计算模型。根据《河北省水功能区纳污能力及限制排污总量意见技术细则》规定和沧州市水功能区实际情况，数学计算模型采用零维模型和一维模型。

平原河道当设计流量为0时，纳污能力计算公式为

W=31.536qCs

式中W——水功能区纳污能力，t/a；

q——水功能区入河污水量，m3/s;

Cs——水功能区水质目标，mg/L。

2.1 零维模型

对于湖库和流速小于0.1m/s的河流，采用零维水质模型计算纳污能力。计算公式为

W=31.536[Cs(Q+q)-C0Q+kCsV/86400]

式中Q——水功能区设计流量，m3/s(对于湖库为设计蓄水量，m3)；

C0——水功能区上断面污染物浓度(湖库初始浓度)，mg/L；

k——污染物综合衰减系数，1/d；

V——水功能区水体体积，m3；

其他符号意义同前。

2.2 一维模型

对于污染物质在较短的河段内，基本能在断面内均匀混合，断面污染物浓度横向变化不大的河流，采用一维水质模型计算纳污能力。计算公式为

W=31.536{(Q+q)Cs-QC0

exp[-kx/(86.4u)]}/exp[-kxi/(86.4u)]

式中x——水功能区上断面到下断面的距离，km；

xi——简化后排污口到下计算断面的距离，km；

u——水功能区设计流量下的平均流速，m/s；

其他符号意义同前。

在功能区内有支流(Q支)汇入和取水(Q取)情况时，纳污能力的计算公式如下所示。

在排污口上游取水时：

W=31.536{(Q+q+Q支-Q取)Cs-(Q+Q支-

Q取)C0exp[-kx/(86.4u)]}/exp[-kxi/(86.4u)]

在排污口下游取水时:

W=31.536{(Q+q+Q支-Q取)Cs-(Q+Q支)C0

exp[-kxi/(86.4u)]}/exp[-kxi/(86.4u)]

式中Q支——支流汇入量，m3/s;

Q取——取水量，m/s。

污染源的简化：对于一个纳污能力计算单元而言，其入河排污口分布千差万别，为简化因排污口分布带来的纳污能力计算的复杂性，将排污口在功能区上的分布加以简化。

a.如果计算单元内只含有一个排污口，则上式中xi即为该排污口至下计算断面的距离。

b.如果具有多个排污口，但分布相对集中，可将其简化为一个排污口进行计算，此时xi为两个相对较远的排污口距离的中点至下计算断面的距离。

c.若多个排污口分布比较分散，在纳污能力计算时将排污口简化为功能区中断面排污，据此排污分布推算纳污能力。

3 模型参数的确定

模型参数的大小关系着水域纳污能力的确定和污染物减排工作量的大小，进一步关系着沧州市水功能区水质改善的问题。根据《河北省水功能区纳污能力及限制排污总量意见技术细则》规定，沧州市水功能区纳污能力计算模型各项参数的确定按照以下方法进行。

3.1 水质目标(Cs)的确定

a.水功能区按照《河北省水功能区划》中规定的水质目标对照相应标准予以确定。

b.非水功能区按照实际情况确定其水体功能，参照《河北省水功能区划》中规定的水质目标确定原则予以确定。

3.2 设计流量的确定

设计流量的确定原则如下：

a.对于一般河流，采用最近10年最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量作为设计流量，另外选取平偏枯典型年(2000年)和现状水平年(2005年)的枯水期平均流量作为设计流量。

b.对于一般湖泊和水库，分别按近10年最低月平均水位相应的蓄水量或90%保证率最枯月平均水位相应的蓄水量或死库容的蓄水量作为设计流量。

c.无水文资料的河段，设计流量可按照以下原则确定：距水文站较近，区间无较大支流加入或较大取水口，直接借用邻近水文站的资料推求设计流量；距水文站较远，区间有较大支流加入或大的取水口，通过水量平衡计算确定设计流量；无水文站的河段，用类比法或根据现状年枯水期实测流量资料确定设计流量。

3.3 断面设计流速确定

有水文资料和实测资料时，直接按下式计算:

u=Q/A

式中u——设计流速；

Q——设计流量；

A——过水断面面积。

无水文资料时，进行实测或者采用经验公式计算断面流速，然后把实测流速转换为设计条件下的流速。

3.4 初始浓度值C0的确定

根据上一个各水功能区的水质目标值来确定C0，即上一个水功能区的水质目标值就是下一个水功能区的初始浓度值C0。

河流源头C0确定原则：平原区河流取地表水环境质量Ⅲ类水水质标准值；有汇入的河流取汇入河流目标值；省界河流取上游外省的目标值。

3.5 综合衰减系数k值的确定

污染物综合衰减系数k是反映污染物沿程变化的综合系数，它体现污染物自身的变化，也体现了环境对污染物的影响。它是计算水体纳污能力的一项重要参数，对于不同的污染物、不同的环境条件，其值是不同的。该系数用实测资料进行率定，率定方法采用二断面法和多断面法。

a.二断面法综合衰减系数计算公式为

k=(lnC1-lnC2)vs/Δx

式中C1——河段上断面污染物浓度，mg/L；

C2——河段下断面污染物浓度，mg/L;

vs——河段平均流速，km/d；

x——上下断面之间距离，km。

b.在缺乏实测资料的情况下，综合衰减系数按以下经验公式确定：

k=0.066+0.5u

式中u——设计流量下的河段平均流速，m/s。

根据沧州市水功能区实际情况，COD的k值取值范围在0.08～0.4d-1之间；平均为0.17d-1；氨氮的k值取值范围在0.05～0.37d-1之间，平均为0.15d-1。

k值按300km河长内污染物衰减不超过75%的原则确定，即exp(-kx/u)> 0.25；k氨氮=kCOD×0.81。

3.6 各种参数

根据上述各种参数的确定方法与原则，沧州市各水功能区纳污能力计算模型参数见表1～表3。

表1 沧州市各水功能区水质目标

续表

表2 沧州市水功能区流量、流速

续表

表3 沧州市水功能区污染物衰减系数

4 计算方法

根据《水域纳污能力计算规程》(SL 348—2006)以及《河北省水功能区纳污能力及限制排污总量意见技术细则》规定，以各水功能区为计算单元，分别计算各单元纳污能力；按行政区(县、市)、水功能区、水系统计纳污能力。

为了更好地落实节能减排意见，改善水环境质量，满足水域水体功能要求，服务于水功能区入河排污整治工作，保证水功能区纳污能力计算结果的科学性，除采用最近10年(1996—2005年)最枯月平均流量(或者90%保证率最枯月平均流量)作为设计流量外，本文还以平偏枯典型年2000年的枯水期平均流量、现状水平年2005年枯水期平均流量作为设计流量，对各水功能区纳污能力进行了计算和统计。对于非水功能区，只以10年最枯月平均流量作为设计流量进行纳污能力分析。

5 纳污能力计算结果

根据《水域纳污能力计算规程》(SL 348—2006)以及《河北省水功能区纳污能力及限制排污总量意见技术细则》，结合前述计算模型和各项参数，通过计算得出沧州市各水功能区纳污能力。各水功能区在不同设计条件下的纳污能力见表4。

表4 沧州市纳污能力计算成果

续表

6 纳污能力分析

沧州市大部分河流常年干涸，部分河流仅在汛期过水，1996—2005年最枯月平均流量除沧浪渠外均为0。为了更科学地研究沧州水域纳污能力，本文还以偏枯年份2000年以及现状水平2005年的枯水期月平均流量作为设计流量，对沧州市水功能区进行了纳污能力分析。

由于近年来沧州区域严重干旱，大部分河道常年断流甚至干涸，致使沧州水域纳污能力较小。由纳污能力统计结果可以看出，按10年最枯月平均流量作为设计流量计算，沧州市水功能区COD和氨氮的纳污能力分别仅为2295.66t/a、111.32t/a；以平偏枯2000年枯水期月平均流量为设计流量计算，全市水功能区COD和氨氮的纳污能力分别为7801.27t/a、360.20t/a；以现状水平年2005年枯水期月平均流量为设计流量计算，沧州市水功能区COD和氨氮的纳污能力分别为10189.41t/a、439.04t/a。

大浪淀水库沧州引黄调水保护区、滏东排河沧州饮用水源区、南运河沧州保护区、清凉江沧州保护区按大纲要求，不能接纳外来污水，纳污能力均为0。

按10年最枯月平均流量计算，全市COD和氨氮的纳污能力分别为2295.66t/a、111.32t/a。其中，沧浪渠沧州农业用水区纳污能力最大，COD纳污能力为2038.95t/a，占全市纳污能力的88.8%，氨氮纳污能力为98.49t/a，占全市纳污能力的88.5%。其他水功能区由于河流设计流量为0，水体自身没有自净能力，其纳污能力取决于入河污水流量和目标值。入河污水浓度必须达到功能区水质目标值，也就是说，对于设计流量为0的水功能区污水必须要达标排放。

按典型平偏枯2000年枯水期平均流量计算的全市COD和氨氮的纳污能力分别为7801.27t/a、360.27t/a。纳污能力最大的水功能区是漳卫新河沧州缓冲段和沧浪渠沧州农业用水区，COD纳污能力分别为5427.80t/a、2038.95t/a，占全市纳污能力的69.6%、26.1%，氨氮纳污能力分别为245.74t/a、98.49t/a，占全市纳污能力的68.2%、27.3%。其他水功能区由于设计流量很小甚至为0，水体自身没有自净能力，因此纳污能力都相对较小。

按2005年枯水期月平均流量计算，纳污能力较10年最枯和2000年都偏大，全市COD和氨氮的纳污能力分别为10189.41t/a、439.04t/a。其中，子牙新河沧州农业用水区、沧浪渠沧州农业用水区和宣惠河沧州工业用水区纳污能力较大，占据了沧州市水功能区纳污能力的前三位。COD纳污能力分别为3232.32t/a、2232.90t/a、1747.41t/a，占全市纳污能力的31.7%、21.9%、17.1%。氨氮纳污能力分别为130.91t/a、106.33t/a、71.92t/a，占全市氨氮纳污能力的29.8%、24.2%、16.4%。