山东省小清河纳污能力及污染物消减量研究

张春元，徐 阳

(聊城黄河河务局，山东 聊城 252000)

1 研究概述

小清河属于山东省黄河流域中部的渤海水系，总长为233km，流域总面积达10336km2，是防洪、灌溉、航运为一体的综合性河流。小清河上游的供水主要来自济南市的泉水。此外，小清河在济南市木里庄接受了玉佛河的一部分，因此也可以称为小清河的第一条玉佛河。小清河发源于木里庄的东侧，在羊角沟流入渤海，河道平均坡度为0.15/1000。支流均从右岸汇入主干流。流域河网密度为0.27km/km2。小清河是济南主城区唯一的排水渠。20世纪70年代以来，大量工业废水和生活污水涌入，造成小清河污染严重[1]，因此也制约了其综合功能的发挥。基于此，有必要对小清河的纳污能力和入河污染物的削减进行研究。

2 研究资料及方法

2.1 水功能区及水质目标拟定

水功能区划是对水资源利用功能的科学合理划分。水质保护目标的确定是水资源保护规划和水污染能力确定的基础，是河流取水许可证管理和排污口合理设置的决策依据。批准的水功能区划是实现地区水资源优化配置、合理利用和有效保护的法律依据[2]。根据山东省水功能区划，将小清河水域的适用功能划分为一级水功能区和二级水功能区，二级水功能区是水污染能力分析的基本单元。水功能分区方案见表1、表2。

2.2 现状水质评价

河流水环境质量评价是对河流水环境质量进行定性和定量描述和评价，使人们能够掌握河流水环境质量的基本情况，为未来水环境管理和经济发展趋势提供发展的决策依据[3]。根据济南市小清河流域4个监测断面的数据分析(表3)，利用综合污染指数法，得出综合污染指数，并根据水质分级标准确定水质等级。计算公式如下：

(1)

式中，P—综合污染指数;Pi—单因子评价法中计

表1 小清河水功能一级区划成果表

表2 小清河水功能二级区划成果表

算出的某项指标的相对污染值。

表3 小清河水质检测断面实测数据 单位：mg/L

2.3 纳污能力条件确定

在给定的水域和一定的设计流程中，水功能区的接收能力是最大程度满足水功能区环境质量标准的能力。合理的容量是水资源有效利用的一部分[4]。在小清河大部分水功能区，污染物不同程度地排入河道，直接导致水污染和水质恶化。因此，有必要对河流的纳污能力进行评价。

(1)水文设计条件

用计算断面的设计流量(水量)表示水功能区主要断面的水文设计条件。小清河地表水功能区纳污能力分析设计条件用一级和二级功能区主要排污河段基本断面设计流量来表示[5]。在现状年(2018年)条件下，枯水期设计流量采用90%保证率的月平均最小流量来计算。在规划年(2025年、2030年)条件下，根据水资源配置情况，将本年度设计流量修改调整为规划水平年设计流量。

(2)本底浓度

根据过水断面上游所确定的水质目标，将地表水环境质量标准中达到水环境质量标准的最大值对应的上限值作为本底浓度(来水浓度)。

(3)污染物浓度

对于本部分进行了实地调查，采集了各水功能区不同控制断面的水样，通过检测得到相应的污染物浓度值。结合《2018年济南市环境质量报告书》，获取相关数据进行对比使用。

(4)综合衰减系数K

污染物的生物降解和沉积等物理化学过程可以概括为污染物的综合衰减系数[5]。参照黄河流域水资源规划和国家地表水环境容量核定技术评价点等相关成果和规定可以确定污染物的综合衰减系数K，并对主要干流及小清河支流进行实测和模拟分析。综合衰减系数K的计算公式如下：

(2)

式中，u—断面平均流速，m/s；ΔX—上下断面距离，m；Ca—上断面浓度；Cb—下断面浓度。

根据式(2)，COD和NH3-N的综合衰减系数分别为1.5/d和1.0/d。

(5)河段平均流速

利用各监测断面的实测流量数据、流速汇总资料，分析设计流量下的河段平均流速。

2.4 建立纳污能力计算模型

各二级水功能区的纳污能力由水质指标CS、设计流量Q、综合衰减系数K、平均流速u、河段长度X等水环境特征参数确定[6]。根据有机污染物衰减的数学模型，确定现状年(2018年)和规划年(2025年、2030年)的污染物承载力W。天然水域可概括为计算水域。例如，天然河流可以概括为直河，复杂的河流地形可以简化，非恒定流可以简化为定常流。小清河主要的河流宽度适中，污染物能在较短的时间内均匀混合。因此，采用广义一维模型计算水功能区的纳污能力[7]。

(3)

式中，W—水功能区年纳污能力，t/a；Q—控制断面设计流量，m3/s；Cs，C0分别为功能区水质目标值和初始目标值，mg/L；K—综合衰减系数，1/s；X—水功能区河段水流流程，m；u—计算控制断面水流速度，m/s。

由于排水条件的影响和河道内水利工程分布的复杂性，计算段中的多个排污出口被提升为集中排放口，这促进了河道中部河口的排放。它可以简单看作一个集中的点源[8]。浓度点源实际自净长度为河段长度的一半，如图1所示。

图1 河流一维模型概化示意图

3 结果及分析

3.1 小清河水质现状评价

地表水环境治理评价标准的选择，在一些项目的实际评价中，应以行业标准为基础。本文选用GB 3838—2002《地表水环境质量标准》作为评价标准，将地表水水质分为5类，见表4。小清河各断面计算结果见表5。

表4 《地表水环境质量标准》相关项目标准限值表 单位：mg/L

表5 小清河各断面计算结果

由表5可以看出，小清河4个监测断面的水环境评价结果为：还乡店、五柳闸、马鞍山现状水质均为Ⅴ级、睦里庄现状水质为Ⅲ级。由于小清河济南段排入河道的大部分为生活污水和工业废水，其水质极其恶劣。

3.2 纳污能力计算结果

表6的计算结果表明，小清河流域现状年总COD排放量为8311t/a，氨氮排放量为286t/a，小清河流域水功能区由于径流量大，其纳污能力大。规划2030年，小清河的纳污能力将降至负值，完全丧失；现状年济南农业用水区COD和氨氮的纳污能力分别为1712.2t/a和150.6t/a，由于该功能区的水质目标为Ⅴ类，规划2030年将增加污染物的纳污能力，分别为5077.4t/a和86.43t/a。

表6 小清河济南段纳污能力计算成果表

良好的纳污能力对生态河流建设和区域可持续发展具有重要意义。通过对小清河系统容量的分析可以看出，小清河污水排放量大，取水量高，但对饮用水水源的水质要求高，受污染能力低。因此，在这些河段，应加强污水处理，确保排放达标，增加河流生态基流，确保全流域水质达标。

3.3 污染物消减量计算

将规划水平年的入河污染物量与纳污能力进行比较。入河污染物量大于纳污能力的，计算排放消减量和相应的入河消减量；入河污染物量小于纳污能力的，计算入河控制量和排放控制量。

(1)污染物排放消减量与入河消减量

随着防渗处理和污水排放系统管网水平的提高，污水入河综合排放系数为0.8，综合分析现有的年排污量和入河流量数据[9]，估算COD和NH3-N排放消减量、入河消减量。

从纳污能力分析可以看出，小清河功能区的COD或NH3-N超标，各水功能区的COD和NH3-N年排放量与相应纳污能力的差异决定了入河污染物的减少[10]。相应的污染物消减量由以下公式确定：

Wpx=Whx/r

(4)

式中，Wpx—污染物排放消减量，Whx—污染物入河消减量，r—入河系数。

(2)污染物排放控制量与入河控制量

针对小清河水资源短缺、生态环境脆弱的现状，长期目标是不断改善水环境质量。当纳污能力大于入河污染物量时，建议将入河污染物量控制在纳污能力的75%以内[11]。因此，污染排放控制量根据下列公式确定：

Wpk=Whk/r

(5)

表7 小清河济南饮用水源区污染物控制量和消减量计算表

表8 小清河济南农业用水区污染物控制量和消减量计算表

式中，Wpk—污染物排放控制量，Whk—污染物入河控制量，r—入河系数。

对纳污能力小于入河污染物量，即污染物超过环境目标，水质受到明显污染，入河污染物控制量应小于纳污能力。计算结果见表7、表8。

小清河济南饮用水功能区2018年、2025年、2030水平年COD入河控制量分别为5400.3t/a、4794.24t/a、3089.2t/a，COD排放消减量分别为1767.6t/a、5624.4t/a、20045.5t/a；氨氮入河控制量分别为147.3t/a、125.62t/a、134.7t/a，氨氮排放消减量分别为290.1t/a、953.3t/a、1925.5t/a。受到水功能区水质目标的调控影响，小清河济南饮用水功能区入河控制量和排放消减量均出现了连续性增加。

而小清河济南农业用水功能区2018年、2025年、2030水平年COD入河控制量发别为1568.8t/a、1190.0t/a、3821.8t/a，COD排放消减量分别为607.7t/a、1271.0t/a、0t/a；氨氮入河控制量分别为69.63t/a、69.62t/a、47.20t/a，氨氮排放消减量分别为98.5t/a、217.4t/a、202.1t/a。由此可知小清河济南农业用水功能区纳污能力较大，控制量较小。

4 结论及建议

(1)根据综合因子评价方法，小清河4个监测断面的水环境评价结果为：睦里庄现状水质为Ⅲ级别、马鞍山、五柳闸、还乡店水质均为Ⅴ级。

(2)在现状年条件下，小清河济南饮用水功能区污染物承载力计算结果表明，本年度总污染物承载力较大，但在水质目标控制下，规划年内，该河段的纳污能力将继续下降，到2030年降至负值，纳污能力将完全丧失；由于小清河济南农业用水区水质目标为V类，规划2030年，污染物承载能力将增加。

(3)小清河济南段中游为工业和工业园区集中区，排污量大，纳污能力小。排入河中的污染物数量已超过其接受污染的能力。规划年度污染量较低，减污能力相应增加，济南市小清河农业用水断面纳污能力强，污染物减排量逐年减少。

(4)本文仅对小清河济南段进行了探讨，未对整个流域进行计算。因此，只能得到济南段的纳污能力和减污能力，但结论是正确可靠的。按照可持续发展的原则，济南市要继续加强饮用水功能区污染物排放控制，加快小清河治理。