基于一维水质模型的盐津河纳污能力计算

潘祥东，唐 磊，蒲迅赤，冯镜洁，李 然

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065)

0 引 言

伴随着城市化进程的快速推进，水资源的普遍短缺已经成为一个严重问题。为了更加科学化的管理河流，在其达到生态目标的同时能充分利用当地水资源发展经济，纳污能力作为一个重要的指标，将水体对污染物的承载能力量化地表示了出来[1]。

环境容量的概念在1968年首先由日本学者提出[2]。国外对于水环境容量的研究成果很丰富，欧美学者一般用同化容量、最大允许纳污量、水体容许排污水平、稀释容量等类似概念[3-5]。1972年，美国国家环保总局(USEPA)提出了TMDLs(Total Maximum Daily Loads)计划，即最大日负荷量，是指针对某一污染物，在满足水质标准情况下，水体能够承载的该污染物的最大日负荷量，该计划能够较快速的反映水质情况与水环境质量之间的动态联系[6]。加拿大学者Vollenweider于1975年提出Vollenweider模型，纽约市环保局利用该模型计算出当地河流总磷的最大日负荷量和当前实际负荷量[7]。日本于20世纪80年代确立了以COD总量控制制度，并在东京湾等三个封闭海域推广到更多指标的总量控制。欧盟国家于2000年颁布欧盟共同水政策框架指令，政策实施后，水环境状况得以改善[8]。美国佛罗里达环境保护署于21世纪初针对Okeechobee湖频繁爆发水华而开展了研究工作，确定了基于最大日负荷量的TP的水质浓度目标[9]。Dennis在2002年提出了计算水体中硒元素的环境安全最大日负荷量的方案，将TMDLs计划用于硒元素，旨在使硒元素浓度保持低于威胁鱼类和水生鸟类繁殖的水平[10]。Walton等基于OTIS模型利用空间水质数据和溶质运移模拟对最大日常负荷量进行了预测，取得了良好的效果[11]。Linker等在2013年基于最大日负荷量计划对切萨皮克湾的总氮和总磷的营养负荷分配，方案实施后当地水质得到改善[12]。Camacho等在2018年针对TMDLs计划在使用时缺少不确定分析的问题提出了使用Bayesian框架计算最大日负荷量的构想，并且应用在佛罗里达州的Sawgrass湖[13]。

“水域纳污能力”的概念由“水环境容量”拓展而来。我国关于环境容量的研究开始于20世纪70年代，但在定义上没有确切统一的论述。张永良[14]认为水环境容量是水体在不破坏其确定的水质目标的前提下可以容纳的污染物量，这种说法得到了不少人的认可。“纳污能力”在1998年第一次出现在全国水资源保护规划中，《中华人民共和国水法》确定了它的定义[15]。水体纳污能力计算量化了水域污染物最大排放量，成了经济发展与水质保护的纽带。周孝德等于1999年提出可以使用段首、段尾和功能区段末控制法在一维稳态条件下计算河流纳污能力，并且应用于渭河干流陕西段[16]。吴师等利用一维水质模型估算了河流动态纳污能力，预测不同排污量对河段的水质影响[17]。2010年，水利部出台的《水域纳污能力计算规程》(GB/T 25173-2010)[1]制定了水体纳污能力数学模型计算的国家标准，进一步规范了纳污能力计算方法。Kang等在2012年根据珠海市福山工业园区的环境与社会经济现状和发展规划，建立了纳污能力综合评价指标体系[18]。王富强等于2014年对新乡市河流纳污能力进行计算分析，并且依据计算结果进行污染物削减[19]。张晓等于2017年基于一维水质模型，建立了考虑取水口和支流的纳污能力计算模型[20]。黄一凡等在2019年进行了基于水位-面积-湖容关系的东洞庭湖动态纳污能力分析，测算不同水文水质条件下的东洞庭湖动态纳污能力系数以及COD、NH3-N的动态纳污能力[21]。

1 纳污能力计算模型

根据《水域纳污能力计算规程》[1]，选择合适的数学模型进行水质模拟及纳污能力计算。本文采用混合模型和一级动力学方程计算出特定断面水质情况，再结合纳污能力计算模型计算出河流纳污能力。河段水质计算流程见图1。

图1 河段水质计算示意图Fig.1 Schematic diagram of river water quality calculation

1.1 混合模型

采用流量加权混合模型来计算干支流混合及污水排放后水体的污染物浓度，数学方程可表示为：

(1)

式中：C0为废水与河水完全混合后的污染物浓度，mg/L；Q1为排污口上游来水流量，m3/s；C1为上游来水的水质浓度，mg/L；Q2为污水流量，m3/s；C2为污水中污染物的浓度，mg/L。

1.2 一级动力学方程

污染物在进入水体后的输移过程中通过物理、化学及生物的作用发生浓度衰减。在降解过程中污染物的浓度随时间的变化可以用一级动力学方程进行描述[22-24]，即：

(2)

式中：Cx为距离初始断面x km处的污染物浓度，mg/L；C0为污染物初始浓度，mg/L；k为污染物综合衰减系数,1/d；x为河段长度，km；u为河段平均流速，km/d。

1.3 纳污能力计算模型

根据《水域纳污能力计算规程》(GB/T 25173-2010)，采用适用于污染物均匀混合的小型河段计算模型，计算盐津河纳污能力，其计算模型如下：

M=31.536 (Cs-Cx) (Q+Qp)

(3)

式中：M为计算单元的纳污能力，t/a；Q为河段上断面的设计流量，m3/s；Qp为计算单元旁侧入流流量，m3/s；Cs为计算单元水质目标浓度值，mg/L；Cx为控制断面污染物浓度值，mg/L。

2 盐津河纳污能力计算

2.1 盐津河水质现状

盐津河系赤水河右岸一级支流，流域面积265 km2，主河道河长36 km，平均比降2.17%，多年平均流量为3.11 m3/s。盐津河及其支流的控制区域见图2，盐津河的水质目标为地表Ш类水质标准。

图2 盐津河控制区域图Fig.2 Yanjin river control area

仁怀市环境保护监测站和贵州开磷质量检测中心有限责任公司在2016年对盐津河汇口断面水质进行了监测，如表1所示。盐津河汇口监测断面位于盐津河汇入赤水河前1 km处。从监测结果来看，汇口断面在2016年所监测的12月NH3-N和TP出现了严重超标的情况。

2.2 污染源现状调查及预测

计算区域内污染源包括点源污染和面源污染。盐津河入河的废水主要为生活废水和工业废水，其主要成分为COD和NH3-N，同时监测到该河流TP存在超标的情况，因此，以COD、NH3-N和TP作为控制因子来进行河流纳污能力计算。据统计，现状年盐津河污染物入河量中COD为1 067.9 t/a、NH3-N为131.8 t/a、TP为17.0 t/a。根据盐津河的实际情况，同时结合当地的经济发展和人口增长情况，对2030年进行了污染源进行预测，预计在2030年污染物入河量中COD为1 608.2 t/a、NH3-N为163.0 t/a、TP为16.4 t/a。现状年与预测水平年污染物入河量如图3所示。

表1 水质现状监测情况 mg/L

图3 现状年与预测水平年污染物入河量Fig.3 Annual pollutant inflow into river at current and predicted levels

2.3 控制单元划分及边界条件的确定

由于盐津河支流鱼鳅河流量很小，因此仅对盐津河干流进行计算。按照盐津河的地理状况将其划分为三个控制单元，具体情况如下：

(1)盐津河上游河流段(以后称盐津上游段)。以石板塘水库源头，流经苍龙、中枢街道后到盐津河水库库尾，长18 km。

(2)盐津河水库段(以后称盐津河水库)。盐津河水库位于仁怀市盐津街道盐津村，90%保证率最枯月平均水位为620 m,相应库容为2800 万m3。

(3)盐津河下游河流段(以后称盐津下游段)。盐津河水库坝址至小河口(赤水河汇入口)，长10 km。

根据现状年2016年实测水文资料，采用保证率为90%的最枯月平均流量作为设计流量，计算河流纳污能力。盐津河各计算单元边界条件见表2。点源污染按照其实际位置添加进入各控制单元，面源污染以线源的方式添加进入各控制单元。

2.4 参数率定

衰减系数k反映了污染物在水体中降解速度的快慢。污染物综合衰减系数与河流的水文条件、污染物的具体性质、特征等因素有关。根据盐津河实际情况，同时参考当地类似规模的河流的综合衰减系数取值，对河道和水库中的污染物综合衰减系数分别取值。各指标综合衰减系数见表3。

表2 盐津河不同水平年各控制单元计算边界条件Tab.2 Boundary conditions calculated by control units of yanjin river at different levels

表3 各水质指标综合衰减系数取值表Tab.3 Values of comprehensive attenuation coefficient of each water quality index

2.5 纳污能力计算结果及分析

根据盐津河各控制单元流量及污染源等边界条件，采用一维水质模型计算得到各控制断面水质浓度，在此基础上采用纳污能力计算公式(3)，计算得到各控制单元纳污能力，详见表4。在现状年(2016年)，COD纳污能力为-89.6 t/a，NH3-N为-36.2 t/a，TP为-1.0 t/a；在规划水平年(2030年)，COD纳污能力为-397.5 t/a，NH3-N为-89.9 t/a，TP为-5.5 t/a。从计算结果看，现状年除盐津河水库外，其余控制单元纳污能力均为负值，现状年水环境压力凸显。规划水平年，由于区域供水量增加，污染负荷加大，各控制单元纳污能力均为负值，表明在区域供水规划的基础上，污染负荷超过河流的自净能力。

表4 盐津河不同水平年纳污能力计算结果表Tab.4 Calculation results of annual pollution carrying capacity of yanjin river at different levels

3 污染物总量控制策略

按照防治结合的原则，针对各控制单元污染特征和目标，依据当地已有的规划策略，制定了规划水平年(2030年)控制策略。

在盐津上游段已经规划的策略为提高城镇污水处理率、提高畜禽养殖粪污资源化利用率、饮用水源地达到目标水质要求并保持优良、减少万元工业增加值用水量；提高工业用水重复利用率。在规划水平年的控制策略为污水再生利用率达到35%、面源污染物削减50%、污水截流去除外源污染、提高枯水期生态流量使初始断面流量增加到0.9 m3/s、人工湿地削减污染物50%。

盐津河水库和盐津下游段的已经规划的策略为提高城镇污水处理率、提高畜禽养殖粪污资源化利用率、减少万元工业增加值用水量、提高工业用水重复利用率。在规划水平年盐津河水库的控制策略为污水再生利用率达到35%、面源污染物削减50%、污水截流去除外源污染。盐津下游段规划水平年策略在盐津河水库的基础上新增人工湿地削减污染物50%。

根据污染控制策略，采用纳污能力计算公式(3)，计算得到2030年规划实施后各控制单元纳污能力，结果如表5所示。规划水平年(2030年)本次规划实施后与当地已有规划实施后相比，COD削减量为722.3 t/a，NH3-N削减量为97.2 t/a，TP削减量为9.3 t/a。各控制单元纳污能力明显提高，盐津河控制单元纳污能力为正值。其控制断面浓度能满足《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅲ类水质标准[25]。

表5 规划实施后各控制单元纳污能力改善效果统计表(2030年) t/a

4 结 语

通过调查盐津河水质现状，同时结合当地的经济发展和人口增长情况，对2030年进行了污染源预测。利用水质一维模型分别模拟了盐津河三个控制单元的水质情况，并采用纳污能力计算模型计算了现状年(2016年)和规划水平年(2030年)盐津河的纳污能力。在现状年，COD纳污能力为-89.6 t/a，NH3-N为-36.2 t/a，TP为-1.0 t/a；在规划水平年，COD纳污能力为-397.5 t/a，NH3-N为-89.9 t/a，TP为-5.5 t/a。盐津河在设计水文条件下污染物入河量远远超过其自身自净的能力，纳污能力结果为负值。最后根据计算结果，分别对盐津河各控制单元分别提出了相应的水污染防治策略。策略实施后，规划水平年盐津河已经达到其生态目标。

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