碧流河入库段纳污能力与时段通量综合分析研究

张弘

（辽宁省丹东水文局，辽宁丹东118001）

1 研究目的及意义

河流纳污能力，是在满足流域或区域水资源保护目标要求的前提下，在一定的水功能区水质目标值、设计水量、入河排污口位置及排污方式条件下，水体所能容纳的最大污染物量。河流污染物通量指断面在一定时间内某种污染物的通过量，它分为瞬时通量和时段通量，在实际工作中主要是估算河流污染物的时段通量。近年来，国家加大了水源地水量水质监测工作投入力度，一些比较先进的科学方法和技术手段得到广泛应用，与水量相关的水位实现了遥测，河流水质也实现了在线监测，为开展河流纳污能力与时段通量综合分析研究工作，提供了较好的基础数据信息，很大程度上解决了用有限的瞬间实测数据进行污染物时段通量估算误差较大的问题。因此，充分利用现有的水量水质实测数据，开展河流纳污能力与时段通量综合分析，对探索构建水源地污染物总量控制与区域水资源保护技术体系具有重要的现实意义。

2 方法的建立

2.1 河流纳污能力

根据GB/T 25173-2010《水域纳污能力计算规程》，结合模型的适用条件和碧流河入库河段的实际情况，河流纳污能力计算采用一维模型，模型假设污染物在河段横断面上均匀混合，适用于Q＜150 m3/s 的中、小型河段。河段的污染物浓度按下式计算：

式中：Cx——流经x距离后的污染物浓度，mg/L；C0——初始断面的污染物浓度，mg/L；K——污染物综合衰减系数，1/s；x——沿河段的纵向距离，m；u——设计流量下河道断面的平均流速，m/s。

污染物的综合衰减系数估算采用实测法。即，选取一个河道顺直、水流稳定、中间无支流汇入、无排污口的河段，分别在河段上游和下游布设采样点，监测污染物浓度值，并同时测验水文参数以确定断面平均流速。河段的综合衰减系数按下式计算：

式中：△x——上下断面之间的距离，m；CA——河段上断面污染物浓度，mg/L；CB——河段下断面污染物浓度，mg/L。

由于碧流河径流量年内分配极不均匀，如依据规范中的标准，基于历史水文资料得到的90%保证率最枯月平均流量接近于零，甚至枯水期冰盖的形成使河道水力现象发生改变，从而导致河道过流能力大幅下降，部分最枯月份出现断流现象。因此，结合河流实际情况，采用长系列实测水文资料枯水期（11—2 月）90%保证率平均流量作为设计流量。流速按照多年流量测验成果，选择对应流量的流速。经实测估算，河段的综合衰减系数COD 为0.35，氨氮为0.34。

2.2 河流污染物通量

碧流河入库河段污染物时段通量是根据河段的季节性特点，采用弱化径流量作用和强化径流量作用相结合的模式估算。即枯水期水量较低且平稳时，采用弱化径流量作用的计算模式，丰水期水量较大或变化较大采用强化时段总径流量的模式：

式中：W——时段通量，t/a；n1——枯水期、平水期时间段内的监测频次；n2——丰水期、洪水期时间段内的监测频次；Ci——实测浓度，mg/L；Qi——实测流量，m3/s；——时段逐日平均流量，m3/s；K1——枯水期时间段转换系数；K2——丰水期时间段转换系数。

3 纳污能力与污染物通量综合分析

3.1 纳污能力计算结果

依据41 年枯水期（11—2 月）实测水文数据，确定河段设计水量为0.80 m3/s，按照河流纳污能力计算模型计算，设计条件下河段纳污能力高锰酸盐指数（Imn）为27.50 t/a，氨氮（NH3-N)为3.44 t/a。按照2019-2020 年水质水量在线监测数据，估算年度以及年内逐日纳污能力，描述年内纳污能力的变化情况。经计算，年度河段纳污能力高锰酸盐指数为580.00 t/a，氨氮为148.00 t/a，是设计条件下河段纳污能力的21.1倍和42.9倍；河段高锰酸盐指数纳污能力最小月为8.43 t/m，最大月为240.00 t/m，最大月为最小月的28.5 倍；河段氨氮纳污能力最小月为1.37 t/m，最大月为73.40 t/m，最大月为最小月的53.5 倍。由此可见，河段纳污能力受水文条件影响较大，河段月纳污能力变化明显。

3.2 河流污染物通量计算结果

依据2019—2020 年常规水量水质监测数据，进行污染物通量估算，计算年度河段污染物通量高锰酸盐指数为793.00 t/a，氨氮为19.50 t/a。依据2019—2020 年水量水质同步监测数据，计算年度河段污染物通量高锰酸盐指数为900.00 t/a，氨氮为26.60 t/a，分别比依据常规水量水质监测数据估算的污染物通量高出13.5%，36.2%；河段高锰酸盐指数污染物通量最小月为3.40 t/m，最大月为517.00 t/m，最大月为最小月的152 倍；河段氨氮污染物通量最小月为0.04 t/m，最大月为15.90 t/m，最大月为最小月的405 倍。另外,采用入库段水质目标控制在Ⅱ类标准的条件下，计算限制污染物通量高锰酸盐指数为1 368.00 t/a，氨氮为171.00 t/a，高于实际通量。由此可见，河段污染物通量受水文条件影响较大，河段月污染物通量变化显著。

3.3 综合分析

依据2019-2020 年河段纳污能力和污染物通量计算结果进行综合比对分析。从年度计算结果来看，河段限制污染物通量高于现状污染物通量，高锰酸盐指数和氨氮分别高出52.0%，15.8%。现状高锰酸盐指数污染物通量高于纳污能力，高出55.1%；氨氮污染物通量低于纳污能力，低至82.0%。从月计算结果来看，高锰酸盐指数月最大河段通量明显高于纳污能力，高出116%；氨氮月最大河段通量明显低于纳污能力，低至78.3%；高锰酸盐指数月最小河段通量明显低于纳污能力，低至59.7%；氨氮最小河段通量明显低于纳污能力，低至97.1%。月限制污染物通量均高于现状污染物通量和纳污能力。由此可见，高锰酸盐指数汛期河段通量虽然超过纳污能力，引起浓度升高，但未超过限制通量，水质仍然达到目标要求的Ⅱ类水标准；氨氮通量各月份均为超过纳污能力和限制通量，水质亦达到目标要求的Ⅱ类水标准。纳污能力和污染物通量变化情况见图1、图2。

4 结语

通过纳污能力与时段通量综合分析，分析结果能够准确反映河流实际水质状况，以纳污能力与时段通量作为进行污染物总量控制的依据是可靠的。对于能够开展水量水质同步监测的河段，在获得准确的河段污染物时段通量的同时，可为恰当选择污染物时段通量计算方法提供依据，在一定程度上解决了用有限的瞬间实测数据进行污染物时段通量估算误差较大的问题。由纳污能力与时段通量估算结果可见，污染物通量随着水量增大而增大，尤其汛期面源入河量受流域内降雨及径流量影响较大，水质安全风险加大。因此，对河流尤其是汇入地表水水源地的河流，加强汛期水质水量监控与水源保护工作力度是十分必要的。

图1 高锰酸盐纳污能力和污染物通量变化

图2 氨氮纳污能力和污染物通量变化