王成見 孟春霞 王 琳 孫寶權(quán)（青島水文水資源勘測局 青島 6607 中國海洋大學(xué) 青島 6600）

北方季節(jié)性河流納污能力及限制排污總量分析

王成見1孟春霞2王 琳1孫寶權(quán)1（1青島水文水資源勘測局 青島 266071 2中國海洋大學(xué) 青島 266100）

本文以青島膠南市為例，在分析了膠南市水文氣象、入河排污口水質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，研究了膠南市河流的水文規(guī)律以及河道攔河閘的水力特性，針對季節(jié)性河流具有河道、水庫雙重水力特性的特點，綜合采用河道、水庫納污能力計算模型計算河道、攔河閘的納污能力并提出限制排污總量意見。計算結(jié)果顯示：攔河閘壩納污能力貢獻率達到41%；現(xiàn)狀入河排放量遠大于河道納污能力，COD和氨氮削減量分別為2933.34t/a和260.76t/a，占總排放量的95.7%和98.9%，削減任務(wù)相當(dāng)艱巨。

季節(jié)性河流 納污能力 限制排污總量

1 引言

膠南市位于山東半島西南部，北緯35°35′～36°08′，東經(jīng)119°30′～120°11′之間，屬低山丘陵區(qū)，境內(nèi)山巒起伏，地勢西、北偏高，南、東臨海處偏低，自西北向東南傾斜入海。境內(nèi)2.5km長以上的河流（含大河支流）有125條。其中較大的河流10條，獨立入海的小河流26條，均屬典型的北方季節(jié)性山區(qū)河流。

眾所周知，北方河流季節(jié)性非常明顯，徑流年內(nèi)分布極不均勻。根據(jù)1956～2000年水文資料分析，汛期（6～9月）的徑流量占多年平均年徑流量的87%，多年平均7～8月徑流量占多年平均年徑流量的78%，枯水期（10～5月）的徑流量僅占多年平均年徑流量的13%。由于河流源短流急，水資源開發(fā)利用難度較大，為緩解水資源緊缺狀況，水利部門為了提高水資源開發(fā)利用率，除建有部分中小型水庫外，還在10條主要河道上建有攔河閘壩18處，在風(fēng)河、巨洋河、錯水河等較大河流上建有3級以上梯級攔河閘，使得天然河道喪失了自然水力特性而與水庫水力特性相似。顯然，繼續(xù)采用常規(guī)的河道納污能力數(shù)學(xué)模型計算納污能力，計算結(jié)果將產(chǎn)生較大誤差。本文以膠南市為研究對象，針對青島地區(qū)季節(jié)性河流特點，分別采用河口一維模型，均勻混合模型、河流一維模型，分別計算河口感潮河段、攔河閘及一般天然河道納污能力，使得計算結(jié)果更加符合實際。

2 納污能力計算

水域納污能力是指在水域使用功能不受破壞的條件下，受納污染物的最大數(shù)量，即在一定設(shè)計水量條件下，滿足水功能區(qū)水環(huán)境質(zhì)量標準要求的污染物最大允許負荷量。其大小與水功能區(qū)范圍的大小、水環(huán)境要素的特性和水體凈化能力、污染物的理化性質(zhì)等有關(guān)，可應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對其數(shù)值進行計算。

2.1 采用的水質(zhì)模型

納污能力數(shù)學(xué)模型是依據(jù)河道、水庫的水力、水文特性而確定的。根據(jù)河道（水庫）水力特性不同，一般流量較小的中小型河道采用零維模型或一維模型，流量較大的大型河道采用二維模型；一般中小型水庫采用湖（庫）均勻混合模型；感潮河段采用河口一維模型。本文根據(jù)膠南市河道水力特性，采用河口一維、河道一維和湖（庫）均勻混合模型分別計算了感潮河段、一般天然河道和河道攔河閘的納污能力。

2.1 .1 河流一維模型

膠南市水功能區(qū)內(nèi)的各河流均屬于小型河流，枯季流量小于0.1m3/s，寬深比較小，污染物質(zhì)在河流橫斷面上能很快混合，故采用一維水質(zhì)模型。

一維水質(zhì)模型：

式中：M——河道納污能力，g/s；

C0——上游斷面的污染物濃度，mg/L；

Cs——計算河段下斷面水質(zhì)目標濃度值，mg/L；

U——河道斷面的平均流速，m/s；

K——污染物綜合衰減系數(shù)，l/s；

L——計算河段長度，m；

Q——河道斷面設(shè)計流量，m3/s。

2.1 .2 河口一維模型

膠南市風(fēng)河（橡膠一壩～入?？诤佣危?、白馬河（白馬河大橋～耿家嵐）為感潮河段，受海水潮汐影響較大，故采用河口一維模型計算其納污能力。

潮汐河段的水力參數(shù)可按高潮平均和低潮平均兩種情況，簡化為穩(wěn)態(tài)流進行計算。如果污染物排放不隨時間變化，漲潮與落潮的污染物濃度分別按下式計算。

漲潮（x<0，自x=0處排入）：落潮（x>0）：

其中，N為中間變量

式中：C（x）上、C（x）下——分別為漲、落潮的污染物濃度，mg/L；

ux——水流的縱向流速，m/s；

Ex——縱向離散系數(shù)，m2/s；

Q上、Q下——分別為計算水域漲潮、落潮的平均流量，m3/s。

2.1 .3 湖（庫）均勻混合模型

該模型適用于污染物均勻混合的小型湖（庫），河道攔河閘具有類似水庫特性，其納污能力按下式計算：

M=CSVK+（CS-C0）QL

式中：V——設(shè)計水文條件下的攔河閘蓄水量，m3；

QL——攔河閘入流量，m3/s；

其余符號意義同前。

2.2 模型參數(shù)的確定

2.2 .1 斷面設(shè)計流量

計算斷面的設(shè)計流量是水功能區(qū)納污能力計算的重要參數(shù)。為保證水功能區(qū)水質(zhì)目標正常情況下不被破壞，選取不為零的最小月平均流量作為樣本，計算90%保證率設(shè)計條件下的設(shè)計流量。本文應(yīng)用具有較長系列的紅旗水文站近期30年實測流量資料，采用矩法計算系列均值、Cv、Cs值，經(jīng)P-Ⅲ型頻率曲線適線后得到90%保證率對應(yīng)的設(shè)計流量為0.005m3/s。無水文站的河段采用水文比擬法確定斷面設(shè)計流量。

2.2 .2 攔河閘設(shè)計蓄水量

由于缺乏攔河閘實測蓄水量資料，根據(jù)相近流域氣候條件相似的特性，選用了有實測資料的鐵山水庫、小珠山水庫、吉利河水庫和陡崖子水庫共4座水庫蓄水量資料，分析得到90%保證率的各水庫最枯月庫容與興利庫容的比值（α=）。根據(jù)各攔河閘的氣候和下墊面條件，選用與上述相似的水庫最枯月庫容與興利庫容的比值（α=），將攔河閘設(shè)計蓄水量乘以選擇的比值近似作為設(shè)計蓄水量（vp=α×v興）。

2.2 .3 斷面設(shè)計流速

河道斷面流速與斷面流量具有正相關(guān)關(guān)系u=aQb，選取了紅旗水文站53組涵蓋計算河段設(shè)計流量范圍的實測流量流速資料進行相關(guān)分析，取得了紅旗水文站流量流速相關(guān)關(guān)系，u=0.3427Q0.351（4相關(guān)系數(shù)R=0.97）。對沒有實測流量流速資料的河段，根據(jù)式u=aQb推求設(shè)計流速。

2.2 .4 綜合衰減系數(shù)K

本文模型中采用的綜合衰減系數(shù)系淮河流域水保局分析的相關(guān)關(guān)系，經(jīng)青島市大沽河部分實測資料綜合而得。綜合結(jié)果為：COD綜合降解系數(shù)k=0.050+0.68u；氨氮綜合降解系數(shù)k=0.061+0.551u。攔河閘COD和氨氮綜合衰減系數(shù)采用實測綜合法確定。

2.2 .5 縱向離散系數(shù)Ex河口感潮河段縱向離散系數(shù)采用愛爾德公式計算：

式中：H——河道斷面平均水深，m；

J——河流水力比降。

2.3 納污能力計算成果

模型參數(shù)確定后，應(yīng)用相應(yīng)的模型分別計算河道、攔河閘、感潮河段納污能力，計算結(jié)果為：在90%設(shè)計條件下，膠南市水功能區(qū)COD和氨氮的納污能力分別為225.69t/a和5.74t/a。各水功能區(qū)納污能力情況見表1。

表1 膠南市各水功能區(qū)納污能力限制排污總量計算成果表

3 限制排污總量

3.1 限制排污總量確定原則

限制排污總量確定原則是在改善飲用水源區(qū)水質(zhì)的條件下，充分利用水體納污能力滿足其他類型水功能區(qū)水質(zhì)要求而確定的最大排污總量。

（1）為保障城鄉(xiāng)居民生活用水安全，應(yīng)維持或逐步改善功能區(qū)的水質(zhì)，限制排污總量取納污能力與現(xiàn)狀污染物入河量中的較小者。

（2）滿足農(nóng)業(yè)、景觀娛樂用水需要的河道水域，其水質(zhì)以能滿足用水需要為原則，限制排污總量取納污能力。

（3）排污控制區(qū)按一級A控制（COD 60mg/L，氨氮 8mg/L）。

3.2 限制排污總量核算成果

入河污染源現(xiàn)狀調(diào)查評價是合理核定限制排污總量的基礎(chǔ)。通過對膠南市10個水功能區(qū)12個排污口調(diào)查監(jiān)測，污廢水現(xiàn)狀入河排放量為1262.58萬t/a，COD排放量3066.19t/a，BOD5排放量884.72t/a，氨氮排放量263.53t/a，揮發(fā)酚排放量0.28t/a。

根據(jù)限制排污總量原則及納污能力計算結(jié)果確定了各水功能區(qū)限制排污總量，計算成果見表1。

4 結(jié)果分析

計算結(jié)果顯示，在90%設(shè)計條件下，COD和氨氮的納污能力分別為225.69t/a和5.74t/a；COD和氨氮限制排污總量分別為132.85t/a和2.77t/a；COD和氨氮削減量分別為2933.34t/a和260.76t/a，限制排污總量占總排放量的95.7%和98.9%，削減任務(wù)相當(dāng)艱巨。

為了與本文采用的計算方法作比較，按照常規(guī)計算方法對膠南市河流納污能力進行了計算，得出了90%設(shè)計條件下，COD和氨氮的納污能力分別為133.16t/a和5.32t/a的結(jié)果，比本文采用的方法計算結(jié)果偏小41%。從計算結(jié)果上分析，按照常規(guī)計算方法計算膠南市河道納污能力的數(shù)值明顯偏少，主要原因是常規(guī)計算方法忽略了攔河閘壩的影響。從成因上分析，由于攔河閘壩的建設(shè)，改變了河道水力特性，水域面積和水量的增加使得納污能力相應(yīng)增加，針對膠南市18座攔河閘壩而言，COD納污能力增加了41%。由此可知，建有梯級攔河閘壩的季節(jié)性河流計算河道納污能力時，攔河閘壩的納污能力是一項不可忽視的重要因素，應(yīng)充分考慮其不同于一般河道的水力特性，針對其特性選擇合適的模型計算其納污能力，確保計算結(jié)果真實可靠