路 雨,蘇保林

(北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875)

1 研究概況

水域納污能力是指在設(shè)計水文條件下,某種污染物在滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標情況下能容納的該種污染物的最大數(shù)量[1]。河流納污能力隨規(guī)劃設(shè)計目標的變化而變化,反映了特定水體污染物排放量與水質(zhì)保護目標之間的動態(tài)輸入響應(yīng)關(guān)系。其大小與水體特征、水質(zhì)目標及污染物特性等有關(guān),在實際計算中受污染源概化、設(shè)計流量和流速、上游污染物濃度、污染物綜合降解系數(shù)等設(shè)計條件和參數(shù)的影響。李紅亮等[2]分析了水域納污能力影響因素,并列出了幾種河流水質(zhì)模型。勞國民[3]分析了污染源概化方式對水體納污能力計算的影響,并比較了這種影響與來水保證率和綜合衰減系數(shù)之間的關(guān)系,王彥紅[4]對水體納污能力的影響參數(shù)進行了敏感性分析,張文志[5]對一維水質(zhì)模型中污染源概化、設(shè)計流量和流速、上游本底濃度等設(shè)計條件和參數(shù)對結(jié)果的影響進行了分析,并討論如何確定設(shè)計條件和參數(shù),閻非等[6]提出了排污口權(quán)重法來計算河流納污能力,為河流綜合管理提供新的思路。周孝德等[7]提出了針對控制斷面的段首控制法、段尾控制法和功能區(qū)段尾控制法,并分析比較了其優(yōu)缺點。

1.1 一維水質(zhì)模型

對于污染物在河流橫斷面上均勻混合的中、小型河段,可采用河流一維水質(zhì)模型計算納污能力,其計算公式為:

式中:ρx為流經(jīng)x距離后的污染物質(zhì)量濃度,mg/L;ρ0為計算河段上游斷面來水的污染物質(zhì)量濃度,mg/L;x為沿河段的縱向距離,m;u為設(shè)計流量下的斷面平均流速,m/s;K為污染物綜合衰減系數(shù),s-1。

1.2 納污能力計算的影響因素及存在問題

影響納污能力的因素有很多,主要包括水域特征、污染物的降解特性以及排放方式等方面。水域特征主要包括流速、流量等設(shè)計水文條件。由于各河段上水動力條件和污染源的分布不同,各河段的納污能力有很大差異。河流納污能力與污染物的排放位置及排放方式有關(guān),限定的排放方式是確定河流納污能力的一個重要確定因素[8]。從管理角度上考慮,水域特征和污染物降解特性較難進行人為規(guī)劃,但稀釋容量在各個河段的空間分配及污染物排放方式則可以通過規(guī)劃得到合理設(shè)置。目前,在河流納污能力計算中對于污染物排放方式如何選取、水質(zhì)目標如何合理分配,以及管理者如何設(shè)定控制斷面上均存在不同考慮,從而導(dǎo)致不同的研究者使用同樣數(shù)據(jù)卻得到不同的納污能力計算結(jié)果。筆者針對污染物的排放方式、控制斷面位置選擇及稀釋容量的合理分配分別進行比較研究,以更好地解決河流納污能力計算上所面臨的有關(guān)問題。

2 排污口概化

通常情況下,對同一個水功能區(qū)劃相應(yīng)的河段而言,污染物排放口不規(guī)則地分布于河流的不同斷面,功能區(qū)控制斷面的平均濃度將由所有排污口污染源在控制斷面產(chǎn)生的濃度疊加得到[9],因此各污染源排污口位置的概化對控制斷面濃度有很大影響。目前污染源排污口概化一般有3種方法:中點概化,均勻概化及排污口重心概化。

2.1 中點概化

中點概化法即認為計算河段內(nèi)的多個排污口概化為一個集中排污口,將此概化排污口置于河段的中點處,該點源的實際自凈長度為河段長度的一半,其概化示意圖見圖1所示。

圖1 集中排放河段排污口概化示意圖

中點概化河段納污能力的計算公式為:

式中:M為污染物納污能力,g/s;ρs為下游斷面水質(zhì)目標質(zhì)量濃度,mg/L;L為計算河段的長度,m;Q為河段設(shè)計流量,m3/s。式中其他參數(shù)意義與公式(1)相同。

如果計算功能區(qū)河段過長,則需要把功能區(qū)河段分成若干個計算河段,在每一個細分的計算河段應(yīng)用公式(2)來計算納污能力,然后再相加得到整個功能區(qū)河段的納污能力,這樣的概化處理更符合實際。

2.2 均勻概化

均勻概化法即認為將計算河段內(nèi)的多個排污口均勻地概化在河段內(nèi),實現(xiàn)污染物在河段內(nèi)均勻分布,其概化示意圖見圖2。

圖2 均勻排放河段排污口概化示意圖

在河段內(nèi)選擇一微小河段dx,其位置距河段段首距離為x,則此微段污染物輸運至 x=L處的剩余質(zhì)量為dm,上游各微段質(zhì)量降解到 x=L斷面處的總質(zhì)量迭加設(shè)為m,則

均勻概化河段納污能力的計算公式為[3]:

式中參數(shù)意義與公式(1)、(2)相同。

2.3 排污口重心概化

排污口重心概化法是保持現(xiàn)有排污口的格局不變,計算現(xiàn)有排污口位置情況下的納污能力。即認為同一功能區(qū)內(nèi)的污染源排污口在功能區(qū)內(nèi)排污口的重心斷面排放,概化示意圖見圖3所示。

圖3 排污口重心排放河段排污口概化示意圖

其重心計算公式為[10]:

式中:x為概化的排污口到計算河段下斷面距離,m;mi為第i個排污口(i=1,2,…,n)排污量,g/s;xi為第i個排污口(i=1,2,…,n)到計算河段下斷面的距離,m。

排污口重心概化河段納污能力的計算公式為:

式中參數(shù)意義與公式(1)、(2)、(6)相同。

3 控制斷面位置選擇

3.1 段首控制

段首控制就是控制計算河段段首處的水質(zhì)達到計算河段的要求,那么由于有機物的降解,則在該段內(nèi)的水質(zhì)處處達標。段首控制嚴格控制了計算河段的水質(zhì)不超標,從水環(huán)境管理來說要求最嚴。其概化示意見圖4所示[7]。

圖4 段首控制納污能力計算示意圖

第i段計算河段的納污能力為:

式中:Mi為第i個計算河段的納污能力,g/s;ρi為第i個計算河段的質(zhì)量濃度;Qi為第i個計算河段的設(shè)計流量,m3/s;ρs,i為第i個計算河段的水質(zhì)標準,mg/L;ρi,0為第i個計算河段的上游來水污染物濃度,mg/L;Ki為第i個計算河段降解系數(shù),1/s;Li為第i個計算河段長度,m;ui為第i個計算河段平均流速,m/s。

3.2 段尾控制

段尾控制就是控制計算河段段尾處的水質(zhì)達到計算河段的要求,在段尾控制計算中,計算河段全段水質(zhì)低于水質(zhì)要求,即計算河段100%超標。其概化示意見圖5所示[7]。

圖5中參數(shù)意義與圖4相同,第 i段計算河段的納污能力為:

3.3 段中控制

段中控制就是根據(jù)環(huán)境管理要求,在計算河段設(shè)定水質(zhì)控制斷面,控制達標河段長度。在計算河段控制斷面到上游起始斷面內(nèi)的水質(zhì)是超標的,而計算河段水質(zhì)控制斷面以下到計算河段末端水質(zhì)處處達標。其概化示意見圖6所示。

圖5 段尾控制納污能力計算示意圖

圖6 段中控制納污能力計算示意圖

圖6中參數(shù)意義與圖4相同,第i段計算河段的納污能力為:

式中:ρi為第i河段的水質(zhì)達標率,即達標河段長度所占百分率。

4 稀釋容量分配

水環(huán)境容量包括稀釋容量和自凈容量兩個部分,其中功能區(qū)的稀釋容量如何合理分配對納污能力的計算有很大影響。例如,在計算功能區(qū)內(nèi)的計算河段時,通常將稀釋容量全部用在第1個計算河段內(nèi),使得下游計算河段內(nèi)無稀釋容量,這并不符合實際情況。本文列舉均勻分配法和系數(shù)分配法兩種方法來對水質(zhì)目標進行分配。

4.1 均勻分配法

均勻分配法是在滿足每個水功能區(qū)達標的情況下,將功能區(qū)河段內(nèi)段首水功能區(qū)的水質(zhì)目標到段尾水功能區(qū)的水質(zhì)目標的總差值,均勻地分配到段首到段尾中間的各個計算河段內(nèi),作為各個計算河段的稀釋容量計算值。其概化示意圖見圖7所示。

其計算公式為:

式中:ρ′xi為第i個水功能區(qū)修訂后的稀釋容量值,mg/L;ρxi為第i個水功能區(qū)初始稀釋容量值,mg/L;ρxi為第i個水功能區(qū)稀釋容量的分配值,mg/L。

圖7 均勻分配法納污能力計算示意圖

均勻分配法簡單易行,能在一定程度上做到兼顧上下游,使水質(zhì)目標分配較為公平合理,便于管理,但對于不同地區(qū)實際情況的不同則可能會出現(xiàn)分配不合適的情況。因此,根據(jù)實際情況對水質(zhì)目標進行分配,下面提出系數(shù)分配法。

4.2 系數(shù)分配法

系數(shù)分配法是根據(jù)不同水功能區(qū)的實際情況,將河流所計算的功能區(qū)河段內(nèi)段首水功能區(qū)的水質(zhì)目標到段尾水功能區(qū)的水質(zhì)目標的總差值,根據(jù)稀釋容量分配系數(shù)分配到各個計算河段內(nèi),作為各個計算河段的稀釋容量值。稀釋容量分配系數(shù)是綜合考慮污染物現(xiàn)狀排放量、經(jīng)濟發(fā)展、規(guī)劃條件下根據(jù)上下游分配關(guān)系等因素得到的,其概化示意圖見圖8所示。

圖8 系數(shù)分配法納污能力計算示意圖

圖8中參數(shù)意義與圖4及圖7相同,其計算公式為:

式中:εi為第i段河段的稀釋容量分配系數(shù);αij含αi1,αi2,αi3,分別指第 i段河段的污染物現(xiàn)狀排放量、GDP、規(guī)劃條件下上下游分配關(guān)系所占比例;σij含σi1,σi2,σi3,分別指第 i段河段的污染物現(xiàn)狀排放量、GDP、規(guī)劃條件下上下游分配關(guān)系的權(quán)重。

α指的是功能區(qū)中某一河段的某種因子占該功能區(qū)總河段對應(yīng)因子的比例,其確定是根據(jù)各河段內(nèi)的實際數(shù)據(jù)得到,現(xiàn)狀排放量、GDP、規(guī)劃條件下上下游分配關(guān)系的公式分別如式(15)所示。σ指的是某一河段內(nèi)排污量、GDP、規(guī)劃條件下上下游分配關(guān)系對分配系數(shù)的影響程度各自所占的比例。權(quán)重系數(shù)確定的合理性,會對分配系數(shù)有很大影響。本文選用熵值法[11]來確定權(quán)重系數(shù)。

5 案例分析與比較

5.1 研究范圍

飛云江位于溫州市內(nèi),干流全長203km,是浙江省第4大河,溫州市第2大河,水質(zhì)目標以Ⅱ、Ⅲ類為主。本文以該段河段COD、NH3-N納污能力計算為例,分析采用一維水質(zhì)模型計算納污能力過程中不同排污口概化、不同控制斷面選擇、不同稀釋容量分配對計算結(jié)果的影響,并討論稀釋容量分配的確定方法,以提高計算結(jié)果的準確性和合理性。其研究范圍見圖9所示。

圖9 研究范圍水系圖

5.2 計算參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)水域納污能力計算規(guī)程,采用近10年90%保證率最枯月平均流量作為各功能區(qū)河段的設(shè)計流量。對于有水文站的計算河段,可根據(jù)實測流量、流速數(shù)據(jù)擬合出流速～流量關(guān)系曲線,再根據(jù)曲線求出對應(yīng)設(shè)計流量下的平均流速。對于無水文站的計算河段,設(shè)計流速一般可通過實測得到。筆者參考文獻[10]建議的數(shù)據(jù):上游山區(qū)流速采用0.5m/s,中游及支流地區(qū)河段采用0.4m/s。河道中污染物降解系數(shù)取KCOD=0.18/d,KNH3-N=0.08/d。各功能區(qū)的基本情況見表1所示,各功能區(qū)污染物現(xiàn)狀排放量見表2所示。

表1 飛云江河段各功能區(qū)基本情況

表2 飛云江河段各功能區(qū)污染物實際排放量

5.3 計算結(jié)果及分析

5.3.1 不同排污口概化

水質(zhì)目標為功能區(qū)規(guī)劃水質(zhì)目標值,控制斷面為段尾控制,分別比較中點概化、均勻概化、排污口重心概化的COD和NH3-N情況,結(jié)果見表3所示。

表3 不同排污口概化的納污能力比較 t/a

由表3可以看出,排污口概化在中點與排污口均勻概化得到的納污能力結(jié)果相差不大,隨著功能區(qū)長度的增加,中點概化與均勻概化的計算結(jié)果差距加大,但差異性不是十分明顯,均勻概化計算結(jié)果略小于中點概化,在實際計算時兩種方法可以看作等效。對于排污口重心概化,較短功能區(qū)河段與前兩種概化的差異性不是十分明顯,說明在小流域功能區(qū)內(nèi)3種方法可以看作等效。對于較長的功能區(qū)河段(如河段1),3種概化方法得到的計算結(jié)果則有較大差異。一般認為,對于較長的功能區(qū)河段,應(yīng)根據(jù)排污口分布和主要排污口位置考慮是否細分計算河段或采用排污口重心概化的方法;而對于實際排污口位置和排放量在河段長度上(包括左右岸)分布較為均勻的功能區(qū)河段,可考慮采用均勻概化的方法;中點概化方法計算較為簡單,一般適用于長度較短的功能區(qū)河段。對排污口信息不全的功能區(qū)河段,納污能力計算也可簡單地采用中點概化方法。

5.3.2 不同控制斷面位置設(shè)定

在水質(zhì)目標為功能區(qū)規(guī)劃水質(zhì)目標值,排污口概化為中點概化,分別比較控制斷面位置在段首控制、段尾控制、段中60%控制的COD和NH3-N情況,結(jié)果見表4所示。

表4 不同控制斷面位置的納污能力比較 t/a

由表4可以看出,總量上,控制斷面位置分設(shè)在段首、段中、段尾,其納污能力依次增大。對于段首和段尾為相同水質(zhì)目標的功能區(qū),段首控制的納污能力約為段尾控制納污能力的1/2,段中60%控制的納污能力約為段尾控制納污能力的60%。對于段首和段尾為不同水質(zhì)目標的功能區(qū)控制斷面,段首控制的納污能力較段中控制、段尾控制有很大程度的降低,這是由于段首控制斷面所滿足的水質(zhì)目標值與其他兩種控制斷面不同導(dǎo)致的。在實際管理過程中,可根據(jù)實際需要,調(diào)整控制斷面的位置,以滿足管理者的需要:段首控制為河段滿足經(jīng)濟發(fā)展最低納污能力,段尾控制為河段最高納污能力,段中控制可依據(jù)實際管理而制定。

5.3.3 不同稀釋容量分配

針對1號功能區(qū)內(nèi)各河段進行計算分析,將1號功能區(qū)根據(jù)長度,平均分為4個河段,每個河段間未分配前的段尾水質(zhì)目標值為Ⅲ類,設(shè)定排污口概化為中點概化,控制斷面設(shè)置為段尾控制,分別比較稀釋容量未分配、均勻分配法和系數(shù)分配法的COD和NH3-N情況,其中,現(xiàn)狀排放量和GDP由實際資料獲得,從規(guī)劃角度上考慮,下游較上游需要更多的稀釋容量分配,以預(yù)留未來規(guī)劃量。根據(jù)飛云江地區(qū)實際情況,假設(shè)飛云江下游較上游多分配10%的稀釋容量,即規(guī)劃條件下上下游分配關(guān)系設(shè)定為110%。其計算結(jié)果見表5所示。

表5 不同稀釋容量分配的納污能力比較 t/a

由表5可以看出,總量上,未進行稀釋容量分配后的納污能力與進行稀釋容量分配的納污能力相比較低,可見,進行稀釋容量分配后可以更加接近實際管理。均勻分配法和系數(shù)分配法相比較,總量上兩者相差不大。對于功能區(qū)內(nèi)不同河段,1號、2號、3號、4號河段的COD現(xiàn)狀排放量比例約為9∶1∶1∶1,均勻分配法和系數(shù)分配法得到各河段對應(yīng)的納污能力比例分別為1∶1∶1∶1和1∶1∶1.3∶1.3,可見系數(shù)分配法較均勻分配法更能符合功能區(qū)段的實際管理需求,使納污能力在各功能區(qū)間得到最大限度的利用。

6 結(jié) 論

a.對于長度較短的河段,排污口中點概化與均勻概化在納污能力計算時的差異性較小,對于長度較長的河段,排污口均勻概化較中點概化更接近實際納污能力情況。

b.對于段首和段尾為相同水質(zhì)目標的功能區(qū),段首控制的納污能力約為段尾控制納污能力的1/2,段中控制的達標率與其對應(yīng)納污能力占段尾控制納污能力的比例一致,如段中60%控制的納污能力占段尾控制納污能力的60%。對于段首和段尾為不同水質(zhì)目標的功能區(qū),段首控制的納污能力較段中控制、段尾控制有很大程度的降低。

c.在進行稀釋容量分配時,選取了均勻分配法和系數(shù)分配法進行分配計算,系數(shù)分配法考慮了現(xiàn)狀排污量、GDP、規(guī)劃條件下上下游分配關(guān)系等因素,對稀釋容量進行分配計算,通過計算,對稀釋容量進行分配后比較未分配的情況,更能充分利用河流的納污能力,系數(shù)分配法較均勻分配法得到的稀釋容量更加符合實際管理需要。

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