李杰，郭鳳震，周振肪

（1．河北省邯鄲水文水資源勘測局，河北邯鄲 056001；2.河北省衡水水文水資源勘測局，河北衡水 056000）

滏陽河納污能力分析

李杰1，郭鳳震1，周振肪2

（1．河北省邯鄲水文水資源勘測局，河北邯鄲 056001；2.河北省衡水水文水資源勘測局，河北衡水 056000）

通過對邯鄲滏陽河水質(zhì)現(xiàn)狀、排污現(xiàn)狀、設計流量、流速和污染物綜合衰減系數(shù)調(diào)查分析和實驗研究，建立了動態(tài)納污能力模型，通過模型計算確定了不同河段納污能力，提出了污染物削減方案。

滏陽河；納污能力；削減系數(shù)；數(shù)學模型

1 基本情況

滏陽河作為邯鄲市境內(nèi)主要河流之一，是邯鄲市的母親河，人均占有水資源量176m3［1］，僅占全省人均水平的57%、全國人均水平的8%，遠遠低于國際公認的人均1000m3的水資源緊缺標準。因水資源缺乏邯鄲市地表水資源總開發(fā)利用率達80%以上，遠遠超過國際公認的40%的合理開發(fā)界限，地表水70%以上河段水質(zhì)為劣Ⅴ類水，由于大量未經(jīng)處理的廢污水直接排入河道，超過水體自凈能力，水體遭受嚴重污染，2/3以上的河段水質(zhì)屬于劣Ⅴ類水，嚴重影響了水功能的發(fā)揮和城市形象，同時也加劇了水資源供需矛盾。

水體納污能力是滿足水功能區(qū)水環(huán)境質(zhì)量標準要求的污染物最大允許負荷量，是施行水功能區(qū)限制納污紅線，嚴控排污總量的重要依據(jù)。2007年河北省邯鄲水文水資源勘測局、邯鄲市水利局圍繞水利部最嚴格的水資源管理理念和環(huán)保部門污水治理新思路，配合滏陽河綜合治理和生態(tài)水網(wǎng)建設，開展“邯鄲市滏陽河納污能力研究”項目，以滏陽河邯鄲段為研究對象，選用COD和NH3-N作為控制指標，以區(qū)段為單元進行水質(zhì)評價﹑入河排污口調(diào)查﹑水功能區(qū)達標分析。將水質(zhì)污染狀況﹑納污情況﹑水量狀況、水質(zhì)目標、污染物降解能力結(jié)合起來，建立了河流動態(tài)納污能力水質(zhì)模型，運用模型計算水域的納污能力。根據(jù)確定的納污能力和納污現(xiàn)狀，提出了滏陽河入河污染物削減方案和入河排污口整治方法。

2 研究內(nèi)容

2.1 滏陽河邯鄲段現(xiàn)狀

2.1.1 基本情況

滏陽河屬海河流域子牙河水系，發(fā)源于邯鄲市峰峰礦區(qū)滏山南麓和村，流經(jīng)邯鄲、邢臺、衡水、滄州市全長402km。邯鄲段是滏陽河的最上游，是邯鄲市的母親河，具有行洪、城市工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉、漁業(yè)養(yǎng)殖、生態(tài)用水和防洪發(fā)電等功能。邯鄲市境內(nèi)全長180km，流域面積2160km2。

早期滏陽河水量豐沛，水質(zhì)優(yōu)良，隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化程度的不斷提高，各種工業(yè)廢水、生活污水和生活垃圾紛紛排入河道，嚴重影響了滏陽河水環(huán)境質(zhì)量。由于地下水嚴重超采，滏陽河源頭—黑龍洞泉群出現(xiàn)干涸現(xiàn)象，20世紀末，由于上游的煤礦疏干水、工業(yè)廢水和生活污水，昔日清澈甘洌的滏陽河變成了一條藏污納垢的污水溝，絕大部分河段屬劣Ⅴ類水體，失去了飲用、漁業(yè)、養(yǎng)殖、灌溉等功能。

滏陽河自東武仕水庫建成后由天然河道變成了水庫調(diào)節(jié)河道。目前，水庫以滿足主城區(qū)工業(yè)用水為主，兼顧漁業(yè)、發(fā)電、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)灌溉用水及防洪，出庫流量根據(jù)用水情況進行調(diào)節(jié)。

2.1.2 流域水功能區(qū)劃

依據(jù)《河北省水功能區(qū)劃》，邯鄲市滏陽河I級區(qū)劃屬于開發(fā)利用區(qū)，II級區(qū)劃源頭九號泉～東武仕水庫為滏陽河邯鄲飲用水源區(qū)；水庫出口～邯鄲邢臺交界為滏陽河邯鄲農(nóng)業(yè)用水區(qū)（水庫出口～蘇里參照景觀娛樂用水區(qū)）。

2.1.3 入河排污口現(xiàn)狀

目前邯鄲市滏陽河主要入河排污口共有33個，排放達標的占27.3%。33個入河排污口經(jīng)檢測年排廢污水總量13833萬m3，其中COD15516.5t、氨氮2606.16t。

2.1.4 水質(zhì)現(xiàn)狀

（1）東武仕水庫以上水質(zhì)較好，符合地表水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅱ類水標準；東武仕水庫屬于Ⅲ類水；馬頭閘斷面為Ⅲ類水；張莊橋斷面為Ⅴ類水；水廠路橋段面為劣Ⅴ類水；劉二莊斷面為劣Ⅴ類水；蘇里監(jiān)測斷面為劣Ⅴ類水。

（2）東武仕水庫及上游經(jīng)過磁縣縣城和馬頭工業(yè)城后，由于廢污水匯入，氨氮、COD含量升高，到張莊橋斷面水質(zhì)已經(jīng)變?yōu)棰躅愃贿m用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域。

（3）流經(jīng)邯鄲市城區(qū)后水體顏色變黑并伴有難聞氣味，蘇里斷面COD含量超過了GB5048—2005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》，河水已經(jīng)喪失了飲用、工業(yè)供水、景觀娛樂用水和農(nóng)田灌溉功能。

2.2 滏陽河納污能力計算及分析［2］

2.2.1 計算單元與原則

依據(jù)《河北省水功能區(qū)劃》和邯鄲市滏陽河實際供水功能現(xiàn)狀，將滏陽河劃分為飲用水源區(qū)（南留旺橋以上、東武仕水庫）、開發(fā)利用區(qū)（東武仕水庫以下）計算單元。根據(jù)設計條件和水質(zhì)目標，選擇符合實際的數(shù)學模型計算納污能力。

2.2.2 納污能力數(shù)學模型的確定

以物質(zhì)守恒定律和化學反應動力學原理為基礎，根據(jù)河道設計流量、流速和污染物綜合衰減系數(shù)與納污能力間的相互關(guān)系建立數(shù)學模型。

對于河道流量和流速較小、水流極緩的計算單元采用零維水質(zhì)模型模擬，對于水體流動明顯的河道采用一維模型模擬。

2.2.3 納污能力模型公式（1）流速小于0.1m/s的計算單元模型公式：

式中W為計算單元納污能力（t/a）；Q為計算單元設計流量（m3/s）（對于湖庫為設計水量，m3）；q為計算單元入河污水量（m3/s）；Cs為計算單元水質(zhì)目標（mg/L）；C0為計算單元上斷面污染物濃度（湖庫初始濃度）（mg/L）；k為污染物綜合衰減系數(shù)（1/d）；V為計算單元水體體積（m3）。

（2）斷面污染物濃度橫向變化不大并且流速大于0.1m/s的計算單元模型公式：

式中x為計算單元上斷面到下斷面的距離（km）；xi為簡化后排污口到下計算斷面的距離（km）；u為計算單元設計流量下的平均流速（m/s）；其他符號意義同前。

計算單元內(nèi)有支流匯入Q支和取水Q取，在排污口上游取水時，納污能力模型公式：

式中Q支、Q取分別為支流匯入和取水流量（m3/s）。

當設計流量為零時，納污能力模型公式：

式中符號意義同前。

2.2.4 模型參數(shù)的確定

2.2.4.1 水質(zhì)目標的確定

按照“上游計算單元水質(zhì)目標不能低于其下游計算單元水質(zhì)目標”原則和滏陽河水資源利用現(xiàn)狀確定水質(zhì)目標。

2.2.4.2 設計流量的確定

流量資料選用東武仕水庫水文站、張莊橋水文站、蓮花口水文站長年積累的水文資料和“邯鄲市城區(qū)雨洪資源研究”課題在水廠路橋、劉二莊橋監(jiān)測斷面的實測資料［3］。通過還原計算近10年最枯月平均流量、近10年枯水期平均流量、近10年汛期平均流量和基準年2007年的枯水期平均流量，分別作為設計流量。

2.2.4.3 設計流速的確定

根據(jù)確定的設計流量從水文控制斷面水位～流速關(guān)系曲線上查出相應的設計流速，作為對應的設計流速。

2.2.4.4 初始濃度值C0的確定

根據(jù)上一個計算單元的水質(zhì)目標值來確定，即上一個計算單元的水質(zhì)目標值就是下一個計算單元的初始濃度值C0。

綜合衰減系數(shù)k值按照300km河長內(nèi)污染物衰減不超過75%的原則確定，即EXP（-kx/u）>0.25確定綜合衰減系數(shù)［4］。

COD綜合衰減系數(shù)計算公式：

式中u為計算單元設計流速（m/s）。

氨氮綜合衰減系數(shù)：k氨氮=kCOD×0.81

為驗證綜合衰減系數(shù)的合理性，在水庫出口～成峰路橋單元的北開河橋至成峰路橋河段進行了試驗，實驗結(jié)果與計算結(jié)果基本一致。

2.2.5 滏陽河納污能力計算結(jié)果

根據(jù)各計算單元對應的各項參數(shù)，選用不同的數(shù)學模型公式，通過計算各單元納污能力和全市區(qū)域納污能力如表1。

表1 4種方案對應納污能力統(tǒng)計

綜上分析，方案1計算結(jié)果最小，方案4計算結(jié)果最大，方案2、方案3相差不大，接近方案1、方案4計算結(jié)果的平均值，代表性較強。

邯鄲市平原生態(tài)水網(wǎng)調(diào)度方案滏陽河控制水量與近10年枯水期、汛期平均流量一致，因此方案2、3計算結(jié)果可作為邯鄲市滏陽河納污能力指標，考慮到持續(xù)發(fā)展和水環(huán)境改善以方案3（近10年汛期平均流量作為設計流量）確定的納污能力為邯鄲市滏陽河各計算單元納污能力研究結(jié)果，如表2。

表2 各計算單元納污能力

2.3 入河排污口整治及污染物削減規(guī)劃

納污能力和現(xiàn)狀入河污染物排放量相差懸殊，全市COD現(xiàn)狀年排入量超納污能力2.04倍，氨氮現(xiàn)狀年排入量超納污能力9.81倍。為改善滏陽河水環(huán)境質(zhì)量，達到水功能區(qū)規(guī)劃水質(zhì)目標，必須削減入河污染物總量。

東武仕水庫及以上區(qū)域?qū)亠嬘盟幢Ｗo區(qū)不允許直接排污，納污能力為0，現(xiàn)狀入河污染物需要全部削減。因此東武仕水庫及以上區(qū)域所有入河排污口必須取締。

水庫以下各計算單元采取逐年削減的辦法，COD、氨氮年削減指標為20%，通過對入河排污口整治和污水處理廠尾水深處理，隨著生態(tài)水網(wǎng)的完成和南水北調(diào)的實現(xiàn)，2020年邯鄲市滏陽河可以實現(xiàn)主要污染物納污能力大于污染物入河量，水環(huán)境質(zhì)量得到徹底改善的目標。

3 結(jié)語［5］

（1）采用水質(zhì)水量結(jié)合方法，利用水文系列資料和水質(zhì)監(jiān)測資料，針對滏陽河水文特征和污染源分布，建立了動態(tài)納污能力數(shù)學模型，研究確定了邯鄲市滏陽河納污能力。

（2）確定了滏陽河污染物綜合衰減系數(shù)，揭示了滏陽河污染物變化規(guī)律。

（3）納污能力設計流量確定兼顧了滏陽河生態(tài)流量的客觀要求。

（4）在污染源概化方面綜合考慮了入河排污口至下斷面距離和污水排放量，概化結(jié)果更科學準確。

［1］邯鄲市水利局.邯鄲市第二次水資源評價［M］.北京：學苑出版社，2008.

［2］朱健，王平，李捍東.賈河納污能力及排污總量控制分析［J］.水資源保護，2009，25（3）：48-51.

［3］河北省邯鄲水文水資源勘測局.華北山前平原雨洪預報及資源利用關(guān)鍵技術(shù)研究報告［R］.2014.

［4］河北省水利廳水資源處，河北省水文水資源勘測局.河北省水功能區(qū)納污能力及限制排污總量意見［R］.2008.

［5］河北省邯鄲水文水資源勘測局.滏陽河納污能力研究［R］.2011.

Research on Assimilative Capacity of Fuyang River

LI Jie1，GUO Feng-zhen1，ZHOU Zhen-fang2
（1.Hebei Handan Survey Bureau of Hydrology and Water Resources，Handan 056001,China；2.Hebei Hengshui Survey Bureau of Hydrology and Water Resources，Hengshui 056000,China）

Through the investigation and experimental research on the water quality situation，the sewage situation，the design flow，the flow rate and pollutant attenuation coefficient of Fuyang River in Handan，to establish a dynamic assimilative capacity model，the model identifies assimilative capacity in different sections，according to the assimilative capacity and the sewage situation to propose pollutant emissions reduction program.

Fuyang river；assimilative capacity；reduction coefficient；mathematical model

X21

B

1672-9900（2014）03-0006-04

2014-01-25

李杰（1982-），男（漢族），河北成安人，助理工程師，主要從事水文水資源監(jiān)測評價工作，（Tel）13930082311。