張春元，徐 陽

(聊城黃河河務(wù)局，山東 聊城 252000)

1 研究概述

小清河屬于山東省黃河流域中部的渤海水系，總長為233km，流域總面積達(dá)10336km2，是防洪、灌溉、航運(yùn)為一體的綜合性河流。小清河上游的供水主要來自濟(jì)南市的泉水。此外，小清河在濟(jì)南市木里莊接受了玉佛河的一部分，因此也可以稱為小清河的第一條玉佛河。小清河發(fā)源于木里莊的東側(cè)，在羊角溝流入渤海，河道平均坡度為0.15/1000。支流均從右岸匯入主干流。流域河網(wǎng)密度為0.27km/km2。小清河是濟(jì)南主城區(qū)唯一的排水渠。20世紀(jì)70年代以來，大量工業(yè)廢水和生活污水涌入，造成小清河污染嚴(yán)重[1]，因此也制約了其綜合功能的發(fā)揮?；诖?，有必要對小清河的納污能力和入河污染物的削減進(jìn)行研究。

2 研究資料及方法

2.1 水功能區(qū)及水質(zhì)目標(biāo)擬定

水功能區(qū)劃是對水資源利用功能的科學(xué)合理劃分。水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)的確定是水資源保護(hù)規(guī)劃和水污染能力確定的基礎(chǔ)，是河流取水許可證管理和排污口合理設(shè)置的決策依據(jù)。批準(zhǔn)的水功能區(qū)劃是實(shí)現(xiàn)地區(qū)水資源優(yōu)化配置、合理利用和有效保護(hù)的法律依據(jù)[2]。根據(jù)山東省水功能區(qū)劃，將小清河水域的適用功能劃分為一級水功能區(qū)和二級水功能區(qū)，二級水功能區(qū)是水污染能力分析的基本單元。水功能分區(qū)方案見表1、表2。

2.2 現(xiàn)狀水質(zhì)評價(jià)

河流水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)是對河流水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行定性和定量描述和評價(jià)，使人們能夠掌握河流水環(huán)境質(zhì)量的基本情況，為未來水環(huán)境管理和經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢提供發(fā)展的決策依據(jù)[3]。根據(jù)濟(jì)南市小清河流域4個(gè)監(jiān)測斷面的數(shù)據(jù)分析(表3)，利用綜合污染指數(shù)法，得出綜合污染指數(shù)，并根據(jù)水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)確定水質(zhì)等級。計(jì)算公式如下：

(1)

式中，P—綜合污染指數(shù);Pi—單因子評價(jià)法中計(jì)

表1 小清河水功能一級區(qū)劃成果表

表2 小清河水功能二級區(qū)劃成果表

算出的某項(xiàng)指標(biāo)的相對污染值。

表3 小清河水質(zhì)檢測斷面實(shí)測數(shù)據(jù) 單位：mg/L

2.3 納污能力條件確定

在給定的水域和一定的設(shè)計(jì)流程中，水功能區(qū)的接收能力是最大程度滿足水功能區(qū)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的能力。合理的容量是水資源有效利用的一部分[4]。在小清河大部分水功能區(qū)，污染物不同程度地排入河道，直接導(dǎo)致水污染和水質(zhì)惡化。因此，有必要對河流的納污能力進(jìn)行評價(jià)。

(1)水文設(shè)計(jì)條件

用計(jì)算斷面的設(shè)計(jì)流量(水量)表示水功能區(qū)主要斷面的水文設(shè)計(jì)條件。小清河地表水功能區(qū)納污能力分析設(shè)計(jì)條件用一級和二級功能區(qū)主要排污河段基本斷面設(shè)計(jì)流量來表示[5]。在現(xiàn)狀年(2018年)條件下，枯水期設(shè)計(jì)流量采用90%保證率的月平均最小流量來計(jì)算。在規(guī)劃年(2025年、2030年)條件下，根據(jù)水資源配置情況，將本年度設(shè)計(jì)流量修改調(diào)整為規(guī)劃水平年設(shè)計(jì)流量。

(2)本底濃度

根據(jù)過水?dāng)嗝嫔嫌嗡_定的水質(zhì)目標(biāo)，將地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中達(dá)到水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的最大值對應(yīng)的上限值作為本底濃度(來水濃度)。

(3)污染物濃度

對于本部分進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，采集了各水功能區(qū)不同控制斷面的水樣，通過檢測得到相應(yīng)的污染物濃度值。結(jié)合《2018年濟(jì)南市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書》，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比使用。

(4)綜合衰減系數(shù)K

污染物的生物降解和沉積等物理化學(xué)過程可以概括為污染物的綜合衰減系數(shù)[5]。參照黃河流域水資源規(guī)劃和國家地表水環(huán)境容量核定技術(shù)評價(jià)點(diǎn)等相關(guān)成果和規(guī)定可以確定污染物的綜合衰減系數(shù)K，并對主要干流及小清河支流進(jìn)行實(shí)測和模擬分析。綜合衰減系數(shù)K的計(jì)算公式如下：

(2)

式中，u—斷面平均流速，m/s；ΔX—上下斷面距離，m；Ca—上斷面濃度；Cb—下斷面濃度。

根據(jù)式(2)，COD和NH3-N的綜合衰減系數(shù)分別為1.5/d和1.0/d。

(5)河段平均流速

利用各監(jiān)測斷面的實(shí)測流量數(shù)據(jù)、流速匯總資料，分析設(shè)計(jì)流量下的河段平均流速。

2.4 建立納污能力計(jì)算模型

各二級水功能區(qū)的納污能力由水質(zhì)指標(biāo)CS、設(shè)計(jì)流量Q、綜合衰減系數(shù)K、平均流速u、河段長度X等水環(huán)境特征參數(shù)確定[6]。根據(jù)有機(jī)污染物衰減的數(shù)學(xué)模型，確定現(xiàn)狀年(2018年)和規(guī)劃年(2025年、2030年)的污染物承載力W。天然水域可概括為計(jì)算水域。例如，天然河流可以概括為直河，復(fù)雜的河流地形可以簡化，非恒定流可以簡化為定常流。小清河主要的河流寬度適中，污染物能在較短的時(shí)間內(nèi)均勻混合。因此，采用廣義一維模型計(jì)算水功能區(qū)的納污能力[7]。

(3)

式中，W—水功能區(qū)年納污能力，t/a；Q—控制斷面設(shè)計(jì)流量，m3/s；Cs，C0分別為功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)值和初始目標(biāo)值，mg/L；K—綜合衰減系數(shù)，1/s；X—水功能區(qū)河段水流流程，m；u—計(jì)算控制斷面水流速度，m/s。

由于排水條件的影響和河道內(nèi)水利工程分布的復(fù)雜性，計(jì)算段中的多個(gè)排污出口被提升為集中排放口，這促進(jìn)了河道中部河口的排放。它可以簡單看作一個(gè)集中的點(diǎn)源[8]。濃度點(diǎn)源實(shí)際自凈長度為河段長度的一半，如圖1所示。

圖1 河流一維模型概化示意圖

3 結(jié)果及分析

3.1 小清河水質(zhì)現(xiàn)狀評價(jià)

地表水環(huán)境治理評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的選擇，在一些項(xiàng)目的實(shí)際評價(jià)中，應(yīng)以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。本文選用GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將地表水水質(zhì)分為5類，見表4。小清河各斷面計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值表 單位：mg/L

表5 小清河各斷面計(jì)算結(jié)果

由表5可以看出，小清河4個(gè)監(jiān)測斷面的水環(huán)境評價(jià)結(jié)果為：還鄉(xiāng)店、五柳閘、馬鞍山現(xiàn)狀水質(zhì)均為Ⅴ級、睦里莊現(xiàn)狀水質(zhì)為Ⅲ級。由于小清河濟(jì)南段排入河道的大部分為生活污水和工業(yè)廢水，其水質(zhì)極其惡劣。

3.2 納污能力計(jì)算結(jié)果

表6的計(jì)算結(jié)果表明，小清河流域現(xiàn)狀年總COD排放量為8311t/a，氨氮排放量為286t/a，小清河流域水功能區(qū)由于徑流量大，其納污能力大。規(guī)劃2030年，小清河的納污能力將降至負(fù)值，完全喪失；現(xiàn)狀年濟(jì)南農(nóng)業(yè)用水區(qū)COD和氨氮的納污能力分別為1712.2t/a和150.6t/a，由于該功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)為Ⅴ類，規(guī)劃2030年將增加污染物的納污能力，分別為5077.4t/a和86.43t/a。

表6 小清河濟(jì)南段納污能力計(jì)算成果表

良好的納污能力對生態(tài)河流建設(shè)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。通過對小清河系統(tǒng)容量的分析可以看出，小清河污水排放量大，取水量高，但對飲用水水源的水質(zhì)要求高，受污染能力低。因此，在這些河段，應(yīng)加強(qiáng)污水處理，確保排放達(dá)標(biāo)，增加河流生態(tài)基流，確保全流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

3.3 污染物消減量計(jì)算

將規(guī)劃水平年的入河污染物量與納污能力進(jìn)行比較。入河污染物量大于納污能力的，計(jì)算排放消減量和相應(yīng)的入河消減量；入河污染物量小于納污能力的，計(jì)算入河控制量和排放控制量。

(1)污染物排放消減量與入河消減量

隨著防滲處理和污水排放系統(tǒng)管網(wǎng)水平的提高，污水入河綜合排放系數(shù)為0.8，綜合分析現(xiàn)有的年排污量和入河流量數(shù)據(jù)[9]，估算COD和NH3-N排放消減量、入河消減量。

從納污能力分析可以看出，小清河功能區(qū)的COD或NH3-N超標(biāo)，各水功能區(qū)的COD和NH3-N年排放量與相應(yīng)納污能力的差異決定了入河污染物的減少[10]。相應(yīng)的污染物消減量由以下公式確定：

Wpx=Whx/r

(4)

式中，Wpx—污染物排放消減量，Whx—污染物入河消減量，r—入河系數(shù)。

(2)污染物排放控制量與入河控制量

針對小清河水資源短缺、生態(tài)環(huán)境脆弱的現(xiàn)狀，長期目標(biāo)是不斷改善水環(huán)境質(zhì)量。當(dāng)納污能力大于入河污染物量時(shí)，建議將入河污染物量控制在納污能力的75%以內(nèi)[11]。因此，污染排放控制量根據(jù)下列公式確定：

Wpk=Whk/r

(5)

表7 小清河濟(jì)南飲用水源區(qū)污染物控制量和消減量計(jì)算表

表8 小清河濟(jì)南農(nóng)業(yè)用水區(qū)污染物控制量和消減量計(jì)算表

式中，Wpk—污染物排放控制量，Whk—污染物入河控制量，r—入河系數(shù)。

對納污能力小于入河污染物量，即污染物超過環(huán)境目標(biāo)，水質(zhì)受到明顯污染，入河污染物控制量應(yīng)小于納污能力。計(jì)算結(jié)果見表7、表8。

小清河濟(jì)南飲用水功能區(qū)2018年、2025年、2030水平年COD入河控制量分別為5400.3t/a、4794.24t/a、3089.2t/a，COD排放消減量分別為1767.6t/a、5624.4t/a、20045.5t/a；氨氮入河控制量分別為147.3t/a、125.62t/a、134.7t/a，氨氮排放消減量分別為290.1t/a、953.3t/a、1925.5t/a。受到水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)的調(diào)控影響，小清河濟(jì)南飲用水功能區(qū)入河控制量和排放消減量均出現(xiàn)了連續(xù)性增加。

而小清河濟(jì)南農(nóng)業(yè)用水功能區(qū)2018年、2025年、2030水平年COD入河控制量發(fā)別為1568.8t/a、1190.0t/a、3821.8t/a，COD排放消減量分別為607.7t/a、1271.0t/a、0t/a；氨氮入河控制量分別為69.63t/a、69.62t/a、47.20t/a，氨氮排放消減量分別為98.5t/a、217.4t/a、202.1t/a。由此可知小清河濟(jì)南農(nóng)業(yè)用水功能區(qū)納污能力較大，控制量較小。

4 結(jié)論及建議

(1)根據(jù)綜合因子評價(jià)方法，小清河4個(gè)監(jiān)測斷面的水環(huán)境評價(jià)結(jié)果為：睦里莊現(xiàn)狀水質(zhì)為Ⅲ級別、馬鞍山、五柳閘、還鄉(xiāng)店水質(zhì)均為Ⅴ級。

(2)在現(xiàn)狀年條件下，小清河濟(jì)南飲用水功能區(qū)污染物承載力計(jì)算結(jié)果表明，本年度總污染物承載力較大，但在水質(zhì)目標(biāo)控制下，規(guī)劃年內(nèi)，該河段的納污能力將繼續(xù)下降，到2030年降至負(fù)值，納污能力將完全喪失；由于小清河濟(jì)南農(nóng)業(yè)用水區(qū)水質(zhì)目標(biāo)為V類，規(guī)劃2030年，污染物承載能力將增加。

(3)小清河濟(jì)南段中游為工業(yè)和工業(yè)園區(qū)集中區(qū)，排污量大，納污能力小。排入河中的污染物數(shù)量已超過其接受污染的能力。規(guī)劃年度污染量較低，減污能力相應(yīng)增加，濟(jì)南市小清河農(nóng)業(yè)用水?dāng)嗝婕{污能力強(qiáng)，污染物減排量逐年減少。

(4)本文僅對小清河濟(jì)南段進(jìn)行了探討，未對整個(gè)流域進(jìn)行計(jì)算。因此，只能得到濟(jì)南段的納污能力和減污能力，但結(jié)論是正確可靠的。按照可持續(xù)發(fā)展的原則，濟(jì)南市要繼續(xù)加強(qiáng)飲用水功能區(qū)污染物排放控制，加快小清河治理。