不同引水規(guī)模下平原閘控河道納污能力比較研究

喻 婷，陳燕飛，周 馳，吳雪潔，張秀蓮，陳運(yùn)梅，陳曉群

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院湖北省水利水電科技推廣中心，湖北 武漢 430070；2.長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 武漢 434023)

水域納污能力是指在設(shè)計(jì)水文條件下，滿足計(jì)算水域的水質(zhì)目標(biāo)要求時(shí)，水體所能容納的某種污染物的最大數(shù)量[1-5]。 水域納污能力與水域限制排污總量一起構(gòu)成了中國(guó)水資源保護(hù)行業(yè)的重要基礎(chǔ)，為相關(guān)行業(yè)水資源管理提供了有效依據(jù)[6]。

閘控工程對(duì)河流水量、水質(zhì)的影響是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外水科學(xué)研究的前沿與熱點(diǎn)之一。 Hayes等、Burke等[7-8]探析了水閘調(diào)度對(duì)河流水質(zhì)、水量演變所起的作用；Birhanu 等[9]模擬了不同閘壩調(diào)控情況下河流水環(huán)境變化；朱效娟等[10]利用一維河流水動(dòng)力模型及水質(zhì)模型，并結(jié)合閘控感潮河網(wǎng)所具有的流態(tài)不穩(wěn)定、流向多變等特點(diǎn)，建立了適用于閘控感潮河網(wǎng)的水環(huán)境容量模型。 本文以多閘壩控制下的重污染河流通順河為研究對(duì)象，采用模型法和污染負(fù)荷法分別計(jì)算通順河干流的納污能力，分析不同引水規(guī)模對(duì)通順河水體納污能力的影響，為通順河的水資源調(diào)度和水環(huán)境修復(fù)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 流域概況

通順河屬長(zhǎng)江一級(jí)支流，是江漢平原腹地的重要河流，也是流域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉及排水的骨干通道。通順河自漢江澤口閘起，流經(jīng)潛江、仙桃、武漢3 地市，于黃陵磯閘匯入長(zhǎng)江，全長(zhǎng)195 km，流域面積3 266 km2。 通順河流域水系復(fù)雜、河渠縱橫，季節(jié)性河流特性明顯，流域內(nèi)控制性涵閘泵站數(shù)百座，但由于缺乏科學(xué)合理的水資源統(tǒng)籌調(diào)度，閘控河段的水環(huán)境現(xiàn)狀不容樂(lè)觀。 研究區(qū)域見(jiàn)圖1。 根據(jù)《湖北省水功能區(qū)劃》，通順河只劃分為一個(gè)功能區(qū)，為保留區(qū)，水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類。

圖1 通順河流域水系及水利工程分布

2013—2016 年，由于入河污染負(fù)荷遠(yuǎn)超水環(huán)境容量，導(dǎo)致通順河水質(zhì)總體變差，長(zhǎng)期為V類或劣V類[11]。 根據(jù)湖北省生態(tài)環(huán)境廳2017、2018 年對(duì)通順河跨界斷面的監(jiān)測(cè)結(jié)果，通順河干流水質(zhì)有明顯好轉(zhuǎn)，水質(zhì)從IV～V類逐漸提升為III～I(xiàn)V類，但離III類水質(zhì)目標(biāo)還有很大差距。 在長(zhǎng)江大保護(hù)的背景下，亟需開(kāi)展水域納污能力核算工作，為流域所涉各級(jí)政府開(kāi)展水污染防治與污染減排工作提供重要依據(jù)。

2 計(jì)算模型

通順河為單一功能區(qū)中型河道，河道斷面形狀變化不大，可用解析解模擬斷面平均濃度的沿程變化[12]。 根據(jù)《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》[13]，河流一維模型適用于污染物在橫斷面上均勻混合的中小型河段，河段的污染物濃度按式(1)計(jì)算，相應(yīng)的水域納污能力按式(2)計(jì)算:

式中 C0——某基準(zhǔn)斷面的濃度，mg/L；Cs——水質(zhì)目標(biāo)濃度值，mg/L；Cp——排放的廢污水污染物濃度，mg/L；x——沿河段的縱向距離，m；u——設(shè)計(jì)流量下河道斷面的平均流速，m/s；K——污染物綜合降解系數(shù)，1/s；C(x)——流經(jīng)x距離后的污染物濃度，mg/L；Qp——廢污水排放流量，m3/s；Q——初始斷面的入流流量，m3/s；M——水域納污能力，kg/s。

當(dāng)入河排污口位于計(jì)算河段的中部時(shí)(即x=L/2)，水功能區(qū)下斷面的污染物濃度及其相應(yīng)的水域納污能力分別按式(3)和(4)計(jì)算:

式中 m——污染物入河速率，g/s；Cx=L——水功能區(qū)下斷面污染物濃度，mg/L；L——計(jì)算河段長(zhǎng)度，m；其余符號(hào)意義同前。

3 納污能力計(jì)算

影響水域納污能力的要素很多，概括起來(lái)主要有以下5 個(gè)方面:①水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；②水體自凈能力；③水體的自然背景值；④排污口的分布方式；⑤水量[14]。

3.1 計(jì)算原則

a)通順河干流原則上不允許新增排污口，因此干流河道納污能力計(jì)算的概化排污口僅為現(xiàn)狀排污口，根據(jù)排污口排污量與混合帶長(zhǎng)度響應(yīng)關(guān)系，確定每個(gè)概化排污口限定的混合帶長(zhǎng)度。

b)研究河道初始斷面為潛江境內(nèi)澤口閘，澤口閘從漢江引水，取漢江的水質(zhì)現(xiàn)狀作為初始斷面污染物背景濃度值，即COD≤15 mg/L，NH3-N≤0.5 mg/L，TN≤0.5 mg/L，TP≤0.1 mg/L為項(xiàng)目計(jì)算河段的初始斷面污染物。 河道水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類[15]。

c)通順河為有水利工程控制河流，采用最小下泄流量或河道內(nèi)生態(tài)基流作為設(shè)計(jì)流量。

d)采用模型法和污染負(fù)荷法分別計(jì)算通順河干流水功能區(qū)(保留區(qū))納污能力，經(jīng)綜合分析后選取合適的值。 對(duì)于水質(zhì)達(dá)標(biāo)的保留區(qū)，一般采用污染負(fù)荷法成果作為該保留區(qū)納污能力；對(duì)于水質(zhì)超標(biāo)的保留區(qū)，采用模型法計(jì)算成果作為該保留區(qū)納污能力。

3.2 計(jì)算水文條件

通順河水系整體為閘控河流，河道水量受澤口閘引水量影響。 根據(jù)《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》，可采用最小下泄流量或河道內(nèi)生態(tài)基流作為通順河設(shè)計(jì)流量。

根據(jù)《潛江、仙桃兩地跨界污染協(xié)調(diào)工作機(jī)制》(鄂環(huán)發(fā)〔2012〕26 號(hào))要求，為確保通順河常年保持正常生態(tài)流量，現(xiàn)狀枯水季節(jié)應(yīng)確保澤口閘取水流量不少于10 m3/s。 本研究通順河現(xiàn)狀(2018 年)設(shè)計(jì)流量取10 m3/s。

為提高通順河流域水環(huán)境承載能力，《通順河流域水環(huán)境綜合整治方案》確定了通順河不同水平年所需的生態(tài)補(bǔ)水流量，其中2020 年取水流量不少于13 m3/s，2022 年取水流量不少于15 m3/s。

3.3 模型參數(shù)

3.3.1 河段長(zhǎng)度及水質(zhì)現(xiàn)狀

通順河全長(zhǎng)195.0 km，目標(biāo)水質(zhì)為Ⅲ類。 通順河潛江段、仙桃段、武漢段的長(zhǎng)度分別為17.0、109.9、68.1 km，各段水質(zhì)現(xiàn)狀分別為Ⅳ、V、Ⅲ類。

3.3.2 擴(kuò)散系數(shù)和降解系數(shù)

影響污染物輸移的主要參數(shù)是擴(kuò)散系數(shù)D和降解系數(shù)Kd，本模型中將水平擴(kuò)散系數(shù)與水平渦粘度相關(guān)聯(lián)，擴(kuò)散系數(shù)隨流場(chǎng)的變化而改變。

參考湖北省內(nèi)相鄰類似河流的污染物降解系數(shù)研究成果，確定通順河干流水域主要污染物COD、NH3-N和TP的降解系數(shù)分別為0.15、0.20、0.10/d。

3.4 納污能力計(jì)算結(jié)果

3.4.1 2018 年計(jì)算結(jié)果

根據(jù)通順河流域入河污染物調(diào)查、排污口排查以及入河污染物計(jì)算分析結(jié)果，得到2018 年通順河主要污染負(fù)荷COD、NH3-N、TP的入河量分別為12 994.58、2 252.84、225.16 t/a。

根據(jù)通順河水功能區(qū)(保留區(qū))各河段水質(zhì)達(dá)標(biāo)現(xiàn)狀，潛江段、仙桃段河道水質(zhì)尚不達(dá)標(biāo)，武漢段水質(zhì)達(dá)標(biāo)。 由此可以確定通順河COD、NH3-N、TP的納污能力核算結(jié)果分別為9 590.05、769.05、140.91 t/a(表1)。

3.4.2 2020 年生態(tài)補(bǔ)水后計(jì)算結(jié)果

根據(jù)湖北省環(huán)境科學(xué)研究院編制的《通順河流域水環(huán)境綜合整治方案》，到2020 年，通順河流域跨界斷面水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅳ類以上，即通順河保留區(qū)水質(zhì)得到很大改善，但潛江段、仙桃段水質(zhì)仍未能達(dá)標(biāo)。 根據(jù)《通順河流域水環(huán)境綜合整治方案》，通順河現(xiàn)狀(2018 年)設(shè)計(jì)生態(tài)流量為10 m3/s，2020年設(shè)計(jì)生態(tài)流量為13 m3/s，2022 年設(shè)計(jì)生態(tài)流量為15 m3/s，采用模型法和污染負(fù)荷法分別計(jì)算通順河保留區(qū)的納污能力后，經(jīng)綜合分析得到通順河2020 年COD、NH3-N、TP的納污能力核算結(jié)果分別為8 920.90、726.55、141.17 t/a(表1)。

3.4.3 2022 年生態(tài)補(bǔ)水后計(jì)算結(jié)果

根據(jù)湖北省環(huán)境科學(xué)研究院編制的《通順河流域水環(huán)境綜合整治方案》，通過(guò)綜合治理，到2022年通順河干流水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅲ類以上，潛江、仙桃、武漢段均基本達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)。 采用模型法和污染負(fù)荷法分別計(jì)算通順河保留區(qū)的納污能力后，經(jīng)過(guò)綜合分析得到通順河2022 年COD、NH3-N、TP的納污能力核算結(jié)果分別為9 255.51、1 708.99、185.89 t/a(表1)。

表1 不同引水流量下納污能力計(jì)算結(jié)果對(duì)比單位:t/a

3.5 結(jié)果分析

3.5.1 各引水條件下模型法計(jì)算結(jié)果分析

在10、13、15 m3/s3 種引水規(guī)模下，采用納污能力計(jì)算數(shù)學(xué)模型對(duì)通順河干流水體進(jìn)行納污能力計(jì)算。 由圖2 可以看出各主要污染物的納污能力計(jì)算結(jié)果與引水規(guī)模的大小并不成正相關(guān)關(guān)系，因?yàn)榧{污能力計(jì)算模型為多參數(shù)非線性模型，計(jì)算結(jié)果受多個(gè)參數(shù)制約。

圖2 模型法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.5.2 污染負(fù)荷法計(jì)算結(jié)果分析

選取2017年8月～2018年8月在我院治療的神經(jīng)內(nèi)科患者180例作為研究對(duì)象，將其隨機(jī)分為對(duì)照組與觀察組，各90例。其中，觀察組男52例，女38例，年齡45～78歲，平均年齡（63.47±5.25）歲，腦出血8例.腦梗死65例，肌萎縮側(cè)索硬化17例；對(duì)照組男50例，女40例，年齡45～79歲，平均年齡（63.52±5.16）歲，腦出血7例、腦梗死62例、肌萎縮側(cè)索硬化21例。兩組患者一般資料對(duì)比，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。所有患者及其家屬均知曉本次實(shí)驗(yàn)的研究目的、方法和意義，自愿配合，且經(jīng)我院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)同意。

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及通順河流域治污力度的不斷加強(qiáng)，各水平年入河污染物量隨時(shí)間的推移不斷減少(圖3)。

圖3 污染負(fù)荷法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.5.3 綜合納污能力核算結(jié)果分析

各水平年納污能力最終核算結(jié)果綜合參考了模型法、污染負(fù)荷法的計(jì)算成果，一般認(rèn)為該結(jié)果最為合理。 從圖4 可知，規(guī)劃2022 年引水規(guī)模為15 m3/s、入河污染負(fù)荷大幅度削減的條件下，通順河干流水體中各主要污染物的納污能力最大，這為規(guī)劃年Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了較為合理的研究基礎(chǔ)。

圖4 綜合納污能力核算結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

本文根據(jù)通順河干流水文水質(zhì)資料，按照規(guī)程法和污染負(fù)荷法分析了通順河干流各引水條件下的水域納污能力。 主要結(jié)論如下。

a)引水規(guī)模對(duì)閘控河道的納污能力有一定的影響，但由于受到多參數(shù)制約，所以并不呈現(xiàn)出完全正相關(guān)關(guān)系，選取合適的引水規(guī)模有利于河道自凈能力的增強(qiáng)。

b)隨著流域水污染治理工程的不斷推進(jìn)，河道引水規(guī)模越大，需要削減的污染物量越小。 為實(shí)現(xiàn)通順河水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，結(jié)合河道污染負(fù)荷入河量和納污能力計(jì)算結(jié)果，2018 年引水規(guī)模10 m3/s時(shí)，通順河需削減的COD、NH3-N、TP污染物量分別為3 404.53、1 483.79、84.25 t/a；2020 年引水規(guī)模13 m3/s時(shí)，通順河需削減的污染物量分別為1 717.36、1 110.55、50.65 t/a；2022 年引水規(guī)模15 m3/s時(shí)，通順河需削減的各種污染物量均為0。

根據(jù)湖北省生態(tài)環(huán)境廳2020 年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通順河流域跨界斷面(港洲村斷面)水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅳ類。 為更好地保護(hù)水環(huán)境綜合整治成果，提出如下建議。

a)在確保防汛安全基礎(chǔ)上，探索通順河流域水資源和水生態(tài)聯(lián)合調(diào)度機(jī)制，為河流提供休養(yǎng)生息、生態(tài)恢復(fù)的生態(tài)基流。

b)依據(jù)現(xiàn)有閘壩調(diào)度情況，結(jié)合通順河污染現(xiàn)狀、流經(jīng)區(qū)縣現(xiàn)行工程情況及未來(lái)規(guī)劃措施，針對(duì)水質(zhì)改善提出科學(xué)可行的閘壩調(diào)度措施，為河道治理提供依據(jù)及對(duì)策。