英德市水功能區(qū)納污能力核算與分析

劉 康

(清遠市水利水電勘測設(shè)計院有限公司，廣東 清遠 511500)

水域水功能區(qū)的納污能力是指滿足水質(zhì)目標(biāo)時，在設(shè)計水文條件下，水體環(huán)境能夠承受某種污染物的能力[1]。英德市水功能區(qū)納污能力受河流徑流量、水質(zhì)目標(biāo)及污染物降解能力影響，建立計算模型需綜合考慮以上因素。根據(jù)水功能區(qū)劃分的單元和斷面設(shè)計流量(水量或水位)，結(jié)合水源地與排污口布局調(diào)查結(jié)果計算入河排污口的主要污染物及其含量，能夠為水功能區(qū)的納污能力核算與分析提供依據(jù)。

英德市水功能區(qū)納污能力核算與分析的模擬指標(biāo)由水質(zhì)評價和入河污染物評價確定，一般確定為規(guī)劃河段內(nèi)現(xiàn)狀水質(zhì)和入河排污口中主要污染物。根據(jù)珠江片區(qū)以往研究成果，河流型水功能區(qū)納污能力計算采用COD、氨氮作為污染物控制指標(biāo)，水庫型水功能區(qū)納污能力計算采用COD、氨氮、TN、TP作為污染物控制指標(biāo)。

1 區(qū)域概況

英德市位于廣東省中北部，南嶺山脈東南部，北江中游，轄區(qū)國土面積5 634.29 km2，是廣東省面積最大的縣級行政區(qū)，英德市地理位置見圖1。

圖1 英德市行政區(qū)劃圖

英德市一級水功能區(qū)區(qū)劃河流22條、水庫24宗，其中：河流區(qū)劃河長1 002.5 km，水庫區(qū)劃總庫容53 058萬 m3。全市共區(qū)劃一級水功能區(qū)48個。保護區(qū)10個，均為河流水功能區(qū)；保留區(qū)13個，其中河流水功能區(qū)9個，水庫水功能區(qū)4個；緩沖區(qū)0個；開發(fā)利用210區(qū)25個。全市共區(qū)劃二級水功能區(qū)劃25個，按水域類型分：河流二級區(qū)5個，水庫二級區(qū)20個。按水功能區(qū)類別分：飲用水源區(qū)7個，其中河流3個，水庫4個；農(nóng)業(yè)用水區(qū)16個，均為水庫水功能區(qū)；工業(yè)用水區(qū)2個，均為河流水功能區(qū)。英德市水系分布見圖2。

圖2 英德市水系圖

2 水功能區(qū)納污能力核定

2.1 納污能力計算模型

2.1.1 河流水功能區(qū)納污能力計算模型

根據(jù)英德市轄區(qū)內(nèi)水域的形態(tài)特征和稀釋混合特性，將河流分為狹長型單向河流、寬闊型單向河流兩種類型，分別采用不同的方法計算其納污能力。

狹長型單向河流是指枯水期水面寬小于200 m且流向一定的河段，根據(jù)一維衰減模型，忽略垂向離散，水功能區(qū)的污染物衰減通常用一級動力方程計算。本次計算英德市河流水功能區(qū)屬狹長型單向河流，納污能力計算以一維模型為主，為方便計算，一般將多個排污口作為一個排污口，該排污口位于河段中點的位置。假設(shè)河段為L，集中排污口的自凈長度為L/2，其中河道的流量忽略，則下游控制斷面污染物的濃度為：

(1)

式中：M為河道納污能力，g/s；CX=L為水功能區(qū)下游控制斷面的污染物濃度，mg/L；C0為起始斷面污染物濃度，mg/L；K為污染物綜合衰減系數(shù)，1/s；L為計算河段長度，m；μ為設(shè)計流量下河流斷面的平均流速，m/s；Q為設(shè)計流量，m3/s。

根據(jù)英德市水功能區(qū)控制斷面的水質(zhì)目標(biāo)，采用以下模型可以核算出各水功能區(qū)的納污能力：

M=(Cs-C0exp(-KL/2μ))×exp(-KL/2μ)×Q

(2)

式中：Cs為河段水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L；河流一維衰減模型的條件：污染物在控制斷面的橫斷面上混合均勻，且流量小于150 m3/s的河流。本次進行納污能力分析的河流為英德市管理的16個水功能區(qū)河流，河流流量較小，均滿足河流一維衰減模型。

2.1.2 湖(庫)水功能區(qū)納污能力計算模型

湖(庫)均勻混合模型適用于污染物均勻混合的小型湖(庫)，湖(庫)非均勻混合模型適用于污染物非均勻混合的大、中型湖(庫)，湖(庫)富營養(yǎng)化模型適用于富營養(yǎng)化型湖(庫)，湖(庫)分層模型適用于溫度分層的湖(庫)。

分析英德市水庫的污染物濃度，可以發(fā)現(xiàn)水功能區(qū)的水體混合均勻，沒有分層現(xiàn)象，且水體在水庫中的停留時間較長，因此可以采用以下的均勻合混合模型計算水庫中的COD、HN3-N、TN和TP納污能力。

均勻混合模型為：

(3)

其中：Kb=QL/V+K

(4)

M0=C0QL

(5)

式中：C(t)為t時間內(nèi)的污染物濃度，mg/L；Ms為水庫的納污能力，g/s；m0為污染物排放速率，g/s；Kb為中間變量，l/s；V為水庫庫容，m3；Ch為水質(zhì)現(xiàn)狀濃度，mg/L；t為停留時間，s；QL為出庫流量，m3/s；K為污染物綜合衰減系數(shù)，l/s；Cs為出庫水質(zhì)濃度，mg/L。

(6)

其中：MN=CSKBV-m0=CSKV+CSQ-m0

(7)

式中：Cs為水質(zhì)目標(biāo)濃度，mg/L；Q為入庫流量，m3/s。本次進行納污能力分析河流為英德市管理的18宗水功能區(qū)水庫，均為小型水庫且污染物混合較為均勻，均滿足混合均勻模型計算條件。

2.2 水文條件

2.2.1 設(shè)計流量的選取

水環(huán)境容量計算模型中，各河段流量空間分布的計算方法取決于該河段資料情況和集水區(qū)的特性。根據(jù)河段的資料情況，該河流分為四種類型并分別估算其設(shè)計流量。

1)直接有流量控制站的控制單元

對于這類控制單元，直接引用各水文站近10年最枯月流量或90%保證率最枯月流量。

2)鄰近控制站與計算單元的水文控制站相似

(1)當(dāng)鄰近控制站與某計算單元的水文控制站相似時，可采用以下?lián)Q算公式：

(8)

式中：Qsj為計算單元流量，Qcz為鄰近單元流量，Asj為本單元集雨面積，Acz為鄰近單元的集雨面積。

(2)當(dāng)某計算單元上、下游均有水文站時，用上、下游兩站的設(shè)計流量，用內(nèi)插法求取該計算單元的設(shè)計流量：

(9)

2)鄰近有流量控制站，但兩單元的降雨量相差較大

如果某計算單元與參證單元的自然條件相近，但降雨量與其有較大差別時，不能直接移用參證單元的設(shè)計流量，而要考慮降雨量的修正，同時用集雨面積和降雨量的比值與設(shè)計流量相乘，其計算公式為：

(10)

式中：Psj為本計算單元的年降雨量，Pcz為參證單元的年降雨量。

2.2.2 水庫庫容選取

英德市水庫的設(shè)計流量依據(jù)水庫近10 a的最低月平均水位，或者采用90%保證率下水庫的最枯月平均水位對應(yīng)的蓄水量；納污能力分析計算設(shè)計水文條件下水庫容積采用水庫死庫容進行計算。

2.3 降解系數(shù)的選取

根據(jù)《全國地表水水環(huán)境容量核定技術(shù)復(fù)核要點》中提出的水質(zhì)降解系數(shù)參考值，詳見表1，英德市管理水功能區(qū)境內(nèi)河流和水庫取值如下：

(1)河流COD、氨氮降解系數(shù)取值：COD：Ⅱ～Ⅲ類為0.21(1/d)；Ⅲ～Ⅳ類為0.14(1/d)；Ⅴ～劣類為0.08(1/d)；氨氮：Ⅱ～Ⅲ類為0.18(1/d)；Ⅲ～Ⅳ類為0.12(1/d)；Ⅴ～劣類為0.08(1/d)。

(2)水庫COD、氨氮降解系數(shù)取值：COD：Ⅱ～Ⅲ類為0.08(1/d)；Ⅲ～Ⅳ類為0.05(1/d)；Ⅴ～劣類為0.03(1/d)；氨氮：Ⅱ～Ⅲ類為0.08(1/d)；Ⅲ～Ⅳ類為0.05(1/d)；Ⅴ～劣類為0.03(1/d)；水庫TP、TN的降解系數(shù)參考《從化區(qū)水功能區(qū)納污能力核定及限制排污總量控制方案》的取值，分別為0.06(1/d)、0.08(1/d)。

表1 水質(zhì)降解系數(shù)參考值(1/d)

2.4 計算結(jié)果

2025水平年及2035水平年，英德市管理水功能區(qū)對COD的納污能力分別為16 382 t、13 582 t，對氨氮的納污能力分別為652 t、417 t；其中河流水功能區(qū)對COD的納污能力分別為15 507 t、12 788 t，對氨氮的納污

能力分別為636 t、406 t；水庫水功能對COD的納污能力分別為875 t、793 t，對氨氮的納污能力分235別為15.4 t、10.8 t。水庫水功能對TP的納污能力分別為2.76 t、1.94 t，對TN的納污能力分別為25.5 t、19.9 t。

3 結(jié)語

水域水功能區(qū)劃的目的是為實現(xiàn)水資源合理開發(fā)利用和有效保護提供基礎(chǔ)，為確定重點保護功能區(qū)，強化環(huán)境保護目標(biāo)管理提供依據(jù)。英德市根據(jù)水功能區(qū)劃分的單元和斷面設(shè)計流量(水量或水位)，結(jié)合水源地與排污口布局調(diào)查結(jié)果計算2025年、2035年英德市管理水功能區(qū)納污能力，為制定污染物排放總量控制方案提供了依據(jù)。英德市應(yīng)根據(jù)核算結(jié)果，結(jié)合排污現(xiàn)狀制定排污控制規(guī)劃，推進防污減排工作，為水資源可持續(xù)利用提供支撐。