山东省水功能区纳污能力及污染物总量控制分析

生态水利
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山东省水功能区纳污能力及污染物总量控制分析
娄山崇 王立萍 刘祥栋 邢文洁 于志强
摘 要 :通过对山东省水功能区划内河流基本情况的分析
,采用适宜的数学模型来客观描述水体自净或污
染物降解过程 ,建立水体中污染物的排放与受纳水体水质之间的关系
,在给定功能区现状的和规划的水质目
( C s ) 是根据过渡
区的下断面浓度应用式
( 2 ) 反推得到 。 ②排污控制区
下接除过渡区外的其它水功能二级区
, 则它的下断面
浓度 ( C s) 即为下一个功能区的水质目标
。
2 纳污能力计算成果 根据设计条件计算
,山东省 COD 和 N H 3 - N 的
纳污能力分别为 16 1 78 万 t/ a 和 01 95 万 t/ a ,其中淮
,
确定以 CODcr 和氨氮作为纳污能力计算和污染物总
量控制的因子 。
11 21 2 污染物综合降解系数
( K)
对于径流量较小的河流
,污染物综合降解系数是
决定河流水体纳污能力的最重要因素之一
。该系数
常用实测资料率定或水团追踪法求取
, 也可用已有研
究资料经类比分析确定
。 污染物综合降解系数
K值
的实测资料率定通常用二断面法
标 、设计水量 、水质背景条件 、排污口位置及排污口排放方式的前提下 ,定量地给出现状的和规划的水功能区纳
污能力 。根据各市经济和社会发展规划 ,预测各规划水平年工业和生活污染物的排放量和入河量
。依据水体
功能和各地经济社会发展的差异 ,结合纳污能力计算成果 ,提出不同规划水平年不同功能区污染物入河控制量
, 有近半数的功能
区设计流量为零 ,因此 ,考虑到山东省的实际情况
,对
于有水文资料的河段
,选取 1980 ～ 1999 年共 20 年的
水文资料系列 ,取 75 % 典型年非汛期平均流量作为本
次规划的设计流量
。 无水文资料的河段
,距水文站较
近则直接借用邻近水文站的设计流量
, 不能借用的河
段采用水文比拟法求得
纳污能力 (t/ a)
COD 纳污能力
N H3 - N 纳污能力
154915
7715
564714
9916
996910
140016
2112015
118913
2787216
151716
8732418
456813
9411 2
4711
2151 7
1015
124401 5
61514
7651 6
3718
质目标和设计流量的条件下
,河段所具有的最大纳污
能力 , 比较适用于我国北方天然径流较小的河流 对于设计流速较小而计算河段长度较长
。 ,污染物
在河道内的传输时间较长的功能区
, 在应用模型计算
时对污染物在河道内的自净时间进行了限制
,在确定
了污染物综合衰减系数
K 的条件下 , COD 的最大自
净时间不能大于
, 污染物在较短
的河段内基本上能混合均匀
,且污染物浓度在断面横
向方面变化不大 ; 或者是计算河段较长
, 横向和垂向
的污染物浓度梯度可以忽略的河段
。
11 11 1 浓度演算模型 对于宽深比不大的中小河流
, 污染物质在较短的
河段内 ,基本能在断面内均匀混合
, 断面污染物浓度
横向变化不大 ,可采用以下一维水质模型计算水功能
, 其背景浓度一般采用
上一个功能区的水质目标
。 个别河流中 ,由于上下游
之间或不同行政区间水资源开发利用程度不同 功能的差别导致水质控制目标相差较大
, 水体 , 这种情况
下 , 某些计算单元的背景浓度在其功能区水质目标允
许变化范围内 ,结合实际情况作适当调整
。 对于个别
功能区参数 、模型等选择合理
, 而出口水质仍不能达
,根据流域面积相近断面的已
知流量 ,可按下式换算 :
Q1
=
(
F1) F2
nQ
2
( 5)
式中 :Q 1 为相邻断面的流量
; F 1 为相邻断面的流
域面积 ;Q 2 为本断面的流量
; F 2 为本断面的流域面
积 ;n 为校正系数 。
11 21 4 流速 ( U ) 对应设计流量下的计算单元的设计流速
, 采用以
,m 3 / s ;
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山东水利 / 2006 年第 4 期
U 为计算单元设计流量下的设计流速
,m/ s 。
该模型在不考虑污水进入水体后的混合过程的
前提下 ,考虑现有排污口的实际状况
, 如位置 、水量等
对纳污能力计算的影响
,并在具体计算时对排污口的
位置进行概化 。 该模型反映了计算单元在确定的水
和污染物的削减量 。
关键词 :水质模型 ; 纳污能力 ;预测 ; 总量控制
水体纳污能力是指在给定的水质目标
、设计水量
及水质背景条件 、排污口位置及排污方式的情况下
,
水体所能容纳的最大污染物量
。
1 水质模型与参数
11 1 水质模型
为了客观描述水体自净或污染物降解过程
, 较准
确地计算出河段的纳污能力
百分比 ( %) 111 8 211 7 51 5 81 1 61 8 11 5 21 0 61 0 131 6 21 5 11 2 41 6 01 4 61 9 31 3 11 3 21 9
N H3 - N 纳污能力 11381 9 24641 5 4301 3 7131 4 5671 1 1831 1 1661 9 4701 3 16321 1 1711 6 971 6 3181 3 391 0 4821 7 2791 2 1111 7 2411 5 95081 1
并不小 ,主要是南水北调东线输水工程要求的水质保
护目标普遍大幅度提高
,因而降低了功能区的纳污能
力。
行政区
滨州市 德州市 东营市 菏泽市 济南市 济宁市 莱芜市 聊城市 临沂市 青岛市 日照市 泰安市 威海市 潍坊市 烟台市 枣庄市 淄博市 合计
表 2 纳污能力行政区统计结果
纳污能力 (t/ a)
COD 纳污能力 197761 2 364051 3 92171 0 135701 4 113461 5 25251 4 33101 5 101531 3 227761 1 42221 9 19431 9 76421 5 7541 0 116461 1 55171 8 21621 2 48761 7 1678461 7
区的纳污能力 。
C
=
C e 0
(-
k
X 861 4U
)
( 2)
式中 : W 为计算单元的纳污能力
,t/ a ; K 为污染
物综合降解系数 ,1/ d ;C 0 为计算单元上断面污染物浓
度 ,mg/ 1 ;C s 为计算单元水质目标值
,mg/ 1 ;L 为功能
区长度 ,km ;Q 为计算单元上断面的设计流量
。采用以下公式 :
K = 86 1 4Uln
( C 1 ) /Δ X C2
( 4)
式中 : C 1 为河段上断面污染物浓度
, mg/ 1 ; C 2 为
河段下断面污染物浓度
, mg/ 1 ; U 为河段平均流速
,
m/ s ;Δ X 为上 、下断面的间距 解系数 ,d - 1 。
, m ; K 为污染物综合降
河流域 COD 纳污能力为 91 88 万 t/ a ,N H 3 - N 纳污
能力为 01 53 万 t/ a ; 黄河流域 COD 纳污能力为 11 06
万 t/ a ,N H 3 - N 纳污能力为
01 05 万 t/ a ; 海河流域
COD 纳污能力为 51 85 万 t/ a , N H 3 - N 纳污能力为
对 lnU 和 lnQ 采用近期不少于 50 次的断面实测
流量成果资料 得到待定系数
, 进行最小二乘法线性回归分析
, 进而
a 、b 的值 。 对于没有实测流速资料的
河段 ,借用附近区域的流量流速关系分析设计流速
。
11 21 5 背景浓度 ( C o ) 源头水水质 : 根据历史资料的分析得河流源头水
到功能区水质目标的
,根据规划反映出的问题
, 对功
能区划进行调整 。
11 21 6 下断面浓度 ( C s)
计算单元的下断面浓度一般采用该计算单元的
水质目标 。 但排污控制区本身没有水质控制目标
,它
生态水利
的下断面浓度 ( C s) 是这样确定的 : ①排污控制区下接
过渡区 ,则排污控制区的下断面浓度
污能力为 01 80 万 t/ a , 分别占全部功能区纳污能力的
89 1 8 % 和 831 5 % 。 保护区的纳污能力最小
。 水功能
二级区中 ,农业用水区的纳污能力最大
,COD 纳污能
力为 81 7 万 t/ a ,N H 3 - N 纳污能力为 01 46 万 t/ a , 分
别占二级区纳污能力的
COD 约为 5mg/ 1 左 右 , 氨氮 约为 01 15mg/ 1 左 右 。
因此 ,若计算单元为源头段时
, 其背景浓度则采用源
头水水质 。
根据水功能区划分和污染控制原则
,上一个功能
区不论接纳多少污染物质
,在进入下一个功能区时
,
其水质必须达到该功能区的水质目标要求
。依据这
一原则 ,计算单元非源头段时
, m/ s ; C 为下游断面污染物浓度
,
mg/ 1 。
11 11 2 纳污能力计算模型
对于一个纳污能力计算区段而言
, 其入河排污口
分布千差万别 ,为简化因排污口分布所带来的纳污能
力计算的复杂性 ,将计算河段内的多个排污口概化为
一个集中的排污口
, 概化排污口位于计算河段中点
处 , 相当于一个集中点源
K 值资
11 21 3 设计流量 ( Q ) 水功能区纳污能力计算的水文设计条件
,以计算
断面的设计流量域设计水量表水
, 不同保证率的设计
水量条件下 , 功能区纳污能力是不同的
, 具体到每个
纳污能力值都是对应一定保证率的设计水量而言
。
山东省河流大部分属于季节性河流
, 如果采用平偏枯
典型年的枯水期流量作为设计流量
, 可采用一定的数学模
型 。 水质数学模型以物质守恒定律和化学反应动力 学原理为基础 ,为河流中污染物的排放与河流水质提
供定量关系 。
dc = - KC
( 1)
dt
式中 : C 0 为上游断面污染的浓度
, mg/ 1 ; k 为污
染物综合自净系数 功能区内平均流速
,1/ d ; X 为功能区长度
, km ; U 为
7d , 氨氮的最大自净时间不能大于
14d 。 11 2 水质模型参数
如何确定符合客观实际的模型参数 计算的关键 。
,是纳污能力
11 21 1 控制因子 根据国家 “十五” 期间确定的水污染总量控制因
子 , 结合山 东省 地表 水污 染主 要以 有 机 污 染 为 主 ,
CODcr 和氨氮的超标倍数大且超标率高的实际情况
1678461 7
956317
21 2 按地级行政区纳污能力统计 水功能区的纳污能力计算结果按地级行政区进
行统计 ,统计结果见表 2 。
从表 2 看 ,全省纳污能力最大的市为德州市
水功能区多为农业用水区
, 水质保护目标较低
,其 ; 纳污
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能力最小的市为济宁市
,其水功能长度和水资源总量
下经验公式和设计流量来确定
。
U = aQ b
( 6)
式中 : u 为 断 面 平 均 流 速 , m/ s ; Q 为 流 量 值 , m 3 / s ;a 、b 为待定系数 。
待定系数 a 、b 的率定 ,是通过将 ( 6 ) 式取对数 ,可 得线性回归式 :
lnU = lna + lnQ
( 7)
58 1 0 % 和 57 1 2 % 。 其次是工
业用水区 ,各类型功能区纳污能力所占比例的高低主
要取决于设计条件和功能区的长度
。
表 1 纳污能力分功能区统计成果表
功能区
水功能一级区
水功能二级区
保护区
保留区
缓冲区
饮用水源区
工业用水区
开发利用
农业用水区 景观娱乐用水区
渔业用水区
排污控制区
合计
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
过渡区
, 该集中点源的实际自净长
度为计算河段长的一半
。 根据采用的一维水质模型
和排污口的概化情况
,山东省水功能区纳污能力的计
算采用式 ( 3 ) 模型 。
纳污能力计算的数学模型通常采用一维模型和
二维模型 。根据模型的适用条件
, 结合河流实际情
况 , 山东省水功能区的纳污能力计算均采用一维模
型。
一维模型主要适用于宽深比较小
01 37 万 t/ a 。
21 1 按功能区类型纳污能力统计 纳污能力计算单元为水功能区
, 根据各功能区纳
污能力计算结果按功能区类型进行统计
,统计结果见
表 1。
从表 1 看 ,水功能一级区中
,开发利用区的纳污
能力最大 ,COD 纳污能力为 15 1 1 万 t/ a ,N H 3 - N 纳
为分析污染物衰减规律
, 采用了以往 50 个河段
的 K 值实验结果 , 通过对 K 值的分析 ,得到对 K 值影
响最大的因素是河段平均流速
, 其次是水温 。 由相关
分析得 COD 的 K 值 : K = 01 050 + 01 68μ ;N H 3 - N 的
K 值 : K = 01 061 + 01 551μ ,关系式被用于没有 料的水功能区段 。