賈 峰

(遼寧省營(yíng)口水文局，遼寧 營(yíng)口 115003)

河道的納污能力通常可采用數(shù)學(xué)模型法進(jìn)行計(jì)算，污染物進(jìn)入河道后可在短距離內(nèi)達(dá)到均勻分散狀態(tài)，故可采用一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型對(duì)污染物濃度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，Cx—污染物徑流x距離后的均勻濃度，mg/L；C0—污染物初始界面濃度，mg/L；K—污染物綜合衰減系數(shù)，1/s；x—河道縱向距離，m；u—河道斷面平均流速，m/s。

河道納污能力可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

M=(Cs-Cx)(Q0+Qp)

(2)

式中，M—河道納污能力，kg/s；Cs—水體目標(biāo)濃度，mg/L；Q0—初始斷面如流量，m3/s；Qp—污水排放量，m3/s。

大量的實(shí)際案例和研究結(jié)果表明，河道內(nèi)排污口的位置分布對(duì)河道納污能力可產(chǎn)生明顯的影響，當(dāng)河道存在大量的排污口且分布位置相對(duì)較為集中時(shí)，可結(jié)合排污口對(duì)河道水質(zhì)的影響范圍和程度進(jìn)行適當(dāng)?shù)臍w并和簡(jiǎn)化處理[1]。GB525173- 2010《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》分別對(duì)河道上游和中游排污口集中區(qū)域的納污能力計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹；當(dāng)河道內(nèi)排污口分布較為分散，可作均勻化處理的狀況，規(guī)程中給出響應(yīng)的計(jì)算公式推薦方法。對(duì)排污口較為分散且可作為均勻性處理時(shí)，傳統(tǒng)的計(jì)算方法是采用卡普修正法，該方法的基本原理是將上游及測(cè)流排入河道的污染物濃度按照同步長(zhǎng)進(jìn)行疊加計(jì)算，然后對(duì)水質(zhì)模型解析式進(jìn)行求解分析河道納污能力。韓龍喜等學(xué)者通過(guò)求解納污能力微分方程，得到了均勻污染源河道的納污能力另一種計(jì)算方程。其計(jì)算方法在建模過(guò)程中，未考慮河道徑流量變化情況，且未考慮河道對(duì)污染物自凈功能的影響，故其河道納污能力計(jì)算適用范圍受到一定的限制，僅適用于河道流量恒定且不考慮河道自凈作用的納污能力計(jì)算。據(jù)此，文章結(jié)合一維水質(zhì)計(jì)算模型，充分考慮河段徑流變化對(duì)污染物的稀釋作用和河道自凈功能，通過(guò)分段推演計(jì)算得出了適用于中小河流的納污能力計(jì)算遞推公式，能夠有效解決點(diǎn)、面源污染和河道徑流等多種因素影響下的河道納污能力計(jì)算問(wèn)題[2- 5]。

1 遞推公式計(jì)算

設(shè)定L為河道縱向長(zhǎng)度，排污口向河道內(nèi)的排放污染物總量為CpQp，Cp為河道污染物濃度，河道區(qū)間徑流量為q，則河段水功能劃分如圖1所示。

圖1 河段水功能及污染物入河示意圖

結(jié)合污染物均勻混合基本原理，入河污染物均勻混合后在河道初始斷面的污染物濃度可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中，C—污染物均勻混合后在河道初始斷面的污染物濃度；其他各字母代表的含義同公式(1)和公式(2)。

根據(jù)公式(3)和公式(1)可對(duì)污染物在河道第1分段末端出口斷面的濃度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(4)

將上述公式計(jì)算結(jié)果C1作為第2分段的污染物入流濃度，以Q1作為第2分段的入流流量，Q1按下式進(jìn)行計(jì)算：

Q1=Q0+Qp/n+q/n

(5)

按照計(jì)算流程和公式進(jìn)行反復(fù)迭代計(jì)算，則污染物在河道第2分段末端出口斷面的濃度為：

(6)

同理，Q2作為第2分段的入流流量為：

Q2=Q1+Qp/n+q/n

(7)

按照上述計(jì)算方法和流程可以對(duì)河道內(nèi)任意一分段末端出口斷面的污染物濃度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程如下：

(8)

式中，i—0，1，2，……，n-1；Qi+1=Qi+Qp/n+q/n—第i+2分段的河道入流流量。

當(dāng)i為n-1時(shí)，污染物在下游河段的控制斷面處的濃度按下式進(jìn)行計(jì)算：

(9)

因上述計(jì)算公式中相同參數(shù)較多，迭代使用次數(shù)較為頻繁，為提高計(jì)算過(guò)程的簡(jiǎn)便性和快捷性，可對(duì)公式(8)進(jìn)行簡(jiǎn)化和設(shè)定，設(shè)：

(10)

公式(8)簡(jiǎn)化后的公式如下：

(11)

對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的編程或公式的設(shè)定可非常簡(jiǎn)單快捷地完成上述公式的計(jì)算，不僅提高了河道在任意斷面的污染物濃度計(jì)算速率，而且有效地降低了因計(jì)算誤差造成的計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)。

最后，利用水量質(zhì)量平衡基本原理可對(duì)河道的納污能力進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的計(jì)算，計(jì)算公式如下：

M=(Cs-Cn)(Q0+Qp+q)

(12)

上述計(jì)算過(guò)程中各字母所表達(dá)的含義相同，可參考公式(1)和公式(2)中的字母含義。

2 分段數(shù)及徑流區(qū)間影響性分析

通過(guò)分析河道納污能力的遞推公式和計(jì)算過(guò)程可知，河道分段和區(qū)間徑流量可對(duì)河道納污能力計(jì)算產(chǎn)生明顯的影響，為了對(duì)河道分段和區(qū)間徑流對(duì)河道納污能力的影響程度進(jìn)行全面準(zhǔn)確的表征，文中設(shè)定一系列虛擬數(shù)據(jù)做研究分析[6]。

設(shè)定某一河道長(zhǎng)度L為6km，污染物在河道的初始斷面入流濃度C0為18mg/L，河道入流量Q0為10m3/s；排污口濃度Cp為250mg/L，污染物排污總量Qp為1.2m3/s；在控制斷面處的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Cs為35mg/L；河道排污口分布較為分散，且滿足均勻性設(shè)定要求，故污染物在河道徑流區(qū)的濃度和徑流量可假定與上游河道入流斷面處相同，即Cq為18mg/L，q為1.2m3/s；河道的綜合衰減系數(shù)為K為0.16/d，河道水流平均流速u為0.2m/s。

在污染物入河均勻的情況下，分別以河道分段節(jié)點(diǎn)數(shù)以及是否存在徑流區(qū)間為變量，對(duì)河道納污能力進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)不同排污口位置引起的河道納污能力進(jìn)行定量分析[7]。文中以節(jié)點(diǎn)數(shù)10作為基準(zhǔn)，分別對(duì)不同位置和分段區(qū)間組合條件下的河道納污能力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果的差異性對(duì)比分析見(jiàn)表1，如圖2所示。

圖2 河道納污能力隨河道分段節(jié)點(diǎn)數(shù)n的變化曲線

通過(guò)分析表1和圖2可知：污染物排污口分布位置集中和均勻分散對(duì)河道納污能力計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，對(duì)于不考慮徑流區(qū)間且排污口集中在上游時(shí)河道排污能力最大是基準(zhǔn)能力的70.8%，當(dāng)考慮徑流區(qū)間影響時(shí)排污口處于上游時(shí)納污能力為基準(zhǔn)的42.6%；通過(guò)對(duì)比同一位置的河道排污口計(jì)算結(jié)果可知，河道納污能力的評(píng)價(jià)計(jì)算應(yīng)分析是否考慮河道徑流區(qū)間的影響，徑流區(qū)間可對(duì)納污能力計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生顯著影響；根據(jù)圖2曲線變化趨勢(shì)可知，污染物入河濃度隨河道分段節(jié)點(diǎn)的增大趨于均勻，且河道納污能力隨分段節(jié)點(diǎn)的增大而表現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，分段節(jié)點(diǎn)小于5時(shí)曲線變化幅度較大，當(dāng)n大于5時(shí)曲線變化逐漸趨于平衡穩(wěn)定；排污口集中于河道中游時(shí)，河道納污能力進(jìn)一步降低，相比基準(zhǔn)納污能力分別降低了3.5%和8.2%，且不考慮河道區(qū)間徑流的影響變化大于考慮河道徑流區(qū)間的變化值，河段區(qū)間徑流對(duì)中游河段的納污能力影響所表現(xiàn)出的規(guī)律性同上游河段保持一致。綜上所述，污染物排污口的空間結(jié)構(gòu)分布狀況和數(shù)量可對(duì)河道納污能力的計(jì)算產(chǎn)生較為顯著的影響，當(dāng)河道沿河排污口數(shù)量較多且分布較為分散時(shí)可設(shè)置于河道上游并做均勻分布化處理，當(dāng)河道拍排污口較為集中且為數(shù)不多時(shí)可將污染物在河道中游做集中排放處理[8]。

中小型河流的上游徑流量一般不大，其河道斷面初始入流量較小，故河道徑流區(qū)間和排污口入流能力對(duì)河道納污能力的影響相對(duì)較大，即河道自凈能力受河道污染物排放量的影響較大[9]。在文章的研究案例中，河道區(qū)間徑流量明顯小于河道的初始斷面入流量，而徑流區(qū)間引起的河道納污能力與基準(zhǔn)納污能力相差將近1.2倍，故河道納污能力應(yīng)充分考慮河道排污口的入流量，以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和全面性。

綜上所述，河道納污能力的計(jì)算應(yīng)根據(jù)排污口的分布狀況做均勻處理，對(duì)中小河流徑流區(qū)間內(nèi)的點(diǎn)、面源污染對(duì)河道污染物濃度可產(chǎn)生明顯影響，計(jì)算時(shí)采用文章計(jì)算推導(dǎo)的公式可使計(jì)算結(jié)果更加全面、準(zhǔn)確、合理。中小河流納污能力計(jì)算中河段區(qū)間分節(jié)點(diǎn)應(yīng)不小于5，可準(zhǔn)確地對(duì)河道任意區(qū)段的納污能力變化趨勢(shì)進(jìn)行客觀、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)[10]。

3 結(jié)論

為了解決河道因點(diǎn)、面源污染和區(qū)間徑流變化導(dǎo)致的河道納污能力計(jì)算不準(zhǔn)和靜態(tài)分析的缺陷，文章首先對(duì)一維納污能力的計(jì)算原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并遞推出了適用于中小河流的一維納污能力分析計(jì)算公式，在充分考慮了河道自凈功能以及污染物沿河徑流濃度稀釋變化的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算機(jī)編程或公式列表計(jì)算方法對(duì)河道污染物濃度進(jìn)行計(jì)算。文中遞推出的計(jì)算方法簡(jiǎn)便快捷，基本原理清晰易懂，可全面、準(zhǔn)確地對(duì)中小河流在多種因素綜合作用下的納污能力計(jì)算。

對(duì)于中小河流，河流的徑流量和縱向長(zhǎng)度一般不大，故河道納污能力受排污口的位置和污染物入流量影響較大，當(dāng)排污口較多且分布較為分散時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行均勻化處理，否則可導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的偏大，造成河道納污能力的預(yù)測(cè)不準(zhǔn)，大量的污染物流入河體可嚴(yán)重破壞河道的水資源和生態(tài)水系統(tǒng)。根據(jù)文章的研究成果可有效解決因納污能力預(yù)測(cè)不準(zhǔn)導(dǎo)致水資源生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重破壞的問(wèn)題。

當(dāng)沿河道徑流方向存在面源污染時(shí)，應(yīng)考慮河道徑流的沿河稀釋作用，對(duì)污染物沿河濃度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控計(jì)算，河道分段是進(jìn)行污染物沿河濃度計(jì)算的重要影響因素，對(duì)于中小河流河道分段節(jié)點(diǎn)數(shù)一般不應(yīng)小于5。

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