穆小玲 席獻(xiàn)軍 朱洪生 俞芳琴 向龍

摘要：以功能區(qū)整體水質(zhì)達(dá)標(biāo)控制與控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)控制的雙控管理為基礎(chǔ)，在充分考慮水環(huán)境自凈能力和水文條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)河流納污能力計(jì)算理論，采用流域單元斷面功能區(qū)達(dá)標(biāo)控制的分段概化、斷面分段計(jì)算方法，采用公式法、模型法、系統(tǒng)最優(yōu)化等傳統(tǒng)水環(huán)境容量計(jì)算方法，在排污口水質(zhì)達(dá)標(biāo)約束下，對賈魯河各水功能區(qū)的COD、氨氮水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算，確定各河段污染物最大允許入河量和削減量，并根據(jù)2017-2030年規(guī)劃COD、氨氮目標(biāo)含量下的納污總量分配，確保實(shí)現(xiàn)流域污染物削減和控制。按照入河污染物總量、斷面雙達(dá)標(biāo)的環(huán)境容量約束和削減方法，賈魯河（鄭州市區(qū)段）不僅能夠?qū)崿F(xiàn)功能區(qū)水質(zhì)控制目標(biāo)，而且可以實(shí)現(xiàn)全河段功能區(qū)達(dá)標(biāo)率約束下的排污權(quán)優(yōu)化調(diào)配。

關(guān)鍵詞：納污能力；納污總量控制；水質(zhì)模型；賈魯河

中圖分類號：X131.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.018

20世紀(jì)70年代以來，河流的納污容量從定性研究迅速過渡到定量計(jì)算[1]。隨著研究的不斷深入，特別是水環(huán)境數(shù)學(xué)模型應(yīng)用及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，逐漸形成了公式法[2-3]、系統(tǒng)最優(yōu)化法[4]、概率稀釋模型法[5]、模型試錯(cuò)法等水環(huán)境容量計(jì)算方法，盲數(shù)理論等[6-7]不確定性數(shù)學(xué)方法也引入其中。近期研究中重視水環(huán)境容量安全性問題，有學(xué)者提出了考慮不均勻系數(shù)的水環(huán)境容量計(jì)算公式[8]，不僅滿足斷面濃度達(dá)標(biāo)要求，而且考慮河段混合程度對納污總量的影響。還有學(xué)者提出了考慮設(shè)計(jì)河段水質(zhì)達(dá)標(biāo)比例、設(shè)計(jì)斷面水質(zhì)超標(biāo)幅度和設(shè)計(jì)河段計(jì)算單元長度的一維水環(huán)境容量計(jì)算方法，以及基于混合區(qū)不均勻系數(shù)修正的二維或準(zhǔn)三維水環(huán)境容量計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際。納污總量控制和斷面達(dá)標(biāo)約束控制下，綜合多種水環(huán)境容量計(jì)算方法，才能計(jì)算出合理的水功能區(qū)允許納污量，并據(jù)此確定各污染物的允許排放量，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域河流水體污染綜合治理與調(diào)控[9-10]。

目前，鄭州市河流水環(huán)境保護(hù)采取污染物達(dá)標(biāo)排放、排污許可證制度等，把環(huán)境管理工作由污染物濃度控制向總量控制推進(jìn)[11]，從而實(shí)現(xiàn)納污總量控制和斷面達(dá)標(biāo)約束的雙控管理。為保證水體污染物總量控制制度的實(shí)施，科學(xué)準(zhǔn)確地掌握區(qū)域水環(huán)境納污能力，必須在考慮斷面水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)污染物總量控制，只有水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)和污染物總量控制同時(shí)滿足，才能實(shí)現(xiàn)河流水環(huán)境整體安全[7，12]。筆者采用流域單元河道斷面污染物濃度控制的分段概化、斷面分段計(jì)算方法，采用公式法、模型法、系統(tǒng)最優(yōu)化等傳統(tǒng)水環(huán)境容量計(jì)算方法，提出賈魯河（鄭州市區(qū)段）水環(huán)境容量及其排污最優(yōu)化管理措施，為實(shí)現(xiàn)河流雙控管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

賈魯河是淮河二級支流，其在鄭州市境內(nèi)主要支流有索須河、魏河、金水河、熊耳河、七里河、潮河、丈八溝、石溝、小清河、東風(fēng)渠、孔河、大孟河等。目前，賈魯河上游及其支流已建有尖崗、常莊、丁店、楚樓、河王5座中型水庫和10余座小型水庫。2017年，干河及主要支流承納市區(qū)大小排污口62個(gè)（不含索須河支流巧個(gè)排污口），規(guī)模以上排污口36個(gè)，見表1。COD排放量為14937t/a，氨氮排放量為1835t/a，分布于5個(gè)水功能區(qū)，水環(huán)境達(dá)標(biāo)壓力大。

2 研究方法

（1）水質(zhì)模型及控制方程。河流水環(huán)境納污能力主要包含上游來水、旁側(cè)支流稀釋容量和河流自凈容量，采用功能區(qū)首斷面排污、末端面達(dá)標(biāo)考核，分區(qū)分段控制單元來計(jì)算總體水環(huán)境容量。河流稀釋容量W稀釋為

W稀釋=31.536[Cs（Q0+qw）-Q0C0]（1）式中：Cs為控制斷面水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L；Q0為上游來水設(shè)計(jì)流量，m3/s：qw為污水（旁側(cè)支流）人流量，m3/s；C0為上游來水污染物濃度（取上游來水所在水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)），mg/L。

對于可降解的有機(jī)污染物（如COD、氨氮），認(rèn)為其降解速率符合一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，其自凈容量W自凈可按照下列公式計(jì)算：式中；K為污染物綜合衰減系數(shù)，1/d；u為斷面平均流速，m/s；x為排污口與控制斷面之間的距離，km。

當(dāng)同時(shí)考慮稀釋作用與自凈作用時(shí)，排污口與控制斷面之間水域的理想納污能力即為二者之和，計(jì)算公式為式中：W為控制單元的納污能力，t/a。

（2）最大允許入河量。最大允許入河量指上游來水的水污染物本底濃度為現(xiàn)狀監(jiān)測濃度時(shí)，下游河段在現(xiàn)有排污口分布情況下所允許的水污染物最大入河量。最大允許入河量計(jì)算公式同式（3），但是其中C0 釋義為上游來水中水體污染物的實(shí)際濃度，mg/L。

（3）設(shè)計(jì)水文條件。北方地區(qū)水資源相對較少，河流枯季斷流現(xiàn)象頻現(xiàn)。將賈魯河常年流量控制站的10a最枯月流量作為出流約束，支流流量采用75%保證率最枯月流量。若支流天然徑流量遠(yuǎn)小于入河排污流量，則認(rèn)為該河流枯季沒有天然徑流量納污能力，僅當(dāng)有人河排污流量補(bǔ)充時(shí)考慮廢污水退水流量的納污能力。

（4）參數(shù)率定與驗(yàn)證。結(jié)合賈魯河各水功能區(qū)水質(zhì)狀況和水文特征，參考所在地區(qū)同類研究項(xiàng)目，以及2016年賈魯河水質(zhì)監(jiān)測狀況和溫度等因素，確定計(jì)算河段COD的綜合衰減系數(shù)為0.08～0.15/d，氨氮的綜合衰減系數(shù)為0.06～0.12/d。為了保證理論與實(shí)際COD、氨氮綜合衰減一致，根據(jù)河寬和邊坡特點(diǎn)以及同地區(qū)研究成果選用不均勻系數(shù)進(jìn)行修正，賈魯河各計(jì)算河段的不均勻系數(shù)取0.4～0.8。

（5）控制單元排污口概化?？刂茊卧潜ＷC控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的主要污染物控制區(qū)域。在計(jì)算時(shí)暫不考慮非點(diǎn)源水體污染物的排入，僅考慮固定的排污口、取水口以及支流，把多個(gè)就近的排污口簡化成一個(gè)排污口。沒有流量的上游水庫和上游不排污或沒有點(diǎn)源污染的河段，不計(jì)算納污能力。概化排污口的入河污染源包括工業(yè)點(diǎn)源、生活點(diǎn)源和混合源。

遵循排污口概化的原則，賈魯河水功能區(qū)干流上共概化8個(gè)排污口，見圖1。將支流上主要排污口概化入河道，部分離功能區(qū)較遠(yuǎn)的排污口直接概化到功能區(qū)河道內(nèi)。通過排污口概化，結(jié)合區(qū)域水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，建立控制斷面水質(zhì)與上游概化排污口的響應(yīng)關(guān)系。

3 賈魯河水環(huán)境容量及雙控分析

根據(jù)2017年入河排污口調(diào)查及賈魯河實(shí)測水文資料，結(jié)合已建立的控制斷面與上游概化排污口的響應(yīng)關(guān)系模型，計(jì)算雙控（功能區(qū)整體水質(zhì)達(dá)標(biāo)控制與控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)控制）條件下的水環(huán)境納污能力。賈魯河干流各功能區(qū)水質(zhì)控制目標(biāo)見表2（其中東風(fēng)渠鄭州排污控制區(qū)排污口概化入賈魯河干流功能區(qū)）。2017年賈魯河鄭州排污控制區(qū)COD納污能力為11119.359t/a，氨氮納污能力為553.140t/a；賈魯河中牟農(nóng)業(yè)用水區(qū)COD納污能力為2964.803t/a，氨氮納污能力為147.851t/a；賈魯河中牟排污控制區(qū)COD納污能力為436.181t/a，氨氮納污能力為121.804t/a；賈魯河鄭州中牟農(nóng)業(yè)用水區(qū)COD納污能力為1911.954t/a，氨氮納污能力為95.323t/a。

在2017-2018年水質(zhì)控制目標(biāo)和賈魯河整個(gè)河段現(xiàn)狀排污口布局情況下，賈魯河COD、氨氮納污能力分別為39503.671、1971.651t/a。在2019-2030年水質(zhì)控制目標(biāo)、賈魯河現(xiàn)狀排污口布局情況，以及設(shè)計(jì)水文條件下，賈魯河COD、氨氮納污能力分別為40228.316、2007.744t/a，大部分納污能力來源于支流（如小清河、丈八溝等）或排污口下端，不利于容量分配，不利于城區(qū)段賈魯河干流納污總量調(diào)節(jié)。最大允許入河量計(jì)算結(jié)果表明：在2017-2018年水質(zhì)控制目標(biāo)下，COD的最大允許入河量為9 372.752t/a，其中賈魯河鄭州排污控制區(qū)、賈魯河鄭州中牟農(nóng)業(yè)用水區(qū)需要削減污染物排放總量；在2019-2030年水質(zhì)控制目標(biāo)下，COD的最大允許入河量為7085.160t/a，賈魯河主要水功能區(qū)各控制單元部分需要削減污染物排放總量：在2017-2018年和2019-2030年水質(zhì)控制目標(biāo)下，賈魯河氨氮最大允許入河量分別為-180.890、-394.060t/a，全河段現(xiàn)狀氨氮排放量已經(jīng)超過其納污能力，只有調(diào)控、削減氨氮排放量，才能滿足基本水功能區(qū)要求，逐漸改善水質(zhì)。

4 分段單元納污調(diào)控分析

根據(jù)功能區(qū)整體達(dá)標(biāo)和分段斷面控制下的達(dá)標(biāo)約束，計(jì)算各個(gè)單元的納污能力和現(xiàn)狀排污條件下的最大允許入河量，分析得出各水平年水質(zhì)控制目標(biāo)下的污染物削減量和控制量。

（1）賈魯河鄭州飲用水源區(qū)。賈魯河鄭州飲用水源區(qū)現(xiàn)狀條件下沒有集中排污口，未來也沒有規(guī)劃增設(shè)排污口，因此不計(jì)算其納污能力。

（2）賈魯河鄭州排污控制區(qū)。賈魯河鄭州排污控制區(qū)納污能力、水體污染物最大允許入河量與現(xiàn)狀水體污染物排放情況見表3。

從表3可以看出，現(xiàn)狀年（2017年）COD、氨氮人河量超出該水功能區(qū)最大允許入河量，需要對入河污染物進(jìn)行削減。2017-2030年賈魯河鄭州排污控制區(qū)分年度水質(zhì)控制目標(biāo)均為Ⅴ類，執(zhí)行水質(zhì)目標(biāo)約束為Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)狀水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，COD、氨氮水質(zhì)類別均超出功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)要求，主要原因：鄭州市高新區(qū)五龍口污水處理廠生活污水年排放量較大，COD與氨氮濃度較高，日平均排放濃度分別達(dá)60、8mg/L；鄭州市北大學(xué)城生活污水排污量較大，氨氮濃度較高，日平均排放濃度達(dá)36mg/L，總計(jì)入河量約283.824 t/a；鄭州市馬頭崗污水處理廠生活污水排放量也較大，實(shí)際廢水年排放總量為18864萬t，但水質(zhì)較好，其污染物含量較低。該控制區(qū)COD、氨氮入河量明顯超出功能區(qū)納污總量，為保證交界斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，需要削減和控制排污量。鄭州市高新區(qū)五龍口污水處理廠應(yīng)對其生活污水進(jìn)行處理，達(dá)標(biāo)排放；鄭州市高新區(qū)五龍口污水處理廠周邊的排污口以及鄭州市北大學(xué)城生活污水排污口應(yīng)建立排污渠，將污水輸送到污水處理廠處理后達(dá)標(biāo)排放。

（3）賈魯河鄭州中牟農(nóng)業(yè)用水區(qū)。賈魯河鄭州中牟農(nóng)業(yè)用水區(qū)納污能力、水體污染物最大允許入河量與現(xiàn)狀水體污染物排放情況見表4。該水功能區(qū)現(xiàn)狀年（2017年）COD、氨氮均有剩余容量，但2019-2030年COD、氨氮入河量超出該水功能區(qū)最大允許入河量，需要對入河污染物進(jìn)行削減。2017-2030年賈魯河鄭州中牟農(nóng)業(yè)用水區(qū)分年度水質(zhì)控制目標(biāo)從2017年、2018年的Ⅴ類過渡到2019-2030年的N類，執(zhí)行水功能區(qū)監(jiān)測目標(biāo)約束由2017-2018年的Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)過渡到2019-2030年的W類水標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)狀水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，上游來水條件較好，同時(shí)2017-2018年水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)較低，COD、氨氮均未超標(biāo)排放，有剩余容量，但2019-2030年水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)提高，COD、氨氮排放量均超出功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)要求，主要原因是鄭州市鄭汴水務(wù)有限公司污水處理廠生活污水及周邊排污口排污總量較大，為保證交界斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，需要削減COD、氨氮排放量。

（4）賈魯河中牟排污控制區(qū)。賈魯河中牟排污控制區(qū)納污能力、水體污染物最大允許入河量與現(xiàn)狀水體污染物排放情況見表5。該河段現(xiàn)狀年（2017年）COD、氨氮入河量超出該水功能區(qū)納污總量，需要對人河污染物進(jìn)行削減。污染來源主要集中在概化排污口5、6。2017-2030年賈魯河中牟排污控制區(qū)分年度水質(zhì)控制目標(biāo)均為Ⅳ類，執(zhí)行水質(zhì)監(jiān)測目標(biāo)約束為N類水標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)狀水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，COD、氨氮入河量均超出功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)要求，主要原因是中牟縣邢莊村周邊生活污水排污口及周邊排污口COD與氨氮排放濃度較高，日平均排放濃度分別達(dá)58.6、5.2mg/L，總計(jì)入河量分別約為1317.77、116.97t/a。此段概化河流沒有污染物允許入河量，其COD、氨氮排放量明顯超出功能區(qū)納污總量，為保證交界斷面的水質(zhì)達(dá)標(biāo)，需要削減和控制排污量，具體每年削減量見表5。

（5）賈魯河中牟農(nóng)業(yè)用水區(qū)。該水功能區(qū)現(xiàn)狀年（2017年）COD、氨氮入河量超出最大允許入河量，污染來源主要集中在概化排污口7、8，概化排污口7、8是小清河、丈八溝進(jìn)入賈魯河的入河排污口。2017-2030年賈魯河中牟農(nóng)業(yè)用水區(qū)分年度水質(zhì)控制目標(biāo)均為Ⅳ類，執(zhí)行水質(zhì)監(jiān)測目標(biāo)約束為Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。此河段COD、氨氮入河量明顯超出水功能區(qū)納污總量，為保證交界斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，需要削減和控制排污量，見表6。

5 結(jié)論

以功能區(qū)整體水質(zhì)達(dá)標(biāo)控制與控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)控制的雙控管理為基礎(chǔ)，在充分考慮水環(huán)境自凈能力和水文條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)河流納污能力計(jì)算理論，對賈魯河各水功能區(qū)COD、氨氮水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算，確定各河段污染物最大允許入河量和削減量。按照人河污染物總量、斷面水質(zhì)雙達(dá)標(biāo)的環(huán)境容量約束和削減方法，賈魯河不僅能夠通過定量排放調(diào)控來實(shí)現(xiàn)功能區(qū)水質(zhì)控制目標(biāo)，而且可以實(shí)現(xiàn)全河段功能區(qū)達(dá)標(biāo)率約束下的排污權(quán)優(yōu)化調(diào)配，從而為功能區(qū)水環(huán)境管理提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳紅波，楊肖肖.基于控制單元的雙臺(tái)子河水環(huán)境容量核算研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2017，42（9）：60-65.

[2]董飛，劉曉波，彭文啟，等.地表水水環(huán)境容量計(jì)算方法回顧與展望[J].水科學(xué)進(jìn)展，2014，25（3）：451-463.

[3]楊品，程燦，譚雪，等.官廳水庫及其上游流域水環(huán)境容量研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2015，29（1）：163-168.

[4]周剛，雷坤，富國，等.河流水環(huán)境容量計(jì)算方法研究[J].水利學(xué)報(bào)，2014，45（2）：227-234，242.

[5]姜欣，許士國，練建軍，等.北方河流動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量分析與計(jì)算[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，29（4）：409-414.

[6]趙海霞，王梅，段學(xué)軍.水環(huán)境容量約束下的太湖流域產(chǎn)業(yè)集聚空間優(yōu)化[J].中國環(huán)境科學(xué)，2012，32（8）：1530-1536.

[7]孫衛(wèi)紅，逢勇，姚國金.基于不均勻系數(shù)的水環(huán)境容量計(jì)算方法探討[J].水資源保護(hù)，2001（2）：25-26.

[8]王濤，張萌，張柱，等.基于控制單元的水環(huán)境容量核算研究：以錦江流域?yàn)槔齕J].長江流域資源與環(huán)境，2012，21（3）：283-287.

[9]陳丁江，呂軍，金樹權(quán)，等.河流水環(huán)境容量的估算和分配研究[J].水土保持學(xué)報(bào)，2007，21（3）：123-127.

[10]聞建偉，楊春生，付意成.渾太河流域水環(huán)境容量分配研究[J].水利水電技術(shù)，2017，48（11）：150-155.

[11]張琳，周建銀，王家生，等.基于控制斷面法的水環(huán)境容量及污染綜合治理研究[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2017，34（11）：23-26，32.

[12]澆清華，林秀珠基于水環(huán)境容量的閩江流翅鵬界生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)研究[J].中國農(nóng)村水不利水電，2017（11）：73-77，82