耿文斌 趙姍 侯俊山 閆壽松 李曉峰 朱文舉

摘 要：在不同保證率和不同時(shí)間尺度的設(shè)計(jì)水文條件下，動(dòng)態(tài)計(jì)算出安陽(yáng)河市區(qū)段2016年水體納污能力和年內(nèi)分配，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：安陽(yáng)河市區(qū)段整體處于污染狀態(tài)，3個(gè)水功能區(qū)中僅安陽(yáng)河安陽(yáng)市排污控制區(qū)污染物排放不超標(biāo)，其余水功能區(qū)COD和NH3-N排放量均超過(guò)納污能力上限，且NH3-N超標(biāo)情況更為嚴(yán)重;安陽(yáng)河市區(qū)段汛期月均納污能力與非汛期月均納污能力相差較小;安陽(yáng)河市區(qū)段納污能力1—5月整體呈下降趨勢(shì)，5—7月呈逐漸上升趨勢(shì)，至8月納污能力達(dá)到最大，隨后又呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，5月為全年最小;納污能力的大小與時(shí)間尺度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，不同時(shí)間尺度下確定的年納污能力月尺度>水期尺度>年尺度。

關(guān)鍵詞：納污能力;保證率;時(shí)間尺度;安陽(yáng)河

中圖分類號(hào)：X522;TV212.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.021

引用格式：耿文斌，趙姍，侯俊山，等.安陽(yáng)河動(dòng)態(tài)納污能力分析[J].人民黃河，2021，43（7）：110-113.

Abstract：Under the designed hydrological conditions of different guarantee rates and different time scales， the paper dynamically calculated the sewage capacity and annual distribution of the urban section of Anyang River in 2016. The calculation results were comparatively analyzed. The results show that the pollutant discharge in Anyang sewage control area is not exceeding the standard， the COD and NH3-N discharge of other water function areas exceed the upper limit of the capacity and the NH3-N is more serious. The monthly average water environmental capacity of the river in flood season is smaller than that in non-flood season， the water environmental capacity of the river in July to October is larger， the water environmental capacity of August is the maximum in the whole year and the water environmental capacity of November to May is gradually reduced， in May， the water environmental capacity is the lowest in the whole year. There is a negative correlation between the size of the capacity and the time scale and the annual capacity is the monthly scale > the water scale > the annual scale.

Key words： water environmental capacity; guarantee rate; time scale; Anyang River

納污能力是指一定條件下水體的最大納污量[1-2]。納污能力是制定污染物限排量的重要依據(jù)，能直接反映水體的水質(zhì)狀況[3-4]。目前我國(guó)納污能力大多按照《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》（GB/T 25173—2010）計(jì)算，其中設(shè)計(jì)水文條件選取90%保證率最枯月平均流量或近10 a最枯月平均流量，這種條件下得到的納污能力為一固定值，且設(shè)計(jì)水文條件較為嚴(yán)格，以此作為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于水資源管理和保護(hù)必然安全[5]。但實(shí)際納污能力與水文過(guò)程關(guān)系密切，水文過(guò)程在自然條件下是動(dòng)態(tài)變化的，納污能力也是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的量[6-7]。將一個(gè)確定的值作為控制指標(biāo)難以揭示水體的實(shí)際污染負(fù)荷，不利于保護(hù)和改善水質(zhì)，也不利于水資源的合理開(kāi)發(fā)利用，因此開(kāi)展水體動(dòng)態(tài)納污能力評(píng)價(jià)很有必要[8]。

我國(guó)對(duì)動(dòng)態(tài)納污能力的研究眾多，但多以不同保證率、不同水文條件來(lái)計(jì)算水體動(dòng)態(tài)納污能力。李喬臻[9]以95%、90%、75%、50%、20%保證率下的流量為設(shè)計(jì)流量，選取不同來(lái)水水質(zhì)分析了琶江河段3個(gè)水功能區(qū)的納污能力;周洋等[10]運(yùn)用一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型和水環(huán)境容量模型，根據(jù)水質(zhì)、水文監(jiān)測(cè)資料和沿岸排污情況，計(jì)算了渭河陜西段豐水年、平水年、枯水年COD的水環(huán)境容量。這些研究都只分析了不同保證率下年納污能力的動(dòng)態(tài)變化特征，并未結(jié)合年內(nèi)水文特性進(jìn)行分析，只能確定水功能區(qū)全年的污染物限排量，年內(nèi)的污染物限排量分配仍不清晰，以此為水資源管理的依據(jù)會(huì)出現(xiàn)全年污染物排放量不超標(biāo)，但某些月份因污染物排放量過(guò)多而造成水功能區(qū)水質(zhì)變差的現(xiàn)象。筆者基于安陽(yáng)水文站48 a（1969—2016年）長(zhǎng)系列資料，在不同保證率條件下，根據(jù)不同時(shí)間尺度確定設(shè)計(jì)水文條件，以COD和NH3-N為控制因子，建立河流一維水質(zhì)模型[11-13]，計(jì)算2016年安陽(yáng)河市區(qū)段年、水期和月納污能力，以期為安陽(yáng)河確定污染物限排總量、年內(nèi)污染物限排量分配提供數(shù)據(jù)支撐，為安陽(yáng)河管理與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

安陽(yáng)河是海河流域漳衛(wèi)南運(yùn)河水系的第二大支流，發(fā)源于林州市清泉寺，自西向東流經(jīng)林州市、安陽(yáng)縣、安陽(yáng)市區(qū)、內(nèi)黃縣（見(jiàn)圖1），在內(nèi)黃縣李大晁入衛(wèi)河，全長(zhǎng)約164 km，流域面積1 920 km2。上游穿過(guò)林州盆地后，在橫水鎮(zhèn)附近進(jìn)入山區(qū)，于彰武水庫(kù)以下進(jìn)入平原。干流上建有彰武水庫(kù)和小南海水庫(kù)。安陽(yáng)河的主要補(bǔ)給水源包括巖溶泉水（泉主要有小南海泉和珍珠泉，泉域面積935 km2）和大氣降水，據(jù)安陽(yáng)水文站多年觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，最大流量可達(dá)2 060 m3/s（1982年8月2日），最小流量為0.29 m3/s（1982年7月8日），多年平均流量為10.73 m3/s[14]。

安陽(yáng)河市區(qū)段共包括3個(gè)二級(jí)水功能區(qū)，分別為安陽(yáng)河彰武水庫(kù)飲用水源區(qū)、安陽(yáng)河安陽(yáng)縣蔣村用水區(qū)和安陽(yáng)河安陽(yáng)市排污控制區(qū)，總長(zhǎng)約49.1 km，水質(zhì)目標(biāo)分別為Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類。

2 納污能力計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型

本次計(jì)算單元為彰武水庫(kù)大壩至入衛(wèi)河口，共包含3個(gè)水功能區(qū)，計(jì)算單元示意見(jiàn)圖2。

安陽(yáng)河總體上具有流速小、河道寬、水淺等特點(diǎn)，主要河道寬深比小，入河污染物在較短河段內(nèi)混合均勻，污染物橫向變化不大。因此，可采用概化一維水質(zhì)模型進(jìn)行納污能力計(jì)算，計(jì)算公式如下：

M=31.536（QP+Q）（CseKx86.4u-C0e-KL86.4u）（1）

式中：M為水功能區(qū)納污能力，t/a;Q為水功能區(qū)設(shè)計(jì)流量，m3/s;QP為廢污水排放量，m3/s;Cs為水功能區(qū)水質(zhì)控制目標(biāo)質(zhì)量濃度，mg/L;C0為水功能區(qū)初始斷面質(zhì)量濃度，mg/L;K為污染物綜合衰減系數(shù)，1/d;x為概化點(diǎn)距控制斷面的距離，m;L為水功能區(qū)長(zhǎng)度，km;u為設(shè)計(jì)流量下斷面平均流速，m/s。

根據(jù)研究區(qū)排污口分布以及資料掌握情況[15]，將各個(gè)水功能區(qū)內(nèi)多個(gè)排污口概化為一個(gè)集中排污口，且集中排污口位于河段中點(diǎn)處，因此納污能力計(jì)算公式改為

M=31.536（QP+Q）（CseKL2×86.4u-C0e-KL86.4u）（2）

2.2 模型參數(shù)

2.2.1 設(shè)計(jì)水文條件的確定

水體納污能力動(dòng)態(tài)變化受多因素共同影響，而設(shè)計(jì)水文條件是納污能力計(jì)算的重要前提，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大?；诎碴?yáng)水文站多年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別確定不同時(shí)間尺度和不同保證率下的設(shè)計(jì)水文條件，并對(duì)納污能力的變化特征進(jìn)行分析。

（1）基于年尺度的設(shè)計(jì)水文條件的確定。選取系列資料中逐年最枯月平均流量，采用P-Ⅲ型曲線參數(shù)估計(jì)法繪制最佳經(jīng)驗(yàn)頻率曲線，確定50%、75%、90%保證率下的設(shè)計(jì)流量分別為2.94、1.76、1.03 m3/s，根據(jù)河道大斷面狀況分析得到對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流速。

（2）基于水期尺度的設(shè)計(jì)水文條件的確定。將年內(nèi)月份分為汛期（6—10月）和非汛期（11月至翌年5月），選取逐年汛期和非汛期內(nèi)的最枯月平均流量，采用P-Ⅲ型曲線參數(shù)估計(jì)法，分別繪制汛期和非汛期的最佳經(jīng)驗(yàn)頻率曲線，確定75%保證率下的設(shè)計(jì)流量分別為2.06、1.88 m3/s，90%保證率下的分別為1.16、1.07 m3/s，并根據(jù)河道大斷面狀況分析得到對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流速。

（3）基于月尺度的設(shè)計(jì)水文條件的確定。選取逐年各月平均流量，采用P-Ⅲ型曲線參數(shù)估計(jì)法分別繪制1—12月的最佳經(jīng)驗(yàn)頻率曲線，確定90%保證率下1—12月的設(shè)計(jì)流量分別為2.13、2.08、1.88、1.52、1.37、1.48、1.98、2.46、2.24、2.33、2.16、2.12 m3/s，再根據(jù)河道大斷面狀況分析得到對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流速。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)頻率曲線分析結(jié)果可知，相同保證率下，時(shí)間尺度越小，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流量越大。主要原因是設(shè)計(jì)水文條件的確定方法不同，年尺度下選擇逐年最枯月平均流量進(jìn)行計(jì)算，水期尺度則分別選擇逐年汛期最枯月平均流量和非汛期最枯月平均流量進(jìn)行計(jì)算，而安陽(yáng)河屬于常年河，枯水年和平水年沒(méi)有明顯的汛期特征，甚至個(gè)別年份汛期內(nèi)月平均流量小于非汛期內(nèi)月平均流量，因此汛期和非汛期確定的設(shè)計(jì)流量更大。月尺度分別選擇對(duì)應(yīng)的月平均流量作為系列值進(jìn)行分析，確定的設(shè)計(jì)流量更大。

2.2.2 水質(zhì)濃度及綜合衰減系數(shù)的確定

水功能區(qū)初始斷面質(zhì)量濃度C0采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù);水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)質(zhì)量濃度Cs以水質(zhì)類別為控制指標(biāo)。根據(jù)《全國(guó)地表水環(huán)境容量核定技術(shù)復(fù)核要點(diǎn)》中提供的河道水質(zhì)綜合衰減系數(shù)參考值，結(jié)合各水功能區(qū)優(yōu)劣狀況和水文特征選取綜合衰減系數(shù)。由經(jīng)驗(yàn)法，COD的綜合衰減系數(shù)計(jì)算公式為

K=0.05+0.68u（3）

式中：u為設(shè)計(jì)流速。

NH3-N的綜合衰減系數(shù)計(jì)算公式為

K=0.061+0.551u（4）

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

安陽(yáng)河水文數(shù)據(jù)來(lái)源于安陽(yáng)水文站長(zhǎng)系列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);污染物排放數(shù)據(jù)來(lái)源于安陽(yáng)市水利局和安陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局共同出版的《安陽(yáng)市入河排污口監(jiān)測(cè)報(bào)告》，水功能區(qū)污染物入河量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

3 納污能力計(jì)算分析

3.1 年尺度納污能力計(jì)算分析

安陽(yáng)河市區(qū)段年尺度納污能力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，由表2可以看出，安陽(yáng)河市區(qū)段3個(gè)水功能區(qū)中安陽(yáng)河安陽(yáng)市排污控制區(qū)納污能力最大，安陽(yáng)河彰武水庫(kù)飲用水源區(qū)納污能力最小;當(dāng)上游來(lái)水水質(zhì)優(yōu)于水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，其他因素一定時(shí)，納污能力與保證率的大小成負(fù)相關(guān)關(guān)系，即納污能力隨保證率的增大而變小。

3.2 水期尺度納污能力計(jì)算分析

安陽(yáng)河市區(qū)段水期尺度納污能力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，由表3可以看出，安陽(yáng)河市區(qū)段汛期月均納污能力與非汛期月均納污能力相差較小。主要原因是安陽(yáng)河為常年河，在豐水年，徑流量較為集中，主要集中在6—10月，占年徑流量的60%～80%，平水年、枯水年年內(nèi)徑流分配較為均勻，汛期特征不明顯，特枯水年基本無(wú)明顯的汛期特征，且汛期安陽(yáng)河上游進(jìn)行灌溉、水庫(kù)蓄水等，導(dǎo)致汛期月均流量與非汛期月均流量相差較小。

3.3 月尺度納污能力計(jì)算分析

安陽(yáng)河市區(qū)段月尺度納污能力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，安陽(yáng)河市區(qū)段COD和NH3-N年納污能力分別為1 393.4 t和91.5 t。由表4可知，安陽(yáng)河市區(qū)段逐月納污能力呈波動(dòng)變化趨勢(shì)，并未與流量季節(jié)變化保持完全一致，說(shuō)明安陽(yáng)河納污能力不僅受自然水文條件的影響，還受到人類活動(dòng)的影響，且人類活動(dòng)對(duì)納污能力的影響較大，如6月為汛期，但受人類活動(dòng)影響（上游灌溉、水庫(kù)蓄水等），其納污能力較5月增大不明顯。安陽(yáng)河市區(qū)段納污能力1—5月整體呈下降趨勢(shì)，5—7月呈逐漸上升趨勢(shì)，至8月納污能力達(dá)到最大，隨后又呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)。

3.4 綜合對(duì)比分析

由不同尺度（年、水期、月）納污能力的對(duì)比分析可知，納污能力與時(shí)間尺度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，不同時(shí)間尺度下確定的年納污能力月尺度>水期尺度>年尺度。

主要原因是，年尺度納污能力計(jì)算分析時(shí)考慮多年的不利水文條件，以此為全年的水文條件進(jìn)行納污能力計(jì)算，這種計(jì)算方法雖然對(duì)水環(huán)境的改善有促進(jìn)效果，但計(jì)算尺度較大，確定的設(shè)計(jì)水文條件不具備代表性，水體水質(zhì)狀況大多數(shù)時(shí)段優(yōu)于設(shè)計(jì)水文條件，確定的年納污能力較小。隨著計(jì)算尺度的減小，設(shè)計(jì)水文條件以水期、月為尺度確定，更接近水體實(shí)際情況，計(jì)算得到的納污能力更接近水體污染承載力。

由確定的納污能力與年污染物入河量進(jìn)行對(duì)比分析，安陽(yáng)河市區(qū)段整體處于污染狀態(tài)，3個(gè)水功能區(qū)僅安陽(yáng)河安陽(yáng)市排污控制區(qū)污染物排放不超標(biāo)，其余水功能區(qū)COD和NH3-N排放量均超過(guò)納污能力上限，且NH3-N超標(biāo)更嚴(yán)重。主要原因是，水域周圍農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及養(yǎng)殖活動(dòng)較多，廢水未經(jīng)處理直接排入河道，因此研究區(qū)在控制污染物排放時(shí)，對(duì)NH3-N排放的限制應(yīng)更嚴(yán)格。

4 結(jié) 語(yǔ)

納污能力與水體水文過(guò)程關(guān)系密切，是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的量，筆者在不同保證率和不同時(shí)間尺度下對(duì)安陽(yáng)河市區(qū)段動(dòng)態(tài)納污能力進(jìn)行了計(jì)算，分析了不同保證率和不同時(shí)間尺度對(duì)納污能力的影響。考慮保證率和時(shí)間尺度的變化，可以使納污能力的計(jì)算結(jié)果與水體實(shí)際狀況更相符。目前水功能區(qū)存在監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，且以特定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)分析結(jié)果來(lái)判斷整個(gè)水功能區(qū)的水質(zhì)狀況，存在極大的偶然性，因此建議以污染物排放量與納污能力比值判斷水功能區(qū)是否達(dá)標(biāo)，并分別從月、水期和年尺度進(jìn)行納污能力考核，以避免傳統(tǒng)考核模式存在的偶然性問(wèn)題。本文僅進(jìn)行了年、水期和月尺度的納污能力動(dòng)態(tài)分析，今后可考慮更小時(shí)間尺度（日、時(shí)）的計(jì)算，以了解水體的實(shí)際狀況，及時(shí)對(duì)水資源管控做出調(diào)整，提高水功能區(qū)納污能力。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】