滏陽(yáng)河納污能力分析

李杰，郭鳳震，周振肪

（1．河北省邯鄲水文水資源勘測(cè)局，河北邯鄲 056001；2.河北省衡水水文水資源勘測(cè)局，河北衡水 056000）

滏陽(yáng)河納污能力分析

李杰1，郭鳳震1，周振肪2

（1．河北省邯鄲水文水資源勘測(cè)局，河北邯鄲 056001；2.河北省衡水水文水資源勘測(cè)局，河北衡水 056000）

通過(guò)對(duì)邯鄲滏陽(yáng)河水質(zhì)現(xiàn)狀、排污現(xiàn)狀、設(shè)計(jì)流量、流速和污染物綜合衰減系數(shù)調(diào)查分析和實(shí)驗(yàn)研究，建立了動(dòng)態(tài)納污能力模型，通過(guò)模型計(jì)算確定了不同河段納污能力，提出了污染物削減方案。

滏陽(yáng)河；納污能力；削減系數(shù)；數(shù)學(xué)模型

1 基本情況

滏陽(yáng)河作為邯鄲市境內(nèi)主要河流之一，是邯鄲市的母親河，人均占有水資源量176m3［1］，僅占全省人均水平的57%、全國(guó)人均水平的8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)際公認(rèn)的人均1000m3的水資源緊缺標(biāo)準(zhǔn)。因水資源缺乏邯鄲市地表水資源總開(kāi)發(fā)利用率達(dá)80%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)際公認(rèn)的40%的合理開(kāi)發(fā)界限，地表水70%以上河段水質(zhì)為劣Ⅴ類水，由于大量未經(jīng)處理的廢污水直接排入河道，超過(guò)水體自凈能力，水體遭受嚴(yán)重污染，2/3以上的河段水質(zhì)屬于劣Ⅴ類水，嚴(yán)重影響了水功能的發(fā)揮和城市形象，同時(shí)也加劇了水資源供需矛盾。

水體納污能力是滿足水功能區(qū)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的污染物最大允許負(fù)荷量，是施行水功能區(qū)限制納污紅線，嚴(yán)控排污總量的重要依據(jù)。2007年河北省邯鄲水文水資源勘測(cè)局、邯鄲市水利局圍繞水利部最嚴(yán)格的水資源管理理念和環(huán)保部門污水治理新思路，配合滏陽(yáng)河綜合治理和生態(tài)水網(wǎng)建設(shè)，開(kāi)展“邯鄲市滏陽(yáng)河納污能力研究”項(xiàng)目，以滏陽(yáng)河邯鄲段為研究對(duì)象，選用COD和NH3-N作為控制指標(biāo)，以區(qū)段為單元進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)﹑入河排污口調(diào)查﹑水功能區(qū)達(dá)標(biāo)分析。將水質(zhì)污染狀況﹑納污情況﹑水量狀況、水質(zhì)目標(biāo)、污染物降解能力結(jié)合起來(lái)，建立了河流動(dòng)態(tài)納污能力水質(zhì)模型，運(yùn)用模型計(jì)算水域的納污能力。根據(jù)確定的納污能力和納污現(xiàn)狀，提出了滏陽(yáng)河入河污染物削減方案和入河排污口整治方法。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 滏陽(yáng)河邯鄲段現(xiàn)狀

2.1.1 基本情況

滏陽(yáng)河屬海河流域子牙河水系，發(fā)源于邯鄲市峰峰礦區(qū)滏山南麓和村，流經(jīng)邯鄲、邢臺(tái)、衡水、滄州市全長(zhǎng)402km。邯鄲段是滏陽(yáng)河的最上游，是邯鄲市的母親河，具有行洪、城市工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉、漁業(yè)養(yǎng)殖、生態(tài)用水和防洪發(fā)電等功能。邯鄲市境內(nèi)全長(zhǎng)180km，流域面積2160km2。

早期滏陽(yáng)河水量豐沛，水質(zhì)優(yōu)良，隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化程度的不斷提高，各種工業(yè)廢水、生活污水和生活垃圾紛紛排入河道，嚴(yán)重影響了滏陽(yáng)河水環(huán)境質(zhì)量。由于地下水嚴(yán)重超采，滏陽(yáng)河源頭—黑龍洞泉群出現(xiàn)干涸現(xiàn)象，20世紀(jì)末，由于上游的煤礦疏干水、工業(yè)廢水和生活污水，昔日清澈甘洌的滏陽(yáng)河變成了一條藏污納垢的污水溝，絕大部分河段屬劣Ⅴ類水體，失去了飲用、漁業(yè)、養(yǎng)殖、灌溉等功能。

滏陽(yáng)河自東武仕水庫(kù)建成后由天然河道變成了水庫(kù)調(diào)節(jié)河道。目前，水庫(kù)以滿足主城區(qū)工業(yè)用水為主，兼顧漁業(yè)、發(fā)電、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)灌溉用水及防洪，出庫(kù)流量根據(jù)用水情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.1.2 流域水功能區(qū)劃

依據(jù)《河北省水功能區(qū)劃》，邯鄲市滏陽(yáng)河I級(jí)區(qū)劃屬于開(kāi)發(fā)利用區(qū)，II級(jí)區(qū)劃源頭九號(hào)泉～東武仕水庫(kù)為滏陽(yáng)河邯鄲飲用水源區(qū)；水庫(kù)出口～邯鄲邢臺(tái)交界為滏陽(yáng)河邯鄲農(nóng)業(yè)用水區(qū)（水庫(kù)出口～蘇里參照景觀娛樂(lè)用水區(qū)）。

2.1.3 入河排污口現(xiàn)狀

目前邯鄲市滏陽(yáng)河主要入河排污口共有33個(gè)，排放達(dá)標(biāo)的占27.3%。33個(gè)入河排污口經(jīng)檢測(cè)年排廢污水總量13833萬(wàn)m3，其中COD15516.5t、氨氮2606.16t。

2.1.4 水質(zhì)現(xiàn)狀

（1）東武仕水庫(kù)以上水質(zhì)較好，符合地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)；東武仕水庫(kù)屬于Ⅲ類水；馬頭閘斷面為Ⅲ類水；張莊橋斷面為Ⅴ類水；水廠路橋段面為劣Ⅴ類水；劉二莊斷面為劣Ⅴ類水；蘇里監(jiān)測(cè)斷面為劣Ⅴ類水。

（2）東武仕水庫(kù)及上游經(jīng)過(guò)磁縣縣城和馬頭工業(yè)城后，由于廢污水匯入，氨氮、COD含量升高，到張莊橋斷面水質(zhì)已經(jīng)變?yōu)棰躅愃?，只適用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域。

（3）流經(jīng)邯鄲市城區(qū)后水體顏色變黑并伴有難聞氣味，蘇里斷面COD含量超過(guò)了GB5048—2005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，河水已經(jīng)喪失了飲用、工業(yè)供水、景觀娛樂(lè)用水和農(nóng)田灌溉功能。

2.2 滏陽(yáng)河納污能力計(jì)算及分析［2］

2.2.1 計(jì)算單元與原則

依據(jù)《河北省水功能區(qū)劃》和邯鄲市滏陽(yáng)河實(shí)際供水功能現(xiàn)狀，將滏陽(yáng)河劃分為飲用水源區(qū)（南留旺橋以上、東武仕水庫(kù)）、開(kāi)發(fā)利用區(qū)（東武仕水庫(kù)以下）計(jì)算單元。根據(jù)設(shè)計(jì)條件和水質(zhì)目標(biāo)，選擇符合實(shí)際的數(shù)學(xué)模型計(jì)算納污能力。

2.2.2 納污能力數(shù)學(xué)模型的確定

以物質(zhì)守恒定律和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理為基礎(chǔ)，根據(jù)河道設(shè)計(jì)流量、流速和污染物綜合衰減系數(shù)與納污能力間的相互關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型。

對(duì)于河道流量和流速較小、水流極緩的計(jì)算單元采用零維水質(zhì)模型模擬，對(duì)于水體流動(dòng)明顯的河道采用一維模型模擬。

2.2.3 納污能力模型公式（1）流速小于0.1m/s的計(jì)算單元模型公式：

式中W為計(jì)算單元納污能力（t/a）；Q為計(jì)算單元設(shè)計(jì)流量（m3/s）（對(duì)于湖庫(kù)為設(shè)計(jì)水量，m3）；q為計(jì)算單元入河污水量（m3/s）；Cs為計(jì)算單元水質(zhì)目標(biāo)（mg/L）；C0為計(jì)算單元上斷面污染物濃度（湖庫(kù)初始濃度）（mg/L）；k為污染物綜合衰減系數(shù)（1/d）；V為計(jì)算單元水體體積（m3）。

（2）斷面污染物濃度橫向變化不大并且流速大于0.1m/s的計(jì)算單元模型公式：

式中x為計(jì)算單元上斷面到下斷面的距離（km）；xi為簡(jiǎn)化后排污口到下計(jì)算斷面的距離（km）；u為計(jì)算單元設(shè)計(jì)流量下的平均流速（m/s）；其他符號(hào)意義同前。

計(jì)算單元內(nèi)有支流匯入Q支和取水Q取，在排污口上游取水時(shí)，納污能力模型公式：

式中Q支、Q取分別為支流匯入和取水流量（m3/s）。

當(dāng)設(shè)計(jì)流量為零時(shí)，納污能力模型公式：

式中符號(hào)意義同前。

2.2.4 模型參數(shù)的確定

2.2.4.1 水質(zhì)目標(biāo)的確定

按照“上游計(jì)算單元水質(zhì)目標(biāo)不能低于其下游計(jì)算單元水質(zhì)目標(biāo)”原則和滏陽(yáng)河水資源利用現(xiàn)狀確定水質(zhì)目標(biāo)。

2.2.4.2 設(shè)計(jì)流量的確定

流量資料選用東武仕水庫(kù)水文站、張莊橋水文站、蓮花口水文站長(zhǎng)年積累的水文資料和“邯鄲市城區(qū)雨洪資源研究”課題在水廠路橋、劉二莊橋監(jiān)測(cè)斷面的實(shí)測(cè)資料［3］。通過(guò)還原計(jì)算近10年最枯月平均流量、近10年枯水期平均流量、近10年汛期平均流量和基準(zhǔn)年2007年的枯水期平均流量，分別作為設(shè)計(jì)流量。

2.2.4.3 設(shè)計(jì)流速的確定

根據(jù)確定的設(shè)計(jì)流量從水文控制斷面水位～流速關(guān)系曲線上查出相應(yīng)的設(shè)計(jì)流速，作為對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流速。

2.2.4.4 初始濃度值C0的確定

根據(jù)上一個(gè)計(jì)算單元的水質(zhì)目標(biāo)值來(lái)確定，即上一個(gè)計(jì)算單元的水質(zhì)目標(biāo)值就是下一個(gè)計(jì)算單元的初始濃度值C0。

綜合衰減系數(shù)k值按照300km河長(zhǎng)內(nèi)污染物衰減不超過(guò)75%的原則確定，即EXP（-kx/u）>0.25確定綜合衰減系數(shù)［4］。

COD綜合衰減系數(shù)計(jì)算公式：

式中u為計(jì)算單元設(shè)計(jì)流速（m/s）。

氨氮綜合衰減系數(shù)：k氨氮=kCOD×0.81

為驗(yàn)證綜合衰減系數(shù)的合理性，在水庫(kù)出口～成峰路橋單元的北開(kāi)河橋至成峰路橋河段進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致。

2.2.5 滏陽(yáng)河納污能力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)各計(jì)算單元對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)，選用不同的數(shù)學(xué)模型公式，通過(guò)計(jì)算各單元納污能力和全市區(qū)域納污能力如表1。

表1 4種方案對(duì)應(yīng)納污能力統(tǒng)計(jì)

綜上分析，方案1計(jì)算結(jié)果最小，方案4計(jì)算結(jié)果最大，方案2、方案3相差不大，接近方案1、方案4計(jì)算結(jié)果的平均值，代表性較強(qiáng)。

邯鄲市平原生態(tài)水網(wǎng)調(diào)度方案滏陽(yáng)河控制水量與近10年枯水期、汛期平均流量一致，因此方案2、3計(jì)算結(jié)果可作為邯鄲市滏陽(yáng)河納污能力指標(biāo)，考慮到持續(xù)發(fā)展和水環(huán)境改善以方案3（近10年汛期平均流量作為設(shè)計(jì)流量）確定的納污能力為邯鄲市滏陽(yáng)河各計(jì)算單元納污能力研究結(jié)果，如表2。

表2 各計(jì)算單元納污能力

2.3 入河排污口整治及污染物削減規(guī)劃

納污能力和現(xiàn)狀入河污染物排放量相差懸殊，全市COD現(xiàn)狀年排入量超納污能力2.04倍，氨氮現(xiàn)狀年排入量超納污能力9.81倍。為改善滏陽(yáng)河水環(huán)境質(zhì)量，達(dá)到水功能區(qū)規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)，必須削減入河污染物總量。

東武仕水庫(kù)及以上區(qū)域?qū)亠嬘盟幢Ｗo(hù)區(qū)不允許直接排污，納污能力為0，現(xiàn)狀入河污染物需要全部削減。因此東武仕水庫(kù)及以上區(qū)域所有入河排污口必須取締。

水庫(kù)以下各計(jì)算單元采取逐年削減的辦法，COD、氨氮年削減指標(biāo)為20%，通過(guò)對(duì)入河排污口整治和污水處理廠尾水深處理，隨著生態(tài)水網(wǎng)的完成和南水北調(diào)的實(shí)現(xiàn)，2020年邯鄲市滏陽(yáng)河可以實(shí)現(xiàn)主要污染物納污能力大于污染物入河量，水環(huán)境質(zhì)量得到徹底改善的目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)［5］

（1）采用水質(zhì)水量結(jié)合方法，利用水文系列資料和水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，針對(duì)滏陽(yáng)河水文特征和污染源分布，建立了動(dòng)態(tài)納污能力數(shù)學(xué)模型，研究確定了邯鄲市滏陽(yáng)河納污能力。

（2）確定了滏陽(yáng)河污染物綜合衰減系數(shù)，揭示了滏陽(yáng)河污染物變化規(guī)律。

（3）納污能力設(shè)計(jì)流量確定兼顧了滏陽(yáng)河生態(tài)流量的客觀要求。

（4）在污染源概化方面綜合考慮了入河排污口至下斷面距離和污水排放量，概化結(jié)果更科學(xué)準(zhǔn)確。

［1］邯鄲市水利局.邯鄲市第二次水資源評(píng)價(jià)［M］.北京：學(xué)苑出版社，2008.

［2］朱健，王平，李捍東.賈河納污能力及排污總量控制分析［J］.水資源保護(hù)，2009，25（3）：48-51.

［3］河北省邯鄲水文水資源勘測(cè)局.華北山前平原雨洪預(yù)報(bào)及資源利用關(guān)鍵技術(shù)研究報(bào)告［R］.2014.

［4］河北省水利廳水資源處，河北省水文水資源勘測(cè)局.河北省水功能區(qū)納污能力及限制排污總量意見(jiàn)［R］.2008.

［5］河北省邯鄲水文水資源勘測(cè)局.滏陽(yáng)河納污能力研究［R］.2011.

Research on Assimilative Capacity of Fuyang River

LI Jie1，GUO Feng-zhen1，ZHOU Zhen-fang2
（1.Hebei Handan Survey Bureau of Hydrology and Water Resources，Handan 056001,China；2.Hebei Hengshui Survey Bureau of Hydrology and Water Resources，Hengshui 056000,China）

Through the investigation and experimental research on the water quality situation，the sewage situation，the design flow，the flow rate and pollutant attenuation coefficient of Fuyang River in Handan，to establish a dynamic assimilative capacity model，the model identifies assimilative capacity in different sections，according to the assimilative capacity and the sewage situation to propose pollutant emissions reduction program.

Fuyang river；assimilative capacity；reduction coefficient；mathematical model

X21

B

1672-9900（2014）03-0006-04

2014-01-25

李杰（1982-），男（漢族），河北成安人，助理工程師，主要從事水文水資源監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)工作，（Tel）13930082311。