改進(jìn)的S-P模型在喀什地區(qū)河道降解及納污能力計(jì)算的適用性分析

阿提卡木·阿布來(lái)提

（新疆喀什水文勘測(cè)局，新疆 喀什 844000）

0 前言

河道降解及納污能力計(jì)算的合理性對(duì)于河流生態(tài)保護(hù)十分重要，是河流生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要依據(jù)[1]。近些年來(lái)，對(duì)于河流降解及納污能力的分析計(jì)算逐步得到國(guó)內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注，并取得一定的研究成果[2～6]，這其中S-P模型應(yīng)用效果較好，但傳統(tǒng)S-P模型不能對(duì)污染物的衰減濃度進(jìn)行有效表征，使得其計(jì)算穩(wěn)定性較低，因此有學(xué)者增加污染衰減濃度系數(shù)，對(duì)該模型進(jìn)行改進(jìn)，提出改進(jìn)的S-P模型，并在一些地區(qū)河流降解及納污能力分析中得到應(yīng)用[7～11]，但在新疆地區(qū)還未得到相關(guān)應(yīng)用?？κ驳貐^(qū)有大型的河流5條，多項(xiàng)研究結(jié)果表明喀什地區(qū)近些年來(lái)河流水質(zhì)變化總體較為穩(wěn)定，但有個(gè)別污染指標(biāo)有顯著上升的變化趨勢(shì)。為加大對(duì)喀什地區(qū)河流的環(huán)境保護(hù)，需要對(duì)其河流降解及納污能力進(jìn)行分析，為此本文結(jié)合改進(jìn)的S-P模型對(duì)喀什主要河流的降解及納污能力進(jìn)行分析，從而分析該模型在喀什地區(qū)的適用性，研究成果對(duì)于喀什地區(qū)河流的生態(tài)保護(hù)規(guī)劃具有重要的參考價(jià)值。

1 改進(jìn)S-P模型主要原理

S-P模型采用非線性模型對(duì)污染物降解溶度進(jìn)行演算，其污染物降解方程為:

式中:x為河流降解段主要計(jì)算的污染物濃度，mg/L；K1、K2為河流污染物降解參數(shù)；CS為河流水體的降解濃度，mg/L；C為水體中有機(jī)物溶解狀態(tài)的濃度，mg/L；ν為河流水流的流速，m/s；t為演算時(shí)間段，h。

改進(jìn)的模型對(duì)其臨界負(fù)值進(jìn)行改進(jìn)計(jì)算，采用特征值進(jìn)行判定，計(jì)算方程為:

式中:L0表示為河段起算的初始距離長(zhǎng)度，km；xc表示為污染物降解衰減的水體溶解氧的濃度，mg/L。

當(dāng)CS＞0，改進(jìn)的模型需要進(jìn)行方程轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換方程為:

對(duì)上述方程進(jìn)行求解，得到求解方程為:

式中:Lb表示為水土中主要污染的降解濃度主要覆蓋的河段長(zhǎng)度，km；xb表示為主要污染物的衰減濃度值，mg/L。

假定河流主要污染物呈現(xiàn)明顯非線性變化，其衰減濃度計(jì)算方程為:

式中:LC表示計(jì)算河段的起點(diǎn)距離，km。

污染系數(shù):

式中:C0表示為污染物降解的初始計(jì)算濃度，mg/L；C表示計(jì)算時(shí)刻的污染物降解的濃度度，mg/L。

主要水功能區(qū)的納污能力:

式中:W表示計(jì)算的河流納污能力，t/a；C0表示為污染物計(jì)算的時(shí)段初濃度，mg/L；Cm表示為時(shí)段末的計(jì)算濃度，mg/L；K表示河道計(jì)算的降解系數(shù)值；L表示為區(qū)域河道計(jì)算的長(zhǎng)度，km；μ表示為河流斷面計(jì)算的速率，m/s；Q表示計(jì)算段河流斷面的流量，m3/s。

2 模型應(yīng)用

2.1 區(qū)域水質(zhì)概況

本文主要以喀什主要河流為研究區(qū)域，區(qū)域主要水功能區(qū)河流特征及主要水質(zhì)分類的主要特征見(jiàn)表1。喀什地區(qū)各水功能區(qū)河流水質(zhì)主要保持在III類，少數(shù)河流水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)在IV類，近些年來(lái)，由于加強(qiáng)河流水生態(tài)保護(hù)，各水功能區(qū)河流水質(zhì)均有一定程度的改善。

表1 水功能區(qū)主要水質(zhì)指標(biāo)特征參數(shù)

2.2 降解系數(shù)擬合計(jì)算結(jié)果

分別結(jié)果改進(jìn)的S-P模型對(duì)區(qū)域兩種典型河流水體污染物BOD5以及COD進(jìn)行降解系數(shù)的分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、表 3。

表2 COD指標(biāo)降解系數(shù)計(jì)算對(duì)比結(jié)果

表3 BOD5指標(biāo)降解系數(shù)計(jì)算對(duì)比結(jié)果

從兩種污染指標(biāo)的模型求解誤差對(duì)比結(jié)果可看出，相比于傳統(tǒng)S-P模型，改進(jìn)S-P模型的誤差得到不同程度的降低，在COD污染指標(biāo)上，傳統(tǒng)S-P模型下的河流降解系數(shù)計(jì)算誤差在-14.31%～27.63%之間，而改進(jìn)的S-P模型下其河流降解系數(shù)計(jì)算誤差降低到±10%以內(nèi)，相比于其他區(qū)域，改進(jìn)的S-P模型在河流各監(jiān)測(cè)斷面降解系數(shù)計(jì)算誤差上平均降低12.7%。從BOD5的計(jì)算對(duì)比誤差可看出，采用傳統(tǒng)S-P模型計(jì)算的河流降解系數(shù)的誤差在-15.03%～28.98%之間，計(jì)算誤差均大于±15%，而采用改進(jìn)的S-P模型后，各監(jiān)測(cè)斷面降解系數(shù)的計(jì)算誤差均在±10%以內(nèi)，相比于傳統(tǒng)S-P模型，改進(jìn)的S-P模型在河流BOD5的降解系數(shù)的計(jì)算誤差得到明顯改善，相比于傳統(tǒng)模型，改進(jìn)的S-P模型河流降解系數(shù)誤差降低13.3%，這主要是因?yàn)楦倪M(jìn)的S-P模型增加污染衰減濃度系數(shù)，使得河流降解系數(shù)的計(jì)算更能反映河流污染物沿程變化，因此計(jì)算精度得到提升，更適用于喀什地區(qū)的河流降解系數(shù)計(jì)算。

2.3 納污能力計(jì)算結(jié)果

在河流主要污染指標(biāo)降解分析的基礎(chǔ)上，分別對(duì)現(xiàn)狀年、遠(yuǎn)景年、規(guī)劃年各水功能河流納污能力進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4、表5以及表6。

表4 現(xiàn)狀年2019年區(qū)域水功能區(qū)納污能力計(jì)算結(jié)果

表5 遠(yuǎn)景年2030年區(qū)域水功能區(qū)納污能力預(yù)測(cè)結(jié)果

表6 遠(yuǎn)景年2040年區(qū)域水功能區(qū)納污能力預(yù)測(cè)結(jié)果

從分析結(jié)果可看出，喀什地區(qū)不同現(xiàn)狀年份BOD5指標(biāo)納污能力在6.43×104t/a～13.87×104t/a，而現(xiàn)狀年份COD納污能力在23.77×104t/a～62.28×104t/a之間，喀什地區(qū)COD納污能力總體好于BOD5指標(biāo)的納污能力，而對(duì)于生態(tài)保護(hù)規(guī)劃年份而言，喀什地區(qū)的各種污染指標(biāo)的納污能力有一定程度的降低，這主要是因?yàn)殡S著河流生態(tài)保護(hù)規(guī)劃措施的逐步實(shí)施，其河流水質(zhì)將得到不同程度的改善，使得其納污能力相應(yīng)有所減少。而進(jìn)入遠(yuǎn)景年份，喀什地區(qū)河流水質(zhì)將得到進(jìn)一步改善，河流水質(zhì)能力的提升，也使得其納污能力相應(yīng)減少。

3 結(jié)論

（1）改進(jìn)的S-P模型可適用于喀什地區(qū)河流降解系數(shù)及納污能力的計(jì)算，改進(jìn)后的模型，在喀什地區(qū)河流主要監(jiān)測(cè)斷面COD和BOD5兩種指標(biāo)的降解系數(shù)求解誤差均在±10%以內(nèi)，具有較好的求解精度；

（2）對(duì)于生態(tài)保護(hù)規(guī)劃和遠(yuǎn)景年份而言，受到喀什地區(qū)河流水質(zhì)改善的影響，由于喀什地區(qū)主要河流需要納污的污染物量級(jí)減少，其相應(yīng)能力將降低。