新乡市共产主义渠纳污能力模型参数率定

郑茹楠 李仁杰

新乡市共产主义渠纳污能力模型参数率定

郑茹楠 李仁杰

一、前言

新乡市作为正在发展中的中原城市，位于海河流域范围内，饱受水资源短缺、水污染严重的制约，水环境质量差、水生态受损重、环境隐患多等问题十分突出，影响和损害群众健康，不利于经济社会持续发展。共产主义渠是流经新乡县、新乡市郊、卫辉市的重要河流，作为泄洪排涝河道主要承接了新乡市市区和新乡县、卫辉市的涝水和污水。对其进行纳污能力核定是政府开展水污染防治和污染减排工作的重要依据，对加强工业污染源控制、加大主要污染物减排力度、提高城市污水处理率、改善重点流域水环境质量起到技术支撑作用，是保障人民群众切身利益和新乡市全面建成小康社会的必要举措。

2017年在国务院对全国25个省（市、自治区）“十二五”水污染防治规划的实施情况考核中河南省全国排名第17名。其中海河流域水质较差，个别河流污染较为严重，总磷和氨氮污染突出。经过多年治理，地表水主要污染物已由原先的化学需氧量和氨氮，逐渐变为总磷和氨氮。河南省水污染防治攻坚战明确提出：2017年要初步建立共产主义渠等河流环境流量改善机制，省辖海河流域水质优良（达到或优于Ⅲ类）比例总体达52%以上，为加快推进共产主义渠纳污能力核算工作提出了更高的要求。

二、模型选择

新乡市共产主义渠纳污能力计算单元采用合河水文站和黄土岗水文站测流断面作为计算断面。采用理论频率皮尔逊Ⅲ型曲线，根据豫北地区水文特性，Cs取3倍CV值，确定合河水文站和黄土岗水文站90%、75%保证率最枯月平均流量作为设计流量。点绘水位～流量关系曲线、水位～流速关系曲线，由设计流量查相应水位，再由相应水位查断面平均流速。

共产主义渠系引黄济卫人工开挖的泄洪渠道，渠首在武陟县秦厂，流经武陟县、获嘉县、新乡县、新乡市、卫辉市、浚县，于汤阴县五陵镇北入卫河，全长167km。

新乡市共产主义渠计算单元（合河站至市界）该河段的弯曲系数为1.13，可以视为平直河流。选取合河水文站和黄土岗水文站2002～2016年共计15年的年平均流量资料，合河水文站多年年均流量值为9.69 m3/s，平均流速0.42 m/s；黄土岗水文站多年年均流量值为13.4 m3/s，平均流速0.64 m/s。

依据设计水文条件，河流特征资料确定本次计算单元采用的水质模型。由于新乡市共产主义渠计算单元（河段）属于小型河段、弯曲系数较小、宽深比不大，故采用河流一维计算模型。

河流一维计算模型：水质模型以物质守恒定律和化学反应动力学原理为基础，即：

式中：C—污染物质量浓度，mg/L；

t—污染物在确定区域内降解时间，d；

k—污染物综合衰减系数，L/d。

对于河道水体流动明显的河道用一维水质模型模拟。

因为流动河道中，污染物浓度沿程是变化的，上式引进dt=dx/u，并求得其一维水质模型稳态解析解为：

式中：x—与起始断面间的距离，km；

u—设计条件下河段平均流速，km/d；

C0—起始断面污染物浓度，mg/L；

其他符号意义同前。

将计算河段内的多个排污口概化为一个集中的排污口，概化排污口位于河段中点处，相当于一个集中点源，该集中点源的实际自净长度为河段长的一半，设河段长度为L，则污染物自净长度为L/2。因此，对于功能区下断面，其污染物浓度为：（-kL/2u）

式中:Q0—功能区设计流量，m3/s；

C0—初始浓度值，mg/L；

k—污染物综合衰减系数，L/d；

X—纵向距离，km；

u—设计流量下的平均流速，m/s。

其他符号意义同前。

通过上式，可以推导出计算纳污能力的公式：

式中：W—功能区纳污能力，t/a；

q—功能区入河污水流量，m3/s；

Cs—本功能区水质目标值，mg/L；

其他符号意义同前。

三、参数率定

纳污能力计算应根据需要和可能选择合适的数学模型，确定模型的参数，包括污染物综合降解系数等，并对计算成果进行合理性检验模型计算结果与实测值进行对比修正。

1.初始浓度值C0的确定

依据《河南省水功能区划报告》（2004），新乡市共产主义渠合河水文站至六店村107国道公路桥上之间的“共渠河南新乡市排污控制区”纳污能力计算单元初始浓度值按“Ⅳ类水标准值”作为初始浓度，“共渠河南新乡、鹤壁农业用水区”计算单元初始浓度值按“Ⅴ类水标准值”作为初始浓度。

2.水质目标值Cs的确定

一般采用本功能区的水质目标限制作为Cs。依据《河南省水功能区划报告》（2004），“共渠河南新乡市排污控制区和共渠河南新乡、鹤壁农业用水区”水质目标均为Ⅴ类。

3.综合衰减系数的确定

污染物综合衰减系数k常用自然条件下的实测资料率定，率定方法常用二断面法和多断面法。本研究采用《全国重要江河湖泊水功能区纳污能力核定和分阶段限制排污总量控制方案》中海河流域试点研究成果，COD综合衰减系数取值在0.03～0.19L/d之间，平均为0.10L/d；氨氮综合衰减系数取值在0.02～0.22L/d之间，平均为0.11L/d。k值计算公式按《河南省重要河湖水功能区纳污能力核定和分阶段限制排污总量控制方案实施细则》（河南省水文水资源局，2012）提出的《淮河流域及山东半岛水资源保护规划》分析成果，即：

化学需氧量（CODcr）：k=0.050+0.68u

氨氮（NH3-N）：k=0.061+0.551u

式中：u—计算单元设计流速，m/s；

k—综合衰减系数，L/d。

四、结语

以2016年为例，共渠新乡市排污控制区主要污染物化学需氧量和氨氮入河量分别为903.32 t/a和94.37 t/a；共渠河南新乡、鹤壁农业用水区化学需氧量和氨氮入河量分别为181.06 t/a和7.76 t/a。共渠新乡市排污控制区主要污染物入河量远大于计算单元（河段）纳污能力，共渠河南新乡、鹤壁农业用水区主要污染物入河量小于其纳污能力。结合水质评价结果，共渠河南新乡、鹤壁农业用水区化学需氧量超标率100%，氨氮超标率83.3%，水功能区不达标，主要是由于上游污染引起。为实现各水功能区达标目标，市政府应与水利、环保、城建、农业等部门按照各自职责，通力协作，在工业污染源控制、城市污水处理、污水回用、农业面源污染控制和水生态修复等方面发挥各自作用■

（作者单位：河南省新乡水文水资源勘测局 453000）