基于一维模型计算水域纳污能力

摘要：复州河复州城农业用水区位于大连市复州河下游，属于小型河流，污染物在河段横断面上均匀混合。采用河流一维模型，选取特征污染物COD，NH3-N作为分析评价因子，计算水功能区纳污能力。

关键词：一维模型，水域;纳污能力;复州河

复州河复州城农业用水区（以下简称计算区）位于大连市复州河下游，河段常年平均流量小于15m3/s，属于小型河流。按照《水域纳污能力计算规程》，水域纳污能力计算方法主要有模型计算法和污染负荷计算法等[1-2]。采用河流一维模型，污染物在河段横断面上均匀混合。选取特征污染物COD，NH3-N作为分析评价因子，计算纳污能力。

1   基本资料

复州河流域面积1638km2，计算区上游是东风水库，区内自上而下主要有九道河、太阳河、珍珠河、岚崮河4条一级支流，下游入渤海。以4条支流汇入后为节点划分为5个河段：东风水库出口到九道河汇入口、九道河汇入口到太阳河汇入口、太阳河汇入口到珍珠河汇入口、珍珠河汇入口到岚崮河汇入口、岚崮河汇入口到入海口段，河段长度依次为1.5km、6.1km、18.0km、14.5km、7.3km。各节点断面以上流域面积依次为817.40km2、924.46km2、1144.75km2、1532.65km2。

复州河下游关家屯水文站控制流域面积1071km2，资料年限50年以上，资料系列包含了丰、平、枯年份，具有较好的代表性，多年平均径流深为217mm。[3]

2   设计水文条件

计算区属于有水利工程控制的河段，可采用河道内生态基流作为设计水文条件。生态基流计算采用Tennant法，将多年平均流量的百分数作为短期生存本息地的最小瞬时流量。[4]由于大连地处北方，属缺水城市，而多年平均天然径流量的10%是保持河流生态系统健康的最小流量，故将多年平均天然径流量的10%作为生态基流。

根据水文同步性，将关家屯水文站以上控制流域面积与计算区间流域控制面积进行对比，进而同倍比放大得到区间径流量。经计算，东风水库出口流量（初始流量）汛期为0.276m3/s，非汛期为0.043m3/s。水库以下5个河段的流量汛期依次为0.057m3/s、0.036m3/s、0.049m3/s、0.043m3/s、0.072m3/s，非汛期依次为0.009m3/s、0.006m3/s、0.008m3/s、0.007m3/s、0.011m3/s。

3   纳污能力计算模型

因计算区内区间入流较大，需考虑区间入流影响，并将多个区间支流入口概化为中段，因此区间下断面污染物浓度为：

（式1）

式中：Cx=L—流经X=L距离后的污染物浓度，mg/L;C0—初始断面的污染物浓度，mg/L;

L—河段长度，m;

u—設计流量下河道断面的平均流速，m/s;m—污染物入河速率，g/s;

K—污染物综合衰减系数，1/s。

相应的水域纳污能力按下式计算：M=（Cs-Cx）（Q+Qh）   （式2）式中：M—水域纳污能力，g/s;

Cs—水质目标浓度值，mg/L;

Q—区间生态基流入流流量，m3/s;

Qh—初始断面生态基流入流流量，m3/s。

4   纳污能力计算

上游东风水库水质目标浓度（初始断面浓度）为Ⅲ类水，即COD20mg/L，NH3-N1.0mg/L。复州河复州城农业用水区水质目标浓度为Ⅳ类水，即COD30mg/L，NH3-N1.5mg/L。

在复州河干流选取一个顺直、水流稳定、无支流汇入、无入河排污口的河段，分别在其上游和下游布设采样点，记录河段长度、河宽、水深和水流流速，并采水样监测污染物浓度，计算特征污染物COD和NH3-N的综合衰减系数分别为0.19×10-3/s、0.14×10-3/s。

以汇入或流出的断面为节点，采用前述式1、式2，分段计算水域纳污能力，结果如下：

经计算，复州河复州城农业用水区汛期纳污能力COD为62.74g/s，NH3-N为3.08g/s，非汛期纳污能力COD为9.96g/s，NH3-N为0.5g/s。即：设计水文条件下，采用河流一维计算模型，复州河复州城农业用水区纳污能力为：COD870.41t/a，NH3-N42.94t/a。

参考文献：

[1] 路雨，苏保林.河流纳污能力计算方法比较[J].水资源保护，2011，27（4）：5-9.

[2] 韩龙喜，朱党生，姚琪.宽浅型河道纳污能力计算方法[J].河海大学学报，2001，29（4）：72-75.

[3] 辽宁省水利厅.辽宁省水资源[R].2006.

[4] 罗志远，杨荣芳，吴刚.贵州省乌江流域生态基流分析及保障方案[J].人民珠江，2018，39（5）：38-40.

作者简介：

杨宗宾，男，主要从事水利工程咨询服务相关工作。