不同引水规模下平原闸控河道纳污能力比较研究

喻 婷，陈燕飞，周 驰，吴雪洁，张秀莲，陈运梅，陈晓群

(1.湖北省水利水电科学研究院湖北省水利水电科技推广中心，湖北 武汉 430070；2.长江大学，湖北 武汉 434023)

水域纳污能力是指在设计水文条件下，满足计算水域的水质目标要求时，水体所能容纳的某种污染物的最大数量[1-5]。 水域纳污能力与水域限制排污总量一起构成了中国水资源保护行业的重要基础，为相关行业水资源管理提供了有效依据[6]。

闸控工程对河流水量、水质的影响是当今国内外水科学研究的前沿与热点之一。 Hayes等、Burke等[7-8]探析了水闸调度对河流水质、水量演变所起的作用；Birhanu 等[9]模拟了不同闸坝调控情况下河流水环境变化；朱效娟等[10]利用一维河流水动力模型及水质模型，并结合闸控感潮河网所具有的流态不稳定、流向多变等特点，建立了适用于闸控感潮河网的水环境容量模型。 本文以多闸坝控制下的重污染河流通顺河为研究对象，采用模型法和污染负荷法分别计算通顺河干流的纳污能力，分析不同引水规模对通顺河水体纳污能力的影响，为通顺河的水资源调度和水环境修复治理提供科学依据。

1 流域概况

通顺河属长江一级支流，是江汉平原腹地的重要河流，也是流域内农业灌溉及排水的骨干通道。通顺河自汉江泽口闸起，流经潜江、仙桃、武汉3 地市，于黄陵矶闸汇入长江，全长195 km，流域面积3 266 km2。 通顺河流域水系复杂、河渠纵横，季节性河流特性明显，流域内控制性涵闸泵站数百座，但由于缺乏科学合理的水资源统筹调度，闸控河段的水环境现状不容乐观。 研究区域见图1。 根据《湖北省水功能区划》，通顺河只划分为一个功能区，为保留区，水质目标为Ⅲ类。

图1 通顺河流域水系及水利工程分布

2013—2016 年，由于入河污染负荷远超水环境容量，导致通顺河水质总体变差，长期为V类或劣V类[11]。 根据湖北省生态环境厅2017、2018 年对通顺河跨界断面的监测结果，通顺河干流水质有明显好转，水质从IV～V类逐渐提升为III～IV类，但离III类水质目标还有很大差距。 在长江大保护的背景下，亟需开展水域纳污能力核算工作，为流域所涉各级政府开展水污染防治与污染减排工作提供重要依据。

2 计算模型

通顺河为单一功能区中型河道，河道断面形状变化不大，可用解析解模拟断面平均浓度的沿程变化[12]。 根据《水域纳污能力计算规程》[13]，河流一维模型适用于污染物在横断面上均匀混合的中小型河段，河段的污染物浓度按式(1)计算，相应的水域纳污能力按式(2)计算:

式中 C0——某基准断面的浓度，mg/L；Cs——水质目标浓度值，mg/L；Cp——排放的废污水污染物浓度，mg/L；x——沿河段的纵向距离，m；u——设计流量下河道断面的平均流速，m/s；K——污染物综合降解系数，1/s；C(x)——流经x距离后的污染物浓度，mg/L；Qp——废污水排放流量，m3/s；Q——初始断面的入流流量，m3/s；M——水域纳污能力，kg/s。

当入河排污口位于计算河段的中部时(即x=L/2)，水功能区下断面的污染物浓度及其相应的水域纳污能力分别按式(3)和(4)计算:

式中 m——污染物入河速率，g/s；Cx=L——水功能区下断面污染物浓度，mg/L；L——计算河段长度，m；其余符号意义同前。

3 纳污能力计算

影响水域纳污能力的要素很多，概括起来主要有以下5 个方面:①水环境质量标准；②水体自净能力；③水体的自然背景值；④排污口的分布方式；⑤水量[14]。

3.1 计算原则

a)通顺河干流原则上不允许新增排污口，因此干流河道纳污能力计算的概化排污口仅为现状排污口，根据排污口排污量与混合带长度响应关系，确定每个概化排污口限定的混合带长度。

b)研究河道初始断面为潜江境内泽口闸，泽口闸从汉江引水，取汉江的水质现状作为初始断面污染物背景浓度值，即COD≤15 mg/L，NH3-N≤0.5 mg/L，TN≤0.5 mg/L，TP≤0.1 mg/L为项目计算河段的初始断面污染物。 河道水质目标为Ⅲ类[15]。

c)通顺河为有水利工程控制河流，采用最小下泄流量或河道内生态基流作为设计流量。

d)采用模型法和污染负荷法分别计算通顺河干流水功能区(保留区)纳污能力，经综合分析后选取合适的值。 对于水质达标的保留区，一般采用污染负荷法成果作为该保留区纳污能力；对于水质超标的保留区，采用模型法计算成果作为该保留区纳污能力。

3.2 计算水文条件

通顺河水系整体为闸控河流，河道水量受泽口闸引水量影响。 根据《水域纳污能力计算规程》，可采用最小下泄流量或河道内生态基流作为通顺河设计流量。

根据《潜江、仙桃两地跨界污染协调工作机制》(鄂环发〔2012〕26 号)要求，为确保通顺河常年保持正常生态流量，现状枯水季节应确保泽口闸取水流量不少于10 m3/s。 本研究通顺河现状(2018 年)设计流量取10 m3/s。

为提高通顺河流域水环境承载能力，《通顺河流域水环境综合整治方案》确定了通顺河不同水平年所需的生态补水流量，其中2020 年取水流量不少于13 m3/s，2022 年取水流量不少于15 m3/s。

3.3 模型参数

3.3.1 河段长度及水质现状

通顺河全长195.0 km，目标水质为Ⅲ类。 通顺河潜江段、仙桃段、武汉段的长度分别为17.0、109.9、68.1 km，各段水质现状分别为Ⅳ、V、Ⅲ类。

3.3.2 扩散系数和降解系数

影响污染物输移的主要参数是扩散系数D和降解系数Kd，本模型中将水平扩散系数与水平涡粘度相关联，扩散系数随流场的变化而改变。

参考湖北省内相邻类似河流的污染物降解系数研究成果，确定通顺河干流水域主要污染物COD、NH3-N和TP的降解系数分别为0.15、0.20、0.10/d。

3.4 纳污能力计算结果

3.4.1 2018 年计算结果

根据通顺河流域入河污染物调查、排污口排查以及入河污染物计算分析结果，得到2018 年通顺河主要污染负荷COD、NH3-N、TP的入河量分别为12 994.58、2 252.84、225.16 t/a。

根据通顺河水功能区(保留区)各河段水质达标现状，潜江段、仙桃段河道水质尚不达标，武汉段水质达标。 由此可以确定通顺河COD、NH3-N、TP的纳污能力核算结果分别为9 590.05、769.05、140.91 t/a(表1)。

3.4.2 2020 年生态补水后计算结果

根据湖北省环境科学研究院编制的《通顺河流域水环境综合整治方案》，到2020 年，通顺河流域跨界断面水质达到地表水Ⅳ类以上，即通顺河保留区水质得到很大改善，但潜江段、仙桃段水质仍未能达标。 根据《通顺河流域水环境综合整治方案》，通顺河现状(2018 年)设计生态流量为10 m3/s，2020年设计生态流量为13 m3/s，2022 年设计生态流量为15 m3/s，采用模型法和污染负荷法分别计算通顺河保留区的纳污能力后，经综合分析得到通顺河2020 年COD、NH3-N、TP的纳污能力核算结果分别为8 920.90、726.55、141.17 t/a(表1)。

3.4.3 2022 年生态补水后计算结果

根据湖北省环境科学研究院编制的《通顺河流域水环境综合整治方案》，通过综合治理，到2022年通顺河干流水质达到地表水Ⅲ类以上，潜江、仙桃、武汉段均基本达到水质目标。 采用模型法和污染负荷法分别计算通顺河保留区的纳污能力后，经过综合分析得到通顺河2022 年COD、NH3-N、TP的纳污能力核算结果分别为9 255.51、1 708.99、185.89 t/a(表1)。

表1 不同引水流量下纳污能力计算结果对比单位:t/a

3.5 结果分析

3.5.1 各引水条件下模型法计算结果分析

在10、13、15 m3/s3 种引水规模下，采用纳污能力计算数学模型对通顺河干流水体进行纳污能力计算。 由图2 可以看出各主要污染物的纳污能力计算结果与引水规模的大小并不成正相关关系，因为纳污能力计算模型为多参数非线性模型，计算结果受多个参数制约。

图2 模型法计算结果对比

3.5.2 污染负荷法计算结果分析

选取2017年8月～2018年8月在我院治疗的神经内科患者180例作为研究对象，将其随机分为对照组与观察组，各90例。其中，观察组男52例，女38例，年龄45～78岁，平均年龄（63.47±5.25）岁，脑出血8例.脑梗死65例，肌萎缩侧索硬化17例；对照组男50例，女40例，年龄45～79岁，平均年龄（63.52±5.16）岁，脑出血7例、脑梗死62例、肌萎缩侧索硬化21例。两组患者一般资料对比，差异无统计学意义（P＞0.05）。所有患者及其家属均知晓本次实验的研究目的、方法和意义，自愿配合，且经我院伦理委员会批准同意。

由于社会经济的发展以及通顺河流域治污力度的不断加强，各水平年入河污染物量随时间的推移不断减少(图3)。

图3 污染负荷法计算结果对比

3.5.3 综合纳污能力核算结果分析

各水平年纳污能力最终核算结果综合参考了模型法、污染负荷法的计算成果，一般认为该结果最为合理。 从图4 可知，规划2022 年引水规模为15 m3/s、入河污染负荷大幅度削减的条件下，通顺河干流水体中各主要污染物的纳污能力最大，这为规划年Ⅲ类水质目标的实现提供了较为合理的研究基础。

图4 综合纳污能力核算结果对比

4 结论

本文根据通顺河干流水文水质资料，按照规程法和污染负荷法分析了通顺河干流各引水条件下的水域纳污能力。 主要结论如下。

a)引水规模对闸控河道的纳污能力有一定的影响，但由于受到多参数制约，所以并不呈现出完全正相关关系，选取合适的引水规模有利于河道自净能力的增强。

b)随着流域水污染治理工程的不断推进，河道引水规模越大，需要削减的污染物量越小。 为实现通顺河水功能区水质目标，结合河道污染负荷入河量和纳污能力计算结果，2018 年引水规模10 m3/s时，通顺河需削减的COD、NH3-N、TP污染物量分别为3 404.53、1 483.79、84.25 t/a；2020 年引水规模13 m3/s时，通顺河需削减的污染物量分别为1 717.36、1 110.55、50.65 t/a；2022 年引水规模15 m3/s时，通顺河需削减的各种污染物量均为0。

根据湖北省生态环境厅2020 年水质监测数据，通顺河流域跨界断面(港洲村断面)水质达到地表水Ⅳ类。 为更好地保护水环境综合整治成果，提出如下建议。

a)在确保防汛安全基础上，探索通顺河流域水资源和水生态联合调度机制，为河流提供休养生息、生态恢复的生态基流。

b)依据现有闸坝调度情况，结合通顺河污染现状、流经区县现行工程情况及未来规划措施，针对水质改善提出科学可行的闸坝调度措施，为河道治理提供依据及对策。