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城市河流纳污能力的动态研究 * 汪妮李京文解建仓 西安理工大学 水利水电学院， 西安 710048 摘要 随着城市经济的快速发展， 城市流域水环境污染问题日益突出。为了控制和治理城市河流污染， 研究城市河流 的纳污能力是必要的。针对城市河流动态变化的特征， 研究城市纳污能力的动态性。以西安市灞河干流为研究对象， 分析纳污能力的动态要素， 选择确定污染源、 排污口概化方式和水质目标等因子的动态变化特征， 建立动态纳污的计 算方案， 采用标准一维水质模型， 计算分析不同来水频率 90、 75、 50 条件下年际纳污能力变化以及 2010 年的 年内纳污能力变化。纳污能力的动态研究为实施水污染总量控制提供依据， 也为河流水环境污染防治和环境管理决 策提供理论依据， 具有现实意义。 关键词 纳污能力; 动态特征; 计算模型; 灞河 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201410013 DYNAMIC ＲESEAＲCH OF UＲBAN ＲIVEＲ WATEＲ ENVIＲONMENT CAPACITY Wang NiLi JingwenXie Jiancang School of Hydropower and Water Conservancy，Xian University of Technology，xian 710048，China AbstractWith the citys rapid economic developing，the pollution in urban rivers has been far beyond the self- purification capacity of rivers． Problems of urban water pollution have become increasingly prominent． Water environment capacity in the quantitative analysis is crucial for water conservation． Ｒiver has the dynamic characteristics，water environment carrying capacity under different hydrological condition and different water quality goals should be calculated by different models． In order to study water environment capacity of Bahe Ｒiver in Xian，it was analyzed the impact on river environment capacity of various factors and a dynamic calculation model was built，with which the dynamic quantity of pollutants under different demands could be calculated． Keywordswater environment capacity;dynamic characteristics;calculation model;Bahe Ｒiver * 国家自然科学基金项目 51079120 ; 陕西省教育厅 2010 年省级重点实 验室项目 2010JS077 ; 陕西省教育厅2012 年科学研究项目 12JK0481 。 收稿日期 2013 －12 －17 随着城市工业化和城市化的发展， 城市河流不仅 作为城市用水的主要来源， 也成为了城市的天然排污 场所。由于污染物排放量超出了河流自身的污染承 载力， 水环境污染问题日益恶化， 河流天然的功能状 态受到极大的改变， 使得城市面临着用水和缺水危 机。而且， 城市河道随着城市建设的扩大和改造， 改 变了城市河流原有的地貌和水文特征， 导致城市天然 水系不断萎缩。对城市环境的重要人为要素影响以 及纳污能力的研究是污染总量控制的重要基础， 针对 城市河流纳污能力的研究是很有必要的［1 ］。 基于对西安市灞河干流的纳污能力计算研究， 结 合河流水文过程以及认为要素的动态性， 分析城市河 流的动态特征。采用一维水质模型进行纳污能力计 算， 模拟动态变化的趋势， 得到不同来水频率条件下 90、 75、 50 年际变化和代表年年内纳污能力 的变化趋势， 为西安市灞河污染总量的控制和流域管 理提供依据， 具有实际意义。 1城市河流纳污能力的动态特征分析 1. 1城市河流污染特性 城市河流的污染源在不同河流水域具有一定的 变化特征。首先， 进入天然水体的污染源主要包括点 源和非点源两部分。灞河干流流入浐灞生态区之前 水质较好，浐河汇入前，主要为面源 农田施肥、 农 业养殖及农村生活排污等 污染和来自蓝田县城及 西安城区生活污水的点源污染。灞河干流在浐灞河 05 环境工程 Environmental Engineering 入汇口至入渭口段水质污染程度加剧， 水质属劣Ⅴ 类， 主要超标因子有 COD、NH3－N 和石油类等［2- 3 ］。 灞河上游经过监测得知上游面源污染严重， 中下游主 要考虑点源污染。在枯水条件下污染源以点源为主， 而非点源污染主要产生在丰水期［4 ］。点源和非点源 污染在不同水功能区段以及不同时期呈现了不同的 污染状况， 为了实现水污染的有效控制， 应该对点源 和非点源进行统一的管理。因此， 在纳污能力分析过 程中， 对点源污染和非点源污染要进行充分考察和 分析 ［5- 6 ］。 根据2010 年地表水监测成果， 对灞河流域的氨氮、 化学需氧量指标浓度沿程变化情况进行分析。沿程变 化曲线见图1。由图1 可看出 灞河指标浓度总的变化 趋势是从河流的上游断面向下游断面逐渐增高， 灞河到 入渭河口断面达到高峰， 这与排污现象基本吻合。 图 1 2010 年灞河主要污染物浓度沿程变化 Fig．1Change in the major pollutants concentration along Bahe Ｒiver in 2010 1. 2河流的时间动态性 河流水文过程和其他自然条件的动态变化是河 流纳污能力具有动态特征的基础， 影响河流纳污能力 的主要因素都随时间而变化， 这些因素直接影响着河 流的纳污能力， 因此河流纳污能力是一个具有时间动 态变化特征的量。水体纳污能力， 由于受到降雨和洪 水两方面的影响， 河流的水位、 流量在年内发生着明 显的变化， 与此同时， 水温、 水动力条件等因素在年内 不同时间段具有较大差异［7- 8 ］， 而这些条件直接影响 着水体自净能力的大小。 2河流纳污能力分析及计算 2. 1流域概况及计算范围 本文以陕西西安市灞河流域 不包括浐河 作 为研究对象。灞河流域位于西安市东南部， 东经 10900 ～10947， 北纬 3350 ～ 3427， 是渭河下 游右岸较大的一级支流， 南依秦岭山地， 北连渭河 平原。南北长约 78 km， 东西约宽 50 km， 流域绝大 部分属西安市的蓝田县和灞桥区管辖。灞河流域 上游源头水保护区水质较好， 河流水体水质基本能 够达到水质目标要求; 灞河中下游开发利用区河段 由于废污水超标排放， 水质较差。因此本文纳污能 力计算研究范围重要集中在灞河流域 不包括浐 河 的二级水功能区河段。灞河流域功能区划见 图 2， 水功能区划见表 1。 图 2灞河流域功能区划 Fig．2The water functional regionalization of Bahe Ｒiver 表 1陕西省灞河流域水功能区二级区划 Table 1The water function secondary zoning of Bahe Ｒiver in Shaanxi Province 河流功能区名称 范围 起始断面终止断面 长度/km水质目标 水质目标质量浓度/ mg L －1 COD氨氮 灞河蓝田、 长安农业用水区九间房马渡王38. 70Ⅲ201. 00 西安农业用水区马渡王洪庆镇8. 00Ⅲ201. 00 西安排污控制区洪庆镇浐河入灞口9. 30Ⅳ301. 5 西安过渡区浐河入灞口入渭口13. 00Ⅳ301. 5 2. 2计算模型 污染物进入水体后， 在水体的平流输移、 纵向离 散和横向混合作用下， 发生物理、 化学和生物作用， 使 水体中污染物浓度逐渐降低， 这是一个动态过程。因 此水域的纳污能力也是动态的， 不同的水平年、 不同 的来水频率有不同的纳污量。因此， 对纳污能力的分 析也要采用动态方法。 灞河干流流域宽深比较小， 河流污染物在断面处 15 水污染防治 Water Pollution Control 能较快均匀混合， 并且污染物仅在水流方向变化， 可 以忽略另外两个方向的污染物浓度变化。因而， 用一 维水质模型模拟污染物沿河流纵向的迁移问题来计 算纳污能力 ［9 ］。 污染物浓度按式 1 计算 Cx C0exp － K x u 1 式中 Cx为流经 x 距离后的污染物浓度， mg/L; x 为 沿河段的纵向距离， m; u 为设计流量下河道断面的平 均流速， m/s; K 为污染物综合衰减系数， 1/s。 相应的水域纳污能力按式 2 计算 M Cs－ Cx Q Qp 2 当 x L/2 时， 即入河排污口位于计算河段的中 部时， 水功能区下断面的污染物浓度按式 3 计算 Cx－L C0exp － KL/u m Q exp － KL/u 3 式中 m 为污染物入河速率， g/s;Cx－L为水功能区下 断面污染物浓度， mg/L。 相应的水域纳污能力按式 4 计算 M Cs－ Cx－L Q Qp 4 式中M 为水域纳污能力， kg/s; Cs为水质目标浓度 值， mg/L。 3纳污模型动态方案构建及求解 3. 1设计水文条件 1 不同来水频率 设计流量 下纳污能力计算。 依据 19522010 年马渡王水文站的流量数据， 确定 在不同来水频率 50、 70、 90 下， 功能区采用 不同来水频率最枯月平均流量作为设计流量， 得到纳 污能力年际变化。再以 2010 年作为代表年， 得到年 内逐月不同流速流量下的纳污能力， 分析总结得到研 究流域范围内各水功能区纳污能力的年际变化以及 流域的年内变化。 2 不同水期纳污能力计算。将 1 年分为 3 个水 期， 分别是丰水高温期、 枯水低温期和平水期。其中 夏季 68 月 3 个月为丰水高温期， 冬季 11 月至次年 1 月份 3 个月为枯水低温期， 25 月和 910 月 6 个 月为平水期。水温度采用夏季 20 ℃、 平水期平均 11 ℃、 冬季水温 7 ℃， 以探讨不同温度的纳污能力。 计算代表年 2010 年的纳污能力总量和逐月的量值， 对年内逐月的纳污量曲线趋势进行模拟， 得到年内的 动态纳污量的变化。计算结果按照不同水期分别分 析纳污能力， 再汇总到全年。灞河干流的污染源以点 源为主， 所以纳污能力计算过程中不考虑面污染源的 影响。 3. 2污染源 灞河干流马渡王以下河段的污染源主要来自城 市生活污水及工业企业废水， 研究区的纳污能力计算 以点源污染为主［10 ］。灞河在灞河峪口断面之前水质 较好， 在流入浐灞生态区前的主要污染源为面源以及 蓝田县城的生活污水， 呈轻度有机型污染， 除总氮 平均超标 4. 5 倍 、 石油类 平均超标 8 倍 超标外， 其余监测项目均符合地表Ⅲ类水标准; 从战备桥到灞 河口处， 沿岸有 5 个排污口的生活污水汇入， 水质稍 有下降， 粪大肠菌群指数上升明显， 主要污染物为粪 大肠菌群 平均超标 9 倍 、 总氮 平均超标 3. 8 倍 、 石油类 平均超标 7 倍 ［11 ］; 在浐灞汇合口以下， 由于 有污染较重的浐河汇入以及灞河东岸田王镇工业企 业废水和生活污水的排入， 导致灞河水质污染程度加 剧， 多项污染物超标， 水质变为劣 V 类， 主要污染物 为 COD 平均超标 3. 5 倍 、 氨氮 平均超标 3. 5 倍 、 石油类 平均超标 19 倍 、 粪大肠菌群 平均超标 5 倍 、 总磷 平均超标 2. 5 倍 等。灞河上游主要考 虑面源污染， 中、 下游考虑点源污染。 3. 3排污口的概化 灞河流域研究范围沿岸排污口不多， 排污情况较 为简单， 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位置， 相当于 一个集中点源。 3. 4综合降解系数 K 本次规划确定 COD、 NH3－N 作为纳污能力计算 和污染总量控制的首选因子。排污口流量以环保、 水 利部门的实测流量或统计资料为计算选取值。 可以采用实测资料反推法计算见式 5 K 86. 4u lnc1－ lnc2 /x 5 式中 C1为河段上断面污染物浓度， mg/L; C2 为河下 断面污染物浓度， mg/L; x 为上下断面的距离， km; 换 算系数为 86. 4。 综合降解系数反映了污染物在水体作用下降解速 度的快慢， 与河流的水文条件和河道污染程度有关， 可 用实测资料反推或类比分析确定。纳污能力计算中， COD 的 K 值取0.201 d －1， NH 3－N 的 K 值取0.151 d －1。 3. 5初始断面污染物浓度值和水质目标浓度值的确定 目前灞河干流污染严重， 除上游部分河段外基本 不存在河流水体的天然状态。由于河流水体的连续 25 环境工程 Environmental Engineering 传递性， 上游河段的污染在一定程度上影响下游水体 的水质， 为体现 “上游河段污染不影响下游河段” ［1 ］， 初始断面污染物浓度 C0选用上游计算河段的水功能 区水质目标。 确定 Cs值时， 应考虑各功能区的实际情况。在 相邻两功能区之间， 如果上一功能区现状水质较好， 纳污能力有富余， 而下一功能区需要较多的纳污能力 时， 可将上一功能区的 Cs值定为规定水质类别的下 限浓度限值， 以降低下一功能区的 C0值， 为下一功能 区留出较多的纳污能力。如果该功能区本身需要较 多的纳污能力时， 可将其 C0值定为规定的水质类别 的上限浓度值。 3. 6动态组合方案的计算 针对以上不确定要素定量确定， 组合不同的水文 情景模拟计算， 得到不同水文条件下的纳污能力。 4纳污能力计算结果分析 1 不同水文频率下 90、 75、 50 的纳污能 力变化趋势如图 3、 图 4 所示。 图 3不同来水频率 NH3 －N 纳污能力 Fig．3NH3－N assimilative capacity at different runoff frequencies 图 4不同来水频率 COD 纳污能力 Fig．4COD assimilative capacity at different runoff frequencies 随着 90、 75、 50 设计流量的增大， 其 COD 纳污能力随之增大。在排污量相同的条件下， 枯水期 的河段流量比丰水、 平水两期小。而在一定条件下 污染物质浓度不超过限值 时， 纳污能力和设计流 量成正比。因此， 枯水期的纳污能力最小。 2 纳污能力统计分析。2010 年各功能区纳污能 力总量见表 2， COD、 NH3－N 年内逐月纳污能力变化 趋势见图 5、 图 6 所示。 表 2 2010 年各功能区纳污能力总量 Table 2The total assimilative capacity of the water functional areas in 2010 河段功能区名称M COD / t a－1M NH3－N / t a －1 1蓝田、 长安农业用水区9 093. 54427. 39 2西安农业用水区2 660. 54133. 60 3西安排污控制区4 577. 69277. 74 4西安过渡区6 321. 24292. 48 图 5排污控制区 COD 纳污能力 2010 年内逐月变化趋势 Fig．5COD assimilative capacity changes trend in emission control areas during 2010 图 6排污控制区 NH3 －N 纳污能力 2010 年内逐月变化趋势 Fig．6NH3－N assimilative capacity changes trend in emission control areas during 2010 2010 年内逐月纳污能力差异显著。年内流速和 流量变化趋势见图 7、 图 8。流量的年内分配比如图 8 所示 灞河各月纳污能力以主汛期 8 月份最大，约占 全年纳污能力的15. 35; 其次为7 月、 9 月，总共约占 全年纳污能力的 28. 3; 再次就是 4 月，约占全年纳 污能力的9. 7。1 月份纳污能力相对最小， 仅占全年 纳污能力的 2. 68。灞河 2010 年内逐月纳污能力大 小排序为 8 月 ＞9 月 ＞7 月 ＞4 月 ＞5 月 ＞6 月 ＞10 月 ＞11 月 ＞3 月 ＞2 月 ＞12 月 ＞1 月。 图 7 为年内逐月平均流速趋势， 图 8 为逐月平均 流量趋势。与年内纳污能力变化趋势对比可以发现 灞河年内月纳污能力大小与当月平均流速和均流量 呈现较好的正相关关系，即流速和流量越大， 灞河当 月的纳污总量就越大。79 月高温丰水期较 11 1 月低温枯水期纳污能力明显较大， 以上数据说明纳 污能力与流量与流速有密切的关系。 35 水污染防治 Water Pollution Control 图 7 2010 年马渡王监测逐月平均流速趋势 Fig．7The monthly average flow velocity trends monitored at Maduwang in 2010 图 8 2010 年马渡王逐月平均流量趋势 Fig．8Maduwang monthly average flow rate trends in 2010 尽管丰水季节纳污能力增加， 但是该纳污能力反 映的是点源和非点源的控制目标， 由于同期非点源负 荷较枯水季节显著增加， 因此把同期污染负荷与纳污 能力相结合的污染负荷控制的分析才更为全面。 5结论 本文采用一维水质模型计算西安市灞河流域的 纳污能力， 分析不同来水频率下不同流速、 流量、 排污 情况， 以及不同水期所表现出来的纳污能力变化， 得 到结论如下 1 功能区的水域纳污能力大小与设计流量、 流 速、 计算河段长度、 上下游控制目标浓度、 综合降解系 数等因素密切相关。设计流量越大， 水域纳污能力越 强; 计算河段越长， 水域纳污能力越强; 降解系数越 大， 水域纳污能力越强; 上下游控制目标浓度相差越 大， 水域纳污能力越强。 2 不同来水频率下， 随着 90、 75、 50 设计 流量的增大， COD 和 NH3－N 的纳污能力随之增大。 3 灞河中下游功能区段污染严重， 主要是由于 在此区段内受城市生活、 工业污染的汇入。在中下功 能区， 对不同水期纳污能力采用不同的限制， 丰水期 可以多纳污， 在枯水期严格控制。该年内的动态控制 可更好地利用纳污能力的资源价值， 更好控制河流的 纳污能力。 参考文献 ［1］赵淑兰． 浐灞河流域水功能区纳污能力及入河污染物总量控 制分析［J］． 陕西水利， 2012 5 145- 148. ［2］王翔． 城市河流污染问题浅析［J］． 城镇供水， 2012 3 76- 79. ［3］孙小军， 魏炳乾， 周孝德， 等． 西安市灞河流域水环境现状分析 及治理对策［J］． 自然灾害学报， 2009， 18 5 168- 173. ［4］张海欧， 闵涛， 罗军刚， 等． 渭河干流纳污能力动态计算模型系 统开发［J］． 人民黄河， 2013， 35 6 70- 72. ［5］孙旭， 宋孝玉． 西安市浐灞河流域水环境问题及治理措施［J］． 水资源与水工程学报， 2009， 20 5 45- 48. ［6］李振兴， 张晓斌． 西安市浐灞河下游水质污染状况评价［J］． 水资源与水工程学报， 2011， 22 3 151- 156. ［7］史晓新， 禹雪中， 马巍． 湖泊纳污能力动态特征分析及计算 ［J］． 中国水利水电科学研究院学报， 2008， 6 2 105- 110. ［8］朱凌峰， 陈文． 郁江贵港、 桂平河段动态纳污能力分析和研究 ［J］． 水利规划与设计， 2006 3 36- 40. ［9］GB 251732010 水域纳污能力计算规程［S］． ［ 10］陕西省水文水资源勘测局． 西安市浐灞河流域水资源现状及其 开发利用评价报告 ［ Ｒ ］ ．西安 西安浐灞生态区管理委员会， 2007. ［ 11］西安市水利规划勘测设计院． 陕西省西安市浐灞河流域综合规 划［Ｒ］． 2011． 第一作者 李京文 1987 － ， 女， 硕士研究生， 研究方向区域经济与水 资源管理。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 lijingwen_alice163． com 上接第 25 页 ［ 10］Anipsitakis G P，Stathatos E，Dionysiou D D．Heterogeneous activation of Oxone using Co3O4［J］ ． J Phys Chem B，2005， 109 27 13052- 13055. ［ 11］Anipsitakis G P，Dionysiou D D．Ｒadical generation by the interaction of transition metals with common oxidants［ J］ ． Envir Sci Technol， 2004， 38 13 3705- 3712. ［ 12］Xin B F，Jing L Q，Ｒen Z Y，et al． Effects of simultaneously doped and deposited Ag on the photocatalytic activity and surface states of TiO2［J］． J Phys Chem B， 2005， 109 7 2805- 2809. ［ 13］Ｒosales E，Iglesias O，Pazos M，et al． Decolourisation of dyes under electro- Fenton process using Fe alginate gel beads［J］． J Hazard Mater， 2012， 213/214 369- 377. 第一作者 王倩 1989 － ， 女， 硕士， 主要研究方向为水污染控制理论 与技术。qian． hey163． com 通讯作者 李登新 1965 － ， 男， 教授， 主要研究方向为固体废物资源 化和水处理研究。lidengxin dhu． edu． cn 45 环境工程 Environmental Engineering