丁丽英 高俊莲

（晋中市水文水资源勘测站 山西晋中030600）

0 引言

晋中市[1]境内河流众多，分属两大流域、三大水系。本文是在对地表水功能区中开发利用区内污染较为严重的16 个重要水功能区的20 个监测断面进行现状调查分析的基础上，选择河流一维数学模型法，核定水功能区纳污能力，并依据晋中市水功能区达标目标分解方案和2016年“水十条”确定的水质控制目标，制定重要水功能区限排总量控制及削减方案。

1 水功能区纳污能力核定

1.1 计算纳污能力模型的确定

据《水域纳污能力计算规程》[2]相关规定，宽深比不大的中小河流，污染物质在较短的河段内，基本能在断面内均匀混合，断面污染物浓度横向变化不大，且Q<150 m3/s 的中小河段，可采用一维模型计算纳污能力。因此本次纳污能力计算选用一维数学模型。公式为：

式中：W——水功能区纳污能力，t/a；

Q——水功能区设计流量，m3/s；

q——水功能区入河污水量，m3/s；

Cs——水功能区水质目标，mg/L；

C0——水功能区上断面污染物浓度，mg/L；

k——污染物综合衰减系数，1/d；

L——水功能区上断面到下断面的距离，km；

Li——简化后排污口到下断面的距离，km；

v——水功能区设计流量下的河段平均流速，m/s。

污染源的简化：对一个纳污能力计算单元而言，其入河排污口分布千差万别。为简化因排污口分布所带来的纳污能力计算得复杂性，将排污口在功能区上的分布加以简化。如果计算单元内只含有一个排污口，则上式中Li即为该排污口至下计算断面的距离；如果具有多个排污口，但分布相对较集中，可将其简化为一个排污口进行计算，此时Li为两个相对最远排污口距离的中点至下计算断面的距离；若多个排污口分布比较分散，在纳污能力计算时将排污口简化为功能区中断面排污，据此排污分布推算纳污能力。

当入河排污口概化为位于计算河段的中部，纳污能力计算公式如下：

1.2 纳污能力设计条件的确定

依据《水域纳污能力计算规程》相关规定，结合晋中市各河流水文条件、水环境现状以及社会发展需求，确定主要参数设计条件。

1.2.1 污染物的确定

根据污染物确定原则及《山西省主要河流水环境承载能力及限制排污总量研究技术细则》，结合晋中市河流实际情况，纳污能力分析计算统一采用COD和氨氮作为污染物控制指标。

1.2.2 设计流量的确定

设计流量对纳污能力计算结果影响较大，为反映水文年际周期变化和其中长期发展趋势，本次流量资料系列取90%保证率最枯月平均流量或10～30年最枯月平均流量作为设计流量。受资料观测年限的条件限制，对资料系列资料较短的断面可用水文比拟或插补延长的方法，并结合实测流量资料进行分析，确定设计流量。

1.2.3 设计流速的确定

1）对有实测流量流速资料的断面，可用利用水文站断面及流量资料，根据公式V=Q/A 计算设计流速，式中：V 为设计流速，m/s；Q 为设计流量，m3/s；A 为过水断面面积，m2。

2）在上下游均无水文资料且断面特征无法比照时，利用DEM 数字高程模型生成控制断面的大断面图，提取功能区河段比降，根据设计流量，选用合适的糙率，运用曼宁公式推求控制断面的设计流速。

1.2.4 综合衰减系数k 的取值

根据《水域纳污能力计算规程》，综合衰减系数k的确定采用分析借用法，并与已有相关区域纳污能力计算成果对照核定。按照保证经济社会发展，从严核定水域纳污能力的原则，参照表1 综合衰减系数取值范围，确定监测断面COD、氨氮的综合衰减系数。

根据以上计算原则可以得到各监测断面90%保证率下的断面设计流量和平均流速，结果见表1 所示。

表1 水功能区纳污计算k 值取值范围

1.2.5 初始浓度值Co和目标水质浓度Cs 的确定

下游功能区的初始浓度值Co 是依据上游水功能区的水质目标值来确定；目标水质浓度值Cs 需结合实际情况，兼顾上下游水资源开发程度，在其水质控制目标范围内作一定调整。水质标准采用《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）。

1.3 参数设计合理性分析

某个断面纳污能力的大小直接关系该河段限排总量控制及削减方案的制定。纳污能力的大小不仅与流量、流速、河宽、水深、泥沙含量等因素有关[3]，还与河道污染程度也有关，同时还受气候季节温度等因素影响，为此，设计成果的合理性分析显得尤为重要。分析如下：

1）水文要素合理性分析

对于全国重点、省重点监测断面采用的设计流量、流速，均是按《河流流量测验规范》（SL50179-2015）和《水文资料整编规范》（SL247-2012）的规定进行了水文测验、资料整编和数据合理性分析，具有代表性、一致性和可靠性。但对于个别市重点监测断面而言，资料系列短，设计流量、流速可通过水文比拟法，同时结合近几年实测数据进行对比分析，最终得出较为客观、合理的数据。如郝村断面，位于芦家庄下游30 km，通过上下游降雨径流关系分析，90%保证率条件下，流量为0.35 m3/s，近几年实测最枯流量为0.29 m3/s，为保证分析结果能满足最不利条件下的纳污量，最终选取流量0.29 m3/s，相应流速0.07 m/s，其余类推。

2）污染物入河量合理性分析

主要对废污水入河量和主要污染物异常值进行复核，确保监测结果合理。废污水入河量分析主要通过污水处理厂上游的工业、城镇生活和三产供、用、耗、排做典型分析，结果显示：污水处理厂废污水收集率在67%～80%，而污水入河率为35%～75%。废污水入河率小主要是为节约水资源，减少新鲜水量，一些对水质要求不高的工矿企业和农田灌溉充分利用污水处理厂的回用水，从而减少了入河排污量，污水排放率和入河率符合当地工业和城镇生活排放规律及经济社会发展水平，废污水入河量合理。

而主要污染物异常值表现典型的是山西新和太明化工有限公司和平遥峰岩煤焦排污口，监测主要污染物COD 含量分别为1 360 mg/L、585 mg/L，NH3-N含量分别为162 mg/L、70.5 mg/L，为晋中之最。依据不同单位多次取样化验，对监测结果进行比对、分析，结果总体一致，确保主要污染物监测结果合理。

3）综合衰减系数的合理性检查分析

当设计流量、流速及废污水入河量确定之后，那么对纳污能力影响最大的因素就是综合衰减系数，该因素合理性检查是综合分析过程，主要考虑分析计算结果与断面现状水质和入河排污量监测结果是否相符，不相符的应分析原因。如汾河沿线西建安、北盐场、洪相园则等监测断面，为劣V 类水质，目标水质为V 类，纳污能力计算结果是不需要污染物削减，与现状水质监测结果矛盾。通过调查分析，区间废污水排放量极少，出现水质差的原因主要是由于上游断面来水污染严重所致，类似断面达标的前提是上游断面必须先行达标。通过断面资料逐一分析，最终确定COD综合衰减系数0.20～0.35 d-1之间，氨氮的综合衰减系数为0.15～0.24 d-1之间。

通过以上综合分析，认为设计条件下各断面参数选取合理。见表2。

表2 监测断面90%保证率设计流量、流速及衰减系数

1.4 纳污能力核定成果

综上，分析成果与历史各流域纳污能力相关分析成果相对比，最终核定全市重点水功能区COD W纳=7 814 t/a、氨氮W纳=329 t/a，分别占全市W纳的86.2%、83.6%。重点水功能区监测断面纳污能力见表4。

2 分阶段限排总量控制及削减方案

分阶段限排总量Q排是指，在一年内，允许污染物进入水功能区的最大数量。计算Q排需根据水功能区的纳污能力W纳和实际污染物入河量Q入，综合考虑水功能区水质状况、当地技术经济条件和经济社会发展水平。入河污染物削减量Q消以现状年污染物入河量Q入为基础进行分析计算，当河段污染物Q入

式中：Q入——入河污废水总量，t/a；

q——实测入河污废水流量，m3/s；

c——实测污染物浓度，mg/L；

t——污废水排放天数，d。

此外，定义α 为分阶段消减系数取值范围，60%～100%。

水功能区限制排污总量Q排，是在水域纳污能力W纳的基础上，结合已有成果、区域经济技术水平、河流水资源配置等因素，严格控制入河排污总量Q入，对于有、无污染物入河量资料两种情况分别采用以下指定原则。如下表3。

根据功能区是否达标、河段污染程度以及水功能区的控制目标，对各监测断面限排总量Q排及削减量Q消进行分析研究，其中：马首、南政、南姚、义棠、道美桥、前龙凤垴6 个断面污染物需要分阶段削减，α 值选取是综合考虑水功能区现状水质、现状污染物入河量、污染物削减程度、社会经济发展水平，污染治理程度及其下游水功能区的敏感性等因素，按照从严控制、未来有所改善的要求，确定水功能区各阶段限制排污总量Q排。南六门、三坝、龙凤入河口、两渡、灵石、蔡家庄、蛤蟆滩7 个断面2018 水平年削减，其余不需要削减，详见表3、表4。

表3 重要水功能区监测断面分阶段限排总量控制和削减方案研究

表4 重要水功能区监测断面分阶段限排总量控制及削减方案

1）2018 水平年

2018年重点水功能区监测断面COD Q排=8 887 t/a、氨氮Q排=815 t/a，分别占全市2018年Q排的69.2%、58.3%；COD Q消=4 840 t/a、氨氮Q消=925 t/a，分别占全市2018年Q消的81.9%、75.1%。Q消最大的监测断面位于太谷乌马河南六门。

2）2020 水平年

2020年重点水功能区监测断面COD Q排=6 624 t/a、氨氮Q排=297 t/a，分别占全市2020年COD 和氨氮Q排的73.9%、70.7%；COD Q消=2 264 t/a、氨氮Q消=518 t/a，覆盖了全市的削减量。Q消最大的监测断面位于平遥惠济河南政。按方案削减后，水功能区可望实现达标率控制目标。

3 主要结论与建议

1）重要水功能区监测断面现状达标率低，排污口分布密集。所制定的限排削减方案与功能区现状水质相吻合，即水质差的断面，入河排污量大，需要削减的污染物也多，因此从根本上看，对水功能区污染物实现总量控制最终有赖于污染源治理成效。

2）对于汾河沿线，污染源性质和途径复杂，存在跨县区、跨流域污水排放情形，部分断面水质能否达标主要取决于上游市（县）污染物控制力度，因此，从源头上控制水功能区污染物入河量，是下游河流水质达标的前提条件和外在基础。

3）纳污能力和限排总量的大小与设计参数关系密切，流量大、流速小、排污多、衰减系数大的断面，其纳污能力和限排总量相对较大。

4）削减方案与现状污染物浓度及水功能区的目标值有关，现状污染物浓度相近的断面，水质目标级别越高削减量越大，而对于水质目标相同的断面，现状污染物浓度大削减量越多。

5）河流水质受工业布局、城镇化建设、水资源开发等因素影响在时空上呈动态变化趋势，建议将纳污能力的分析和限排削减方案的制定列入日常工作中，做到随监测、随分析，逐步摸索出控制污染物排放总量相关联的动态规律，并以此指导实践中控制方案的应用。