河道水环境承载力分析计算方法研究.pdf

第9 期2023年9 月文章编号：1 6 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)0 9-0 0 9 4-0 3陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.9September,2023河道水环境承载力分析计算方法研究方圆，翟城武，齐乐秦（陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西西安7 1 0 0 1 8）【摘要介绍水环境承载力的相关理论、水体纳污能力的影响因素、纳污能力计算国内外研究进展，提出研究内容和技术路线以及河流水体纳污能力计算模型，并以延安市延河为例，分析计算延河水体纳污能力、限制排污总量和削减量，结果可为改善延河水质提供技术支撑。【关键词水环境承载力；纳污能力；水质模型；限制排污总量中图分类号P343.1【文献标识码B注人黄河，流域面积7 7 2 5 km，干流全长2 8 6.9 km。其中榆林1绪论市段称“秀延河”，长3 8.4km，延安市段长2 48.5 km。1.1水环境承载力的概念延河流域位于黄河中游，属黄土高原丘陵沟壑区，北部水环境承载力（Water Environmental CarryingCapacity）是以黄土梁、沟为主，南部以黄土沟壑为主。北部植被较差，以承载力概念为基础。“水环境承载力”这一词语最早出现水土流失严重；南部植被好，水土流失轻微；东南部还有少在福建省湄州湾环境规划综合研究总报告中，其定义为：量残。地区环境在某一时期、某种状态或条件下所能承受的人类活延河流域属大陆性季风气候，年平均降水量5 2 0 mm,多年动强度的限值。根据目前研究成果，对水环境承载力有四种平均径流量为2.7 4亿m，多年平均含沙量2 44kg/m311kg/m，定义，即：纳污能力；系统功能；承受阈值；支撑多年平均输沙量为8 7 5 6 万t，属于典型的多泥沙河流。能力。本次研究的水环境承载力即水体纳污能力，是在一定2.2社会经济概况时期和某一确定的水域内，水体在满足用水功能的前提下所延河沿岸涉及榆林市靖边县、延安市安塞区、宝塔区、能容纳的各种污染物的阈值。延长县2 市4县（区），榆林市靖边县境内为源头河段。延河1.2国内外研究进展流域内油气资源丰富、旅游资源丰富，以小杂粮为主的特色1969年日本提出要对污染物排放总量进行控制，以改善农业初具规模，二三产业蓬勃发展。水和大气环境质量状况，并于在1 9 7 1 年开始对水质总量控制延河流域9 5%面积为延安辖区，2 0 2 0 年实现生产总值计划问题进行了研究。欧美国家的学者一般采用同化容量、1082.91亿元，人均生产总值为4.8 3 万元。延河干流连接安最大容许纳污量和水体容许排污水平等概念语。国外对水体塞县城、延安中心城区、延长县城及1 2 个重点城镇、重要纳污能力问题的研究起步较早，如Ecekr、Li e b m a n 和Loucks产业园区，流域面积占全市总面积的2 0%，流域内人口占全市等人将流量等参数作为确定性变量处理，然后由线性规划方总人口的3 5.3%，经济总量占全市的2 8%，地方财政收人占全法计算治理投资最低情况下的水体允许排污水平。市的46.2%，是延安政治、经济、文化的核心区域。20世纪7 0 年代后期我国引人了纳污能力的概念，开始安塞区为延安市区的卫星城市，工业以石油为龙头，发水体纳污能力的研究工作，着重从水体纳污能力实际应用的展迅猛，各项社会事业全面进步；宝塔区是延安市的政治、角度开展工作，全国一些城市制定了水环境综合整治规划、经济、文化中心，初步形成以果菜牧为主的第一产业，油煤水污染综合防治规划、污染物总量控制规划以及水环境功能气为主的第二产业，商贸物流餐饮为主的第三产业，经济结区划。国内一般天然河流纳污能力计算，也多是从稳态河流构较为合理；延长县与宝塔区毗邻，其工业主要以石油开水质模型得到的定常设计条件下的纳污量。采为主，县内黄河沿岸种植酥梨，林果业近年来有较快的发展。2研究区概况3矿研究目标、内容和技术路线2.1自然地理概况延河属人黄一级支流，发源于榆林市靖边县天赐湾镇，流经榆林、延安2 市、4个县区，在延安市延长县南河沟乡3.1石研究目标本次以延河干流为例，开展关于其水环境承载力的研究。收稿日期2 0 2 3-0 3-1 4作者简介方圆（1 9 8 7-），男，河南新乡人，高级工程师，主要从事农田水利设计工作。.94第9 期2023年9 月首先进行纳污能力计算的基础资料、水文条件、计算模型分析研究；其次，分析延河现状水质、污染物排放量、水功能区划，预测设计水平年延河污染物排放量；最后，根据水质模型计算延河各水功能区的COD、氨氮的纳污能力，分析延河COD、氨氮限制排污量及削减量。3.2编制范围本次研究编制范围为延安市延河干流河段，根据延河干流现状污染情况，选用水质模型计算纳污能力及污染物削减量。3.3研究内容1）延河水质现状分析通过现场查勘和调研，收集延河水文和水质资料，获得完成水环境研究所需的相关信息，对搜集的资料进行可靠性、代表性及合理性分析。根据收集到的延河资料，分析延河现状水环境状况及水质情况，主要污染物类型等。2）对2 0 2 0 年、2 0 2 5 年和2 0 3 0 年入河污染负荷进行分析评价，通过收集2 0 2 0 年入河排污口资料，统计2 0 2 0 年延河人河污水量、人河COD和氨氮量，通过预测得到2 0 2 5 年和2 0 3 0 年延河人河污水量和入河污染物量。3）水体纳污能力计算在模型参数率定基础上，开展2 0 2 0 年、2 0 2 5 年、2 0 3 0 年生态流量下水域COD、氨氮水体纳污能力的量化研究，明确延河水体纳污能力，揭示水体纳污能力空间分布规律。依据改善保护区、保留区和饮用水源区水质，充分利用水体纳污能力的原则，确定不同水平年延河各水功能区限制排污量和污染物削减量。3.4技术路线结合水环境特点，通过资料收集和综合分析，在污染负荷分析和水质评价的基础上，并充分考虑水环境的水文学特性，确定水体纳污能力的计算模型，提出延河污染物限制排污量和污染物削减量，本次具体技术路线见图1。基础资料水质模型水文资料水质资料4河流水体纳污能力计算模型根据水域纳污能力计算规程（GB/T25173-2010），河流纳污能力模型主要包括零维模型、一维模型和二维模型。4.1河流零维模型零维模型适用于混合污染物的小型河段，其计算模型如陕西水利Shaanxi WaterResources下：（1）污染物浓度计算公式如下：c=(C,Q,+CoQ)/(Q,+Q)（2）水体纳污能力计算公式如下：M=(C,-Co)(Q+Q,)4.2河流一维模型一维模型适用于横断面上污染物均匀混合的中、小型河段。其计算模型如下：（1)污染物浓度计算公式如下：C,=Co exp(-K=)（2）相应的水域纳污能力按式（4）计算：M=(C,-C,)(Q+Q,)（3）人河排污口位于计算河段的中部时（即X=L/2时），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(5)和式（6)计算：Ca=Coexp(-KL/u)+exp(-KL/u)M=(C,-Cx=L)/(Q+Q,)4.3河流二维模型二维模型适用于污染物非均匀混合的大型河段，二维对流扩散方程如下：acuxy（oy（1）二维对流扩散方程公式（7）的求解方法如下：河道断面为矩形，式（7）的解析解按式（8）计算：C(xy)=Co+exph元E,xU以岸边污染物浓度作为下游控制断面的控制浓度时，水体纳污能力即=0,岸边污染物浓度按式（9）计算：设计流量C(r.0)=Co+h/元E,x二维模型90%排污口资料旁侧出人流资料模型计算COD、氨氮纳污能力限制排污量和污染物消减量污染物治理措施结论和建议图1 技术路线图No.9September,2023(1)(2)(3)(4)mQE-KCVexp-K4xEexpl-K零维模型保证多年率最平均枯月径流量的平均流量10%(5)(6)(7)(8)(9)一维模型其余的水域纳污能力按式（1 0）或式（1 1)计算：M=Cs-C(a.y)Q模型参数确定当y=0:（2）二维对流扩散方程公式（7）也可采用数值法求解。当污染物为非恒定排放，也可按差分法推求数值解。用数值法求得计算水域代表点的污染物平均浓度Cx.r)，按式（1 0）计算水域纳污能力。5延河水体纳污能力分析计算5.1计算模型选取及参数的确定5.1.1污染物的确定根据陕西省环保部门统计数据，延河不同水平年污染物排放量见表1。95(10)M=Cs-C(r,)JQ(11)第9 期2023年9 月一级功能区延安饮用、工业、农业用水区延安景观用水区延安延安排污控制区开发延安工业、农业用水区利用区延安排污控制区延安过渡区延长工业、农业用水区延长排污控制区延长缓冲区合计5.1.2计算模型的选择1)模型选择鉴于延河的河流条件及污染物扩散转化情况，延河延安市控制单元环境容量计算拟采用一维稳态水质模型，计算公式如下：M=(Cs-C.)(Q+Q,)公式符号意义同前。2）计算单元划分及水质目标根据延河水功能区划，划分本次计算单元并确定各单元水质目标，见表2。表2 交延河计算单元划分及水质目标表功能区起始断面终止断面长度/km水质目标延安饮用、工业、龙安西川人口48.6农业用水区延安景观用水区延安排污控制区延安工业、农业用水区延安排污控制区延安过渡区延长工业、农业用水区延长排污控制区延长缓冲区3）设计水文条件本次将延河安塞站、延安站、甘谷驿站多年平均径流量的1 0%作为延河的设计流量，计算结果见表3。表3延河干流水文站生态流量计算成果表水文站生态流量/（m/s）安塞站0.2延安站0.4甘谷驿站0.75.2计算结果及讨论1)纳污能力计算经计算，延河干流不同水平年COD纳污能力分别为3704t/a、3 7 5 5.9 t/a、3 8 0 1.5 t/a,氨氮纳污能力分别为1 8 5.2 t/a、187.8t/a、1 9 0.1 t/a,计算结果见表4。96.陕西水利Shaanxi Water Resources表1 不同水平年延河污染物排放量统计表2020年2025年长度二级功能区/kmCOD 排放NH,-N排废水排放COD排放女NH,-N排废水排放COD排放NH,-N排废水排放量/(t/a)放量/(t/a)量/万t量/(t/a)放量/t/a)量/万t量/(t/a)放量/(t/a)量/万t48.6490.614.5898.34.5278.812.87932.7167.313.597.536.9266.5857.864462.23512西川人口川口川口朱家沟4.5朱家沟姚店12.8姚店房子沟2.7房子沟甘谷驿13.5甘谷驿七里村36.9七里村呼家川呼家川人黄口No.9September,20232030年68.38488.161427.3190.677.854216.4114.311.995.832.5261.8756.856.3454.1385.62413.514.5IVIV8IV64流速/(m/s)0.030.030.03564.21033.1320.6911.9192.4112.1306.566.4531.64038.8表4延河干流COD、氨氮纳污能力计算成果表2020年2030年计算单元COD氨氮COD氨氮COD氨氮/(t/a)/(t/a)/(t/a)/(t/a)/(t/a)/(t/a)延安饮用、工业、农业142.97.1144.67.2146.17.3用水区延安景观用水区375.118.8387.419.4398.219.9延安排污控制区435.621.8441.322.1446.322.3延安工业、农业用水区360.718.0371.518.6381.119.1延安排污控制区412.720.6416.220.8419.221.0延安过渡区271.413.6273.413.7275.013.8延长工业、农业用水区493.924.7499.125.0503.725.2延长排污控制区679.334.0681.034.0682.534.1延长缓冲区532.326.6541.427.1549.427.5合计3704.0185.23755.9187.83801.5190.12）限制排污量及削减量计算经计算，延河2 0 2 0 年COD人河控制量为2 2 0 8.8 t/a，入河削减量为1 3 0 3.2 t/a,氨氮人河控制量为1 5 2.3 t/a，人河削减量为2 3 3.3 t/a,2025年COD人河控制量为2 43 3.1 t/a，人河削减量为1 6 0 5.7 t/a,氨氮人河控制量为1 5 8.8 t/a，人河削减量为273t/a,2030年COD人河控制量为2 5 5 2.6 t/a,人河削减量为1809.3t/a,氨氮人河控制量为1 6 3.6 t/a，人河削减量为3 0 7.1 t/a,见表5 表7。表5 2 0 2 0 年延河限制排污量及削减量计算成果表NH,-N人河人河人河人河人河人河计算单元控制量削量/削减控制量削量/削减/(t/a)(t/a)率/%/(t/a)(t/a)率1%延安饮用、工业、农业用水区延安景观用水区延安排污控制区延安工业、农业用水区延安排污控制区延安过渡区延长工业、农业用水区76.598.730.687.118.413.336.47.963.1431.992.4675.4209.6596.2125.8105.428862.4499.62654.9COD142.9347.770.9375.1523.258.2 18.8278.821.8360.7432.3054.518.0167.316.497.511.9266.524.7（下转第9 8 页）609.31115.7346.3984.9207.8121.133171.8574.14361.92025年7.183.4107.633.494.92014.539.68.668.7470.761.189.569.378.75.620.359.776.87.823.999.8729.4226.4643.9135.8113.8311.167.4539.52867.2第9 期2023年9 月照国家的规定和规范逐级进行。2.2施工方案1）供水方式：水源地位于山顶原有蓄水池，重力自流引至山脚生活用水点。2）由于原有管路存在渗漏、没有做保温等问题，且大部分管路地埋于步道之下（一般应地埋冻土层下）排查修补难度大。沿步道重新布设PE或UPVC新型抗压耐腐蚀管材。通过实地勘察整个管网需重新更换并采用保温保护。步道布管在管路低洼处增加电磁阀（抽水作业后通过电磁阀将低洼管路处余水放空），在高处位置增加排气阀（排气降压加快抽水作业后低洼管路处余水排放）。保温措施：管道深埋+部分双导体电伴热+橡塑+铝皮外护进行保温处理。优势：热量损失少保温效果好、耐腐蚀耐氧化、具有一定的抗破坏性。3）管道敷设方式：管道采用PE管浅埋0.3 m（因石头地势山脉，深度开凿困难），管道保温措施：电伴热+橡胶+放户外套且分段处管道设置减压阀和排气阀、存水放空阀，对于不可开挖管沟的线段，须做管道支架，对于凹洼处的管道，须做存水放空阀，防止冬季管道存水被冻，对于落石风险区管道，须做钢套管保护措施。2.3管线施工现场，游客疏导本工程为景区提升工程，环境保护及文明施工要求相对较高，应减少对周边环境的影响。旅游季节，景区制度对游客是一种警示也是一种提醒，可以很好的引导游客不去危险的区域，避开施工，减少事故发生几率。景区管网改造不宜关闭景区进行施工，因此承接方要完善建立健全安全管理，陕西水利Shaanxi WaterResources制定合理的安全管理方案，加强景区安全维护和劳动保护，杜绝重大安全事故发生。2.4高效施工，提高施工进度经过周密、科学地分析对施工人员进行技术和安全交底，做出具体计划。不定期进行施工大检查，每日进行自检、互检、交接班检查，尽量做到不停工、不窝工。施工中做好管道内的清理工作，提高自身的专业技能，监理到位，最大限度推进施工进度，保质保量高效地完成项目。2.5突发事件的防护措施施工方要有完善的管理体系，建立应急突发事件工作领导小组，建全长效机制，落实突发安全事故应急救援预案；明确各级各类施工人员的安全责任，严抓责任落实、制度落实；增强安全巡视，消除事故隐患，预防事故发生；加强安全监督检查，充分发挥施工安全保护体系和监察体系的作用，坚持有章必循，执章必严，违章必究。2.6施工质量保证措施承接方需保证按合同相关要求文明施工，施工人员严格按照管理制度进行施工，细化分工，不擅自离岗、不兼职多岗。3结语综上，本文参考了实际自来水供应单位的现状，对景区原有供水管网摸查，发现其中的不足之处、总结问题如何产生。怎样避免、如何提升管路在景区施工改造、推进布置及管道运行的实际情况并对当前遇到的问题进行细致的分析，提出的管道提升改造施工组织流程。以期为类似案例施工组织提供有益借鉴。No.9September,2023（上接第9 6 页）续表5计算单元延长排污控制区延长缓冲区合计表6 2 0 2 5 年延河限制排污量及削减量计算成果表NH,-N河人河人河人河入河人河计算单元控制量削量/削减控制量削量/削减/(t/a)(t/a)率1%/(t/a)(t/a)率/%延安饮用、工业、144.6419.674.4.农业用水区延安景观用水区延安排污控制区延安工业、农业用水区延安排污控制区延安过渡区延长工业、农业用水区延长排污控制区延长缓冲区合计98表7 22030年延河限制排污量及削减量计算成果表CODNH,-N人河人河人河人河人河入河控制量削量/削减#控制量削量/削减/(t/a)(t/a)率/%/(t/a)(t/a)率1%57.87.0462.226.629.7 52.72208.81303.2152.3233.3COD7.2387.4 645.762.519.4 79.380.4320.622.1371.5540.4159.3192.4112.1306.566.4531.62433.1 1605.7COD人河人河人河人河人河人河计算单元控制量削量/削减控制量削量/削减/(t/a)(t/a)率1%/(t/a)(t/a)率%延安饮用、工业、146.1463.276.0农业用水区延安景观用水区延安排污控制区延安工业、农业用水区延安排污控制区延安过渡区延长工业、农业用水区延长排污控制区69.390.58.627.918.668.578.718.413.325.07.927.1158.8273.0NH,-N7.376.191.2398.2717.564.319.9346.322.3381.1603.8261.319.1207.820.0121.113.8331.025.271.88.6延长缓冲区549.424.684.3合计2552.61809.36结论1）本文提出了水环境承载力的相关理论，明确了水体纳污能力的影响范围和研究内容。2）提出了水环境承载力计算的基础资料，列举了河流零11.431.436.057.187.681.511.133.175.979.90.75.214.436.527.541.360.0163.6307.1维、一维、二维水质模型，同时明确了各模型的计算条件、模型参数的确定。3）最后以延河干流为例，分析了延河现状排污口数量、排污量、污染物排放量，并按照一维水质模型计算延河干流纳污能力，计算延河污染物控制量及削减量。