河流纳污能力计算案例分析201006

根据西江、北江、东江流域水质保护规划的研究成果，混
合区的确定如下：
确定某入河排放口的混合区长度时，以不影响邻近功能区
（控制断面）和对岸水质达标为原则，并留有有足够的安 全距离，且不得超过河宽的1/3；
对工业排放口，混合区长度控制在500~1000m； 对城市污水处理厂排放口，混合区长度控制在3000m内；
上界
1 2 3 下界
1#
上界
x
下界
概化后的排污口位置为：
x=(Q1C1x1+Q2C2x2+·· nCnxn)/(Q1C1+Q2C2+·· nCn) ·+Q · ·+Q ·
（2）距离较远并且排污量比较小的分散排污口，可概化为非 点源入河，仅影响水域水质本底值，不参与容量优化分配计算。
3、混合区的确定
有较大的支流汇入或河道发生分流，导致河段流量等参数
发生突变； 有较大的入河排放口汇入； 有重要的饮用水源吸水口； 计算单元长度不超过10km； 一个水功能区划分为多个计算单元时，各个计算单元的水 质目标均采用本功能区水质目标。
4、计算单元和控制节点(断面)
控制断面是指能反映水环境功能区水质，或反映污染源
河流纳污能力计算案例分析
江 涛
中山大学水资源与环境系 2010年6月
主要内容
一
二 三 计算步骤 主要技术问题
案例分析
一、计算步骤
1
水域概化：将天然水域（河流、水库）概化成计算水域，例天然 河道可概化成顺直河道，动态水流简化为稳态水流等。水域经适
当概化后，才能够利用数学模型来描述其水质变化规律。同时，
水文 参数 河道 参数
河段长度 x 河段平均宽度 B 河段平均水深 H 污染物衰减系数k 允许混合区纵向范围 Xs 允许混合区横向向范围 Ys 允许混合区边界的水质目标 C(Xs,Ys) 污水流量QE 污水水质浓度 CE
与设计流量对应的数据
水质 参数
污染源 数据
5、参数的确定
国内外对BOD的衰减系数研究较多，对COD降解系数 kc和氨氮降解系数kn的研究成果并不多见。原则上，COD
(a)
(b) 图 污水与河流的混合过程：（a）河中排放；（b）岸边排放
混合区定义
在排污口下游自排污口至功能区控制点或控制断面之间的，
使污染物得以进行初始混合与稀释后达到水域功能区水质 标准的区域称为混合区。
混合区是污染物自排放口至功能区控制断面达标的过渡区，
是允许超标的区域。
混合区越小，意味着控制越严格，混合区消失，意味着不
支流、排污口、取水口等影响水环境的因素也要进行相应概化， 若排污口距离较近，可把多个排污口简化成一个集中的排污口。
2
水文资料调查及设计水文条件的确定：收集研究水域水下地形、 水文站的水文资料（河宽、水深、流速、流量、坡度和弯曲系数
）等，明确每一个河段或水库的水文设计条件。对没有资料的河
段，采取水文比拟等方法确定其水文条件。
1、河流简化与模型选取
1 断面宽深比大于等于20时，简化为矩形河段。 2 河段弯曲系数小于等于1.3时，简化为顺直河段。 3 河道特征和水力条件有显著变化的河段，应在显著变化处分段。 小河可以简化为矩形平直河流；
断面宽深比大于等于20时，简化为矩形河段；
大中河流中，当河段弯曲系数小于等于1.3时，可简化为
对水域水质的影响，或反映功能区执行标准变化的代表 性断面。
各控制断面以水功能区划以及广东省跨市河流水质达标
管理办法规定的水质标准上限值为容量计算的依据。
4、计算单元和控制节点(断面)
一般情况下，可以直接将水功能区内的常规监测断面或下
游边界作为纳污能力计算的控制节点。
如果某一功能区内存在多个常规性监测断面，可以选取最
三、案例分析 案例1：单一河道水功能区纳污能力计算
如只划分了一个河段，排污口与控制断面之间水域的纳 污能力：
假设某水功能区被（n-1）个节
QE，CE QR,CR
点细分为n个河段，由公式计算
出第i 河段的水环境容量为：
C0
x，k
CS
图 河段一维问题示意图
QEi CEi … i-1 QRi CRi C0i
只要水质标准和控制点确定之后，其混合区、功能区和等浓度 线即随之确定，应当指出所谓功能区和混合区是针对某一水质
标准相对而言的概念。
4、计算单元和控制节点(断面)
原则上以水功能区为基本单元； 由于容量计算模型中河道流量、流速等参数都是取常数，
而天然河流的中上述参数是沿程变化的；
如果河流的长度较大，当以控制断面达标为约束条件反
许排放或意味着排放口排出的水质与功能区的水质相等。
混合区的三要素 （1） 位置：重要的功能区均应加以保护，其范围内不允许 混合区存在。 （2） 大小：排污口所在水域形成的混合区不应影响邻近功 能区水质；河流混合区范围不允许超过1～2km2。 （3）形状：河流混合区一般为岸边窄长水域距下游控制断 面有足够的安全距离，且不超过河宽的1/3；河流混合 区长度不允许超过1200～1500m。 整个河段的封闭性混合区是不允许的
的降解系数约为BOD的60～70%。
表 广东省部分河流COD、氨氮降解系数 单位：1/d
项目名称 珠江三角洲水环境容量与水质规划 西江流域水质保护规划 韩江流域水质保护规划 东江流域水污染综合防治研究 北江流域水质保护规划 珠江流域水环境管理对策研究 广东省水资源保护规划要点 广州佛山跨市水污染综合整治方案 鉴江水质保护规划 练江流域水质保护规划 广东省地表水环境容量核定 技术报告 承担单位 华南环境科学研究所 华南环境科学研究所 华南环境科学研究所 华南环境科学研究所 华南环境科学研究所 华南环境科学研究所 广东省水利厅 中山大学 中山大学 广东省环境监测中心站 华南环境科学研 河流 究所 库湖 kc 0.08~0.45 0.1 0.15 0.1~0.4 0.08~0.1 0.07~0.6 0.18 0.2 0.2 0.3~0.55 0.1~0.2 0.05~0.1 kn 0.07~0.15 0.07 0.1 0.06~0.2 0.1~0.15 0.03~0.3 无 0.05~0.1 0.1 0.1~0.35 0.05~0.1 0.05
QEi+
1
QEi+
2
CEi+1
CEi+2 Ci+2 i+1 … Cs
Ci+1 i
图 单一河道排污口分布示意图
对排污口节点i有： 对第i个河段有： 按照上述方法沿程计算整个功能区的沿程污染物浓度变化 规律。
（3）控制断面要保证出境水质达标：除了保证本水功能区
的水质达标外，还应保证出境提供给下游地区的水质达到功 能区要求。
5、模型参数 模型参数清单
类别 数 据 流速 u 流入边界水质浓度 C平均流量 Q 流量Q 横向扩散系数 Ey 河流比降 J或糙率 n
R
注释 感潮河段应分别取涨潮期 和退潮期的平均值，可由 潮汐河网动态水动力模型 提供
向平均衰减模型，感潮河段使用潮平均二维衰减模型。
西江、东江、北江等河流的流量较大，稀释扩散能力强，
虽然平均水质良好，但由于靠近岸边水流相对平缓，在排 污口下游一定范围内形成污染带，宜采用二维污染带模型 来计算控制排放量。
河流一维水质模型 一维水质模型由河段和节点两部分组成：
节点指河流上排污口、取水口、干支流汇合口等造成河
条件，按照一级降解公式计算到下一个节点前的污染物 浓度。
图 河流一维模型概化示意图
考虑干流、支流、取水口、排污口均在同一节点的最复 杂情况，水量平衡方程为： Q干流混合后＝Q干流混合前＋Q支流＋Q排污口－Q取水口 污染物平衡方程为：

图 河流一维模型概化示意图
对河段：
图 河流一维模型概化示意图
2、排污口概化 对有排污口的水功能区或河段，污水排放流量较大的排污 口作为独立的排污口处理；其他排污口，可进行适当简化： （1）若排污口距离较近，可把多个排污口简化成一个集中的 排污口。
在控制断面的选取时应注意的几个问题
（1）控制断面不能设在排污混合区内：一般的水功能区都 允许有排污口存在，排污口下游必然存在一段由排放浓度过 渡到功能区标准的排污混合区。因此，控制断面要避开混合 区或过渡区，以反映水体的客观情况。
（2）控制断面要反映敏感点的水质：大部分水功能区内都
有饮用水取水口或鱼类索饵、产卵活动区存在，控制断面设 置应考虑这些敏感点的水质保护，以保证功能区真正达标。
6
成果合理性分析：在水环境容量模型计算的基础上，结合上下游 关系、左右岸关系、水质评价和污染源调查结果、混合区范围等 因素，进行合理性分析。此外，应结合水功能区水质评价和污染 源调查分析，建立污染源与水质目标之间的输入响应关系，进行 参数的校核和反馈调整，核定控制单元内允许纳污量。
二、主要技术问题
一、计算步骤
5
计算分析：以控制节点的水质目标为约束条件，（采用试算法） 对选定的水质模型进行反解（即逐步调整功能区内各入河排污口 的入河通量，直到控制节点的水质预测浓度达标为止），即可计 算出该水域的水环境容量。当计算水域内有多个入河排污口时， 试算过程应从现状入河量开始，原则上各入河口按同样的缩放系 数逐步调整其入河排污量。
结构。 横断面分区及控制方法：即以任何一个断面（x，0）点为控 制点时，其上游为相应水质标准的污染带混合区，下游为功 能区。
污染带的等浓度线结构及功能分区方法
纵向断面分区及控制方法：
图 某排污口COD浓度场分布示意图
如果由于某种需要规定在 B′的水质达到指定标准Cs， 根据污染带浓度变化规律 可以确定BB′区域是污染带 混合区，BB′以外的区域是 水功能控制区。
选择合适的水环境容量计算模型。