典型缺水城市水体水环境容量...善研究——以荥阳市枯河为例_王冰一.pdf

年 月 第 卷第 期收稿日期：作者简介：王冰一（），男，硕士研究生，研究方向为水环境模拟预测。通讯作者：张鹏（），男，博士，讲师，硕士生导师，研究方向为水体污染物迁移转化机理。典型缺水城市水体水环境容量计算及水质改善研究典型缺水城市水体水环境容量计算及水质改善研究 以荥阳市枯河为例以荥阳市枯河为例王冰一，张 鹏，宋刚福，梅书浩，李明月（华北水利水电大学 环境与市政工程学院，河南 郑州 ；河南省水环境模拟与治理重点实验室，河南 郑州 ）摘要：缺水型城市的黑臭水体流动性低，存在治理难、易反复的问题，通过污水资源化利用改善城市内河水质是当前研究的热点。以荥阳市枯河为例，通过构建一维水环境数学模型，开展了枯河水环境容量计算及水质改善研究，结果表明：基于污染源计算结果，利用分担率法计算出广武镇对污染物贡献占比最大，分别达到 、；农村生活污水对 、氨氮贡献占比最大，农业面源对总磷贡献占比最大。基于“双达标”的水环境容量计算方法，计算得到不同污水处理厂尾水水质条件下的枯河水环境容量，其中现状尾水水量水质条件下枯河 、氨氮、总磷的环境容量为 、。以最不利氨氮为例，污水处理厂尾水现状、城镇污水处理厂污染排放限值一级标准的水质条件下，削减率分别为 、，尾水一级 排放水质条件下，枯河下游严重超过功能区水质要求，难以通过削减污染物排放来改善水质。研究综合分析区域污染源分布特征，对不同条件下水环境容量进行了计算分析，针对性地给出了上游污水处理厂尾水水质不同条件下污染物削减量，结果可为荥阳市及更多缺水型城市水环境综合治理提供参考。关键词：水环境容量；水质数学模型；污染物削减；污水资源化利用；枯河中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：，DOI:10.16663/ki.lskj.2022.24.012王冰一，等：典型缺水城市水体水环境容量计算及水质改善研究环境与安全 ，：；引言近年来，我国城市规模不断扩张，越来越多的生活和工业污水进入城市内河，导致城市内河水体黑臭严重，城市内河是居民亲水最直接的河流，区域水环境恶 化，水 生 态 损 害，直 接 影 响 周 边 居 民 的 幸 福感，。支流和排污口排放的污染物输送到河道是导致城市内河水生态环境破坏的主要因素，此外污染物还通过其它途径进入水体，例如城市管网混接、错接和雨污分流不彻底导致生活污水进入地表径流等。城市黑臭水体的治理已引起各级政府和媒体强烈关注，国家出台了 城市黑臭水体治理攻坚战实施方案，旨在加快补齐城市环境基础设施短板，改善城市水环境质量。对于缺水型城市，尤其是北方资源型缺水城市，接收污水处理厂尾水是一种很好的水环境治理方向，同时也可以解决河道补水问题，。国家发展和改革委员会 关于推进污水资源化利用的指导意见 指出，合理安排污水处理厂建设，严格执行国家规定水质标准，合理确定排放限值，“以需定供，分质用水”，将再生水作为河湖湿地生态补水。国内污水处理厂经过提标改造后水质明显提升，但不计成本的水质提标会导致资源严重浪费，因此，对于无清洁补水来源的受污染城市内河，在合理设置污水处理厂尾水水质排放限值的前提下，如何利用尾水改善水环境和供水结构，提高水体的环境容量成为国内的热点。河流生态环境治理和修复是新时期治水新思路，开展城市河流系统治理已经成为城市实现可持续发展的重要任务 。对于城市内河来说，能否发挥河流本身对于城市发展的积极作用与河流本身水环境容量密切相关，科学掌握以水环境容量为预警基础，明确容量不足的成因，可为规范整治方案和提出针对水质达标的污染物排放控制措施提供有效支撑。城市内河治理思路应立足于总体水体环境，针对污染成因合理规划控源截污、内源治理、生态修复、活水保质、海绵城市建设等各项工程，实现水环境质量的全面提升。目前水环境数学模型是国内研究水环境容量的重要技术手段。门宝辉等 采用一维水环境数学模型核算滦河干流承德段水环境容量，并基于此对容量进行分配、评价及优选；张万顺等 构建了城市河网动态水环境容量计算模型，定量核算了金山湖流域的水环境容量，为提高水质达标率提供支撑。边博等 构建完整的太湖流域重污染区水量水质耦合水环境数学模型，计算水环境容量，并提出各区域的总量控制目标，为太湖流域管理提供技术支撑。本次研究对象枯河是典型缺水城市荥阳市的主要城市内河河道，其上游集水面积小，水力结构简单，枯水期基本无天然来水，主要补水来源为上街区污水处理厂尾水。本研究通过构建一维水环境数学模型，开展不同尾水补水水质条件下枯河水环境容量计算及污染物削减研究，并制定下游控制断面达标情况下污染物削减方案。本研究探究了缺水型城市内河水环境容量与污水处理厂排放尾水水质关系，提出基于接收污水处理厂尾水的城市内河的动态水环境容量，为缺水型城市水环境改善提供依据。区域概况和研究方法 研究区域概况荥阳市为郑州市代管的河南省直辖县级市，枯河位于荥阳市北部，属于黄河流域，发源于郑州市荥阳市王村镇前白杨及西大村济渎池，经刘寨、真村、竖河、阎村、唐岗、任河，至小胡村入郑州市惠济区，在保合寨北入黄河，全长 ，流域面积 ，河槽宽 左右；荥阳境内长 ，流域面积 ，河槽宽 左右。枯河是荥阳市内主要的城市排涝河道之一，其上游集水面积小，水力结构简单，天然来水很少，主要接收郑州市上街区第二污水处理厂处理尾水。根据 郑州市水资源规划，枯河水质目标为地表水类，目前尚未达标。研究区域及率定验证点位分布如图所示。年 月绿 色 科 技（）第 期图研究区域及点位分布 数学模型构建 模型方程水动力计算的控制方程是描述明渠一维非恒定流的圣维南方程组，包括连续性方程和动量方程，并补充考虑了漫滩和旁侧入流：（）（）（）式（）、（）中：为流量；为沿水流方向空间坐标；为调蓄宽度，指包括滩地在内的全部河宽；为水位；为时间坐标；为旁侧入流流量，入流为正，出流为负；为动量校正系数；为主槽过水断面面积；为重力加速度；为谢才系数；为水力半径。污染物在水中的分布与浓度主要取决于自身的降解、随水流的运动以及污染物的扩散，对流扩散模块的控制方程为一维对流扩散方程：（）（）式（）中：为沿水流方向空间坐标；为时间坐标；为流量；为物质浓度；为主槽过水断面面积；为纵向扩散系数；为线性衰减系数；为源汇浓度；为旁侧入流流量。模型验证采用 年月 日枯河沿程布设点位水文水质同步监测数据进行模型的参数率定，现场调查时发现枯河河道中水生植物茂盛，不同密度和高度水生植物对河底糙率存在影响，取河道糙率（河床粗糙度）为 ，验证点位水位和流量计算值与实测值对比误差如表，水质模型模拟值与实测值对比见图，、氨氮、总磷的平均相对误差分别为 、，枯河 降解系数率定结果为 ，氨氮降解系数为 ，降解系数为 。模型计算值与实测值总体吻合较好，可用于描述枯河的水动力与水质变化过程。表枯河水动力验证误差点位 水位 流量 基于“双达标”的水环境容量计算方法综合考虑水文、水体污染来源等因素，对研究范围内河的污染源进行概化，本次设置点源为荥阳江硕水务污水处理厂排水口，设置面源均为枯河范围内各镇行政区边界及清华忆江南度假区。根据 保证率设计水文条件和水功能区边界水质，利用本文中构建的水环境数学模型进行水质模拟，模型中各污染物衰减系数参数取值为水文水质同步监测数据率定结果。研究区域内枯河水环境容量计算公式为：（）基于功能区总体水质达标。（）（）式（）中：为控制单元的水环境容量；为进口断面的流量；为水质浓度；为功能区水质标准下的浓度；为计算单元的水体体积；为水质降解系数；计算中最小空间计算单元为两点位之间的河段距离。（）基于控制断面水质达标。（）（）（）（）式（）中：为计算单元河段水环境容量，；为计算单元河段水质目标质量浓度，；为王冰一，等：典型缺水城市水体水环境容量计算及水质改善研究环境与安全河段污水排放质量浓度，；为流量，；为计算单元内污水排放量，；为上游来水中的污染物质量浓度，；为排污口与计算断面的纵向距离，。图枯河水质验证点位验证 结果与讨论 区域污染物溯源分析 污染源现状根据现有资料计算出枯河各乡镇及各污染源污染物排放占比，如图所示：研究区域内 、氨氮、总磷的入河量分别为 、。枯河 、氨氮入河贡献率最大来自农村生活污水排放，占比达到 和。总磷入河贡献率最大来自农业产生，占比达到。、氨氮、总磷入河量贡献最大的是广武镇，占比分别达到了污染物总入河量的、，其次是王村镇和高村乡，金寨回族乡和城关乡由于在枯河汇水区范围内面积较小，污染物入河量占比很低。广武镇污染物主要来源于城镇和农村生活污水，应着重提高城镇和农村生活污水的处理能力。针对城镇生活污水排放应尽快对市政管网未覆盖的区域排放的污水进行达标处理后回用，针对农村生活污水排放，应加快农村污水处理站的建设和投入使用，以有效减少农村生活污水通过地表径流或直排入河。图枯河污染源分析 年 月绿 色 科 技（）第 期 污染物溯源基于上述污染源计算数据，利用建立的一维水环境数学模型和分担率方法，计算了各行政 区对 清华忆江南断面污染 物浓度贡献占比（表）。广 武镇对 污 染 物 贡 献 占 比 最 大，分 别 达 到 、，主要原因是广武镇紧邻清华忆江南断面，污染物受河流自净作用时间短，且广武镇存在一处度假 村，存 在 生 活 污 水 不 按 规 定 排 放现象。通过分析各类污染源对断面污染物浓度贡献值占比（表），农村生活污水对清华忆江南断面的 的 贡 献 最 大，为 ，其 次 是 畜 禽 养殖，占比为 ；农村生活和城镇生活对清华忆江 南 断 面 的 氨 氮 的 贡 献 最 大，分 别 占 比 为 、；农业面源和农村生活对清华忆江南 断 面 总 磷 的 贡 献 最 大，占 比 达 和 。表各行政区对清华忆江南断面污染物浓度贡献占比污染物上游来水广武镇王村镇高村乡城关镇金寨回族区 氨氮 总磷 表各类污染源对清华忆江南断面污染物浓度贡献占比污染物上游来水畜禽养殖水产养殖农业城镇生活农村生活工业污水厂 氨氮 总磷 基于双达标的水环境容量计算结果由于枯河天然水量很小，且无外源补水，其水量主要来自上游郑州市上街区第二污水处理厂尾水排放，尾水排放量为万，因此设计水文条件选取 作为 保证率最枯月平均流量；根据污水厂排放原则及枯河水质目标，设计种水质排放方案（表）。基于构建的一维水环境数学模型，计算得到满足枯河基于水功能区总体水质达标及枯河清华忆江南断面水质标准（类）时污染物的允许排放量，取两者最小值作为枯河的水环境容量。表不同方案尾水补水水质条件设置 方案尾水排放水质 氨氮总磷工况现状水质 工况类 工况类 工况一级 基于功能区总体水质达标在尾水水质现状情况下研究区域的 、氨氮、总磷 的 水 环 境 容 量（表）分 别 为 、；当排放的尾水水质达到地表水、类水质时，研究区域的 、氨氮、总磷的水环境容 量 分 别 下 降 、和 、；当排放的尾水水质为 城镇污水处理厂污染排放标准 一级水质时，研究区域的氨氮、总磷的水环境容量为负值。基于控制断面达标在尾水水质现状情况下研究区域的 、氨氮、总磷 的 水 环 境 容 量（表）分 别 为 、；当排放的尾水水质达到地表水、类水质时，研究区域的 、氨氮、总磷的水环境容量分别下降 、和 、；当排放的尾水水质达到 城镇污水处理厂污染排放标准 一级 水质时，研究区域的 、氨氮、总磷的水环境容量仅有 、。由此可知，当污水厂出水浓度严重超过功能区水质标准的情况下作为水源补给严重影响下游河道水环境容量。表研究区域不同尾水水质条件下水环境容量计算结果工况总体达标法计算水环境容量 氨氮总磷断面达标法计算水环境容量 氨氮总磷工况 工况 工况 工况 区域污染物削减分析计算出枯河下游市控断面枯河清华忆江南断面达标时各方案条件下的枯河总体污染物削减量和削减率（表）。现状尾水水质 、氨氮、总磷浓度明显小于地表水水质类水标准，在满足下游市控断面水质要求情况下研究区域内 、氨氮、总磷排放削减率仅为 、，这说明对于缺水型城市而言，经过深度处理的污水处理厂尾水排放作王冰一，等：典型缺水城市水体水环境容量计算及水质改善研究环境与安全为城市内河补水基本可以满足改善受纳水体水质要求。当现状尾