城市河流纳污能力的计算方法

8.4.3.1　城市河流的主要污染源

城市河流的外部污染源主要来自四个方面：生产生活污水污染、初期雨水污染、农业面源污染和固体废弃物污染，内源污染主要是河流底泥污染。除此之外，大气降尘、酸雨、水上旅游等也会带来河流水体污染。

1.城市生活和生产污水污染

城市生活和生产污水对河流的污染属于点源污染。

城市人口多，企业类型多，生产、生活污水量集中，规模大。经过多年治理，城市的工业、生活污水大都通过污水管网搜集到了污水处理厂，处理达标后，部分中水进行循环利用，部分中水则通过排污口集中排放到河道之中。

现状污水处理厂尾水常常是一级A标准，虽然达标，仍然劣于地表水环境质量标准（表8.4-5）。

表8.4-5　城镇污水处理厂污染物排放标准与地表水环境质量标准对比　单位：mg/L

注 表中地表水环境质量标准指标TP为非湖库类型水体。

2.城市初期雨水污染

城市初期雨水对河流的污染属于面源污染。

城市雨水大都通过雨水管网收集，通过入河雨水口集中排放，散排进入城市河流的情况较少。大多数城市河流建有堤防，雨水很难漫流入河。城市雨水的污染物来源于地表径流冲刷带走的地面沉积物以及大气中悬浮微粒、溶解性气体、细菌等。城市地面沉积污染物包括屋面、路面、广场绿地上的固体碎屑、车辆油污、动物粪便、建筑垃圾等，其中路面径流中的SS、COD含量很高。污染物一般集中在降雨前期，降雨4～8mm时产生的雨水径流含有大量的污染物。

3.城郊农业面源污染

城市郊区一般为农耕区。我国农业耕作方式是大量使用化肥农药。部分农药残留物会沉积到土壤中。农田灌溉时或者遇到降雨时，一些农药残留物会随着灌溉退水或者地面径流进入河道，从而污染河道水质。上游水质的好坏会影响城市河段的水体纳污能力。

4.城市固体废弃物污染

城市固体废弃物污染可以视为点源污染。当管理不到位时，城市河流常常变成建筑垃圾、生活垃圾以及其他类型垃圾的抛弃场。在雨水淋、河水浸泡的作用下，部分污染物会溶解进入河流或者地下水，污染水质。

5.城市河流底泥污染

河流底泥污染属于内源污染。

有的城市河流水体流动性差，经历长期的积蓄作用，河床上沉积形成了含有污染物的底泥。污染物主要集中在底泥的表层，颜色一般呈现黑色。底泥中污染物主要来源于地表径流、排污口入河污水、大气降尘、人工投放的饵料、生物体残骸分解物等。底泥与水体之间不停地进行物质的交换。当底泥中积累大量的污染物时，在一定的条件下，底泥与水体物质交换的动态平衡会打破，底泥释放的污染物数量会超过沉积的污染物数量，从而污染水体。

8.4.3.2　河流水体自净能力

河流水体自净能力指受污染的水体自身由于物理、化学、生物等方面的作用，使污染物浓度逐渐下降，经过一段时间后恢复到受污染前状态的能力。污染物进入水体后会在水流作用下扩散、迁移，浓度逐渐稀释。一般河流水深小于宽度，污染物首先在河流垂向充分混合，然后在横向达到充分混合，再在纵向上随水流扩散传播。

图8.4-1　单一污染源排污时水体BOD和DO的变化曲线[128]

水体自净的主要过程是有机污染物通过化学作用和生物作用的氧化分解，污染物浓度逐渐降低。有机物在生化分解过程中，会消耗水中的溶解氧。因此与自净作用密切相关的指标是生化需氧量BOD和溶解氧DO。在清洁水中，DO值接近饱和状态。污染物进入水体中被降解，水体中DO被消耗，浓度下降，同时从空气补充氧（水体复氧）。当水体自净能力足够时，水体中BOD和DO的变化过程如图8.4-1所示。当污染物排放量很大，水体复氧补充跟不上耗氧时，水体会处于缺氧或者无氧状态，有机物的分解会从好氧分解转为厌氧分解。厌氧分解会产生有硫化氢、甲烷等有臭味的气体。当DO含量长期处于4～5m L/L以下时，一般的鱼类无法生存。

有时候知道排污口的排污流量和水中某种污染物的浓度，需要求算上游来水的流量，以便利用自净作用使这种污染物在下游的控制断面处达到水质目标要求。计算模型如图8.4-2所示。自净水量的计算公式为

图8.4-2　一个排污口的自净水量计算模型

式中　Qp——满足自净要求的上游来水流量，m3/s；

　　　Cp——上游来水的计算污染物浓度，mg/L；

　　　Qe——排污口的排污流量，m3/s；

　　　Ce——排污水量中的计算污染物浓度，mg/L；

　　　K——综合衰减系数，1/d，可以用怀特公式（8.4-2）计算；

　　　X——排污口到控制断面的距离，m；

　　　u——河段水流平均流速，m/s；

　　　P——河槽湿周，m。

式（8.4-1）来源于一维稳态水质模型。由于湿周与流量大小有关，上述公式需要试算。

当控制断面有多个排污口时，可以用式（8.4-3）计算：

式中　Qi——第i个排污口的排污流量，m3/s；

　　　Ci——第i个排污口的计算污染物浓度，mg/L；

　　　Xi——第i个排污口到控制断面的距离，m；

其余符号意义同前。

8.4.3.3　城市河流纳污能力计算

1.河流纳污能力的概念

纳污能力指在设计水文条件下，某种污染物满足水功能区目标要求所能容纳的该污染物的最大数量。有的资料也称纳污能力为最大纳污容量。此最大纳污容量为相对增加量，即以上游来水浓度为背景值，加入污染物数量，使控制断面水质恰好达到目标浓度，这个加入的污染物数量为纳污能力。纳污能力对应目标浓度，不会引起河流生态系统的结构和功能的失调，不会导致生态系统长期形成的生态链破坏。

影响纳污能力的重要因素有三个方面。一是水功能区目标，即水质的管理目标。管理目标来源于水生态系统自身良性循环和水资源开发利用的需求，一般水质目标越严格，水体纳污能力越小。二是水文特性和水环境特性。水文特性决定了河道内天然水量的大小、出现频率和水量过程。水量充足，水体交换速率快，水体纳污能力就大。水环境特性包括天然来水的污染物浓度值（也称为背景值）、河流基质、河道植被、水生物情况等，它们影响水体自净能力。污染物浓度背景值越低，纳污容量越大。该水域的自净能力越强，纳污容量增加数值就越大。三是污染物的特征，包括污染物的种类、排放口位置及布置方式、排放规律等，例如污染口集中到一起排放，会降低水域的纳污容量。(www.xing528.com)

2.河流纳污能力计算步骤

河流纳污能力可以按以下步骤进行计算：

（1）收集和整理资料。收集河流水文、水质、地形地面、断面等资料，并进行整理。

（2）确定水质目标、设计流量。河流水域纳污能力采用90%保证率最枯月平均流量或者近10年最枯月平均流量作为设计流量；其中季节性河流、冰封河流，宜选取不为零的最小月平均流量作为样本[91]。由于河流的流量年内是变化的，纳污能力也会变化，上述要求是从安全的角度规定的。可以根据各地实际情况，选择不同水期或者其他保证率（如75%）下的水量作为设计流量。

（3）选择水质计算数学模型。在完成河流分段和水域污染特性、污染物入河特征、水域扩散特性分析的基础上，选择合适的水质计算模型。

不同河宽的河流污染物扩散特性不同，可以按多年平均流量Q划分为三种类型的计算河段：Q≥150m3/s的为大型河段；15m3/s＜Q＜150m3/s的为中型河段；Q≤15m3/s的为小型河段。当河道断面宽深比大于20时，可以简化成矩形河段，当河段曲折系数小于1.3时，可以简化成顺直河段。当有较大支流汇入时，宜在汇入口前后处分段。

计算的水质项目，也就是计算目标污染物，需要综合考虑三种因素确定：一是水功能区管理目标确定的水质项目，二是本计算河段的主要污染物，三是下游控制断面要求达标的水质项目。

水质模型分为零维模型、一维模型、二维模型和三维模型。零维模型、一维模型、二维模型一般就可以满足河流治理工程的需要。三维模型需要资料繁多，费时费力，可以在研究复杂区域时采用。

污染物在河段内均匀混合的中小型河流，不考虑污染物浓度因自净作用而衰减，计算河段一般较短（不大于3～5km），可采用零维模型计算水域纳污能力。规划阶段，资料有限，精度偏于宏观控制，可采用计算简单的零维模型。

污染物在横断面上均匀混合的、宽深比不大的河流，可以采用一维模型。例如，Q＜150m3/s的中型和小型河段。一维模型考虑污染物顺水向扩散。

污染物在横断面上非均匀混合、横断面宽度显著大于垂向水深的河流，可以采用二维模型，例如Q≥150m3/s的大型河段。二维模型考虑污染物顺水向、横水向的扩散。

（4）确定模型参数，进行水体纳污能力计算。确定模型的主要参数，例如河流断面、河流设计流量、污染物入河流量、水面比降等参数，然后选择经过三体系认证的程序进行计算。

（5）计算结果的合理性分析和检验。计算结果有时为正值，有时会出现负值。负值表示即使不向河流中增加一点污染物，河流的水质也超出了目标水质，显然上游来水的浓度值背景太大了，需要对上游污染源进行治理。

计算结果要进行合理性分析和检验。要对输入项目的各种资料、简化计算模型、模型参数的合理性进行分析。对计算结果，可以通过实测验证、工程类比、多方法复核、专家评审等方法进行检验。

3.零维模型

零维模型只考虑污染物的稀释，忽略其他因素。单点源排放、不计面源污染时的河流水域纳污能力公式为式（8.4-4），河段简化模型如图8.4-3所示。完全混合后的水质浓度计算用式（8.4-5）。

式中　W——水域纳污能力，g/s；

　　　Cs——控制断面水质标准，mg/L；

　　　Qp——上游来水设计流量，m3/s；

　　　Cp——上游来水设计水质浓度，mg/L；

　　　Qe——污水设计排放流量，m3/s；

　　　Ce——污水设计排放浓度，mg/L；

　　　C0——水体完全稀释污染物后的浓度，mg/L。

4.一维模型

一维模型考虑沿河向水质变化。单点源排放、不计面源污染时的河流水域纳污能力用公式（8.4-6）计算。该公式同时考虑水体的稀释和自净作用，忽略水体离散作用，排放污染物浓度不随时间变化。

图8.4-3　单排污口的河段计算模型

式中　K——综合衰减系数，1/d，可以用怀特公式（8.4-2）计算；

　　　X——排污口到控制断面的距离，m；

　　　u——河段水流平均流速，m/s；

其余符号意义同前。

5.二维模型

二维模型适用于污染物在横断面上非均匀混合的大型河段。对于顺直河段，忽略横向流速与纵向离散作用，且污染物排放不随时间变化时，排放口为岸边排放时的纳污能力计算公式为（8.4-7）。

式中　Dy——污染物的横向扩散系数，m2/s，可以用泰勒公式（8.4-8）计算。泰勒公式适用于宽深比B/H≤100的河流；

　　　y——计算点到岸边的横向距离，m；

　　　x——计算点到控制断面的纵向距离，m；

　　　H——河流断面平均水深，m；

　　　B——河流水面平均宽度，m；

　　　J——河流水面比降；

　　　g——重力加速度，m/s2；

其余符号意义同前。