基于水功能区纳污能力计算方法及应用结果

1.模型参数的不确定性

纳污能力计算模型涉及的不确定性参数,如污染物综合自净系数k、横向扩散系数Ey、纵向离散系数Ex等,往往需要采用试验或经验方法进行估算。不同的参数估算方法计算得到的纳污能力计算结果不同,即使通过有限的水质监测资料进行率定,也不可能得到较为准确的分布式参数取值,这就造成了纳污能力计算结果的不确定性。

以污染物综合降解系数为例,该参数是在各种物理、化学、生物作用下水体中污染物减少的速率,是反映污染物沿程变化运动的综合系数,取值大小既体现污染物的自身运动变化,也体现水环境对污染物的影响程度。该参数并无明确的物理意义,流速、流向、流动结构、温度、初始浓度、水体组分等因素都会影响污染物的迁移、扩散和稀释,从而影响参数的取值。目前污染物综合降解系数主要通过试验率定法、经验公式法或类比分析法等估算。但这3种参数估算方法均有一定局限性,如试验率定法要求上下游两断面之间河道顺直、水流稳定且无污染源和支流汇入,如此测定计算得到的参数取值能否适用其他复杂水域是不确定的;经验公式法、类比分析法通常只适用于特定的水流条件,在广泛的运用中其准确性和适用性难以判断,且在经验范围内取值的做法使参数选取带有一定的主观性和随意性,易造成计算结果的较大偏差。

由于受诸多条件的限制,目前人们对天然河道内污染物自然降解、扩散迁移机理尚缺乏较为深入的了解,在数学模型中很难给出完全反映天然特性的模型参数值,从而在很大程度上影响纳污能力计算模型精度。实际工作中,通过积极推广国内已有的水质模型参数率定研究成果,辨析适用条件,适当修正并运用,最大程度减小参数不确定性取值造成的计算结果偏差。

2.控制断面选取的不确定性

《规程》中纳污能力模型计算公式是基于功能区段尾控制而言的,即污染源排放口到功能区末断面的河长均为允许污染物降解稀释的混合区。这种功能区段尾控制就是控制计算河段段尾处的水质达到功能区水质目标即可,在段尾控制计算中,最不利情况下计算河段全段水质均低于水质目标要求。实际上,段尾控制并不利于功能区水质达标,计算得到的纳污能力也比段首控制、段中控制等要偏大。

采用段首控制,就是控制计算河段段首处的水质达到计算河段的要求,那么由于污染物的降解稀释作用,基本上该河段内的水质处处达标,段首控制严格控制了计算河段的水质不超标,由此计算的纳污能力最小。

采用段中控制,就是根据水功能区管理要求,在计算功能区河段内设定水质控制断面,控制达标河段长度。最不利情况下,在计算河段控制断面到上游起始断面内的水质均是超标的,而计算河段水质控制断面以下到计算河段末端水质处处达标。由此计算的纳污能力介于段首控制和段尾控制之间。

图3.5　3种控制断面条件下纳污能力示意图(www.xing528.com)

M自净—计算水域的自净纳污能力;M稀释—计算水域的稀释纳污能力;Qr、Qp—河流流量和排污口污水排放量;C0、Cs—计算水域初始水质浓度和目标水质浓度

由图3.5可见,采用不同控制断面计算得到的水功能区纳污能力是截然不同的,段尾控制法计算得到的纳污能力,由于混合区长度最长,自净纳污能力也最大;段中控制法的混合区实际上为不达标河长,自净纳污能力次之;段首控制法的混合区为零,纳污能力仅为稀释容量部分。《规程》采用的段尾控制法虽然计算简便、易于操作,但不利于功能区水质达标,纳污能力计算结果偏大。实际工作中,为减小控制断面选取造成的不确定性,应根据水功能区水质监测与评价要求,合理布设功能区水质监测断面,将水质监测断面作为控制断面,在此基础上合理确定允许污染物降解稀释的混合区,设计水文条件下混合区的最大允许纳污量即为合理的水域纳污能力。

3.水质计算浓度取值的不确定性

纳污能力计算中涉及的水质浓度包括初始浓度C0和水质目标浓度Cs,其取值的不确定性对纳污能力计算结果影响较大。

(1)初始浓度C0的不确定性。初始浓度受河流的本底值、上游河段入河污染物影响,是水功能区或计算河段起始断面的某种污染物的实际浓度。但目前多是采用上一个水功能区的水质目标浓度值作为下一个水功能区的初始浓度,而非水功能区的实际水质监测浓度。因此,当两者不一致时,采用不同取值方法就会造成计算结果的不同甚至显著差异。

从规划角度来讲,采用上一个水功能区的水质目标浓度值作为下一个水功能区的初始浓度没有问题,因为水域纳污能力计算的目的是为规划水平年污染物总量控制提供依据,现状水质并不能代表规划水平年的水质状况。在不能准确预测规划水平年水质的前提下,考虑上、下游水功能区纳污能力的合理分配,第一个水功能区C0取值综合考虑现状水质情况和规划目标确定,然后采用上一个水功能区的水质目标浓度值作为下一个水功能区的初始浓度是合理的。

对于现状阶段纳污能力的计算,采用上述方法确定C0在一些情景下存在不合理之处。例如,在水质没有达标的水功能区,实测的污染物浓度通常高于上一个水功能区的水质目标浓度值,这必然会使纳污能力的计算结果偏大。因此对于现状阶段纳污能力计算,应在评价水功能区水质是否达标的前提下,结合实际监测的水质数据合理确定功能区初始浓度C0。

(2)水质目标浓度Cs的不确定性。目标水质浓度是指与水功能区或计算河段水质目标对应的某种污染物浓度限值,根据水功能区的水质目标、水质状况、排污状况和规划目标等条件确定。由于水质目标是有一定范围的,因此Cs取值的不同会造成计算结果的不同。例如,计算某水质目标为Ⅲ类的氨氮水域纳污能力,氨氮Cs取值在1～1.5mg/L时均是合理的,且Cs取值越大,纳污能力计算结果越大,这就造成纳污能力计算结果的不确定性。