采用一维水质模型计算河流纳污能力中设计条件和参数的影响分析张文志(广东省水文局惠州分局,广东　惠州　516001)摘　要:分析采用一维水质模型计算河流纳污能力过程中,污染源概化、设计流量和流速、上游本底浓度、污染物综合衰减系数等设计条件和参数对计算结果的影响;讨论如何确定设计条件和参数,以提高计算结果的准确性和合理性。

关键词:纳污能力;一维水质模型;设计条件;参数;影响分析中图分类号:T V149.2 文献标识码:B 文章编号:100129235(2008)0120019202收稿日期:2007202205作者简介:张文志,男,湖北大悟人,主要从事水环境监测、水资源分析及评价工作。

纳污能力,是指水体在一定的规划设计条件下的最大允许纳污量。

纳污能力随规划设计目标的变化而变化,反映了特定水体水质保护目标与污染物排放量之间的动态输入响应关系。

其大小与水体特征、水质目标及污染物特性等有关,在实际计算中受污染源概化、设计流量和流速、上游本底浓度、污染物综合衰减系数等设计条件和参数的影响。

东江干流岭下至虾村河段位于东江干流惠州市境内,全长36k m,水质目标为Ⅱ类。

本文以该段河段氨氮纳污能力计算为例,分析采用一维水质模型计算纳污能力过程中设计条件和参数对计算结果的影响,并讨论如何确定设计条件和参数,以提高计算结果的准确性和合理性。

1　一维水质模型概述对于宽深比不大的河流,污染物在较短的时间内,基本上能在断面内均匀混合,污染物浓度在断面上横向变化不大,可用一维水质模型模拟污染物沿河流纵向的迁移问题来计算纳污能力。

在稳态或准稳态的情况下,一维水质数学模型为:C (x )=C 0exp-kx u(1)式中　C 0———基准断面污染物的本底浓度,mg/L ;k ———污染物综合衰减系数,d-1(计算时换算为s-1);u ———断面设计流速,m /s ;x ———计算断面至基准断面的距离,m ;C (x )———计算断面污染物的浓度,mg/L 。

2　污染源概化影响分析通常情况下,考虑到计算的复杂性和一般规划本身的要求,需要将河段内排污口的分布加以概化。

目前污染源概化主要采用两种方法:概化为均匀分布或概化为一个集中点。

2.1　均匀分布概化河段水环境容量计算公式概化为均匀分布即认为污染物排放在同一河段内沿河长均匀分布,并认为污染源源强在同一功能区内沿河长均匀分布,概化示意见图1。

此种概化实际上体现了污染物分布的一种平均状况,对某一河段也许存在一定偏差,但从统计、规划的特点来看,却综合反映了若干河段污染物排放的一种平均状态。

图1　均匀排放河段污染源概化示意图可以推导出均匀排放河段纳污能力的计算公式为:m =kQLuC s -C 0exp-k L u1-exp-kL u(2)式中　m ———纳污能力,g/s (结果表示时换算为kg/d );C S ———下游控制断面污染物的目标浓度,mg/L ;L ———计算河段的全长,m ;Q ———河段设计流量,m 3/s ;其它参数意义与公式1相同。

2.2　集中点概化河段水环境容量计算公式概化为一个集中点即认为污染物排放在同一功能区内集中在一个点,所有污染物由这个点源排入,概化示意见图2。

此种概化实际上体现了污染物分布的一种集中状况。

图2　集中排放河段污染源概化示意图可以推导出集中排放河段纳污能力的计算公式为:912008年第1期・PE ARL R I V ER 人民珠江m =QC s -C 0exp -k L uexp -kL 1u(3)式中　L 1———集中概化点距下游断面的距离,m ;其他各参数意义与公式(2)相同。

污染源集中概化点的位置确定在污染源比较集中的地方,一般情况下,污染源比较分散,可认为这个点在河段的1/2处。

值得注意的是,对于有较大支流汇入的河段,计算更为复杂,要考虑到汇入支流的水质水量情况,计算公式要调整。

2.3　计算结果影响分析设计水文条件采用岭下站实测资料,设计流量和流速采用岭下水文站近10年90%保证率最枯月平均流量和相应条件下的流速,分别为流量166.2m 3/s,流速0.51m /s;上游本底浓度采用岭下站2006年水质监测平均值,为0.19mg/L;综合衰减系数借用相关研究成果,取0.07d -1。

按两种概化计算的纳污能力及比较见表1。

表1　均匀分布概化与集中点概化纳污能力计算比较kg/d均匀分布概化集中点概化L 1=1/4LL 1=1/2LL 1=3/4L4736466947374805显然,采用均匀分布概化和集中点为中点的概化计算出的结果相当,集中点越靠近下游计算的结果越小,但相差不大。

3　上游本底浓度影响分析根据不同的要求,计算时上游本底浓度的取值就不同,计算结果也有差异。

选取不同的上游本底浓度(其它条件同2.3),采用集中点概化(集中点为中点)计算的纳污能力见表2,上游本底浓度与纳污能力关系见图3。

表2　不同上游本底浓度所对应的纳污能力C 0/(mg L -1)0.100.200.300.400.50m /(kg d -1)5993459732021806411图3　C 0与m 关系图从表2和图3中可以看出,上游本底浓度的选取对计算结果的影响较大,纳污能力随上游本底浓度的增大呈直线下降。

4　设计流量和流速、综合衰减系数影响分析由于综合衰减系数受流量和流速影响,所以把设计流量、流速和综合衰减系数一起分析。

选取不同的流量(Q )、流速(u )(根据岭下站近年来的实测资料)和综合衰减系数(k ),其它条件同2.3,采用集中点概化(集中点为中点)计算的纳污能力见表3,不同综合衰减系数下纳污能力随流速变化关系见图4,不同流量、流速下纳污能力随综合衰减系数变化关系见图5。

表3　不同流量、流速和综合衰减系数所对应的纳污能力kg/dQ /(m 3s -1)u /(m s -1)k /d -10.020.050.070.100.150.200.250.301000.42276528982989312933723626389441761500.50412742934407458148805193551958582000.58548256735802600063406692705774353000.6682008451862188809322977910251107384000.7110918112281143811758123041286613444140405000.7513633140001424914626152691693016610173096000.8416329157211598617389180731877419492202298000.91217453322822553330462388424741256192651610000.98271532771228089286602962930618316293266112001.043255833190336153426035352364663760238761图4　不同综合衰减系数下m 随u 变化关系图图5　不同流速下m 随k 变化关系图从表3、图4和图5中可以看出:a)Q 和u 对m 影响相对较大,k 对m 影响相对较小。

b)对于相同的Q 和u,随着k 的增加,m 也相应增加;对于相同的k,随着Q 和u 的增加,m 也相应增加,但相对增幅逐渐减小。

(下转第43页)2其表面等效放热系数应达到β≤2.0kC AL/m2h℃要求,其保温时间至少为一个低温季节。

b)结构混凝土的永久暴露面,如泄洪中孔、表孔等部位,对于l1月份至次年4月份浇筑的混凝土,拆模后应立即进行保温;对于5-10月份浇筑的混凝土,应于11月初开始保温,其表面等效放热系数应达到β≤1.5kC AL/m2h℃要求,保温时间应为一个低温季节以上。

c)对于日平均气温在2-3d内连续下降超过(含等于) 8℃时,28d龄期内的混凝土表面、包括浇筑层顶面、侧面均必须进行表面保护,其表面等效放热系数应达到β≤2.0 kCAL/m2h℃的要求。

d)模板拆除的时间应根据混凝土的强度和混凝土内外温差而定,且应避免在夜间或气温骤降期间拆模。

低温季节,预计到拆模后混凝土的表面降温可能超过8℃时,应推迟拆模时间,如必须拆模时,拆模后应立即采取表面保护措施。

e)高温季节浇筑预冷混凝土时,为防止坝体混凝土温度倒灌,要求于混凝土浇筑完成后即以保温材料覆盖,待混凝土升至环境温度后再打开散热。

f)每年11月初后应将泄洪中孔、廊道及其它所有孔洞进出口进行挂帘保护,以防冷风贯通产生混凝土表面裂缝。

在坝体混凝土浇筑完毕后,应对混凝土表面及时进行养护,在一定时间内保持适当的温度和湿度,以减少表面干裂。

混凝土表面养护范围包括各坝段上、下游永久暴露面、各坝块左右侧面、水平面、孔洞及廊道的侧面、水平面等。

表面养护的一般要求如下:混凝土浇筑完毕后,一般应在混凝土浇筑完毕12h内即开始养护,但在炎热、干燥气候情况下应提前养护,早期应避免太阳光曝晒,应及时对其表面及所有侧面洒水养护,以保持混凝土表面经常湿润。

混凝土养护应保持连续性,养护期内不得采用时干时湿的养护方法。

7　封拱时间在低温季节进行封拱是很显然的。

锦潭拱坝由于施工进度的要求,要在高温季节对最底层拱圈实施封拱,即使在有保温板保护的情况下,坝体温度达到封拱温度时,坝面缝面张开度仍未能达到设计要求,接缝灌浆效果欠佳。

(责任编辑:郑　斌)(上接第20页) c)随着Q和u的增加,k对m的相对影响程度逐渐减小;随着k的增加,Q和u对m的相对影响程度逐渐减小。

5　设计条件和参数确定根据上述各设计条件和参数对纳污能力计算的影响分析,在实际计算中应注意选择合适的设计条件和参数。

a)污染源概化选择。

在实际计算中,采用哪一种概化要根据其实际的排污口的位置分布和污染负荷分布做出合适的选择,对于污染源分布比较均匀的河段可采用均匀概化或集中点为中点的集中点概化;对于污染源比较集中的河段可采用集中点概化,集中点要根据集中排放的位置来确定。

b)设计流量和流速的确定。

对于有流量和流速资料的河段,根据相关规范计算确定;对于只有流量资料的河段,可以根据流量和河流断面形状计算流速;对于无资料的河段,应根据相应条件推算。

由于流速对计算结果影响很大,在确定流速时应尽量准确,减少人为性误差。

c)上游本底浓度的选取。

计算现状纳污能力时,可根据实际监测数据适当选取。

计算规划纳污能力时,可根据规划条件和相关规范,并结合现状水质状况来适当选取。

d)综合衰减系数的确定。

k的影响因子较多,受当地自然条件、水体污染程度、流速、气温等因素的影响,其值较难确定,迄今还没有成熟的经验公式可以借用。

对有实验资料的河段,可采用实验所确定的k值范围适当选取;对无实验资料的河段,可参考相近、相似流域的k值,如条件允许,可挑选某些河段对k值进行测定。