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基于改进S-P模型的阜新地区河流纳污能力分析

2025-03-05 41 上传者：管理员

摘要：为提高区域河流纳污能力估算精度，对传统河流纳污能力计算S-P模型进行改进，结合阜新地区河流水质断面监测数据，对区域河流纳污能力进行改进计算。结果表明，模型改进后，BOD5和COD污染物降解系数计算误差平均可分别降低10.2%和11.5%,阜新地区经测算河流主要污染物削减率在远景年可分别达到40.02%和49.28%。

关键词：
改进模型
河流纳污能力
生态保护
精度评定
阜新地区
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当前河流水环境治理是区域生态保护关注的重点和难点,而河流纳污能力的准确分析是水环境治理规划的关键所在,通过对河流纳污能力的分析来提高区域河流水环境保护规划和治理的科学性,从而提高区域水生态环境的保护力度[1]｡当前国内对于河流纳污能力分析主要通过经验公式和水质模型进行测算,传统水质估算经验公式应用相对较多,但这种方式需要积累大量的水质监测数据且经验公式的通用性还不足｡第2类方式是采用水质模型进行河流纳污能力的分析,其中S-P模型在国内许多河流纳污能力估算中得到具体应用[2-8],通过实例应用S-P模型估算的河流纳污能力精度总体好于经验公式估算值｡但传统S-P模型存在计算求解容易产生负值的问题,有所局限,为此有学者针对传统S-P模型计算缺陷,进行改进,并在国内一些河流水质预测中得到相关应用[9-15],实例应用效果均表明相比于传统S-P模型其水质预测精度有明显改善,但改进的S-P模型在河流纳污能力中还未得到具体应用,为提高区域河流纳污能力计算精度,采用改进的S-P模型对阜新地区河流纳污能力进行估算,并结合区域河流水质监测数据对比分析模型改进前后的估算精度｡研究成果对于提高区域河流纳污能力,改善水质功能区划分科学性提高重要方法参考｡

1、模型改进原理

通过对河流污染物溶度降解系数进行测算时传统S-P模型的主要计算原理,其污染物浓度降解系数计算公式分别为:

式中,x—污染物浓度在河流纳污时降解值,mg/L;v—河流流速系数;k—污染物扩散解系数;L—计算河流长度,km;K1､K2—河流污染物削减系数;C—河流污染物浓度值,mg/L;CS—河流浓度削减值,mg/L;C0—河流浓度削减初始值,mg/L;t—计算时间尺度,h｡

改进的S-P模型针对传统模型进行特征值的改进计算,计算公式为:

式中,xc—污染物浓度沿程衰减值,mg/L;L0—河段计算起始断面长度,km｡对改进模型进行浓度削减率转换计算,计算公式为:

对公式(4)进行求解计算,计算公式为:

式中,Lb—污染物在水体沿程降解的长度,km;xb—污染物浓度衰减目标值,mg/L｡河流污染物衰减非线性特征计算公式为:

式中,Lc—起始断面长度,km｡在污染物削减率分析基础上对其降解系数进行计算,计算公式为:

式中,K—河段演算的降解系数,在污染物降解系数分析的基础上对各水功能区纳污能力进行计算,计算公式为:

式中,W—污染物可在河流内降解削减的能力,t/a;Cm—计算时段内的污染物浓度,mg/L;u—计算流速,m/s;Q—河段流量计算值,m3/s｡

2、实例应用

2.1水功能区概况

以阜新地区5个水功能区为具体实例,各功能区水质主要特征参数见表1｡各功能区计算河长在7.3~13.2km之间,水质保护目标在Ⅲ~Ⅳ之间,结合各功能区内水质监测断面BOD5和COD污染物浓度数据,对比分析改进前后的S-P模型在各水功能区河流纳污能力计算精度｡

表1不同功能区污染物浓度特征值

2.2污染物降解系数比对

采用改进前后的S-P模型对比分析各污染物监测断面BOD5和COD污染物降解系数,对比计算结果,2类污染物降解系数模型改进前后的误差对比结果见表2—3,并对不同模型下污染物降解系数和监测断面测定的降解系数的相关性进行分析,结果如图1所示｡

表2改进S-P模型下COD污染物降解系数计算误差对比

表3改进S-P模型下BOD5污染物降解系数计算误差对比

从表2—3可看出,相比于模型改进前,改进后的S-P模型计算的BOD5和COD污染物降解系数和断面测定的各类污染物降解系数之间的误差平均可分别降低10.2%和11.5%,计算精度得到明显改善,传统S-P模型由于在计算求解容易产生负值的问题,使得其进入河道内的污染物降解系数计算值和测定值之间的误差加大,从而降低了模拟对降解系数的求解精度｡改进的S-P模型由于引入污染物衰减浓度目标值,改进传统模型求解精度,从而降低了模型对污染物降解系数的求解误差｡从图1可看出,相比于模型改进前,各监测断面模型改进后的BOD5和COD污染物降解系数与测定的降解系数之间的相关系数分别提高0.2413和0.3141,模型改进后污染物降解系数之间的相关系数也有明显提高｡

图1模型改进前后污染物降解系数与测定降解系数相关性分析

2.3纳污能力计算对比

在各类污染物降解系数计算精度对比基础上,采用改进的S-P模型分别对阜新地区各水功能区现状年(2023年)､规划年(2030年)和远景年(2035年)河流纳污能力进行计算,结果分别见表4—6｡

表4阜新地区水功能区现状水平年纳污能力

表5阜新地区水功能区规划年纳污能力

表6阜新地区水功能区远景年纳污能力

从表4可看出,采用改进的S-P模型推算的现状年阜新地区各水功能区BOD5纳污能力总体低于16.0×104t/a,对COD的纳污能力相对较高,其各水功能区的纳污能力总体在26.57×104~69.61×104t/a之间｡进入规划年后随着水环境综合治理措施的不断加大,进入河道内的浓度减小,也相应减小了各功能区河流纳污能力｡相比于现状年和规划年,远景年下进入河流污染物浓度进一步降低,各功能区的纳污能力降低,但相比于规划年,其递减程度有所减小｡

2.4纳污能力控制红线

在各水生态功能区现状年､规划年､远景年纳污能力分析基础上,结合流域污染物控制目标值对不同典型年纳污能力控制红线进行计算,结果见表7｡

表7阜新地区各功能河流纳污能力控制红线

从表7可看出,相比于现状年BOD5污染物纳污能力控制红线,其污染物的削减率分别达到-19.25%和-40.02%,河流污染物降解系数改善,从而提高了各功能区河流BOD5污染物的削减率,随着河流水环境综合治理措施的不断加强,河流对污染物的降解能力也相应增加｡从COD污染物不同典型年份下的削减率也可看出,相比于现状年,远景年和规划年下污染物浓度削减率分别可达到-27.35%和49.28%,削减率高于BOD5污染物的削减率,这主要因为BOD5污染物的降解系数要低于COD污染物的降解系数｡结合各功能区纳污能力控制红线可作为区域水环境治理污染物浓度控制指标,来科学规划区域水环境治理的措施｡

3、结语

(1)在采用改进S-P模型计算河流纳污能力时,各类污染物浓度衰减目标值十分关键,建议可以区域河流水质保护目标控制下的污染物浓度上限值作为其浓度衰减目标值｡

(2)结合改进S-P模型和区域水功能区水质保护目标,可对地区河流不同典型年纳污能力控制红线进行定量测算,从而为区域水功能区水环境保护规划提供决策依据｡

(3)本文对比了改进前后对污染物降解系数计算精度的影响,但由于缺乏纳污能力准确核定的方法,未进行误差比对,在后续研究中还需重点考虑模型改进前后对纳污能力计算误差影响｡

参考文献:

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