1. 引言
随着经济社会的迅猛发展，水质恶化等一系列水环境问题日渐凸显 [1] [2] 。“纳污能力”观念及其计算方式的提出对量化某一水域污染物的最大排放量、水体及水质保护起到了至关重要的作用 [3] [4] 。林金等 [6] 基于相关水文资料构建台州市区河道一维水质水动力模型，通过不断调整参数计算出可靠的河道水环境容量；陶淑芸 [7] 等基于相关资料构建了一维水质及水动力模型，计算出蔷薇河污染物总量和水功能区的水环境容量；李英霞 [8] 等基于相关水文资料构建章卫南河子流域一维水质模型，计算出章卫南河子流域水环境容量并讨论了设计流量和退化系数的确定方法。但目前很多研究未考虑不同水功能区断面平均流速的差异，不利于各水功能区的污染物排放管理，或是未考虑污染物的分区排放，对于不同功能区污染物排放的差异化管理存在一定局限，还有一些研究未按照水功能区进行水环境容量的计算，对于河道污染分区治理仍存在困难。本研究采用一维水动力模型计算各功能区的断面平均流速并利用河流一维模型估算各功能区纳污能力，分析了三峡水库蓄水前后，不同保证率流量及水位条件下举水干流COD、NH3-N纳污能力的变化情况，为举水流域新洲区的污水排放控制提供科学依据。
2. 研究区概况
举水流域地处鄂东北地区，流经麻城市城区、宋埠镇、武汉市新洲区、黄冈市团凤县等地，最终在团凤县内汇入长江，干流里程约165.7 km，平均坡降0.063%。举水的几条重要支流从下游至上游分别是沙河、东河、鄢家河、浮桥河、白果河、阎家河。流域年平均降水约1224 mm，降水分配存在季节性差异且年际变化较大。流域面积约4046 km2。上游多为山地，中游地区丘陵遍布，从新洲城关以下进入滨江平原，地势平坦。流域内平原、山地、丘陵面积占比分别为10.3%、43.5%、46.2%。新洲城关附近建有橡胶坝，库容1211万m3。一般情况下，长江汉口水位在27 m以上时，举水河口段会顶托到柳子港。流域上下游有麻城站、柳子港站，两水文
Figure 1. Location diagram of Jushui watershed
图1. 举水流域位置示意图
站为麻城市及新洲区的防汛抗旱提供了科学依据，举水流域位置如图1。
按《湖北省水资源综合规划细则》的总体规划，新洲区举水干流一级水功能区划分为：上段保留区、开发利用区、下段保留区 [9] ，如图1。
3. 研究方法
3.1. 水动力模型
MIKE11水动力模型是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维Saint-Venant方程，模拟结果为河道各个断面、各个时刻的水位和流量等水文要素信息 [10] 。水动力模型计算范围从柳子港站至举水口，计算河段全长48.2 km，共布设断面45个，计算模型的所有断面均从实测1:10,000地形图上切取而得，断面间距为902~1103 m。将柳子港站的实测流量作为上游入流边界条件，汉口站和黄石港站对应时期的实测水位插值来推算举水口的水位，以此作为下游边界，河段平均糙率为0.037。
3.2. 水域纳污能力数学模型
为了客观的描述水体自净或污染物降解规律，较准确的计算出河段的纳污能力，可采用一定的数学模型来描述此过程 [11] 。本研究纳污能力的估算参考《水域纳污能力计算规程(GB/T25173-2010)》 [12] 中的河流一维模型，该模型认为污染物在中、小型河流横断面上是均匀混合的。计算模型公式如下：
1) 污染物浓度按式(1)计算：
(1)
式中：C0表示污染物的本底浓度，mg/l；Cx表示污染物质流过距离x后的浓度，mg/l；x表示顺水流方向的距离，m；u表示设计流量条件下的断面平均流速，m/s；K表示污染物综合衰减系数，s−1。
2) 相应的水功能区纳污能力按式(2)计算：
(2)
式中：M表示水功能区纳污能力，g/s；Cs表示目标浓度值，mg/l。
3) 排污口的位置在河段中间时(即x = L/2)，各功能区下断面的污染物浓度及水功能区的纳污能力分别按式(3)、(4)计算：
(3)
(4)
式中：m表示污染物的排放速度，g/s；Cx=L表示各个功能区下断面的污染物浓度，mg/l。
4. 纳污能力的计算
4.1. 水动力模型的率定和验证
模型率定及验证选取了断面DM1、DM2、DM3，这些断面分别位于上段保留区、开发利用区、下段保留区。将2014年12月6日至2016年2月29日汉口站及黄石港站的实测水位插值出的举水口水位与同期柳子港站实测水位进行内插得到的水位值作为三个断面的水位实测值，其中2014年12月6日至2015年7月19日的水位系列用于率定，2015年7月20日至2016年2月29日的水位系列用作验证。研究河段水位的率定计算结果如图2(a)~(c)所示，经计算Nash效率系数分别为0.94、0.96、0.95，水位的验证结果如图2(d)~(f)所示，经计算Nash效率系数分别为0.93、0.95、0.94，拟合效果较好，满足计算精度要求。
4.2. 纳污能力相关参数的确定
4.2.1. 断面设计流量和平均流速
计算河流水域纳污能力，应采用90%保证率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量作为设计流量 [12] ，将柳子港1977年1月至2002年12月及2003年1月至2021年2月的最枯月平均流量资料分别进行排频，得到三峡蓄水前后不同保证率下的设计流量，以此作为水动力模型上游边界条件；以汉口站和黄石港站对应时期的最枯月平均水位资料插值出举水口的水位并进行排频得到三峡蓄水前后两水文系列不同保证率的下游出口水位，作为下游边界条件，统计数据见表1，各功能区断面平均流速计算结果如图3所示。
据图3可知，三峡水库蓄水前后不同保证率流量及水位条件下上段保留区与开发利用区的断面平均流速基本保持不变；保证率为75%、50%时，蓄水前后相比，蓄水后下段保留区受长江干流顶托作用较蓄水前小，断面平均流速有所增加；保证率为90%时，蓄水前后相比，蓄水后下段保留区受长江干流顶托作用较蓄水前大，断面平均流速有所降低。
Table 1. The water level of the Jushui River outlet and the design flow
表1. 举水出口水位及设计流量
Figure 3. Diagram of the average flow velocity of each water function area section
图3. 各水功能区断面平均流速图
4.2.2. 污染物的背景浓度
污染物的背景浓度是依据实际情况，参考主要控制断面背景浓度与补充监测断面实测情况选取 [13] 。根据举水柳子港水文站1998~2000年水质监测的最枯月平均值来确定开发利用区COD、NH3-N的背景浓度，其浓度分别为11 mg/l、0.18 mg/l；举水新洲上段保留区COD、NH3-N的背景浓度根据相关文献 [14] 来确定，其浓度分别是12 mg/l、0.27 mg/l；举水新洲下段保留区COD、NH3-N的背景浓度分别为15 mg/l、0.5 mg/l。
4.2.3. 水质目标浓度值
水质目标值的选择，常以水功能区类别为依据 [15] 。参照《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》并结合湖北省水功能区划成果，最终确定举水新洲开发利用区的COD、NH3-N目标浓度分别为20 mg/l、1.0 mg/l，举水新洲上段保留区的COD、NH3-N目标浓度分别为15 mg/l、0.5 mg/l，举水新洲下段保留区的COD、NH3-N目标浓度分别为20 mg/l、1.0 mg/l。
4.2.4. 污染物综合衰减系数
参考《全国水资源保护技术大纲》，确定综合衰减系数的方法可分为分析借用法、经验公式法和实测法 [16] 三种。本文采用分析借用法确定举水干流污染物综合降解系数。河流COD、氨氮衰减系数K取值范围见表2 [5] 。参考相关文献中的污染物综合衰减系数取值，最终确定COD的K值取0.2、NH3-N的K值取0.2 [17] 。
Table 2. The value range of river COD and NH3-N attenuation coefficient K
表2. 河流COD、NH3-N衰减系数K取值范围
4.2.5. 排污口的位置及污水流量
为简化计算，可将多个排污口概化为一个，其位置在河段中间 [18] 。开发利用区的主要排污口有4个，分别是北豪、长航背后、堤防背后、被絮围，排污口年排污量为1277万t [9] 。该功能区污水排放流量为Qp = 0.405 m3/s，COD与NH3-N的入河速率分别为10.467 g/s、3.621 g/s。举水新洲下端保留区只有一个排污口，即辛冲排污口，年排污量为63.1万t。此功能区污水排放流量Qp = 00.02 m3/s，COD与NH3-N的入河速率分别为0.155 g/s、0.054 g/s。
4.3. 纳污能力计算结果
经计算，蓄水前后举水流域新洲区各功能区的纳污能力如图4所示。由图可知，各功能区的纳污能力随保证率的减小而提高。不同保证率下，蓄水前后上段保留区纳污能力基本不变。保证率为75%、50%时，三峡水库调蓄导致蓄水后的长江干流水位较蓄水前有所降低、支流流速增加，开发利用区COD、NH3-N的纳污能力较蓄水前分别提高了0.44%~0.66%、0.54%~0.72%；下段保留区COD、NH3-N的纳污能力较蓄水前分别提高了0.60%~0.92%、3.70%~4.97%。保证率为90%时，枯水期三峡水库补水，蓄水后的长江干流水位较蓄水前有所提高、支流流速减小，开发利用区COD、NH3-N的纳污能力较蓄水前分别降低了0.32%、0.47%；下段保留区COD、NH3-N的纳污能力较蓄水前分别降低了0.56%、1.54%。下游出口水位为中低水位的情况下，上段保留区基本不受长江干流顶托影响，开发利用区受长江干流顶托影响有限，下段保留区在一定程度上受长江干流顶托影响。
Figure 4. Pollutant carrying capacity diagram of each water function area
图4. 各水功能区纳污能力图
5. 结论
1) 本研究构建了举水河口段一维水动力模型，模拟了不同保证率下水功能区的流速变化，并根据水域纳污能力计算规程计算了举水流域新洲区各水功能区纳污能力。根据纳污能力的计算结果可知，各水功能区均有一定的纳污能力。纳污能力随保证率的升高而降低，且水功能区距离下游出口越近对纳污能力的影响越大。
2) 三峡水库蓄水对各水功能区纳污能力影响程度不同，上段保留区基本不受影响，开发利用区所受影响有限，下段保留区所受影响较小。举水河段新洲区各水功能区的纳污能力主要取决于本河段水量条件，枯水期应严格控制污水排放。
基金项目
国家自然科学基金(51509273)；中南民族大学中央高校基本科研业务费专项资金资助(CZY20032)。