干旱地區市區性河流水質研究

徐明德，徐光宇

（1.太原理工大學 環境科學與工程學院，太原030024；2.天津大學 仁愛學院土木與環境工程系，天津301606）

1 河流概況

山西省作為我國北方干旱少雨地區，水資源的短缺和水污染的嚴重，已成為該區域經濟發展的主要制約因素之一。尤其是在一些城市地區，工業和居民生活區集中，大量廢水排入河流，造成水體嚴重污染，加劇了水資源的供需矛盾，所以對有限的水資源進行保護和污染防治刻不容緩。

玉門河位于太原市汾河西岸，發源于太原西山石干峰，向東流經太原市西部近郊和西部城區等地進入汾河，沙石河底，屬常流河。玉門河也是典型的干旱地區的市區性河流，徑流量小，河流沿途匯入兩岸大量的工業廢水和生活污水，污染嚴重，水體黑臭。玉門河與汾河具有緊密的水力聯系，是汾河太原城區段水體污染負荷重要貢獻者，嚴重影響了城市水環境、城市文化景觀及居民的健康。

筆者從玉門河的實際情況出發，研究這類河流的主要污染物遷移轉化規律，建立了河流水質數學模型，為汾河水環境綜合整治規劃提供技術支持，具有現實的意義。

2 河流水質監測

2.1 監測范圍

考慮到玉門河河段下游居民區生活污水排放集中、污染嚴重，對河流流量影響較大等因素，本次研究中水質監測的主要河段范圍確定為入汾河口向上游8.5km的河段。該河段處于城市西部區域中心地帶，排污集中，污染嚴重，水質接近城市污水，水中有機物濃度高，足以反映玉門河水質污染狀況。

2.2 監測斷面

按照監測斷面設置的基本原則，經現場踏勘，從排污口位置、河流流態變化處等多方面綜合考慮，篩選確定設立5個監測斷面：窊流斷面，鐵橋斷面，重機宿舍斷面，后北屯斷面及前北屯斷面，分別記為斷面1—5。

2.3 監測頻率及監測項目

為能反映該河流水文、水質的時空變化規律，確定監測周期為一年，每月采樣四次，各斷面水質同步監測。

按照污染源踏勘調查，通過初步水質組分分析，在初期一段時間內，對較廣范圍的污染因子進行監測的基礎上，篩選確定該河流的主要污染物即監測項目，包括有流量、流速、水溫、BOD5、DO、NH3－N、pH等。

3 河流水質模型的建立

3.1 水質數學模型的基本假設

根據玉門河的水文及水質特性，在長期水文水質監測的基礎上，給出水質模型的基本假設。

1）研究河段的各個斷面之間為均勻穩定。研究河段相對較短，水體的水文條件、物理化學、生物化學過程和排污條件所構成的水質狀態較為穩定，即可忽略排污的波動性，認為河流為穩態狀態。

2）玉門河位于城區西部，河床坡降相對較大，流量較小，排入的污染物質很快就與河水充分混合。在定常排污的條件下，擴散作用僅在一個較短的時段和較短的河段內明顯，可以忽略。

3）該河流為小型河流，河床較窄，在橫截面上測得的流速和流量不隨時間發生改變，因此按一維狀態研究。

4）部分河段排污口排量小而分散，對排污口適當合并集中，以等效源代替。

3.2 河流污染物耗氧機制

根據對玉門河5個監測斷面水質監測分析，玉門河河水處于溶解氧嚴重不足狀態，此時有機物的轉化機制及存在與氧源充足情況是不相同的，而是屬于厭氧狀態或虧氧狀態有機物轉化機制［2］。

在好氧條件下，有機物的氧化分解是通過微生物的生物化學作用，這個過程可看作含碳有機物分解的碳質耗氧和含氮物質分解的硝化耗氧兩個階段；第二階段大致是在第一階段的5～10d后發生。對這兩個階段的耗氧能力常用兩個定量數值表征，即碳化反應耗氧速率k1與硝化反應耗氧速率kN。第二階段耗氧過程的發生，除與水體溶解氧含量有關外，還取決于pH值，當pH＝8.3時，硝化反應最佳；pH＝6時，硝化反應能力只相當最佳時的10%。

天然水域的虧氧狀態通常發生在溶解氧小于1 mg／L（或1.5）時，此時水體固然處于缺氧，但有機物的衰減過程仍然處于好氧機制演變過程。也就是說只要水體能得到一定量的氧氣，就會產生一定程度的耗氧碳化過程。碳化程度取決于供氧量，且這類反應僅僅存在于第一階段的碳質耗氧中。至于第二階段耗氧是否發生，除pH值條件外，研究認為［2］，因硝化細菌是完全好氧的，當ρ（O）≤2mg／L時，硝化反應會急劇降低；當ρ（O）＜0.3mg／L時，氧化反應停止。可見，虧氧狀態時第二階段耗氧反應已接近停止。

由于第二階段硝化耗氧要在5～10d后發生，以此判斷耗氧機制，若用最低的河流流速0.2m／s估計，污水在河流運行20km約需28h。可見，在有可能發生第二階段耗氧之前，污水團就進入研究范圍河段的下游。其次，從河水的pH值看，平均大約為6.5，呈酸性反應，在此情況下，即使有硝化反應也已很低。另外，河流現場勘查發現，本河水是魚蝦絕跡、水草極少，因而光合作用產氧幾乎為零，研究河流水體的DO濃度值較低。盡管多數斷面ρ（O）＞1.5 mg／L，但多數ρ（O）≤2.5mg／L，河水的硝化耗氧反應是很有限的。綜合以上認為，河流水質主要存在含碳有機質的氧化分解過程，BOD是河流溶解氧含量最主要的影響因素。由此可得出，玉門河河流中的有機質存在的耗氧過程可以只考慮第一階段。

3.3 模型的選擇

以上分析可知，玉門河河水主要存在含碳有機質的氧化分解過程，BOD是河流溶解氧含量最主要的影響因素。同時，由于玉門河水中懸浮物含量高，也要考慮沉淀、絮凝、沖刷和再懸浮過程的綜合影響，因而選擇一維穩態的Thomas（托馬斯）模型作為玉門河河流水質模型［3－4］。

Thomas（托馬斯）模型的基本形式為：

式中：ρ（C），ρ（O）為分別為距河流起始端距離為x的BOD、DO的質量濃度，mg／L；ρs（O）為飽和溶解氧的質量濃度，mg／L；k1為碳化耗氧量耗氧速率，d－1；k2為復氧速率，d－1；k3為 BOD5沉浮系數，d－1；v為河流流速，m／s。

3.4 水質模型的穩態解析解

河流初始條件為x＝0時，

式中：ρ0（C）為BOD初始質量濃度；ρ0（O）為溶解氧的初始質量濃度。

式（1）、（2）解為：

3.5 控制斷面及入流參數確定

基于污染源調查與水質現場監測，并參考相關資料［1］，得到玉門河研究河段各斷面接納的入流量（Q）及水質指標見表1所示。

表1 汾河太原段斷面入流參數

3.6 模型參數確定

將各斷面2003－2004年每周一次的BOD5和DO的質量濃度監測值，按豐水期、枯水期分組。豐水期監測數據均值用于確定模型參數，確定的模型參數為k1、k2、k3。應用非線性最速梯度法進行參數估值，參數計算結果見表2所示。

表2 模型參數計算結果

3.7 模型檢驗

將各斷面2003－2004年每周一次的BOD5、DO的質量濃度枯水期監測數據均值用于模型的驗證，驗證結果見表3所示。

表3 汾河太原城區段水質模型驗證結果

由表3可見，在模擬的5個斷面中，質量濃度的平均相對誤差（不計初始斷面）為6.81%；ρ（C）的平均相對誤差為5.54%；ρ（O）平均相對誤差為8.08%。導致個別斷面相對誤差較大的原因，涉及河流水質的不穩定性、采樣和監測分析手段等多方面因素。總體來說，該水質模型與玉門河水質的實際情況基本一致，表明模型是合理可行的。

4 水質預測計算

玉門河位于城區，其水質污染對城市環境、景觀等影響較大，因此治理刻不容緩。設想各斷面均采用同樣的方式對接納污水中BOD進行處理，消減率分別為20%，60%，80%；或設想上游水質不變而徑流量提高1m3／s，則運用該模型對不同方案預測計算，各個削減方案下該河流污染物BOD變化見圖1。

圖1 河流水質變化預測結果

由圖可知，對各斷面接納污水中BOD消減60%時，各斷面BOD的質量濃度＜18mg／L；消減80%時，各斷面BOD的質量濃度＜10mg／L；而上游同水質徑流量若能增加僅1m3／s，則各斷面水質改善的效果更好。

5 結論

1）通過河流水質現狀監測，對干旱地區市區性河流玉門河水質現狀、特點及污染物的好氧機制進行了分析。分析得知，本河流污染物耗氧主要為碳化耗氧，為建立河流水質模型提供了基礎。

2）建立了針對玉門河水質特性的BOD-DO的耦合模型，以現狀監測資料為基礎進行模型參數的確定和模型驗證。總體而言，該水質模型與玉門河水質的實際情況基本一致，表明模型是合理可行的，也說明對于干旱地區小型河流來說，用較簡單的一維穩態水質模型就可以進行水質模擬計算，并取得較滿意的結果。

3）應用該模型對設想污染治理方案進行水質預測，反映了不同的治理方案下河流水質變化趨勢，可為污染嚴重的市區性河流實施分步治理提供參考，為實現河流科學管理提供技術支持。

4）模型預測計算結果比較說明，通過截污控制污染物排放量是市區性河流水質改善的基本途徑，同時提高上游徑流量對改善污染較嚴重河流的水質具有較佳的效果。因此提高生態蓄水量以增加地表徑流量，對于河流污染治理同樣是非常重要的。河流污染治理是進行截污控制、污水資源化、生態建設、科學管理等綜合整治、統籌規劃的系統工程問題。

［1］ 太原市地方志編纂委員會.太原市志［M］.太原：山西古籍出版社，1999.

［2］ 鄭英銘，楊志.虧氧狀態的水質模擬［J］.河海大學學報，1990，18（5）：100-107.

［3］ 傅國偉.河流水質數學模擬及其模擬計算［M］.北京：中國環境科學出版社.1987.

［4］ 韋鶴平，徐明德.環境系統工程［M］.北京：化學工業出版社，2009.