滏陽河邯鄲段CODCr降解系數(shù)研究

王 玲，吳亦紅，朱 靜，魏全偉

(1. 河北省環(huán)境科學(xué)研究院, 河北石家莊 050037；2. 河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

滏陽河邯鄲段CODCr降解系數(shù)研究

王 玲1,2，吳亦紅1，朱 靜1，魏全偉1

(1. 河北省環(huán)境科學(xué)研究院, 河北石家莊 050037；2. 河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

降解系數(shù)的確定是水環(huán)境容量核算的關(guān)鍵因素。通過現(xiàn)場(chǎng)水團(tuán)追蹤實(shí)驗(yàn)，采用一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型進(jìn)行參數(shù)率定；同時(shí)進(jìn)行了室內(nèi)模擬研究，運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行回歸計(jì)算，綜合考慮2種方法測(cè)定結(jié)果，得到滏陽河邯鄲段枯水期CODCr降解系數(shù)為0.152～0.270 d-1；平水期CODCr降解系數(shù)為0.209～0.384 d-1；豐水期CODCr降解系數(shù)為0.215～0.437 d-1。

CODCr；降解系數(shù)；水團(tuán)追蹤實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)室模擬

滏陽河是邯鄲市境內(nèi)的主要河流，發(fā)源于峰峰礦區(qū)黑龍洞泉，在邯鄲市境內(nèi)流經(jīng)磁縣—邯鄲市—邯鄲縣—永年縣—雞澤縣，由曲周縣出境。全程水面寬度為10～20 m，水深為1～3 m，多年平均流速為0.2 m/s。目前，滏陽河邯鄲段污染現(xiàn)象較嚴(yán)重，CODCr是主要污染物之一。在進(jìn)行污染治理時(shí)，將CODCr列為總量控制指標(biāo)，對(duì)該流域的水環(huán)境容量進(jìn)行核算。容量核算的關(guān)鍵是建立描述CODCr降解規(guī)律的水質(zhì)模型，而建立模型的關(guān)鍵是估計(jì)CODCr降解系數(shù)。它是描述污染物隨水體平流移動(dòng)發(fā)生衰減的重要參數(shù)，它的取值直接關(guān)系到水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[1]。降解系數(shù)一般可以通過室內(nèi)模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、選用相似河段的經(jīng)驗(yàn)值等方法得到[2-5]。筆者采用現(xiàn)場(chǎng)水團(tuán)追蹤實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室模擬2種方法進(jìn)行確定。

1 水團(tuán)追蹤實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1) 注水乒乓球：黃色乒乓球，便于跟蹤觀察。每個(gè)乒乓球用注射器注入一半水，乒乓球注水后與水團(tuán)密度近似，且能防止逆風(fēng)干擾；

2) 采樣器：小型采樣器，便于攜帶；

3) 采樣瓶：帶螺旋帽的500 mL廣口聚乙烯塑料瓶。

1.1.2 斷面選擇

根據(jù)各河段的水文、水質(zhì)特性和污染源分布狀況，選擇河流上游無污染源、無支流匯入的河段進(jìn)行采樣。經(jīng)調(diào)查選取水庫下游電站橋(以下簡稱電站橋)、龍王廟村、尹家橋、滏河橋4 個(gè)采樣斷面，把水庫下游電站橋作為起始斷面，如圖1所示。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在水庫下游電站橋扔注水乒乓球，記錄時(shí)間并采水樣，實(shí)驗(yàn)人員沿河道跟蹤乒乓球。當(dāng)乒乓球到達(dá)龍王廟村時(shí)，在此斷面采水樣并記錄時(shí)間；之后，依次在尹家橋和滏河橋采樣。圖2為實(shí)驗(yàn)過程中注水乒乓球沿河道運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖1 采樣斷面圖Fig.1 Sample section

圖2 實(shí)驗(yàn)過程中注水乒乓球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.2 Movement state of water-injectied table tennis in the process of experiment

1.1.4 樣品采集

由于滏陽河寬度小于50 m且水深小于5 m，所以每個(gè)斷面只設(shè)一條中泓垂線，采樣點(diǎn)均位于水面下0.5 m。所采水樣均為瞬時(shí)水樣，采樣后加入1 mol/L硫酸調(diào)節(jié)，使水樣pH值小于2.0并及時(shí)送至實(shí)驗(yàn)室于冰箱4 ℃以下避光保存，并保證2 d內(nèi)完成檢測(cè)。

1.1.5 采樣頻率

根據(jù)滏陽河徑流流量年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化，將1月、2月、11月、12月劃分為枯水期，3月、4月、5月、10月劃分為平水期，6月、7月、8月、9月劃分為豐水期。采樣頻率分別為枯水期(2012年12月與2013年1月和11月)、平水期(2013年4月、5月、10月)、豐水期(2013年6月、7月、8月)；按照以上頻率每個(gè)水期一年內(nèi)分別進(jìn)行3次采樣，每次連續(xù)進(jìn)行4 d、采4組平行樣，即每個(gè)水期采12組平行樣，取均值進(jìn)行計(jì)算。

1.1.6 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

利用重鉻酸鉀法(GB/T 11913—1989)測(cè)定CODCr的含量，該方法測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確，重現(xiàn)性好[6]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同水期實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

1.2模型選擇

滏陽河河道寬且淺、流速較快，所以污染物在短時(shí)間內(nèi)基本能混合均勻，污染物濃度在斷面橫向方向變化不大，使用零維與一維模型就能達(dá)到控制精度要求。一維模型考慮了污染物隨河流的平流移動(dòng)而造成的污染衰減，在排污口與控制斷面距離較大的情況下，比零維模型有更好的適用性[7-9]。故選用一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型：

C(x)=C0exp(-Kx/u),

(1)

求得

(2)

1.3降解系數(shù)測(cè)定結(jié)果

以枯水期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，將實(shí)驗(yàn)記錄時(shí)間和測(cè)定的CODCr含量代入上述一維模型，得出電站橋—龍王廟村段降解系數(shù)K=[1/(2/24)]·ln(30.872/30.163)=0.279 d-1，同樣可測(cè)得龍王廟村—尹家橋段降解系數(shù)為0.289 d-1，尹家橋—滏河橋降解系數(shù)為0.242 d-1，電站橋—滏河橋段總降解系數(shù)為0.270 d-1，不同水期降解系數(shù)測(cè)定結(jié)果如表2所示。

表2 不同水期K值測(cè)定結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)室模擬

2.1方案設(shè)計(jì)與樣品采集

采取與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相同的斷面采水樣，各25 L，采樣后送至實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室開窗通風(fēng)保持與室外溫度一致，將水樣放入水槽中，進(jìn)行機(jī)械攪拌，逐天測(cè)定CODCr值，當(dāng)濃度基本不變時(shí)，認(rèn)為降解結(jié)束[10-13]。采樣頻率為枯水期(2012年12月)、平水期(2013年4月)、豐水期(2013年8月)各進(jìn)行1次。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 CODCr質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化規(guī)律

分析各水期CODCr監(jiān)測(cè)值(質(zhì)量濃度)隨時(shí)間變化規(guī)律，分析結(jié)果詳見圖3—圖14。從圖中可見，各斷面污染物 CODCr隨時(shí)間推移而逐漸降解。

圖3 枯水期電站橋CODCr質(zhì)量濃度與時(shí)間關(guān)系Fig.3 Relationship between CODCr concentration and time of withered water period in Dianzhan Bridge

圖4 枯水期龍王廟村CODCr質(zhì)量濃度與時(shí)間關(guān)系Fig.4 Relationship between CODCr concentration and time of withered water period in Longwangmiao village

圖5 枯水期尹家橋CODCr質(zhì)量濃度與時(shí)間關(guān)系Fig.5 Relationship between CODCr concentration and time of withered water period in Yinjia Bridge

圖6 枯水期滏河橋CODCr質(zhì)量濃度與時(shí)間關(guān)系Fig.6 Relationship between CODCr concentration and time of withered water period in Fuhe bridge

圖7 平水期電站橋CODCr 質(zhì)量濃度與時(shí)間關(guān)系Fig.7 Relationship between CODCr concentration and time of normal river flow period in Dianzhan bridge

圖8 平水期龍王廟村CODCr質(zhì)量濃度與時(shí)間關(guān)Fig.8 Relationship between CODCr concentration and time of normal river flow period in Longwangmiao bridge

圖9 平水期尹家橋CODCr 質(zhì)量濃度與時(shí)間關(guān)系Fig.9 Relationship between CODCr concentration and time of normal river flow period in Yinjia bridge

圖10 平水期滏河橋CODCr質(zhì)量濃度與時(shí)間關(guān)系Fig.10 Relationship between CODCr concentration and time of normal river flow period in Fuhe bridge

圖11 豐水期電站橋CODCr質(zhì)量濃度與時(shí)間關(guān)系Fig.11 Relationship between CODCr concentration and time of high-water period in Dianzhan bridge

2.2.2 降解系數(shù)求解結(jié)果

對(duì)CODCr實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，作出CODCr濃度與時(shí)間的關(guān)系曲線圖，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法刪除離群數(shù)據(jù)，使剩余的數(shù)據(jù)線性相關(guān)性接近或超過0.9，用最小二乘法[14]對(duì)各個(gè)水期實(shí)測(cè)的CODCr濃度與反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行回歸計(jì)算，得到各水質(zhì)斷面不同水期CODCr降解系數(shù)，如表3所示。

圖12 豐水期龍王廟村CODCr質(zhì)量濃度與時(shí)間關(guān)系Fig.12 Relationship between CODCr concentration and time of high-water period in Longwangmiao bridge

圖13 豐水期尹家橋CODCr質(zhì)量濃度與時(shí)間關(guān)系Fig.13 Relationship between CODCr concentration and time of high-water period in Yinjia bridge

圖14 豐水期滏河橋CODCr 質(zhì)量濃度與時(shí)間關(guān)系Fig.14 Relationship between CODCr concentration and time of high-water period in Fuhe bridge

表3 不同水期CODCr降解系數(shù)實(shí)驗(yàn)室模擬求解結(jié)果

Tab.3 Laboratory simulation results of CODCrdegradation coefficient of different water periods

采樣斷面K/d-1枯水期平水期豐水期電站橋0.0520.2090.185龍王廟村0.0440.1020.103尹家橋0.1520.0820.203滏河橋0.0850.1930.215

3 水質(zhì)降解系數(shù)的確定

實(shí)驗(yàn)室模擬所求得的降解系數(shù)是在理想條件下進(jìn)行的，它雖然反映了一定的物理、化學(xué)和生化特征，但無法反映出水文、氣象等條件對(duì)污染物的影響，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定的水質(zhì)參數(shù)是一個(gè)綜合降解系數(shù)，它除了反映污染物本身的生化降解特性外，還反映了沉降、懸浮等水流綜合效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)室模擬一般比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的降解系數(shù)小[15-17]。

根據(jù)河流的特性，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)水團(tuán)追蹤實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室模擬2種方法，確定研究河段枯水期CODCr降解系數(shù)為0.152～0.270 d-1；平水期CODCr降解系數(shù)為0.209～0.384 d-1；豐水期CODCr降解系數(shù)為0.215～0.437 d-1。

4 降解系數(shù)測(cè)定結(jié)果分析

滏陽河邯鄲段不同水期降解系數(shù)存在差異的原因主要包括2方面，其一為水溫，其二為水量。水溫的提高可以促進(jìn)污染物的分解、氧化分解、微生物的活性，有利于污染物的降解，因此，在同等條件下，水溫較高的豐水期降解系數(shù)要大于水溫較低的平水期，水溫最低的枯水期降解系數(shù)最小。水量也是影響降解系數(shù)的重要因素，河流的流量越大，那么徑污比也越大，也越有利于污染物的混合稀釋，自凈程度相對(duì)就較快。滏陽河邯鄲段豐水期流量明顯大于平水期，枯水期流量最小，因此降解系數(shù)依次減小。

5 結(jié) 論

采用現(xiàn)場(chǎng)水團(tuán)追蹤實(shí)驗(yàn)，通過一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型進(jìn)行求解，同時(shí)結(jié)合最小二乘法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬，得出了滏陽河邯鄲段不同水期CODCr的降解系數(shù)。該降解系數(shù)真實(shí)可靠，可應(yīng)用于滏陽河邯鄲段水質(zhì)模型的研究。

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Research on CODCrdegradation coefficient of the Fuyang River in Handan section

WANG Ling1,2, WU Yihong1, ZHU Jing1, WEI Quanwei1

(1.Hebei Provincial Environmental Scientific Research， Shijiazhuang Hebei 050037， China；2.School of Environmental Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang Hebei 050018, China)

Degradation coefficient is a key factor in the process of environmental capacity. The CODCrdegradation coefficient of the Fuyang River in Handan section was determined by tracking water masses and using one-dimensional water quality model. At the same time, through laboratory simulation and by using least square method regression analysis, considering two methods for the analysis results, the CODCrdegradation coefficients at withered water period, normal river flow period and high-water period are 0.152～0.270 d-1, 0.209～0.384 d-1, 0.215～0.437 d-1.

CODCr; degradation coefficient; tracking water masses; laboratory simulation

1008-1534(2014)05-0395-06

2013-11-28;

2014-04-04；責(zé)任編輯：王海云

國家科技重大專項(xiàng)(2012ZX07203-003)

王 玲(1987-)，女，河北張家口人，碩士研究生，主要從事水環(huán)境容量方面的研究。

吳亦紅高工。E-mail：yh_wuhb@126.com

X26

A

10.7535/hbgykj.2014yx05007

王 玲，吳亦紅，朱 靜,等.滏陽河邯鄲段CODCr降解系數(shù)研究[J].河北工業(yè)科技,2014,31(5):395-400. WANG Ling, WU Yihong, ZHU Jing, et al.Research on CODCrdegradation coefficient of the Fuyang River in Handan section[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(5):395-400.