基于容量模型的水環境污染物稀釋水量評價研究

汪 建 英

(浙江省水文局，杭州 310009)

0 引 言

理論上，水環境容量反映著水體污染物在水環境中的遷移、轉化和積存規律，也反映滿足特定功能條件下水環境對污染物的承受能力。在實踐上，水環境容量是水環境目標管理的基本依據，更是水環境規劃的主要約束條件[1]。本文通過對甌江麗水段(大溪)一年的水質、水文特征監測，確定以COD、氨氮為控制因子，建立一維河流容量模型進行稀釋水量計算研究[2]，以期為水環境污染物稀釋水量研究及行業主管部門決策提供科學依據。

1 河流斷面的設置

根據水環境功能區的劃分、支流的分布以及河流的寬、深等情況，大溪主要河段的劃分[3]如表1所示。根據各河段的實際情況選擇合適的水質模型，確定相應的參數，計算污染物稀釋水量。計算河段為玉溪水庫大壩----麗水青田交界處。

表1 甌江麗水段(大溪)斷面的劃分

2 水質現狀

為了較全面的掌握大溪的水環境現狀，對該河段的4個監測斷面在2014年8月-2015年8月期間的水質數據進行了分析，監測數據由麗水市水文站提供。4個監測斷面分別為：大港頭、碧湖老車渡(采桑村)、上縣頭和麗水，監測項目分別為高錳酸鹽指數、氨氮和總磷等3項。

2.1 水質評價標準和方法

本報告中的水質評價均采用國家《地表水環境質量標準》中的標準[4]。

水質評價方法采用綜合污染指數進行評價[5]，具體評價方法如下：

單項水質參數i在第j點的污染指數為：

Sij=Cij/Csi

(1)

第j點的綜合污染指數：

(2)

根據綜合污染指數，劃分水環境質量等級。本次現狀評價中水環境質量標準按Ⅳ類控制。

2.2 水質現狀評價

綜合考慮水質現狀評價的目的和要求，以本次各個監測斷面監測數據為依據，選取高錳酸鹽指數、氨氮和總磷3項指標對水質進行統計分析，各項指標濃度變化情況見圖1～圖3。

圖1 甌江麗水段高錳酸鹽指數變化趨勢

圖2 甌江麗水段氨氮變化趨勢

圖3 甌江麗水段總磷變化趨勢

3 污染源基礎數據調查

將重點工業源、規模化養殖大戶、城鎮污水集中處理廠以及中心城鎮生活污染源均作為點源，其他污染源如農業、農村畜禽散養等均作為面源進行調查。調查范圍大溪的全部陸域(蓮都區)基準年為2014年，調查項目如下。

(1)工業污染源調查。對區域內重點工業企業(日排水量大于100 t，或日CODcr排放量大于60 kg，日氨氮排放量大于10 kg，或CODcr、氨氮排放量占到縣(區)負荷80%以內的企業)進行調查。包括主要污染物的平均排放濃度、月平均排水量、年排放量、有無處理設施、年處理量、污水排放去向以及排污入河口的經緯度、排污口距企業的距離，各工業執行標準和達標情況。

(2)規模化畜禽養殖。規模化養殖定義為：豬大于100頭，或蛋雞大于3 000只，或肉雞大于6 000只，或奶牛大于20頭，或肉牛大于40頭。調查包括養殖場名稱及養殖種類、養殖場入河口經緯度及納污河流名稱、養殖場年末存欄數和年內出欄數、用水量及排水量、排污方式和污水處理設施情況。

(3)城鎮污水集中處理廠。以污水處理廠為基本單位進行，包括污水處理廠排污口名稱和經緯度、污水處理廠運行方式和運行情況、污染物(CODcr和氨氮)去除量和排放量、廢水排放量。

(4)城市、農村生活污染源。調查以街道(鄉、鎮)為基本單元統計，調查城市、農村常住人口和流動人口數量，人均社會綜合用水量(包括社會各企事業單位用水量)、排水量及區域人均用水量；城鎮生活污水納管率、排放去向。

(5)分散畜禽養殖調查。散養畜禽定義為：豬少于100頭，或蛋雞少于3 000只，或肉雞少于6 000只，或奶牛少于20頭，或肉牛少于40頭。調查包括養殖場名稱及養殖種類、養殖場入河口經緯度及納污河流名稱、養殖場年末存欄數和年內出欄數，2014年末存欄和2014年內出欄總數等。

(6)農田徑流污染調查。調查以鄉(鎮)為基本單元統計，填報農田面積、坡度、農作物類型、土壤類型、年降雨量、輪作方式、化肥施用量。

根據浙江省水文局統計，大溪段各功能區的納污量見表2。

表2 甌江麗水段各功能區污染負荷統計表 t/a

4 水質模型的建立

根據水環境功能區的實際情況，大溪段以山區性河流為主，選用一維水環境容量模型(河寬較大的區域選擇結合不均勻系數一維水環境容量模型)；開潭電站附近形成一回水段，回水段流速很緩慢，采用湖庫零維模型計算，并用不均勻系數校正。

4.1 山區性河流----一維河流容量模型

對于河流而言，一維模型假定污染物濃度僅在河流縱向上發生變化，主要適用于同時滿足以下條件的河段：①寬淺河段；②污染物在較短的時間內基本能混合均勻；③污染物濃度在斷面橫向方向變化不大，橫向和垂向的污染物濃度梯度可以忽略。而大溪符合上述條件，因此，選用一維水質模型進行水質預測。

在忽略離散作用時，描述河流污染物一維穩態衰減規律的微分方程為(遵循一級反應動力學)：

(3)

考慮K和u為常數，不隨時間和河長的變化而變化，進行積分可得：

(4)

假定一段河流，上游來水流量為Q′0,濃度為C′0,在起始端有一污染源流量為Qp，濃度為Cp，不考慮混合過程而假定在排污口斷面瞬時完成均勻混合，即假定水體內在某一斷面處或某一區域之外實現均勻混合。則有如下推導：

(5)

令Q′0+Qp=Q,QpCp=W,則

(6)

式中：u為河流斷面平均流速；x,L為沿程距離；K為綜合降解系數；C為沿程污染物濃度；C0為上游來水污染物濃度。

以上公式均未考慮單位換算系數，對于一個完全確定邊界條件的河段，輸入所有條件進行水質模擬， 當C=Cs時，此時的Q0即為該河段的稀釋水量，由于采用一維容量模型，對于較寬的河流，采用不均勻系數校正。其計算公式為：

(7)

式中：W為入河污染物量， t/a；Q0為稀釋流量，m3/s；α為不均勻系數；Cs為水質目標濃度，mg/L；C0為入上游來水污染物濃度，mg/L；K為污染物綜合降解系數，1/d；L為河段長度，m；u為平均流速，m/s。

4.2 湖泊和水庫

采用湖庫零維容量模型，推導過程略，直接給出計算公式:

W=31.536×α×[Q0×(Cs-C0)+KVCs/86 400]

(8)

式中：W為水環境容量，t/d；Q0為稀釋流量，m3/s；C0為進口斷面的入流水質濃度，mg/L；α為不均勻系數；Cs為該水體的水質標準，mg/L；V為水體體積，m3；K為污染物降解系數，1/d；Qp為點源水量，m3/s。

5 相關參數的估算

計算模型參數以常規監測和現場監測數據計算結果為主，同時參考現有相關研究成果、國內文獻和經驗公式。在河段水環境承載力的計算中，參數的確定和取值是否符合客觀規律直接關系到計算結果是否準確合理，因此，參數的確定和取值是計算中關鍵的一步。

5.1 降解系數K

(1)公式的選擇。對污染物的降解系數K1的計算采用野外兩點測定法，即在沿污染物流向上設置不同的兩個測點，測定其濃度，可直接估算出該段水體在當時的環境條件下對該污染物的降解系數K1(實際上包括了生物降解和沉淀等其他所有減少有機物的過程)。

根據污染物降解符合一級動力學方程的假設有：

C2=c1e-K1 t

(9)

方程兩邊取對數，考慮到t=x/u，可得降解系數K1，即：

(10)

式中：c1，c2為對應x1，x2(x1

用上式計算COD和氨氮的降解系數。

(2)K值的確定。本報告中河流降解系數K值的參考《甌江麗水段(大溪)水環境承載能力研究》中所取的K值，見表3。

5.2 不均勻系數

(1)一般性河流及感潮河段的不均勻系數見表4。

(2)湖泊、水庫的不均勻系數見表5。

5.3 其 他

在計算過程中需要的其他參數，大溪中相應斷面的CODMn、BOD、氨氮、總磷等本底值，采用2013年和2014年大溪水質監測結果中的監測數據。

表3 降解系數K的擬選值 d-1

表4 河流不均勻系數

表5 湖泊和水庫的不均勻系數

6 標準的確定

(1)地表水質量標準。污水通過排污口排放后，除混合區段外，其他各河段水質須達到相應的功能區要求，該標準采用《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)。

(2)污水排放標準。經中岸圩污水處理廠處理后排放的廢水，其污染物濃度參照《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)的一級B類標準，經水閣污水處理廠和臘口污水處理廠處理后排放的廢水，其污染物濃度執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)的一級A類標準，具體見表6。

表6 《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002) mg/L

注：括號外數值為水溫>12 ℃時的控制指標，括號內數值為水溫≤12 ℃的控制指標。

7 污染物稀釋水量計算

根據大溪水域的實際情況及有關部門意見和建議，分別以NH3-N和COD為控制因子對大溪的污染物稀釋水量進行計算預測，由于麗水市環境保護十三五規劃尚未出臺，2020年的入河COD和氨氮減排量參照十二五規劃的減排量，分別為10%(COD)和12.5%(氨氮)，計算結果見表7，表8。

表7 甌江麗水段各功能區現狀年稀釋水量 m3/s

表8 甌江麗水段各功能區2020預測稀釋水量 m3/s

8 結 語

水是人類生存和發展不可替代的資源，是社會經濟可持續發展的重要物質基礎。隨著社會經濟的發展和人口的增長，水環境污染日益加劇。為了控制水體污染和恢復污染水體的水質功能，污染物稀釋水量計算研究，是環境目標管理的基本依據，也是環境管理中的一個重要的實際應用問題[6]。對于山溪型河流，基于水文、水質監測數據，污染源數據調查，采用水環境一維容量模型方法較為準確、可行。

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[1] 方子云. 水環境保護手冊[M].南京：河海大學出版社，1988.

[2] 馬樂寬.流域生態環境需水研究[D]. 北京：北京大學，2008.

[3] 俞建軍,汪小泉. 浙江省水功能區水環境功能區劃分方案[Z]. 杭州：浙江省水文局，2006.

[4] GB 3838-2002，地表水環境質量標準[S].

[5] SL 219-2013，水環境監測規范[S].

[6] 方國華，于鳳存，曹永瀟. 中國水環境容量研究概述[J]. 安徽農業科學，2007,27:19-12.