黃河蘭州段CODcr水質和水環境容量研究

王繼梅，孫三祥

(蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

蘭州市的工業、城市發展和人口増長很大程度上受限于蘭州段水環境狀況，尤其受到干流水環境容量的約束。近10年黃河蘭州段水位降低、流量減小、流速減緩，嚴重影響了水體的自凈和輸移能力。同時沿線風險源對黃河蘭州段水污染影響值得關注。因此，針對黃河蘭州段進行水環境容量及其水質評價的研究極其重要[1]。

河流水質模型發展較早，經過學者們多年的研究已由最早的一維穩態模型發展到現在廣泛應用、成熟的三維模型，不僅涉及到包括ANN(人工神經網絡)、3S(Remote sensing 、Geography information systems和Global positioning systems的統稱)技術等在內的多種新技術方法，還產生了相應的軟件來輔助研究[2]。

目前有關水環境容量的計算方法也很多，比如由美國EPA提出經中國學者引進并加以改進的概率稀釋模型、在中國應用最廣泛的公式法以及系統分析法等[3]。

為使研究結果更精確和更有代表性，本次研究同時選用水質模型和水環境容量計算模型進行研究。

2 研究區水體現狀

黃河自扶河橋斷面進入蘭州，依次經過湟水橋、新城橋、包蘭橋、民河橋、享堂幾個斷面后經過什川橋斷面流出蘭州，其中新城橋斷面到包蘭橋斷面之間的河道經過蘭州市區段。因此，本次研究只模擬從新城橋到包蘭橋之間的41.68 m。其中，新城橋斷面到中山橋斷面的距離為26.68 km，中山橋斷面到包蘭橋斷面的距離為15 km[4]，具體的斷面分布見圖1。

3 污染源現狀

新城橋斷面到包蘭橋斷面沿線排污口分布見表1。

圖1 斷面分布

表1 黃河蘭州市區段排污口情況

該河段主要排污口有蘭化橡膠廠與西固電廠共排口、大青溝、蘭石與黃河啤酒廠入河口、七里河橋洪道、油污干管入河口以及雁兒灣洪溝6個排污口，分別記為1#，2#，3#，4#，5#，6#排污口。

4 評價因子選取

在環境影響評價和一般的水質規劃中，常常將有機污染物的綜合代表項目列為重點評價或重點規劃控制項目。本次研究按照慣例選用能反映有機污染的綜合項目—化學耗氧量(CODcr)作為研究對象[5]。

5 一維水質模型計算

5.1 水質模型選取

由于黃河蘭州段區域尺度大，可以認為污染物在進入河道以后可在短時間內混合均勻，且該河段水力條件不符合一維穩態耦合模型的前提條件，所以本次研究選用一維非穩態河流水質模型，即：

(1)

式中，C為河水中t時的污染物濃度值，mg/L；K為污染物綜合降解系數，d-1；u為河流縱向平均速度，km/h；E為縱向離散系數，km/h；x為縱向遷移距離，km。

5.2 參數率定

5.2.1 綜合降解系數K

K是水環境相關研究中需要確定的關鍵參數之一，目前常用的方法有實驗室率定法、野外同步監測率定法、實測資料反推法、類比法、分析借用法等。一般而言，實驗室率定法、野外同步監測率定法、實測資料反推法等方法操作需要耗費的人力物力以及時間都比較長，實現難度較大，所以通常選用類比法和分析借用法來確定綜合降解系數。

劉洪燕等[6]采用分析借用法總結了我國部分河流的COD綜合降解系數，見表2。

從表2中可以看出，黃河蘭州段CODcr綜合降解系數的取值范圍是0.185～0.240。另外，中國人民解放軍后勤工程學院環科所在黃河小川段(位于本次研究區上游約60 km處)的實測值為K=0.222/d，符合黃河蘭州段CODcr綜合降解系數的取值范圍。因此，本次研究采用該降解系數。

表2 我國部分河流COD綜合降解系數

5.2.2 縱向離散系數E

王莉[5]利用最小二乘法對黃河蘭州段的縱向離散系數進行了計算，并用中山橋斷面2003年偶數月的流速進行了調參，奇數月流速進行了模型驗證，模擬結果較好地吻合了實測值。本次研究采用該值，E=48 km/h。

5.2.3 COD本底濃度

取中山橋斷面2013年COD逐月監測值(圖2)。

圖2 2013年各月COD監測值

5.2.4 河流縱向平均速度u

對比黃河蘭州段2010～2016年水文資料，選取2013年最枯月流量284 m3/s，流速為1.03 m/s。因為最枯月流量最小，排污量相同的情況下，其所受的污染也是最大的。2013年中山橋斷面逐月流量流速監測值見表3。

表3 2013年中山橋斷面逐月流量流速監測值

5.3 模型計算結果

將以上各個參數代入公式(1)，采用四點隱式差分格式進行求解，具體模擬結果見表4，其中只列出一些重點斷面的CODcr值。

5.4 計算結果與分析

將計算結果與河流逐月CODcr濃度監測值對比，可以看出，計算結果吻合較好。數據波動在允許誤差范圍內，且考慮到數據監測時各種因素導致的不精確，該計算結論可作為研究依據。

表4 各排污口所在區域水質

分析計算結果可以看出，整個研究河段的CODcr濃度均未超標，只是在5#和6#排污口匯入時，下游CODcr濃度明顯升高，由此可見上游排污口的匯入對下游水體水質的影響極大。

6 二維水環境容量計算

6.1 水質模型選取

結合黃河蘭州段的徑污比，選用概念清晰、計算簡便二維水環境容量計算模型。即：

(2)

式(2)中，W為水環境容量，kg/d；CS為污染物控制標準濃度，mg/L；C0為污染物環境本底值，mg/L；K為污染物綜合降解系數，d-1；u為河流縱向平均速度，m/s；h為平均水深，m；Dy為橫向離散系數，m2/s；X為計算單元長度，m；B為河面寬度，m。

6.2 河道及排污口概化

為確保下游水質，本次研究采用段尾控制法[7]，分別將中山橋斷面和包蘭橋斷面作為控制斷面，根據斷面和主要排污口的位置，將該段河道進行概化，見圖3。

圖3 河道及排污口概化

6.3 參數率定

6.3.1 河寬B和平均水深h

根據水文資料，黃河蘭州市段河面平均寬度B為150 m，平均水深h為1.94 m。

6.3.2 橫向離散系數Dy

橫向離散系數可以用Taylor公式(3)進行計算：

(3)

式中：g 為重力加速度；i為平均縱向坡度，根據水文資料i取0.0012；其余參數同公式(2)。代入各值，可得Dy=0.164 m2/s。

6.3.3 計算單元長度X

根據前面的河道概化圖結合段尾控制法，主要排污口及其與控制斷面的距離見表5。

表5 計算單元長度X

6.3.4CS和C0

CS根據《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》來確定，見表6，選取CS=20 mg/L。C0根據2012～2016年新城橋斷面污染物監測的平均值統計結果來確定，見圖4，取C0=13.24 mg/L。

表6 各種污染物污染程度標準限值 mg/L

圖4 2012～2016年COD均值統計

其余參數與一維水質模型計算時一樣。

6.4 模型計算結果

利用公式(2)對黃河蘭州市段進行計算，結果見表7。

表7 各河段COD的允許環境容量

6.5 計算結果與分析

由表7的計算結果可以得出以下結果。

(1)當前黃河蘭州市段各排污口均尚有一定的環境余量，但由于中山橋斷面承納的上游污廢水較多，為保證下游水質，應注意保持或者削減當前的排污量。

(2)2，3，4計算單元的水環境容量相較1計算單元的降幅較大，尤其從2計算單元到3計算單元，水環境容量降幅明顯增大，由此可見，上游排污會造成下游水體的負荷加大，使下游水環境容量減小。

7 結論

綜合一維水質模型和二維水環境容量計算模型計算結果可以看出，在基于近7年最枯月流量的保證下，黃河蘭州市段的水環境容量仍有一定余量，水質情況也較理想，大多數河段水質可以保證在Ⅱ類水標準。但同時也看到，上游排污對下游水體的水質以及納污能力的影響都很大，在排污量較大的5#和6#排污口附近COD濃度超過15 mg/L，且在一定范圍內污染物濃度也都較高，因此必須將排污口污染物排放量限定在允許排放量范圍內。