松花江干流佳木斯段COD和氨氮動態實際水環境容量研究

董彭旭 杜慧玲 于曉英

摘要? ? 針對松花江流域水環境容量季節性變化情況，在動態的水文設計條件下，基于二維岸邊排放模型，采用段尾控制法對松花江佳木斯段COD和NH3-N的實際水環境容量進行了數值計算與分析。結果表明，松花江佳木斯段COD與NH3-N實際水環境容量變化趨勢相似，NH3-N波動幅度大于COD的波動幅度;實際水環境容量季節性變化較大，豐水期最大，枯水期最小，應實施動態的管理。研究結果可為松花江水環境管理和保護提供基礎理論依據。

關鍵詞? ? 動態水環境容量;COD;NH3-N;松花江佳木斯段

中圖分類號? ? X832? ? ? ? 文獻標識碼? ? A? ? ? ? 文章編號? ?1007-5739（2019）11-0166-03

Abstract? ? In view of the seasonal variations of water environmental capacity in Songhua River，under dynamic hydrological design conditions，based on two-dimensional side-discharge model，the COD and NH3-N actual water environmental capacity of Jiamusi section in Songhua River was calculated and analyzed by using section-ending control method.The results showed that the variation trend of COD and NH3-N actual water environmental capacity was similar in Songhua River Jiamusi section，and the fluctuation range of NH3-N was greater than that of COD.Seasonal difference of the capacity was obvious，the maximum and minimum value of the COD and NH3-N actual water environmental capacity appeared in flood season and dry season，respectively.Dynamic management should be implemented in Songhua River.This research can provide theoretical accordance for water environmental management and protection of Songhua River.

Key words? ? dynamic water environmental capacity;chemical oxygen demand（COD）;ammonia nitrogen（NH3-N）;Jiamusi section in Songhua River

水環境容量是指在一定的環境目標條件下，水體能夠容納污染物的最大量或自身調節凈化并保持生態平衡的能力，反映了水體納污能力的大小[1]。隨著我國水環境管理中對以水質改善為目標的容量總量控制認識的不斷加深，科學合理地確定河湖水庫水環境容量的技術方法成為諸多學者們不斷研究的方向[2]。影響河流水環境容量的因素很多，主要包括水域水質環境功能區要求、河道的水文條件、污染物的特性等。我國對于水環境容量的研究已進行了40多年[3-4]，在理論及總量控制方法2個方面取得了豐碩成果，并提出了可分配水環境容量的概念及辦法[5]。水環境容量已在我國許多重要水體中開展了研究和應用，為水污染治理和保護提供了科學依據，豐富了水環境容量的理論和研究方法。

松花江佳木斯江段位于松花江下游，在同江附近匯入中俄界河黑龍江，該江段的水質直接影響松花江的出境水質[6]。因此，對其水環境容量進行研究，可以為流域環境規劃、污染防治與環境管理提供重要依據，對加強松花江流域水資源保護、防治松花江水質污染具有十分重要的意義。松花江流域位于我國北方高緯度寒冷地區，存在冰封期與非冰封期的差異，河流徑流量的季節性變化較大且冬季水溫低，因而松花江水環境容量存在季節性差異變化，需進行動態水環境容量分析并實施動態管理。近年來，國內外關于動態水環境容量的研究較多，但對松花江流域動態水環境容量的研究相對較少且大部分研究集中在2013年以前[7]。

1? ? 研究方法

1.1? ? 環境容量計算模型的選取

松花江佳木斯江段多年平均流量約2 149 m3/s，河槽寬度約500～2 000 m，平均水深約4 m，平均流速約0.4 m/s，屬于寬淺大型河流，其主要支流從上游至下游主要包括湯旺河、梧桐河和安邦河。

根據《水域納污能力計算規程》（GB/T 25173—2010），河流水環境容量計算模型由簡單到復雜依次為河流零維模型、河流一維模型和河流二維模型。其中，河流二維模型適用于大型河段（流量Q≥150 m3/s），污染物在河段非均勻混合，故本文選取河流二維模型。研究江段沿岸的污染源為岸邊排放，因而采用二維岸邊排放模型對污染物在水體中的遷移擴散規律進行模擬。敏感點位置取岸邊，并采用段尾控制法，推導出研究江段的水環境容量計算公式，見式（1）。

式（1）中，cs—污染物在研究河段的水質標準（mg/L）;c0—污染物在研究河段的本底值（mg/L）;xi—敏感點到排污口的距離（m）;My—河流縱向、橫向的彌散系數（m2/s）;ux—河流的平均流速（m/s）;K1—污染物的衰減速度常數（d-1）;B—河流水面寬度（m）;H—河流平均水深（m）。

1.2? ? 研究江段計算單元的劃分

根據松花江佳木斯江段的國家水質考核斷面及其功能區目標，將研究江段劃分為3個計算單元，分別為佳木斯上—佳木斯下、佳木斯下—江南屯、江南屯—同江，計算單元屬性見表1。松花江佳木斯江段監測斷面位置見圖1。

1.3? ? 水文參數的選取

水文參數根據2009—2013年松花江佳木斯站的水文監測數據，取每個月的最小實測流量作為當月的設計流量，流速、平均水深、水面寬度等水文參數取相應月份的最小流量對應的值。由此計算出的水環境容量隨月份變化呈現動態變化。

1.4? ? 橫向彌散系數My及污染物綜合衰減系數

橫向彌散系數My采用Taylor公式進行求解，見式（2）。

式（2）中，My—河流橫向彌散系數（m2/s）;B—河流水面平均寬度（m）;h—河流平均水深（m）;g—重力加速度，取9.8 m/s2;i—平均縱向坡降，松花江佳木斯段取0.1‰。

松花江佳木斯段的橫向彌散系數My見表2。污染物綜合衰減系數K1依據已有文獻以及經驗系數法初步確定，再根據已有斷面COD和NH3-N的監測數據進行擬合分析和修正，經過率定后的污染物綜合衰減系數K1值見表2。

1.5? ? 主要支流與排污口概化

松花江佳木斯段主要支流從上游至下游依次為湯旺河、格金河、阿凌達河、梧桐河、安邦河5個支流，其各計算單元內主要排污口排放量及其與終點斷面的距離見表3。該江段主要支流、排污口與斷面位置關系的概化示意圖見圖2。

2? ? 結果與分析

結合松花江佳木斯段的實際情況，將各個計算單元視為獨立的河段，由式（1）計算佳木斯上—佳木斯下、佳木斯下—江南屯及江南屯—同江3個計算單元的COD和NH3-N的實際水環境容量。實際水環境容量需考慮上游來水水質的影響，根據實際水質情況以及支流、排污口對水環境容量的影響進行綜合計算。根據松花江佳木斯段2016年各監測斷面的實際水質監測結果，佳木斯下和江南屯2個斷面的COD和NH3-N的監測值與其功能區劃要求不一致，均為Ⅲ類水，優于水環境功能區要求，對COD和NH3-N的實際水環境容量產生影響。另外，支流和排污口處的匯水將改變水體的流量、流速、水深、水面寬度等要素從而影響水環境容量。本文受水文資料的限制，假設支流和排污口匯水并不會改變水體的寬度和深度，只對流速產生影響。根據流域水文資料，佳木斯站位于佳木斯市西區污水處理廠排污口與泉林生態農業有限公司排污口之間，將各支流及排污口匯入的位置作為流速變化的分界斷面，重新核算不同斷面沿江流速變化，并據此計算實際COD和NH3-N水環境容量。松花江佳木斯段考慮上游來水水質和支流、排污口匯入影響的COD實際水環境容量見表4和圖3，NH3-N實際水環境容量見表5和圖4。

根據圖3和圖4可知，松花江佳木斯段COD和NH3-N的實際水環境容量呈現出動態變化趨勢，變化趨勢相似，在夏季7—9月明顯高于其他月份，最大值均出現在8月。佳木斯上—佳木斯下段COD實際水環境容量最大值與最小值的比值為3.38，NH3-N實際水環境容量最大值與最小值的比值為4.14;佳木斯下—江南屯段COD實際水環境容量最大值與最小值的比值為4.11，NH3-N實際水環境容量最大值與最小值的比值為4.49;江南屯—同江段COD實際水環境容量最大值與最小值的比值為3.36，NH3-N實際水環境容量最大值與最小值的比值為4.17。由此說明，松花江佳木斯段的實際環境容量NH3-N波動幅度大于COD的波動幅度。

松花江佳木斯段各水期COD和NH3-N的實際水環境容量平均值分別見圖5和圖6。可知，松花江佳木斯段COD和NH3-N的實際水環境容量在豐水期最大，其次為平水期，枯水期最小。這受季節影響，不同水期水體溫度不同，導致污染物綜合衰減系數不同：豐水期的水溫高，生化反應速率快，衰減系數大;而枯水期正值冰封期，水溫低，衰減系數小。水體的實際水環境容量與污染物綜合衰減系數成正相關，受溫度影響。另外，根據2009—2013年松花江佳木斯站的水文監測數據，松花江佳木斯段3個水期的平均流速呈現豐水期（1.07 m/s）>平水期（0.71 m/s）>枯水期（0.27 m/s）的特征，水環境容量與水體流速隨水期的變化趨勢相似。因此，松花江佳木斯段各水期的實際水環境容量與水體流速成正相關。

3? ? 結論

（1）松花江佳木斯段COD與NH3-N實際水環境容量的變化趨勢相似，夏季明顯高于其他月份，最大值均出現在?8月，NH3-N波動幅度大于COD的波動幅度。

（2）松花江佳木斯段COD和NH3-N的實際水環境容量在豐水期最大，枯水期最小。除受溫度影響外，也與水體流速有關，實際水環境容量與水體流速成正相關。實際水環境容量的季節性變化較大，應進行動態管理，以保障水質安全。

4? ? 參考文獻

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[7] 杜慧玲，于曉英，曲茉莉.松花江干流哈爾濱段COD和氨氮動態水環境容量研究[J].水資源與水工程學報，2018，29（2）：69-75.

基金項目? ?國家水體污染控制與治理科技重大專項（2014ZX07201012）。

作者簡介? ?董彭旭（1988-），女，黑龍江哈爾濱人，工程師，碩士，從事水環境保護研究工作。

收稿日期? ?2019-03-04