吉林市松花江干流化學(xué)需氧量和氨氮水環(huán)境容量特征研究

董春欣，佟亮亮，陳立波，李成日，徐亞茹

(1.吉林化工學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院,吉林 吉林 132022；2.吉林省吉林生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,吉林 吉林132001)

水環(huán)境容量的概念最早于上世紀(jì)70年代由日本科學(xué)家首次提出[1].盡管目前關(guān)于水環(huán)境容量定義仍存有爭議，但基本可以歸結(jié)為在保證水體正常功能用途或水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，水體所能稀釋和降解的最大污染物量[1-4].隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水環(huán)境容量成為社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展的瓶頸.水環(huán)境容量的確定是水污染總量控制的基礎(chǔ)和核心，是水環(huán)境管理及城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的重要基礎(chǔ)[5].目前，國內(nèi)外對水環(huán)境容量的核算方法包括公式法[6]、系統(tǒng)最優(yōu)法[7-8]、模型試錯法[9]、概率稀釋模型法[10]、盲數(shù)理論法[11]、S-P簡單模型[12]、WASP[13]、Deft3D法[14]等，計算維數(shù)存在一維、二維和三維[4]之分.盡管隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境容量相關(guān)研究不斷深入，計算方法更為科學(xué)，但目前多數(shù)計算方法對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求較多，導(dǎo)致很多水體的水環(huán)境容量因難以滿足計算條件而難于計算.其中一維穩(wěn)態(tài)模型因?qū)A(chǔ)數(shù)據(jù)要求較低，結(jié)果可靠，已被大量應(yīng)用[4].

松花江是我國“十三五”環(huán)境保護(hù)規(guī)劃中重點監(jiān)管流域，吉林市處于松花江上游，通過對吉林市松花江干流的水環(huán)境容量研究，可為吉林市未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)和松花江水資源管理提供科學(xué)依據(jù).本文根據(jù)松花江干流的特點采用一維穩(wěn)態(tài)模型計算污染物在松花江干流的變化特征，并利用段首控制法核算環(huán)境容量，以確保整個干流水質(zhì)均能滿足國家管控標(biāo)準(zhǔn).

1 研究區(qū)概況

吉林市位于吉林省的中東部，是一座以化工、電力、冶金、汽車為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的工業(yè)城市，氣候類型屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明.春季少雨干燥，多西南風(fēng)；夏季溫?zé)岫嘤辏^濕潤；秋季多晴，晝夜溫差大；冬季漫長而寒冷多雪.氣溫受地形影響，吉林地區(qū)的氣溫自西、西北向東、東南隨地勢的增高而降低.年平均氣溫3.9 ℃，一月平均氣溫最低，一般在-18～20 ℃；七月平均氣溫最高，一般在21～23 ℃.全年平均降水量650～750 mm，全年日照時數(shù)一般在2 300～2 500 h.松花江為吉林市第一大河流，流域面積約為22 665 km2，占吉林市總面積的83.5%，年入境水量84.57億m3，占吉林市入境水量的77.9%.

1.1 研究區(qū)段的劃分

吉林市工業(yè)區(qū)主要位于松花江干流清源橋斷面至白旗斷面，因此選擇清源橋斷面至白旗斷面作為研究河段.在此區(qū)間清源橋、哨口、溪浪口、白旗斷面均為國家重點監(jiān)控斷面，水質(zhì)均按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)規(guī)定的III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，所以按照清源橋-哨口段、哨口-溪浪口和溪浪口-白旗分段研究，具體分段見圖 1.

圖1 松花江分段示意圖

1.2 污染現(xiàn)狀

吉林市松花江段中的清源橋-哨口段主要受點源污染，其它江段主要受非點源污染，且主要污染物為化學(xué)需氧量(COD)和氨氮.2018年，吉林市實施碧水保衛(wèi)戰(zhàn)，切實改善水環(huán)境質(zhì)量，全面落實“河長制”，完成入河排污口整治81處，推進(jìn)水質(zhì)達(dá)標(biāo)專項整治，推進(jìn)完成了22個重點工程，配套管網(wǎng)進(jìn)一步完善，吉林市城區(qū)的污水處理率達(dá)到97.46%，有效減少了環(huán)境安全隱患，全面改善了松花江的環(huán)境質(zhì)量，2018年所有斷面都達(dá)到了國家管控目標(biāo)，具體數(shù)值見表 1.

表1 2018年吉林市松花江干流各斷面COD和氨氮

2 材料與方法

2.1 模型選擇

吉林市松花江干流屬于典型河道型河流，水質(zhì)運動特性符合一維運動規(guī)律.為達(dá)到簡化計算的目的，將采用一維穩(wěn)態(tài)河流水質(zhì)模型，一維模型建立在一維穩(wěn)態(tài)衰減方程上，見公式(1).其最終濃度可由公式(2)計算.

(1)

(2)

式中，u為河流平均速度，m/s；x為目標(biāo)污染物傳輸距離，m；k為綜合衰減系數(shù)，d-1；C0為x=0處目標(biāo)污染物濃度，mg/L；Cx為x處目標(biāo)污染物濃度，mg/L.

2.2 環(huán)境容量核算方法選擇

目前，利用一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型計算河流環(huán)境容量主要有三種核算方法，即段首控制法、控制斷面法和段尾控制法[15].其中，段首控制法目的在于使水質(zhì)在各段均能達(dá)到功能區(qū)段的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，這也比較符合國家生態(tài)環(huán)境部對吉林市松花江的控制目標(biāo).因此，采用段首控制法對研究區(qū)進(jìn)行環(huán)境容量核算.段首控制法中的段，是指在一個功能區(qū)中沿河任意兩個控制斷面之間的河段.段首控制法河段環(huán)境容量W可表示為：

(3)

式中，Cs為目標(biāo)污染物控制標(biāo)準(zhǔn)，mg/L；Q0為來水的流量，m3/s；C0為來水目標(biāo)污染物濃度，mg/L；xi、xi-1為第i、i-1斷面到入境斷面的距離，m.

2.3 計算參數(shù)

由于研究區(qū)以COD和氨氮為主要污染物，所以選取COD和氨氮作為水環(huán)境容量核算的目標(biāo)污染物，時間以年為單位，COD綜合降解系數(shù)和氨氮綜合降解系數(shù)參考朱曉娟等研究結(jié)果分別取0.15 d-1和0.1 d-1[16].由于研究區(qū)各段均要達(dá)到《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定COD和氨氮限值標(biāo)準(zhǔn)分別為20 mg/L、1 mg/L.研究區(qū)河流平均速度和流量取近十年統(tǒng)計平均值，各江段長度根據(jù)衛(wèi)星圖中江段長度測量確定，具體長度見表2.

表2 吉林市松花江干流各江段距離

3 結(jié)果與討論

3.1 計算結(jié)果

按照上述方法，對吉林市松花江干流各江段的COD和氨氮水環(huán)境容量進(jìn)行核算，結(jié)果見表3.

表3 吉林市松花江干流各江段環(huán)境容量核算結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

由表3可知，研究區(qū)COD水環(huán)境容量和氨氮水環(huán)境容量分別為494 513.5 t/a和24 725.7 t/a，整個研究區(qū)水環(huán)境容量較大.其中COD現(xiàn)狀總排入量占研究區(qū)水環(huán)境容量的53.7%，氨氮現(xiàn)狀排入量占研究區(qū)水環(huán)境容量的29.7%，整個研究區(qū)未來還有很大的發(fā)展?jié)摿?

清源橋-哨口段COD水環(huán)境容量272 906.2 t/a，氨氮水環(huán)境容量為13 645.3，該河段水環(huán)境容量最大，且主要以點源污染為主，其中COD現(xiàn)狀排入量為97 484.6 t/a，占該區(qū)段水環(huán)境容量的35.7%，氨氮現(xiàn)狀排入量為4 137.2 t/a，占該區(qū)段水環(huán)境容量的30.3%.盡管吉林市主要工業(yè)污水、生活污水在該河段排放，但該河段的污水處理廠嚴(yán)格執(zhí)行高標(biāo)準(zhǔn)處理，使該河段環(huán)境容量還有很大剩余，未來該區(qū)域還有很大的發(fā)展?jié)摿?

哨口-溪浪口段COD水環(huán)境容量150 604.8 t/a，氨氮水環(huán)境容量為7 530.2 t/a.該河段COD現(xiàn)狀排入量為130 605.4 t/a，為3個河段中最大值，占該河段水環(huán)境容量的86.7%，這主要是由于該河段周圍農(nóng)田較多，致使現(xiàn)排污量較大，未來應(yīng)對該河段加強(qiáng)面源污染防治措施.該河段的氨氮現(xiàn)狀排入量為2 615.3 t/a，僅占該河段水環(huán)境容量的34.7%.

溪浪口-白旗段COD水環(huán)境容量71 002.5 t/a，氨氮水環(huán)境容量為3 550.1 t/a，其中COD現(xiàn)狀排入量為36 981.9 t/a，占該河段水環(huán)境容量的52.1%，氨氮現(xiàn)狀排入量為594.7 t/a，占該河段水環(huán)境容量的29.7%.

以上分析可知，哨口-溪浪口受非點源污染的影響，剩余環(huán)境容量較低，其它兩個區(qū)段剩余水環(huán)境容量較大.水環(huán)境容量是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，說明該地區(qū)經(jīng)濟(jì)未來仍有很大的發(fā)展?jié)摿?

4 結(jié) 論

2018年吉林市全面落實“河長制”，實施碧水保衛(wèi)松花江段COD和氨氮環(huán)境容量保衛(wèi)戰(zhàn)，切實改善水環(huán)境質(zhì)量.目前吉林市松花江干流COD和氨氮水環(huán)境容量有較大的剩余，分別占總水環(huán)境容量的46.4%和70.3%，說明吉林市未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展還有很大潛力.盡管目前吉林市松花江干流有很大的水環(huán)境容量，但非點源污染仍比較嚴(yán)重，未來可采取相應(yīng)措施對非點源污染進(jìn)行治理，以進(jìn)一步改善吉林市松花江干流段的水環(huán)境.