瀏陽河長沙段CODMn、NH3-N 和TP 綜合降解系數研究

盛 豐,馮天國,王福科,文 鼎,胡國華 (1.長沙理工大學水利工程學院,湖南 長沙 410114；2.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410114；3.洞庭湖水環境治理與生態修復湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410114)

降解系數反映了污染物質進入水體后,經過水體自發稀釋降解作用使污染物濃度降低的能力,是研究水體水質變化、計算水環境容量的重要參數[1-2].河流中的污染物由多種成分組成,這些成分種類多、來源廣、含量小,將這些污染物直接分離來研究其在自然條件下的降解過程缺少實際意義,且其分離難度較大[3].綜合降解系數是由河流物理、化學和生物過程共同作用引起的污染物濃度衰減速率[4-5],對于區域排污總量控制計劃的制定、總量負荷指標的科學分配、控制計劃執行過程的管理等具有重要作用[6-7].綜合降解系數的確定方法主要有資料推算法、實驗室模擬法、經驗公式法、水質模型參數反演法、現場水團追蹤法等[8-9]:資料推算法計算的綜合降解系數能較好的代表河段污染物的降解特性,但需要有較長時間的歷史水文和水質監測資料[8];實驗室模擬法可對污染物降解影響因素進行控制,且不受時間和地形的影響,但不能充分代表河流污染物降解的自然實際情況[10-11];經驗公式法所需數據和工作量少,但精度不高、取值往往較為保守[12];水質模型參數反演法利用水質模型運行結果反推出降解系數等模型參數,簡單實用,但同樣需要較多的水文與水質監測數據,同時還要避免“異參同效”問題[13-14];現場水團追蹤法測得的是河流自然條件下的綜合降解系數,計算結果更接近實際值,并且具有測定精度高、重現性好等優點[15-16].現場水團追蹤法要求監測河段應具有足夠的長度以確保監測指標在監測河段上下游斷面間有明顯的差異從而防止由采樣和分析帶來的誤差[17];同時,監測斷面所在河段的河水和污水應混合均勻、河段內無排污口及支流和取水設施[18];此外,為確保監測結果的可靠性,所取水樣應在野外及時進行檢測分析或及時送實驗室監測分析,因此需要較多的人力和物力[19].盡管有諸多要求和限制,但在條件允許的情況下,用現場水團追蹤法測得的污染物降解系數更合理可信[20].瀏陽河為湖南母親河湘江的一級支流,以其逶迤秀美聞名于世.然而,近年來瀏陽河卻因為嚴重的水污染問題再次受到社會各界的廣泛關注[21].尤其是瀏陽河長沙段干流,因沿途接納長沙市城區和長沙縣所排放的污廢水,河段污染越發嚴重.為此,本文通過現場水團追蹤法研究瀏陽河長沙段COD、NH3-N和TP 三種主要污染物的降解系數,為準確計算河段水環境容量、實現河段的水質目標管理和水功能區限制納污紅線管理以及改善瀏陽河長沙段水質提供參考.

1 試驗及方法

1.1 研究區域概況

瀏陽河位于湖南省東北部,是湘江的一級支流,發源于羅霄山脈大圍山北麓,自西向東流經瀏陽市、長沙縣及長沙市區,全長224km、流域面積4665km2,流域地勢整體呈現為西南低、東北高.瀏陽河上游為高坪鄉雙江口以上河段,屬山區;中游為雙江口至鎮頭市河段,沿河一帶主要是丘陵;下游從鎮頭市起始,在陳家屋場匯入湘江,沿河多為平緩丘陵區.瀏陽河豐水期為每年的5～8 月,平水期為每年的3～4 月、9～10 月,枯水期為每年的11 月至來年2 月,枯水期流量一般為20～30m3/s.

本文研究的河段為瀏陽河長沙段干流,起于黃興鎮瀏陽河東山大橋,自東向西流經長沙市雨花區、芙蓉區、長沙縣和開福區,沿途經榔梨水文站、榔梨水廠,從瀏陽河口注入湘江,全長32km;河段屬丘陵性河道,在平面上呈連續彎曲形態,彎曲段與順直過渡段長度所占比例為1:3;河段為寬淺河段,在洪水期時河寬一般大于300m.瀏陽河長沙段的污廢水主要包括工業廢水和城鎮居民生活污水.根據《長沙市總體規劃方案》[22],長沙市城區60%以上的城市污水排入該河段,污染物主要為COD、NH3-N 和TP.

瀏陽河長沙段共有4 個省控水質監測斷面,分別為柏加、榔梨、榔梨水廠、瀏陽河口.其中,柏加、榔梨和榔梨水廠三個斷面的水質目標為III 類,瀏陽河口斷面的水質目標為IV 類.

1.2 野外監測與室內檢測

根據研究區域的自然環境特征、水文情勢和社會經濟發展現狀,經過實地調研及分析,本次研究選取了兩個監測河段.其中,河段1 的上游起始斷面為東山大橋,終止斷面為黃興大橋;河段2 的上游起始斷面為勞動東路大橋,中間斷面為機場高速大橋,終止斷面為紅旗路大橋. 所取的兩個監測河段內無排污口和支流,所取斷面處均有橋梁并設有人行通道,方便采取水樣.各監測斷面的位置如圖1 所示.

圖1 水質監測斷面布置Fig.1 Sections for water quality monitoring

考慮到河段汛期流量較大、水質一般相對較好,而非汛期(尤其是枯水期)河段稀釋水量不足、水質一般較差,因此本試驗研究時間段選定在瀏陽河非汛期的2017 年11 月、2018 年3 月和4 月進行.采樣前1d 將用于保存水樣的廣口玻璃瓶用去離子水清洗干凈并晾干,然后用滴管往每個采樣瓶中分別滴加2～3 滴濃硫酸,蓋上玻璃瓶塞待用.起始斷面的采樣時間為每天的09:00、12:00 和15:00.上一斷面取樣后迅速用便攜式電波流速儀測量河段水流流速,根據測量的斷面間距和實測水流流速,計算出下一斷面的采樣時間,并通知下一段面的采樣人員按照時間點采集水樣.采樣點設在各河段中心,在橋梁中間通過吊桶采取水樣,將吊桶采取的水樣轉移至兩個容積均為500mL 廣口玻璃瓶中進行保存并貼好標簽(采樣斷面、采樣時間等).取樣完成后迅速用水銀溫度計測定吊桶中水樣的溫度.各斷面每次采集完水樣后及時送往實驗室進行檢測分析,分析的水質指標為CODMn、NH3-N 和TP[23].其中,CODMn采用酸性高錳酸鉀法測定[24],NH3-N 采用納氏試劑分光光度法測定[25],TP 采用鉬酸銨分光光度法測定[26].為確保測試分析數據的準確性,每個水質指標均做兩組平行樣.

1.3 理論和方法

1.3.1 污染物降解參數反演計算 瀏陽河長沙段為寬淺河段,河段多年平均流量Q=127m3/s,屬中型河段.一般認為中小河流中污染物的降解過程符合一級反應動力學過程[27],因此,根據測得的河段始末斷面污染物濃度、河段長度與水流流速,可反演出河段污染物的降解系數.

1.3.2 模型有效性評價 模型有效性常采用決定系數(Coefficient of Determination)[28]和相對均方根誤差(Relative Root Mean Square Error)[29]進行定量評價.決定系數常用于評價所建立的回歸方程的擬合優度,其取值在0 和1 之間;決定系數越接近1 時,表示模型的參考價值越高;相反,越接近0 時,表示模型的參考價值越低.相對均方根誤差常用于評價模型對觀測結果模擬或擬合的精度,其取值為0 至正無窮;相對均方根誤差越接近0 時,表示模型預測值越接近于其真實值,模型的精度也越高;反之,相對均方根誤差越大,表明模型預測值偏離真實值的幅度越大,模型精度也就越低.

2 結果與分析

2.1 綜合降解系數與水流流速之間的相關關系研究

一些研究成果表明,河道中的污染物降解系數主要受污水特征、水溫和河流流速的影響[30～32].由于瀏陽河監測河段上游流域面積較大,排污相對較為穩定,因此本論文不研究污水特性對污染物降解系數的影響.此外,為研究最不利條件下的水環境,本研究主要在非汛期的3、4 和11 月份進行,盡管氣溫有所變化但現場測得的采樣時段河流水溫變化相對較小(14～18℃ ), 可以忽略溫度對污染物降解系數的影響.因此,本論文主要研究流速對降解系數的影響.

圖2 CODMn、NH3-N 和TP 綜合降解系數與流速的關系曲線擬合結果Fig.2 Fitting results of comprehensive degradation coefficients of CODMn, NH3-N and TP with river velocity

水團追蹤試驗結果表明,CODMn、NH3-N 和TP三種污染物的綜合降解系數隨著流速的增大而增大.將實測的不同流速下CODMn、NH3-N 和TP 三種污染物的降解系數點繪在坐標圖上(圖2),同時采用線性函數、指數函數、對數函數和冪函數4 種函數模型來擬合3 種污染物(CODMn、NH3-N 和TP)的綜合降解系數與流速之間的相關關系如圖2 所示,具體數學關系和擬合效果如表1 所示.

表1 CODMn、NH3-N 和TP 綜合降解系數的擬合成果匯總表Table 1 Summary of fitting results of comprehensive degradation coefficients of CODMn, NH3-N and TP with river velocity

圖2 和表1 均顯示,線性函數、指數函數、對數函數和冪函數均可以用來建立CODMn、NH3-N 和TP 的綜合降解系數與流速之間的數學相關關系,所有模型擬合結果的決定系數均都大于0.90、相對均方根誤差均小于0.05,且降解系數與流速之間均具有顯著相關性,因此理論上可以任選一個函數作為綜合降解系數與水流流速之間的擬合模型,但線性函數方程形式簡潔、計算簡單,便于在實際工作中(尤其是野外工作時)通過測定河段的流速來快速求得河段CODMn、NH3-N 和TP 三種污染物的綜合降解系數,因此本文推薦使用由線性函數擬合建立起來的數學關系式.

2.2 綜合降解系數與流速之間線性函數關系的驗證

為了驗證所建立的瀏陽河長沙段CODMn、NH3-N 和TP 三種污染物的綜合降解系數與河段水流流速之間線性函數關系的有效性,選取榔梨水文站-榔梨水廠河段2017 年11 月至2018 年4 月的歷史監測數據進行反算驗證.該河段為瀏陽河長沙段飲用水水源保護區,沒有對水質有影響的入河排污口,且沿程沒有支流匯入.盡管有自來水廠取水口,但取水量相對較小(3 萬t/d),不到河段多年平均流量的0.3%,因此取水對河段流量和流速影響較小.其中,榔梨水文站有詳實、可靠的水文和水質監測數據;榔梨水廠有詳實、可靠的水質監測數據.反算驗證步驟如下:

(1)利用歷史流速資料代入擬定的相關關系公式(線性公式),計算出該河段CODMn、NH3-N 和TP的綜合降解系數;

(2)以上游榔梨水文站所在斷面為起始斷面,采用河流一維水質遷移轉化模型[27]計算出下游榔梨水廠斷面各污染物濃度,如圖3 所示;

(3)采用決定系數和相對均方根誤差定量評價反演成果對實測成果的預測精度,如表2 所示.

圖3 榔梨水廠斷面CODMn、NH3-N 和TP 實測值與預測值比較Fig.3 Comparison between measured and predicted values of CODMn, NH3-N and TP at Langli waterworks section

表2 綜合降解系數與河流流速線性相關關系有效性評價結果Table 2 Efficiency of linear correlation between comprehensive degradation coefficients and river velocity

圖3 和表2 顯示,采用一維水質遷移轉化模型并根據由河段流速按線性相關方程計算出來的綜合降解系數所預測的下游榔梨水廠斷面的CODMn、NH3-N 和TP 濃度值與實測結果極為接近,三個水質污染指標預測結果的決定系數均大于0.90、相對均方根誤差均小于0.10.結果表明,所建立的瀏陽河長沙段CODMn、NH3-N 和TP 三種污染物的綜合降解系數與河段水流流速之間的線性相關方程具有較高的預測精度.進一步對比圖3 中CODMn、NH3-N和TP 的實測值與預測值的大小關系可以發現,由歷史資料按擬定的綜合降解系數計算出來的榔梨水廠斷面各水質指標的預測值基本都小于其實測值(僅2018 年2 月NH3-N 的計算值略高于其實測值,但相對偏差僅為8.19%).這主要是因為榔梨水廠取水口設置在瀏陽河右岸,其所監測的取水口水質也為右岸水質;而榔梨水文站所監測的水質為監測斷面中心的水質.由于岸邊流速小于河流中心流速,根據綜合降解系數與河流流速之間的正相關關系(如圖2 和表1 所示),其污染物綜合降解系數也應小于河流中心位置處的污染物綜合降解系數.祖波等[30]的研究結果也表明河流岸邊的污染物降解系數明顯小于河流中心的污染物降解系數.由于污染物在河流岸邊的綜合降解系數相對較小,因此,榔梨水廠(岸邊)所測定CODMn、NH3-N 和TP 濃度值略高于計算值(河流中心).

2.3 順直河段與彎曲河段的綜合降解系數對比研究

本研究中的河段1 為順直河段、河段2 為彎曲河段(圖1).為比較研究順直河段和彎曲河段對污染物綜合降解系數的影響,分別擬合出兩個河段的CODMn、NH3-N 和TP 綜合降解系數與河段水流流速之間的線性函數關系如圖4 所示,具體數學關系和擬合效果如表3 所示.

圖4 順直河段和彎曲河段CODMn、NH3-N 和TP 綜合降解系數與流速的關系曲線擬合結果Fig.4 Fitting results of comprehensive degradation coefficients of CODMn, NH3-N and TP with river velocity for straight and bending river sections

圖4 和表3 顯示,順直河段和彎曲河段的CODMn、NH3-N 和TP 綜合降解系數與流速之間均存在極好的線性相關性(所有擬合結果的決定系數均都大于0.90、相對均方根誤差均小于0.05,且均顯著相關),兩個河段的綜合降解系數與流速之間的相關直線在流速為0.35～0.46m/s 范圍內相交;在低流速條件下(流速小于0.35m/s)彎曲河段的CODMn、NH3-N 和TP 綜合降解系數均小于順直河段的綜合降解系數,而在高流速條件下(流速大于0.46m/s)彎曲河段的CODMn、NH3-N 和TP 綜合降解系數均大于順直河段的綜合降解系數.祖波[30]和王雅鈺[33]指出,河流污染物特性、微生物特性、水力特征(包括水流流速和水流結構等)、復氧作用(包括溶解氧濃度和復氧速率等)和溫度等是影響河流水體中污染物綜合降解系數的5 大主要因素.由于本研究河段內沒有排污口和支流匯入,雖設有一自來水廠取水口但取水量相對于河流流量可以忽略不計(不到河段多年平均流量的0.3%);其次,根據試驗期流速實測成果,同一水團在順直河段和彎曲河段流動的平均流速幾乎完全相等;此外,試驗在非汛期的11 月份和3、4 月份進行,盡管河流水溫有所變化但變化相對較小(14～18 ℃),且同一水團在兩個河段內的水溫變化更是可以忽略不計.因此,可不考慮順直河段和彎曲河段污染物特性、微生物特性、流速(同一水團下)和溫度的差異及其對污染物綜合降解系數的影響.故不同流速水平條件下(低流速和高流速)順直河段和彎曲河段的污染物綜合降解系數大小關系及其變化主要受河流水體復氧作用和水流結構的影響.由于順直河段位于長沙縣和長沙市郊區,周邊高層建筑很少,風力相對較大且風區長度大,因此水面風浪相對較強,對河段水體復氧促進作用也相對較強;而彎曲河段位于長沙市和長沙縣城區,周邊高層建筑林立,風力相對較小且風區長度小,因此水面風浪相對較弱,對河段水體復氧促進作用也相對較弱;但彎曲河段的紊動擴散作用和彎道環流作用可促進表層水體中氧氣向深層水體中輸移,從而增強水體的復氧作用,然而這些作用只有在河流流速較大時才較為強烈,在河流流速較低時作用相對較弱.因此,在低流速條件下(流速小于0.35m/s)彎曲河段的污染物綜合降解系數均小于順直河段的污染物綜合降解系數,而在高流速條件下(流速大于0.46m/s)彎曲河段的污染物綜合降解系數均大于順直河段的污染物綜合降解系數.

表3 順直河段和彎曲河段CODMn、NH3-N 和TP 綜合降解系數的擬合成果匯總表Table 3 Summary of fitting results of comprehensive degradation coefficients of CODMn, NH3-N and TP with river velocity for straight and bending river sections

3 結論

3.1 線性函數、指數函數、對數函數和冪函數4種函數均可用來建立瀏陽河長沙段CODMn、NH3-N和TP 綜合降解系數與河流流速之間的相關關系方程,論文推薦采用形式簡單、計算簡便的線性函數,瀏陽河長沙段CODMn、NH3-N 和TP 綜合降解系數與河流流速之間的相關方程分別為、k=0.059+0.315v 和.

3.2 利用榔梨水文站-榔梨水廠河段的歷史水文和水質監測數據對所建立的瀏陽河長沙段CODMn、NH3-N 和TP 綜合降解系數與河流流速之間的線性相關方程進行了反算驗證,計算結果顯示3 個水質污染指標預測結果的決定系數均大于0.90、相對均方根誤差均小于0.10,表明所建立的瀏陽河長沙段CODMn、NH3-N 和TP 綜合降解系數與河流流速之間的線性相關方程具有較高的預測精度.

3.3 當流速小于0.35m/s 時,順直河段的風浪對河段水體復氧作用超過彎曲河段的紊動水流和彎道環流對河段水體的復氧作用,順直河段的污染物綜合降解系數均大于彎曲河段的污染物綜合降解系數;而當流速大于0.46m/s 時,彎曲河段的紊動水流和彎道環流對河段水體的復氧作用超過順直河段的風浪對河段水體的復氧作用,彎曲河段污染物綜合降解系數均大于順直河段的污染物綜合降解系數.