松花江支流梧桐河COD和氨氮動態水環境容量研究

于曉英，杜慧玲，董彭旭，姜 兵

(黑龍江省環境科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150056)

0 引言

水環境容量是指在給定水域范圍和水文條件，規定排污方式和水質目標的前提下，單位時間內該水域最大允許納污量[1]是水環境管理的基礎[2-4].近年來，國內外已有較多關于水環境容量相關研究，通過研究松花江干支流的水環境容量，可對松花江干流的水質保障及環境管理起到積極的作用.目前針對黑龍江省內河流的研究多集中在松花江干流，主要涉及松花江干流哈爾濱段[5-11]，松花江干流佳木斯段[12-13]、松花江干流肇東段[14]的水環境容量研究也有相應體現，對松花江支流的水環境容量研究內容相對較少，涉及牡丹江[15-16]、阿什河[17-18]、安肇新河[19]，對松花江支流梧桐河的動態水環境容量未見有相關內容研究.本研究針對北方寒冷地區河流季節性水環境容量不均的問題，以黑龍江省鶴崗境內第一條大河梧桐河為研究對象，采用國內應用最廣泛的公式法[20]，研究COD和氨氮的動態水環境容量，為當地水環境容量的合理利用和水環境管理提供有效依據.

1 研究方法

1.1 選用模型

梧桐河屬松花江一級支流，寬深比較大，屬于寬淺型河道，污染物在排放到水體后，沿流程在很長距離的河段內不能達到斷面內均勻混合，污染物濃度在斷面上沿橫向變化較大，且沿岸污染源為岸邊排放，故采用二維岸邊排放水質模型[7]，結合段尾控制法計算水環境容量[7，21]，讓水質在各段末達到功能區段水質標準.計算公式見式(1)：

(1)

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

1.2 計算單元的劃分和計算因子的確定

根據水質斷面及功能區目標設置情況，梧桐河河段設梧桐河漂流站-梧桐河口內1個計算單元，將COD和NH3-N作為水環境容量計算因子.計算單元屬性見表1.圖1為研究區域排污口和斷面概化示意圖.梧桐河漂流站-梧桐河口內的主要排污口為鶴崗市東部污水處理廠，其與終點斷面的距離為21 km.

圖1 梧桐河漂流站—梧桐河口內斷面之間排污口概化示意圖

1.3 模型參數的選取

1.3.1 水文參數

依據2009—2013年水文資料，取相應月份的最小流量作為當月的設計流量，其他水文參數均為此設計流量下的值.在這種設計條件下，水環境所能提供的環境容量值隨著月份變化，這樣能在保證水質的前提下更充分地利用水環境容量.

1.3.2 橫向彌散系數My及降解系數K1

My采用Taylor公式(2)進行求解.

(2)

式中：My為河流橫向的彌散系數，m2/s；B為河流水面平均寬度，m；h為河流平均水深，m；g為重力加速度，9.8 m/s2；i為平均縱向坡降，取0.7.

由公式(2)計算彌散系數，結合水質監測數據對相應斷面的COD以及NH3-N的預測濃度和實測濃度進行了擬合分析和修正，結合已有文獻以及經驗系數法初步確定計算單元的降解系數K1值，再根據已有監測數據進行擬合和修正，經過率定后的My及K1值見表2.

表2 梧桐河漂流站—梧桐河口內段彌散系數、降解系數表

2 結果與分析

2.1 理想水環境容量計算結果

理想水環境容量是將計算單元視為獨立的河段，不考慮上下游水體對水環境容量的影響，也不考慮支流和排污口的影響.根據公式(1)及設計參數，對理想水環境容量進行計算，結果見表3.雖然理想水環境容量不能直接應用于實際，但是對于水環境容量的利用和規劃還是具有指導性意義的.

表3 梧桐河漂流站—梧桐河口內段COD理想動態水環境容量

2.2 實際水環境容量計算結果

在理想水環境容量研究基礎上，結合實際情況，對梧桐河漂流站—梧桐河口內段的實際水環境容量進行計算.

2.2.1 考慮上游水質對水環境容量的影響

根據2013年監測結果，上游來水梧桐河漂流站斷面COD水質優于功能區Ⅲ類水體的要求而達到Ⅱ類水體的標準.因此在計算實際水環境容量時，上游來水按照Ⅱ類水體COD限值為15 mg/L，NH3-N為0.5 mg/L進行核算.其水環境容量重新核算結果見表4.

表4 考慮上游水質情況下梧桐河漂流站—梧桐河口內段COD實際動態水環境容量

與理想水環境容量相比，COD的實際水環境容量年總量從9 159.277 t/a 增加至12 854.525 t/a，增加幅度達40%，NH3-N的實際水環境容量年總量從442.682 t/a 增加至812.207 t/a，增加幅度達83%.由此可見，上游水體的水質優劣對下游水體的水環境容量有著很大的影響，若要確保下游水體的水環境容量能滿足該段生產和生活的需求，必須嚴格控制上游水體水質.

2.2.2 考慮支流及排污口對水環境容量的影響

梧桐河漂流站—梧桐河口內的主要支流從西北到東南依次為細鱗河、鶴立河.細鱗河匯入梧桐河的位置在水文站的上游，水文站的數據已經包括了細鱗河對干流的影響，因此，對于支流僅需考慮鶴立河的水功能區劃及水文參數，鶴立河的水質目標為III類，水質現狀為V類，鶴立河最小流量為0.385 m3/s.此外，梧桐河漂流站—梧桐河口內有一較大污染源為鶴崗市東部污水處理廠，該污染源流量較大，因此還需考慮其對水體的影響，該污水處理廠建成時間為2013年7月，設計規模為3萬m3/d.支流及排污口的排放量及流量情況見表5.

表5 主要支流及排污口排放量

由于支流和排污口水量的匯入，水體的流量、流速、水面寬度及水深等都將發生變化.但水文資料有限，本研究假設支流和排污口水量的匯入并不會改變水體的寬度和深度，只對流速產生影響.將支流及排污口作為流速變化的分界斷面，按照設計流量重新核算不同斷面沿河流速變化，綜合考慮上游水質及支流匯入的實際情況，對梧桐河漂流站—梧桐河口內計算單元的水環境容量進行重新核算，核算結果見表6.COD和NH3-N的理想動態水環境容量與實際動態水環境容量對比情況見圖2、圖3.

表6 梧桐河漂流站—梧桐河口內段COD實際動態水環境容量

由圖2、圖3可知，COD與氨氮年內動態水環境容量變化趨勢相似，最大水環境容量均出現在8月份，最小水環境容量均出現在3月份.所計算河段的實際動態水環境容量除個別月份外，其余月份均大于理想水環境容量.與理想水環境容量相比，在綜合考慮上游水質、支流和排污口匯入的情況下，該河段內COD的實際水環境容量年總量由9 159.277 t/a升至10 887.764 t/a，增加幅度達13.86%，NH3-N的水環境容量年總量由442.682 t/a增至674.895 t/a，增加幅度達52.46%.由此可知，盡管支流和排污口匯入該河段，但由于上游來水水質較好，該河段的實際水環境容量年總量仍比理想水環境容量有明顯增加.

圖2 COD理想動態水環境容量及實際動態水環境容量

圖3 氨氮理想動態水環境容量及實際動態水環境容量

2.2.3 各水期動態水環境容量情況

該河段豐、平、枯各水期 COD 和氨氮的理想水環境容量和實際水環境容量平均值分別見圖4和圖5.無論理想動態水環境容量還是實際動態水環境容量，COD與氨氮水環境容量隨水期變化的趨勢基本一致.各水期COD和氨氮均為豐水期水環境容量最大，枯水期水環境容量最小.

圖4 各水期COD和氨氮理想動態水環境容量

圖5 各水期COD和氨氮實際動態水環境容量

3 結論

1)無論理想動態水環境容量還是實際動態水環境容量，COD與氨氮水環境容量隨水期及年內變化趨勢基本一致，豐水期水環境容量最大，枯水期水環境容量最小.最大水環境容量均出現在8月份，最小水環境容量均出現在3月份.

2)由于上游來水水質較好，盡管有支流和排污口匯入，該河段COD與氨氮實際動態水環境容量除個別月外，其他月均高于理想動態水環境容量，可以通過控制上游水體水質來確保下游水體的水環境容量.

3)水環境容量受季節性影響變化明顯，且受上游來水、排污口及支流等影響，建議對河段實行動態管理，更合理地利用水環境容量，為環境管理提供參考和理論依據.