汾河柴莊段典型污染物衰減系數(shù)試驗(yàn)研究

趙艷鋒，武宏娟，康佳琪

（1.山西省水文水資源勘測總站，太原 030001；2.臨汾市水文水資源勘測站，山西 臨汾 041000）

河流污染物綜合衰減系數(shù)K反映污染物在水體作用下降解速度的快慢， 它是河流水質(zhì)模型的關(guān)鍵參數(shù)，在計(jì)算水體納污能力、預(yù)測污染物濃度變化、制定污染物控制方案等方面， 如何確定并選擇科學(xué)合理的污染物綜合衰減系數(shù)成為關(guān)鍵［1］。 目前，污染物綜合衰減系數(shù)的確定方法主要包括水團(tuán)追蹤實(shí)測法、實(shí)驗(yàn)室模擬法、經(jīng)驗(yàn)公式估算、類比與分析借用等［2］。 因河流本身的實(shí)際情況差別很大，用經(jīng)驗(yàn)公式法及分析借用法判定河流污染物的綜合衰減系數(shù)有一定的誤差性［3］。 實(shí)驗(yàn)室模擬法因無法還原河流實(shí)際形態(tài)、水文水力條件和物理流域各因素邊界條件，衰減系數(shù)容易失真。

本文以汾河干流典型污染物氨氮、 總磷為研究對象， 采用水團(tuán)追蹤現(xiàn)場實(shí)測法測定汾河柴莊段污染物衰減系數(shù)，得出綜合衰減系數(shù)取值范圍和指導(dǎo)值，可以為建立汾河水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)模型、應(yīng)對突發(fā)水污染事件及流域水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)等提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 河段選擇

汾河是黃河第二大支流，山西省內(nèi)最大河流。汾河發(fā)源于寧武縣東寨鎮(zhèn)管涔山脈，流向自北向南，縱貫大半個(gè)山西， 匯聚源自呂梁、 太行兩大山區(qū)的支流，穿越太原、臨汾兩大盆地，于禹門口下游匯入黃河，平均縱坡0.112%，河道彎曲系數(shù)1.68。 其中河源至蘭村段及靈石至洪洞趙城河段， 河水穿行于山峽之間，縱坡較大，約0.25%～0.44%；蘭村以下至介休義棠及趙城以下至河口兩段，流經(jīng)太原、臨汾盆地，縱坡平緩，約0.03%～0.05%［4］。 本著測試河段應(yīng)具備代表性和便于采樣監(jiān)測兩個(gè)原則， 選取汾河干流襄汾縣城下游至侯馬新絳交界處， 總河長45.2km為試驗(yàn)河段。 該河段水面寬40～50m，非汛期水流穩(wěn)定、無支流匯入，無入河排污口、無人工閘壩、試驗(yàn)期無提引水，便于采樣及施測。

根據(jù)現(xiàn)場查勘情況， 自上而下共布設(shè)毛村、柴莊、汾陰橋、上平望、侯馬5個(gè)斷面作為試驗(yàn)監(jiān)測斷面，試驗(yàn)河段各斷面基本信息如表1。

表1 試驗(yàn)河段各監(jiān)測斷面信息

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 水團(tuán)追蹤

以裝有適量水的帶標(biāo)記塑料壺作為浮標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場水團(tuán)追蹤，測得毛村至柴莊斷面用時(shí)7h8min，柴莊至汾陰橋斷面用時(shí)7h45min，汾陰橋至上平望斷面用時(shí)15h，上平望至侯馬斷面用時(shí)5h。

1.2.2 監(jiān)測參數(shù)

監(jiān)測參數(shù)包括流量、流速、河寬、水深等水文參數(shù)及水溫、DO、pH值、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）等水質(zhì)參數(shù)。 氨氮實(shí)驗(yàn)室分析檢測采用納氏試劑分光光度法，總磷采用連續(xù)流動(dòng)鉬酸銨分光光度法。

1.2.3 采樣試驗(yàn)

2020年11月17日10：00進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)， 毛村斷面以1h為間隔， 分別采集0，1，2h 3個(gè)水樣。 于7h8min，7h45min，30h，35h后分別采集柴莊、汾陰橋、上平望、侯馬斷面的水樣。 在11月17日預(yù)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，11月20日0：00起，對各斷面進(jìn)行連續(xù)12h采樣試驗(yàn)。毛村斷面以1h為間隔，分別采集0，1，2，……11h共12個(gè)水樣，按水團(tuán)歷時(shí)于7h8min，7h45min，30h，35h后分別采集柴莊、汾陰橋、上平望、侯馬斷面對應(yīng)時(shí)間水樣，分批送實(shí)驗(yàn)室檢測。 同斷面連續(xù)采樣監(jiān)測可有效消除斷面污染物濃度波動(dòng)對綜合衰減系數(shù)計(jì)算結(jié)果的影響。

為保證檢測過程一致性，5個(gè)斷面采樣位置均為中弘一點(diǎn)（水面寬約50m）， 采樣水深在水面下0.5m（水深約1.3m），按送樣路程最遠(yuǎn)斷面（侯馬）自采樣至送回試驗(yàn)室時(shí)間計(jì)算， 每個(gè)樣品從采樣到檢測時(shí)間間隔均控制為5h。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物濃度沿程變化

根據(jù)上述試驗(yàn)方法，得出氨氮、總磷濃度沿程變化情況如圖1、圖2。

圖1 氨氮濃度沿程變化

圖2 總磷濃度沿程變化

可以看出，實(shí)驗(yàn)條件下典型污染物氨氮、總磷濃度沿程下降趨勢均較為明顯。 氨氮濃度在上斷面毛村 以 下 的 柴 莊（9.4km）、汾 陰 橋（20.5km）、上 平 望（37.3km）斷面下降趨勢基本一致，下降速率較快，上平望-侯馬斷面下降趨勢較平緩。總磷濃度在前半段（毛村至汾陰橋，總磷濃度大于0.250mg/L）比后半段（汾陰橋至侯馬，總磷濃度小于0.250mg/L）降低較快，說明試驗(yàn)條件下總磷降解速率受初始濃度的影響較大，初始濃度越高降解速率越快（0.250mg/L可能是總磷降解速率快慢的閾值，有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究）。

2.2 衰減系數(shù)K

2.2.1 計(jì)算模型

本次試驗(yàn)河段河寬約50m，流量在10m3/s 左右，流速小于1m/s，水深小于1.5m，基本滿足：①無外源污染源，僅考慮污染物的衰減；②垂向尺度遠(yuǎn)小于水平輸送尺度，從而忽略垂向擴(kuò)散；③上斷面各污染物一開始就完全混合，從而忽略橫向擴(kuò)散。 可認(rèn)為屬一維均勻穩(wěn)定流，污染物衰減計(jì)算采用一維水質(zhì)模型［2］，即：

2.2.2 計(jì)算統(tǒng)計(jì)

將試驗(yàn)河段進(jìn)行概化， 自上而下分別為毛村f1、柴莊f2、汾陰橋f3、上平望f4、侯馬f55個(gè)連續(xù)斷面，上下游斷面間距分別為9.4，11.1，16.8，7.9km， 分為4個(gè)河段g1，g2，g3，g4，如圖3。

圖3 試驗(yàn)河段概化

根據(jù)f1與f2斷面檢測結(jié)果，計(jì)算得單個(gè)河段g1綜合衰減系數(shù)Kg1，以此類推，可計(jì)算g1～g44個(gè)河段綜合衰減系數(shù)Kg1～Kg4；將連續(xù)河段進(jìn)行組合，f1～f3斷面為河段g5，f1～f4斷面為河段g6，f1～f5斷面為河段g7，f2～f4斷面為河段g8，f2～f5斷面為河段g9，f3～f5斷面為河段g10，可得g5～g106個(gè)河段綜合衰減系數(shù)Kg5～Kg10， 以此類推，本次試驗(yàn)的15組監(jiān)測數(shù)據(jù)共得150組計(jì)算結(jié)果Kg1-Kg150；再取0～2h試驗(yàn)各項(xiàng)目濃度均值按前述方法，可得Kg151～Kg160； 取0～11h試驗(yàn)各項(xiàng)目濃度均值按前述方法，可得Kg161～Kg170。 自此共得綜合衰減系數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果樣本集（Kg1～Kg170）。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果

按上述方法將樣本集中K為負(fù)值的異常值剔除（可能的原因是個(gè)別測次采樣不規(guī)范、采樣水深0.5m不能精確把握、擾動(dòng)底泥等），氨氮有6組異常數(shù)據(jù)，總磷有5組異常數(shù)據(jù)，實(shí)際氨氮有效樣本數(shù)據(jù)164組，總磷有效樣本數(shù)據(jù)165組。將樣本數(shù)據(jù)按四分位法進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)， 氨氮綜合衰減系數(shù)分布情況如圖4，總磷綜合衰減系數(shù)分布情況如圖5。

圖4 氨氮綜合衰減系數(shù)分布情況

圖5 總磷綜合衰減系數(shù)分布情況

分別計(jì)算樣本集數(shù)值平均值、第一四分位數(shù)Q1、中位數(shù)Me、第三四分位數(shù)Q3。 統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 典型污染物綜合衰減系數(shù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，考慮試驗(yàn)河段K值取值的穩(wěn)健安全性，將四分位距（Q1～Q3）作為綜合衰減系數(shù)取值區(qū)間， 將中位數(shù)值作為綜合衰減系數(shù)取值指導(dǎo)值。氨氮、總磷的綜合衰減系數(shù)范圍依次為：0.606～1.089d-1、0.296～0.520d-1，中位數(shù)分別為0.847d-1、0.374d-1。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，總磷第一四分位以下數(shù)（較小的K值）在起始河段（毛村至柴莊斷面）樣本數(shù)僅有1個(gè)，說明總磷綜合衰減系數(shù)在上游河段較下游河段為大，主要原因是上游斷面初始濃度較下游斷面濃度更高，總磷衰減更顯著。

不同污染項(xiàng)目在天然河流中均受污染物自身性質(zhì)、水溫、pH值、溶解氧、微生物性質(zhì)、懸浮物顆粒粒徑、河床坡度、水動(dòng)力條件等的綜合影響［5］，這些影響因素有可能發(fā)生協(xié)同作用也有可能產(chǎn)生拮抗作用。本次汾河柴莊段現(xiàn)場實(shí)測試驗(yàn)，氨氮衰減效率較高，綜合衰減系數(shù)較大。分析認(rèn)為氨氮在自然河道中的含量變化兼有吸附沉降等物理化學(xué)過程和微生物吸收代謝等生物作用， 試驗(yàn)條件下較低的環(huán)境溫度（6～10℃）可能限制了生物作用（現(xiàn)場試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行COD檢測，各斷面COD濃度無明顯差異），但對物理化學(xué)過程應(yīng)無較大影響， 氨氮衰減以物理化學(xué)過程為主。另外，試驗(yàn)河段氨氮濃度（1.26～7.89mg/L，國內(nèi)其他研究中氨氮濃度多在0.025～0.650mg/L）較高，可能也是氨氮衰減效率較高的一個(gè)原因， 即相同條件下，氨氮初始濃度越高衰減速率越快［6］。 總磷衰減同樣以吸附、沉降等物理化學(xué)過程為主，研究河段試驗(yàn)條件下總磷衰減效率較高， 總磷綜合衰減系數(shù)可靠性較高。但水體中各污染項(xiàng)目關(guān)于發(fā)生生物作用、物理化學(xué)過程、污染物衰減變化機(jī)理的研究較少，有待進(jìn)一步研究。

2.2.4 結(jié)果驗(yàn)證

將本次試驗(yàn)結(jié)果與國內(nèi)相關(guān)研究成果對比（表3）。國內(nèi)河流氨氮衰減系數(shù)取值多在0.050～1.550d-1，總磷衰減系數(shù)取值多在0.030～1.300d-1，本次試驗(yàn)低溫枯水期汾河下游段各項(xiàng)目衰減系數(shù)取值區(qū)間處于上述范圍，汾河段污染物綜合衰減系數(shù)取值范圍基本合理。

表3 國內(nèi)部分河流污染物綜合衰減系數(shù)

續(xù)表3

3 結(jié)語

（1）本文采用一維水質(zhì)模型計(jì)算和四分位法統(tǒng)計(jì)分析，確定低溫枯水期汾河下游柴莊段氨氮綜合衰減系數(shù)范圍為0.606～1.089d-1，取值指導(dǎo)值為0.847d-1；總磷綜合衰減系數(shù)范圍為0.296～0.520d-1， 取值指導(dǎo)值為0.374d-1。

（2）試驗(yàn)條件下，典型污染物氨氮和總磷衰減效率較高，綜合衰減系數(shù)較大，衰減系數(shù)可靠性較高。氨氮和總磷衰減可能主要依靠吸附、沉降等物理化學(xué)過程，衰減效率受初始濃度影響明顯，初始濃度越高河段衰減系數(shù)越大。另外，本次試驗(yàn)在低溫枯水期（氣溫6～10℃，水溫6～10℃，流量10m3/s左右）進(jìn)行，應(yīng)對高溫、豐水期污染物綜合衰減系數(shù)做進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

（3）本研究成果為我國相關(guān)水質(zhì)參數(shù)確定提供參考依據(jù)，為進(jìn)一步研究河流水體自凈規(guī)律、建立水質(zhì)模型、確定水環(huán)境容量、制定水污染控制計(jì)劃與水生態(tài)修復(fù)方案提供科學(xué)依據(jù)。