張曉斌,張建國(guó)
汾河是山西省境內(nèi)最大的河流,縱貫省境中部,全長(zhǎng)約694km,隸屬于黃河水系。汾河發(fā)源于寧武管涔山,經(jīng)靜樂(lè)、婁煩、古交進(jìn)入太原盆地。汾河古交段是指由西向東貫穿古交市,自李扒溝至一步巖,全長(zhǎng)約46km。其上游有山西省最大的水庫(kù)——汾河水庫(kù),下游進(jìn)入汾河二庫(kù)及上蘭村水源地,沿途有天池河、屯蘭河、原平河、長(zhǎng)峪溝等支流匯入。特殊的地理位置和水文地質(zhì)條件使汾河古交段的水質(zhì)直接影響著其下游汾河二庫(kù)及上蘭村水源地水質(zhì)質(zhì)量,從而影響到太原市城區(qū)飲用水源地的水質(zhì)和太原市工業(yè)用水及其農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)。因此,有必要進(jìn)一步研究探討汾河古交段污染物總量控制。
汾河古交段污染物嚴(yán)重超標(biāo),主要超標(biāo)污染物為油類、氨氮、揮發(fā)酚、化學(xué)耗氧量(COD)、硫酸鹽等,其中氨氮是影響汾河水質(zhì)的主要污染物,所有監(jiān)測(cè)斷面氨氮均超標(biāo),屬嚴(yán)重污染,且水質(zhì)逐年惡化。據(jù)2006年對(duì)汾河古交段水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,油類超標(biāo)最嚴(yán)重,超標(biāo)約53倍;其次為氨氮(NH3-N)、生化需氧量(BOD5)、揮發(fā)酚(Ar-OH)和化學(xué)需氧量(COD),超標(biāo)分別約8倍、3倍、2倍和1倍;懸浮物(SS)、COD,BOD5,NH3-N和石油類的超標(biāo)率達(dá)90%以上。NH3-N,Ar-OH和石油類的最大超標(biāo)倍數(shù)約為21倍、16倍和104倍。用熵權(quán)灰色局勢(shì)法對(duì)汾河古交段水質(zhì)評(píng)價(jià),汾河古交段近年來(lái)污染程度均為中度污染。李扒溝、灘上橋、寨上站和一步巖4個(gè)斷面中,除李扒溝斷面屬清潔或輕污染外,其余3個(gè)斷面污染較重,污染程度多屬重污染或中污染。
李扒溝作為汾河古交段的起始斷面,其水質(zhì)相對(duì)其他斷面較好,基本處于Ⅰ~Ⅱ類水之間,但從水質(zhì)的年際變化曲線來(lái)看,水質(zhì)有變差趨勢(shì)。古交段上游的汾河水庫(kù),近年來(lái)由于面源污染,水中的有機(jī)物含量逐年增多,有富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)。到灘上橋斷面水質(zhì)發(fā)生突變,由Ⅰ~Ⅱ類水變?yōu)棰簟躅愃湓蚴怯捎诶畎菧现翞┥蠘蛑g礦場(chǎng)、焦化廠較多。長(zhǎng)期以來(lái),受技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件等方面的限制,大部分企業(yè)設(shè)備陳舊、效率不高,以原料采掘、初加工為主,對(duì)生產(chǎn)工藝中排放的污廢水無(wú)力進(jìn)行處理回用,導(dǎo)致采礦廢水大量流入汾河,或排入汾河支流進(jìn)而流入汾河。同時(shí),生活污水排入導(dǎo)致水質(zhì)急劇下降,李扒溝與灘上橋之間水質(zhì)發(fā)生突變。到寨上站,水質(zhì)基本沒(méi)有變化。其間分布有中心污水廠、東曲污水廠等排污大戶。僅中心污水處理廠每年排放的等標(biāo)污染負(fù)荷高達(dá)2365.47萬(wàn)t,占總等標(biāo)污染負(fù)荷的23.74%。因此,一步巖水質(zhì)最差,每年都為Ⅴ類。雖然寨上站到一步巖之間污染源相對(duì)較少,但由于距離較短,水體中的污染物無(wú)法在此區(qū)間內(nèi)被充分分解,因此一步巖斷面水質(zhì)每年均為Ⅴ類,且沒(méi)有好轉(zhuǎn)趨勢(shì),嚴(yán)重影響下游汾河二庫(kù)及上蘭村水源地水質(zhì)。
水環(huán)境功能區(qū)劃分主要依據(jù)地面水的使用目的、保護(hù)目標(biāo)及承受能力來(lái)確定,可分為重點(diǎn)保護(hù)功能區(qū)和一般保護(hù)功能區(qū)。根據(jù)《山西省地表水功能區(qū)劃》,汾河古交段屬汾河一級(jí)防護(hù)區(qū),主要功能為太原市飲用水源地的補(bǔ)給區(qū),執(zhí)行《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),但該河段水質(zhì)總體處于Ⅳ~Ⅴ級(jí),河流污染嚴(yán)重。
水體納污能力計(jì)算選用一維水質(zhì)模型,其基本方程為:
式中:C(x)——計(jì)算斷面濃度,mg/L;
C0——水功能區(qū)上斷面污染物濃度,mg/L;
k——污染物的降解系數(shù),1/d;
x——計(jì)算斷面至上斷面的距離,km;
u——水功能區(qū)設(shè)計(jì)流量下的斷面平均流速,m/s。
若某單一功能區(qū)長(zhǎng)為L(zhǎng),設(shè)計(jì)流量為Q,入流斷面設(shè)計(jì)水質(zhì)為C0,降解系數(shù)為k,此功能區(qū)要求水質(zhì)目標(biāo)為Cs,通過(guò)推延得出納污能力的計(jì)算公式如下:
式中:W——水功能區(qū)納污能力,t/a;
Q——水功能區(qū)設(shè)計(jì)流量,m3/s;
q——水功能區(qū)入河污水量,m3/s;
Cs——水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo),mg/L;
L——水功能區(qū)上斷面至下斷面的距離,km;
Li——水功能區(qū)排污口至計(jì)算斷面的距離,km。
3.2.1 設(shè)計(jì)流量
有長(zhǎng)系列資料的河段設(shè)計(jì)流量按90%保證率最枯月平均流量確定;無(wú)長(zhǎng)系列資料的河段選用近十年最小月平均流量作為設(shè)計(jì)流量。
3.2.2 降解系數(shù)
有機(jī)污染物進(jìn)入河流在輸移過(guò)程中要發(fā)生濃度衰減,綜合降解系數(shù)反映了污染物在水體作用下的降解速度,是計(jì)算水環(huán)境容量、納污能力的重要參數(shù),不僅與河流的水文條件(如流量、流速、河寬、水深、泥沙含量等)有關(guān),還與河道的污染程度有關(guān)。污染物降解系數(shù)可用實(shí)測(cè)資料反推或水團(tuán)追蹤法求取,亦可經(jīng)類比分析確定。
在缺乏實(shí)測(cè)資料的情況下,可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式反推確定:k=0.066+0.5×u,其中:u為設(shè)計(jì)流量下河段平均流速,m/s。
根據(jù)汾河古交段實(shí)際情況,COD的k值范圍在0.2~0.48(1/d)之間,平均值 0.34(1/d);氨氮的 k 值范圍在 0.12~0.32(1/d)之間,平均值 0.22(l/d)。由于流量、水質(zhì)的差異,綜合降解系數(shù)會(huì)有所不同。
3.2.3 水質(zhì)目標(biāo)
水質(zhì)目標(biāo)按照《山西省水功能區(qū)劃》中規(guī)定的水質(zhì)目標(biāo)對(duì)照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)予以確定,以COD、氨氮為主要污染控制目標(biāo)。根據(jù)汾河古交段實(shí)際情況,COD控制不超過(guò)20mg/L,氨氮控制不超過(guò)1mg/L。
根據(jù)古交段一步巖斷面COD、氨氮濃度限值確定其水環(huán)境容量,河流流量采用多年枯水期平均值。汾河古交段COD的水環(huán)境容量為604.5t/a,氨氮的水環(huán)境容量為30.2t/a。
根據(jù)相應(yīng)預(yù)測(cè)模型,對(duì)汾河古交段李扒溝等4個(gè)斷面2010—2015年的水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 各斷面污染物濃度預(yù)測(cè) 單位:mg/L
通過(guò)整理歸納,得出古交市工業(yè)廢水、生活污水排放量預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 各污染源排污量預(yù)測(cè) 單位:萬(wàn)m3/a
以一步巖為控制斷面,表3列出了其斷面預(yù)測(cè)年濃度超標(biāo)量及總量超標(biāo)量。
表3 一步巖斷面預(yù)測(cè)年濃度及總量超標(biāo)量
表4 各污染源預(yù)測(cè)年污染物削減量 單位:t/a
根據(jù)一步巖斷面各污染源的濃度超標(biāo)量,可得出各預(yù)測(cè)年COD及氨氮的削減量,見(jiàn)表4。
汾河古交段主要污染源為中心污水廠、原平河、屯蘭河、礬石溝、半溝及天池河,占總等標(biāo)污染負(fù)荷的80.1%。中心污水廠污水雖然排放濃度達(dá)標(biāo),但由于排放量大,仍是污染源中對(duì)汾河污染最大的排污口。此外,原平河、屯蘭河等沿河工礦企業(yè)分布密集,也是對(duì)汾河造成污染的主要污染源。污染源中主要污染因子依次為SS,COD、石油類及氨氮,累計(jì)等標(biāo)污染負(fù)荷比達(dá)到93.46%。因支流兩岸分布的煤礦較多,礦井水中所含固體懸浮物較多,導(dǎo)致各支流污染源中SS所占比例較大,含量較多。
通過(guò)對(duì)各污染源削減量的預(yù)測(cè)可知,主要污染源COD的削減量占總削減量的70%以上,氨氮各年削減量占總削減量的90%以上。同時(shí),像中心污水處理廠這樣的排污大戶,其COD削減量占到總削減量的26%~43%,氨氮削減量占到總削減量的60%以上。因此,控制汾河古交段水體污染應(yīng)對(duì)中心污水處理廠、原平河等主要納污河流沿岸廠礦及生活污染源的排污總量進(jìn)行嚴(yán)格控制,切實(shí)落實(shí)對(duì)汾河古交段沿岸污染源及各支流削減量的分配工作。