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        松花江干流水質(zhì)與主要城市取排水量徑流量的關(guān)系

        2013-08-21 03:55:34范曉娜吳東芳張繼民
        東北水利水電 2013年9期
        關(guān)鍵詞:排水量水質(zhì)評價徑流量

        范曉娜,苗 瑩,吳東芳,張繼民

        (松遼流域水資源保護(hù)局,吉林 長春 130021)

        1 研究范圍

        研究范圍是松花江三岔河口以下,包括松干及拉林河、螞蟻河、湯旺河、呼蘭河、倭肯河、牡丹江等重要支流。

        2 數(shù)據(jù)來源與技術(shù)方法

        2.1 數(shù)據(jù)來源

        收集2011年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),選取流域具有代表性水質(zhì)監(jiān)測斷面14個,其中松干7個,支流7個。松干斷面從上游到下游依次選取了水源地、水泥廠、通河、依蘭、佳木斯、富錦、同江。支流斷面包括拉林河五常、螞蟻河蓮花、湯旺河晨明、呼蘭河蘭西、牡丹江柴河大橋和牡丹江、倭肯河倭肯。取水量、排水量取自《松遼流域水資源公報》(2011年)。徑流量數(shù)據(jù)取自《黑龍江流域水文年鑒》(2011年)。

        2.2 技術(shù)方法

        運(yùn)用基于因子分析定權(quán)的水質(zhì)評價模型對14個監(jiān)測斷面水質(zhì)進(jìn)行等級評價,該模型相對于綜合污染指數(shù)法等模型,可簡化評價指標(biāo),避免評價過程的主觀性,能較好反映河流水質(zhì)總體特征。

        零維河流完全水質(zhì)模型可以模擬污染水體經(jīng)過一段距離自然稀釋后的水質(zhì)狀況,并與監(jiān)測值進(jìn)行比較,分析人為排水對水質(zhì)的影響程度。

        2.2.1 基于因子分析定權(quán)的水質(zhì)評價模型

        設(shè)有n個水體樣本,每個水體樣本共有p個觀測指標(biāo),即構(gòu)成了一個n·p階的矩陣xn·p,在對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上,利用水質(zhì)評價模型進(jìn)行評價。評價步驟包括求解初始公共因子及因子荷載矩陣、因子旋轉(zhuǎn)、因子得分以及求指標(biāo)權(quán)重及綜合指標(biāo)值共4步。水質(zhì)模型見表達(dá)式(1)和(2)。

        式中:wi為指標(biāo)權(quán)重;y為綜合指標(biāo)值;β為因子得分系數(shù);e為方差貢獻(xiàn)率;zi為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值。

        公式(1)和(2)構(gòu)成了基于因子分析的水質(zhì)評價模型。y越大說明水體綜合污染程度越嚴(yán)重。利用綜合指標(biāo)值再結(jié)合相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)可對評價水體進(jìn)行準(zhǔn)確的分級[2]。

        2.2.2 零維河流完全水質(zhì)模型

        利用零維河流完全水質(zhì)模型可以計(jì)算污染物排入水體后隨著距離加大自然稀釋的程度,將計(jì)算得出的污染物自然稀釋濃度與實(shí)際監(jiān)測值進(jìn)行比較,分析人為排水對水質(zhì)的影響。該模型包括污染物混合濃度方程(3)和污染物衰減方程(4)。

        式中:Cp為污染物排放濃度,mg/L;Qp為廢水排放量,m3/s;Ck為河流中污染物濃度,mg/L;Qk為河流流量,m3/s。

        式中:C0為初始濃度,mg/L;k為衰減系數(shù);x為所求點(diǎn)距排污口距離;u為河流平均流速。

        3 水質(zhì)評價

        3.1 評價標(biāo)準(zhǔn)與評價指標(biāo)

        以GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》為評價標(biāo)準(zhǔn)[3],選擇反映流域水環(huán)境特征指標(biāo)的高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、氟化物(F-)作為水質(zhì)評價因子,具體選取14個監(jiān)測斷面上述6項(xiàng)污染指標(biāo)的汛期、非汛期、年平均值進(jìn)行單因子評價及水質(zhì)綜合評價。

        3.2 單因子評價

        本文選取的14個斷面6項(xiàng)污染指標(biāo)2011年平均值見表1。

        表1 監(jiān)測斷面主要污染指標(biāo)年平均值 mg/L

        由表1可見,松干7個斷面6項(xiàng)污染指標(biāo)年平均值呈現(xiàn)從上游到下游逐漸增大,佳木斯、富錦、同江3個斷面化學(xué)需氧量相對較高。支流7個斷面6項(xiàng)污染指標(biāo)年平均值大于干流,倭肯各項(xiàng)污染指標(biāo)年平均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他斷面。

        依據(jù)GB3838-2002對各監(jiān)測斷面2011年汛期、非汛期主要污染指標(biāo)進(jìn)行單因子等級評價,見表2。

        評價結(jié)果表明,總體上汛期水質(zhì)優(yōu)于非汛期。松干水質(zhì)從上游到下游逐漸變差,經(jīng)佳木斯后,化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)為Ⅳ類。支流中倭肯斷面汛期氨氮、化學(xué)需氧量為劣Ⅴ類,非汛期氨氮、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)為劣Ⅴ類。

        3.3 水質(zhì)綜合評價

        運(yùn)用SPSS16.0軟件,對表1中14個監(jiān)測斷面6項(xiàng)污染指標(biāo)年均值進(jìn)行因子分析,得到兩個主因子,兩者方差正交化旋轉(zhuǎn)后的方差累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到95.73%,見表3。

        將方差貢獻(xiàn)率及因子得分系數(shù)代入公式(1),得到每個污染指標(biāo)的權(quán)重,見表4。

        表2 汛期 非汛期單因子等級評價

        表3 旋轉(zhuǎn)后的主因子特征值與方差貢獻(xiàn)率

        表4 各污染指標(biāo)的權(quán)重

        將標(biāo)準(zhǔn)化后的GB3838-2002中的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化后的各監(jiān)測斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)分別帶入公式(2),得出水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)值及綜合指標(biāo)值。將綜合指標(biāo)值與水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)相比較可得水質(zhì)級別,結(jié)果見表5和表6。

        表5 水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)

        表6 各監(jiān)測斷面水質(zhì)綜合指標(biāo)值及評價結(jié)果

        運(yùn)用基于因子定權(quán)分析的水質(zhì)評價模型的綜合評價結(jié)果基本上與實(shí)測水質(zhì)情況相吻合。松干上游斷面水質(zhì)優(yōu)于下游,支流中五常、蓮花斷面水質(zhì)較好,水質(zhì)級別為Ⅱ級,倭肯斷面水質(zhì)最差,水質(zhì)級別為Ⅴ級。

        4 基于零維河流水質(zhì)模型的水質(zhì)模擬

        以氨氮為例,計(jì)算理論上衰減度與實(shí)測值差別。選取二水源和牡丹江監(jiān)測斷面,其汛期、非汛期及全年氨氮實(shí)測濃度見表7。

        表7 氨氮實(shí)測濃度 g/L

        為計(jì)算二水源和牡丹江斷面氨氮隨河水流動一段距離后的稀釋程度,松干選取了位于哈爾濱市上游的二水源斷面及其下游的水泥廠斷面,斷面間距18.5 km,沒有支流匯入,該江段平均流速為0.4 m/s,衰減系數(shù)選取0.255;支流牡丹江選取牡丹江市上游牡丹江斷面及其下游的柴河大橋斷面,斷面間距76.9 km,沒有支流匯入,該江段平均流速為0.27 m/s,衰減系數(shù)選取0.22。經(jīng)過污染物衰減模型計(jì)算后,得到了水泥廠和柴河大橋汛期、非汛期及全年氨氮濃度計(jì)算值,與實(shí)測值對比結(jié)果見表8。

        表8 氨氮監(jiān)測值與計(jì)算值對比 mg/L

        表8中監(jiān)測值遠(yuǎn)大于計(jì)算值,一般是計(jì)算值的2倍到4倍,最大的可達(dá)5倍多。計(jì)算區(qū)間沒有支流匯入,但區(qū)間分別流經(jīng)哈爾濱市、牡丹江市兩個城市。由此可見,污染物在河流中的濃度并非完全自然衰減,而在很大程度上受到工業(yè)廢水和生活污水排放的影響[4]。所以,河水中污染物濃度值是自然與人為活動共同作用結(jié)果,研究江段人為排水對水質(zhì)造成的影響占主要因素。

        5 取水量 排水量 徑流量對河流水質(zhì)影響

        選取流域內(nèi)特大城市哈爾濱市、大型城市牡丹江市,分析2個城市的取水量、排水量、徑流量對河流水質(zhì)的影響。哈爾濱市、牡丹江市2011年取水量、排水量、徑流量及所占比例見表9。

        哈爾濱市是黑龍江省省會,其工業(yè)取水、城市生活用水及廢污水排放量巨大,但由于哈爾濱市位于松干上游,河水徑流量較大,為324.8億m3,取水量占徑流量18.71%,排水量僅占徑流量8.30%,河流自凈能力強(qiáng),故該河段水質(zhì)很好,無論是汛期還是非汛期水質(zhì)均是Ⅲ類。

        表9 兩城市取水量 排水量 徑流量對比 106 m3/a

        牡丹江市是黑龍江省重要的工業(yè)城市,2011年其生產(chǎn)總值是哈爾濱市的1/5,取、排水量分別占哈爾濱市取、排水量的23%、31%,但是牡丹江市江段水質(zhì)較松干哈爾濱市江段水質(zhì)差,柴河大橋斷面水質(zhì)全年是Ⅳ類,水質(zhì)綜合指標(biāo)值為Ⅳ級。牡丹江水文監(jiān)測斷面年徑流量相對小,但取、排水量占徑流量比例高,分別為47.11%、27.31%。河流徑流量小,取水量大,自凈能力下降,同時又有大量污水排入,致使江水流過牡丹江市后水質(zhì)由Ⅲ類下降到Ⅳ類。

        6 結(jié)語

        1)松干上游水質(zhì)較好,流經(jīng)哈爾濱市后,雖然接納了大量城市污水,因徑流量大,江水自凈能力較強(qiáng),水質(zhì)仍為Ⅲ類,但在流經(jīng)佳木斯后,隨著幾個中型城市污水不斷匯入,松干下游水質(zhì)下降到Ⅳ類。支流螞蟻河水質(zhì)較好,全年為Ⅲ類,但其他支流徑流量小,排污量大,水質(zhì)都很差,大部分為Ⅳ類水質(zhì),倭肯河水質(zhì)最差,劣Ⅴ類。

        2)研究范圍內(nèi)各城市取水量和排水量呈正比關(guān)系,排水量對江水水質(zhì)影響在一定程度上受徑流量的控制[4]。從哈爾濱市、牡丹江市取排水量與徑流量關(guān)系分析可知,人為生活與工業(yè)污水排放對江水水質(zhì)影響較大。相對于干流而言,支流徑流量小,水環(huán)境容量小,排水對河流水質(zhì)影響極大。

        3)保護(hù)松花江干流水環(huán)境十分重要,為流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供水資源保障,更具有重要的國際意義。為此,松遼流域應(yīng)深入實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度,確保流域水環(huán)境的良性循環(huán)。

        [1]毛民治.松花江志[M].長春:吉林人民出版社,2000.

        [2]李文生,許士國.基于因子分析定權(quán)的水質(zhì)評價模型[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008(3):444-446.

        [3]GB3838-2002,地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

        [4]湯潔.第二松花水質(zhì)與主要城市取排水量、徑流關(guān)系研究[J].水文,2010,30(6):65-69.

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