汪 建 英

(浙江省水文局，杭州 310009)

0 引 言

理論上，水環(huán)境容量反映著水體污染物在水環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化和積存規(guī)律，也反映滿足特定功能條件下水環(huán)境對(duì)污染物的承受能力。在實(shí)踐上，水環(huán)境容量是水環(huán)境目標(biāo)管理的基本依據(jù)，更是水環(huán)境規(guī)劃的主要約束條件[1]。本文通過(guò)對(duì)甌江麗水段(大溪)一年的水質(zhì)、水文特征監(jiān)測(cè)，確定以COD、氨氮為控制因子，建立一維河流容量模型進(jìn)行稀釋水量計(jì)算研究[2]，以期為水環(huán)境污染物稀釋水量研究及行業(yè)主管部門決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 河流斷面的設(shè)置

根據(jù)水環(huán)境功能區(qū)的劃分、支流的分布以及河流的寬、深等情況，大溪主要河段的劃分[3]如表1所示。根據(jù)各河段的實(shí)際情況選擇合適的水質(zhì)模型，確定相應(yīng)的參數(shù)，計(jì)算污染物稀釋水量。計(jì)算河段為玉溪水庫(kù)大壩----麗水青田交界處。

表1 甌江麗水段(大溪)斷面的劃分

2 水質(zhì)現(xiàn)狀

為了較全面的掌握大溪的水環(huán)境現(xiàn)狀，對(duì)該河段的4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面在2014年8月-2015年8月期間的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由麗水市水文站提供。4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面分別為：大港頭、碧湖老車渡(采桑村)、上縣頭和麗水，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分別為高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷等3項(xiàng)。

2.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法

本報(bào)告中的水質(zhì)評(píng)價(jià)均采用國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的標(biāo)準(zhǔn)[4]。

水質(zhì)評(píng)價(jià)方法采用綜合污染指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]，具體評(píng)價(jià)方法如下：

單項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)i在第j點(diǎn)的污染指數(shù)為：

Sij=Cij/Csi

(1)

第j點(diǎn)的綜合污染指數(shù)：

(2)

根據(jù)綜合污染指數(shù)，劃分水環(huán)境質(zhì)量等級(jí)。本次現(xiàn)狀評(píng)價(jià)中水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)按Ⅳ類控制。

2.2 水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

綜合考慮水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)的目的和要求，以本次各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，選取高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷3項(xiàng)指標(biāo)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各項(xiàng)指標(biāo)濃度變化情況見圖1～圖3。

圖1 甌江麗水段高錳酸鹽指數(shù)變化趨勢(shì)

圖2 甌江麗水段氨氮變化趨勢(shì)

圖3 甌江麗水段總磷變化趨勢(shì)

3 污染源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查

將重點(diǎn)工業(yè)源、規(guī)?；B(yǎng)殖大戶、城鎮(zhèn)污水集中處理廠以及中心城鎮(zhèn)生活污染源均作為點(diǎn)源，其他污染源如農(nóng)業(yè)、農(nóng)村畜禽散養(yǎng)等均作為面源進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查范圍大溪的全部陸域(蓮都區(qū))基準(zhǔn)年為2014年，調(diào)查項(xiàng)目如下。

(1)工業(yè)污染源調(diào)查。對(duì)區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)工業(yè)企業(yè)(日排水量大于100 t，或日CODcr排放量大于60 kg，日氨氮排放量大于10 kg，或CODcr、氨氮排放量占到縣(區(qū))負(fù)荷80%以內(nèi)的企業(yè))進(jìn)行調(diào)查。包括主要污染物的平均排放濃度、月平均排水量、年排放量、有無(wú)處理設(shè)施、年處理量、污水排放去向以及排污入河口的經(jīng)緯度、排污口距企業(yè)的距離，各工業(yè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和達(dá)標(biāo)情況。

(2)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖。規(guī)?；B(yǎng)殖定義為：豬大于100頭，或蛋雞大于3 000只，或肉雞大于6 000只，或奶牛大于20頭，或肉牛大于40頭。調(diào)查包括養(yǎng)殖場(chǎng)名稱及養(yǎng)殖種類、養(yǎng)殖場(chǎng)入河口經(jīng)緯度及納污河流名稱、養(yǎng)殖場(chǎng)年末存欄數(shù)和年內(nèi)出欄數(shù)、用水量及排水量、排污方式和污水處理設(shè)施情況。

(3)城鎮(zhèn)污水集中處理廠。以污水處理廠為基本單位進(jìn)行，包括污水處理廠排污口名稱和經(jīng)緯度、污水處理廠運(yùn)行方式和運(yùn)行情況、污染物(CODcr和氨氮)去除量和排放量、廢水排放量。

(4)城市、農(nóng)村生活污染源。調(diào)查以街道(鄉(xiāng)、鎮(zhèn))為基本單元統(tǒng)計(jì)，調(diào)查城市、農(nóng)村常住人口和流動(dòng)人口數(shù)量，人均社會(huì)綜合用水量(包括社會(huì)各企事業(yè)單位用水量)、排水量及區(qū)域人均用水量；城鎮(zhèn)生活污水納管率、排放去向。

(5)分散畜禽養(yǎng)殖調(diào)查。散養(yǎng)畜禽定義為：豬少于100頭，或蛋雞少于3 000只，或肉雞少于6 000只，或奶牛少于20頭，或肉牛少于40頭。調(diào)查包括養(yǎng)殖場(chǎng)名稱及養(yǎng)殖種類、養(yǎng)殖場(chǎng)入河口經(jīng)緯度及納污河流名稱、養(yǎng)殖場(chǎng)年末存欄數(shù)和年內(nèi)出欄數(shù)，2014年末存欄和2014年內(nèi)出欄總數(shù)等。

(6)農(nóng)田徑流污染調(diào)查。調(diào)查以鄉(xiāng)(鎮(zhèn))為基本單元統(tǒng)計(jì)，填報(bào)農(nóng)田面積、坡度、農(nóng)作物類型、土壤類型、年降雨量、輪作方式、化肥施用量。

根據(jù)浙江省水文局統(tǒng)計(jì)，大溪段各功能區(qū)的納污量見表2。

表2 甌江麗水段各功能區(qū)污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表 t/a

4 水質(zhì)模型的建立

根據(jù)水環(huán)境功能區(qū)的實(shí)際情況，大溪段以山區(qū)性河流為主，選用一維水環(huán)境容量模型(河寬較大的區(qū)域選擇結(jié)合不均勻系數(shù)一維水環(huán)境容量模型)；開潭電站附近形成一回水段，回水段流速很緩慢，采用湖庫(kù)零維模型計(jì)算，并用不均勻系數(shù)校正。

4.1 山區(qū)性河流----一維河流容量模型

對(duì)于河流而言，一維模型假定污染物濃度僅在河流縱向上發(fā)生變化，主要適用于同時(shí)滿足以下條件的河段：①寬淺河段；②污染物在較短的時(shí)間內(nèi)基本能混合均勻；③污染物濃度在斷面橫向方向變化不大，橫向和垂向的污染物濃度梯度可以忽略。而大溪符合上述條件，因此，選用一維水質(zhì)模型進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測(cè)。

在忽略離散作用時(shí)，描述河流污染物一維穩(wěn)態(tài)衰減規(guī)律的微分方程為(遵循一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué))：

(3)

考慮K和u為常數(shù)，不隨時(shí)間和河長(zhǎng)的變化而變化，進(jìn)行積分可得：

(4)

假定一段河流，上游來(lái)水流量為Q′0,濃度為C′0,在起始端有一污染源流量為Qp，濃度為Cp，不考慮混合過(guò)程而假定在排污口斷面瞬時(shí)完成均勻混合，即假定水體內(nèi)在某一斷面處或某一區(qū)域之外實(shí)現(xiàn)均勻混合。則有如下推導(dǎo)：

(5)

令Q′0+Qp=Q,QpCp=W,則

(6)

式中：u為河流斷面平均流速；x,L為沿程距離；K為綜合降解系數(shù)；C為沿程污染物濃度；C0為上游來(lái)水污染物濃度。

以上公式均未考慮單位換算系數(shù)，對(duì)于一個(gè)完全確定邊界條件的河段，輸入所有條件進(jìn)行水質(zhì)模擬， 當(dāng)C=Cs時(shí)，此時(shí)的Q0即為該河段的稀釋水量，由于采用一維容量模型，對(duì)于較寬的河流，采用不均勻系數(shù)校正。其計(jì)算公式為：

(7)

式中：W為入河污染物量， t/a；Q0為稀釋流量，m3/s；α為不均勻系數(shù)；Cs為水質(zhì)目標(biāo)濃度，mg/L；C0為入上游來(lái)水污染物濃度，mg/L；K為污染物綜合降解系數(shù)，1/d；L為河段長(zhǎng)度，m；u為平均流速，m/s。

4.2 湖泊和水庫(kù)

采用湖庫(kù)零維容量模型，推導(dǎo)過(guò)程略，直接給出計(jì)算公式:

W=31.536×α×[Q0×(Cs-C0)+KVCs/86 400]

(8)

式中：W為水環(huán)境容量，t/d；Q0為稀釋流量，m3/s；C0為進(jìn)口斷面的入流水質(zhì)濃度，mg/L；α為不均勻系數(shù)；Cs為該水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L；V為水體體積，m3；K為污染物降解系數(shù)，1/d；Qp為點(diǎn)源水量，m3/s。

5 相關(guān)參數(shù)的估算

計(jì)算模型參數(shù)以常規(guī)監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果為主，同時(shí)參考現(xiàn)有相關(guān)研究成果、國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)公式。在河段水環(huán)境承載力的計(jì)算中，參數(shù)的確定和取值是否符合客觀規(guī)律直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確合理，因此，參數(shù)的確定和取值是計(jì)算中關(guān)鍵的一步。

5.1 降解系數(shù)K

(1)公式的選擇。對(duì)污染物的降解系數(shù)K1的計(jì)算采用野外兩點(diǎn)測(cè)定法，即在沿污染物流向上設(shè)置不同的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)定其濃度，可直接估算出該段水體在當(dāng)時(shí)的環(huán)境條件下對(duì)該污染物的降解系數(shù)K1(實(shí)際上包括了生物降解和沉淀等其他所有減少有機(jī)物的過(guò)程)。

根據(jù)污染物降解符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的假設(shè)有：

C2=c1e-K1 t

(9)

方程兩邊取對(duì)數(shù)，考慮到t=x/u，可得降解系數(shù)K1，即：

(10)

式中：c1，c2為對(duì)應(yīng)x1，x2(x1

用上式計(jì)算COD和氨氮的降解系數(shù)。

(2)K值的確定。本報(bào)告中河流降解系數(shù)K值的參考《甌江麗水段(大溪)水環(huán)境承載能力研究》中所取的K值，見表3。

5.2 不均勻系數(shù)

(1)一般性河流及感潮河段的不均勻系數(shù)見表4。

(2)湖泊、水庫(kù)的不均勻系數(shù)見表5。

5.3 其 他

在計(jì)算過(guò)程中需要的其他參數(shù)，大溪中相應(yīng)斷面的CODMn、BOD、氨氮、總磷等本底值，采用2013年和2014年大溪水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

表3 降解系數(shù)K的擬選值 d-1

表4 河流不均勻系數(shù)

表5 湖泊和水庫(kù)的不均勻系數(shù)

6 標(biāo)準(zhǔn)的確定

(1)地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。污水通過(guò)排污口排放后，除混合區(qū)段外，其他各河段水質(zhì)須達(dá)到相應(yīng)的功能區(qū)要求，該標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)。

(2)污水排放標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)中岸圩污水處理廠處理后排放的廢水，其污染物濃度參照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)的一級(jí)B類標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)水閣污水處理廠和臘口污水處理廠處理后排放的廢水，其污染物濃度執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)的一級(jí)A類標(biāo)準(zhǔn)，具體見表6。

表6 《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002) mg/L

注：括號(hào)外數(shù)值為水溫>12 ℃時(shí)的控制指標(biāo)，括號(hào)內(nèi)數(shù)值為水溫≤12 ℃的控制指標(biāo)。

7 污染物稀釋水量計(jì)算

根據(jù)大溪水域的實(shí)際情況及有關(guān)部門意見和建議，分別以NH3-N和COD為控制因子對(duì)大溪的污染物稀釋水量進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)，由于麗水市環(huán)境保護(hù)十三五規(guī)劃尚未出臺(tái)，2020年的入河COD和氨氮減排量參照十二五規(guī)劃的減排量，分別為10%(COD)和12.5%(氨氮)，計(jì)算結(jié)果見表7，表8。

表7 甌江麗水段各功能區(qū)現(xiàn)狀年稀釋水量 m3/s

表8 甌江麗水段各功能區(qū)2020預(yù)測(cè)稀釋水量 m3/s

8 結(jié) 語(yǔ)

水是人類生存和發(fā)展不可替代的資源，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，水環(huán)境污染日益加劇。為了控制水體污染和恢復(fù)污染水體的水質(zhì)功能，污染物稀釋水量計(jì)算研究，是環(huán)境目標(biāo)管理的基本依據(jù)，也是環(huán)境管理中的一個(gè)重要的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題[6]。對(duì)于山溪型河流，基于水文、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，污染源數(shù)據(jù)調(diào)查，采用水環(huán)境一維容量模型方法較為準(zhǔn)確、可行。

□

[1] 方子云. 水環(huán)境保護(hù)手冊(cè)[M].南京：河海大學(xué)出版社，1988.

[2] 馬樂寬.流域生態(tài)環(huán)境需水研究[D]. 北京：北京大學(xué)，2008.

[3] 俞建軍,汪小泉. 浙江省水功能區(qū)水環(huán)境功能區(qū)劃分方案[Z]. 杭州：浙江省水文局，2006.

[4] GB 3838-2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5] SL 219-2013，水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范[S].

[6] 方國(guó)華，于鳳存，曹永瀟. 中國(guó)水環(huán)境容量研究概述[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007,27:19-12.