汪 建 英
(浙江省水文局,杭州 310009)
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)。
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)算河段為玉溪水庫大壩----麗水青田交界處。
表1 甌江麗水段(大溪)斷面的劃分
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)。
本報(bào)告中的水質(zhì)評(píng)價(jià)均采用國家《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。
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)
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)模化養(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
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,采用湖庫零維模型計(jì)算,并用不均勻系數(shù)校正。
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)間和河長的變化而變化,進(jìn)行積分可得:
(4)
假定一段河流,上游來水流量為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為河段長度,m;u為平均流速,m/s。
采用湖庫零維容量模型,推導(dǎo)過程略,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。
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。
(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。 (1)一般性河流及感潮河段的不均勻系數(shù)見表4。 (2)湖泊、水庫的不均勻系數(shù)見表5。 在計(jì)算過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 湖泊和水庫的不均勻系數(shù) (1)地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。污水通過排污口排放后,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)。 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 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,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] 方國華,于鳳存,曹永瀟. 中國水環(huán)境容量研究概述[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,27:19-12.5.2 不均勻系數(shù)
5.3 其 他
6 標(biāo)準(zhǔn)的確定
7 污染物稀釋水量計(jì)算
8 結(jié) 語