李金臣，王訓詩

（1.水發(fā)規(guī)劃設計有限公司，山東 濟南 250000；2.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心，山東 濟南 250000）

1 引言

基于河流水質數(shù)學模型可建立入河排污口排污量與河流水質的定性、定量關系，是河流水質預測評價的基本方法[1]。對于大部分的中小河流來說，在實際入河排污口水質預測工作中，多采用河流混合稀釋模型與河流一維水質濃度衰減模型進行水質預測評價。上述的評價方法雖在實踐中有著廣泛的應用，但存在如下幾個問題。

（1）河流混合稀釋模型與河流水質濃度衰減模型在使用時對初始斷面（污染物入河斷面處）污染物濃度值的精度有一定要求，但河流是一個復雜多變、具有不確定性的開放系統(tǒng)[2]，由于沒有長序列的水質動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，所以無法準確刻畫初始斷面污染物濃度。從水質預測評價工作實際工期的角度出發(fā)，對大多數(shù)河流開展長序列水質監(jiān)測工作也是有一定難度的。

（2）在實際河流水質預測評價工作中，入河排污口多為擬建狀態(tài)，即在入河排污口未投入使用之前，有一定時間的預測期，僅使用預測期內(nèi)現(xiàn)狀監(jiān)測資料無法驗證模型預測的準確性，這就導致水質預測評價結論都建立在模型邊界條件不發(fā)生改變的理想狀態(tài)下。

（3）預測期內(nèi)若在預測的影響范圍內(nèi)出現(xiàn)新的未知點源污染，就會導致模型預測的結果出現(xiàn)偏差，此時需對評價范圍內(nèi)的污染源進行重新排查，以校定模型的邊界條件，進行重新預測，這樣勢必會浪費大量的人力物力，延長工作周期，降低工作效率[3]。

對于評價范圍內(nèi)出現(xiàn)未知點源污染的問題，在之前研究中，余江[4]等人提出貢獻值的簡化算法用以解決這一問題，但使用這一方法會夸大擬建項目的環(huán)境效益；此外該方法的使用對河流污染物入河斷面處濃度背景值的精度有一定要求。

針對上述問題，結合河流水質管理目標，筆者試圖提出河流水質附加影響評價方法，以解決缺乏長序列水質動態(tài)監(jiān)測資料的河流水質預測評價工作中的相關問題，減小對水質基礎資料調(diào)查的難度及人力物力的投入，縮短環(huán)境評價工期，提高工作效率。

2 一維水質模型及其解

在不考慮水質彌散作用的條件下，給出描述污染物濃度沿河流方向衰減的水質模型的假設條件：①在污染物入河初始斷面，河流污染物濃度背景值為Ch（mg/L）、河流流量為Qh（m3/s）、污染物濃度為Cw（mg/L）、污染物排放量為Qw（m3/s）；②河道水流速度為v（m/s），在河道各斷面一致；③河流水質濃度的綜合衰減系數(shù)為k（d-1）。

基于上述條件，模型表述如下：

式中：x為計算點至初始斷面的距離（m）；C為河道某斷面的污染物濃度（mg/L）。

式中：t為污染物進入河道后到達某斷面的時間（s）；其余變量含義同上。

對式（1）兩邊積分，在上述條件下，得到河流水質濃度是一個沿河穩(wěn)態(tài)分布函數(shù)，即濃度不隨時間發(fā)生變化：

式中：C（x）為河道x斷面處的污染物濃度（mg/L）；C0為污染物進入河道混合后初始計算斷面處的污染物濃度（mg/L）；其余變量含義同上。

令P(x)=e-kx v，并將式（4）帶入式（3），得到：

該公式被廣泛應用于中小河流水質預測評價計算中。

陶月贊、葉棟成[5-6]等探討了地下水對河流補給條件下河流水質的變化，提到了地下水水質與河道水質基于一維水質模型的混合稀釋、衰減這2個過程的計算先后順序不會對模型最后的預測結果產(chǎn)生影響，這里不妨將污染源當作地下水補給，從模型的數(shù)學結構特征出發(fā)，說明上述結論的正確性。

式（5）可改寫為：

式中：Cw?P(x)與Ch?P(x)可以看作是Ch和Cw獨自衰減至x斷面處的濃度值；由于Qh與Qw在整個研究河段都是保持不變的，所以分子項實際是污染物和河道本身在x斷面處的溶質通量。

基于此，Qh、Qw混合后所預測的x斷面處污染物濃度值實際可以等價于Ch和Cw獨立衰減至x斷面處再進行完全混合作用形成的污染物濃度。

由上述可知，Ch、Cw的衰減規(guī)律均是符合式（3）的，即污染物衰減變化曲線相互之間是平行的，如圖1所示。

圖1 污染物衰減曲線

3 污染物對河流水質的附加影響計算方法

在預測期內(nèi)，當污染物進入河道時，由于難以確定初始斷面河流污染物濃度背景，所以無法直接使用式（4）對混合后初始計算斷面處的污染物濃度做出準確計算。

基于一維水質模型的混合、衰減這2個過程的計算先后順序不會對模型最后的預測結果產(chǎn)生影響這一規(guī)律，可計算污染物獨立衰減至x斷面處的濃度：

式中：Cw(x)為污染物獨立衰減至x斷面處的濃度（mg/L）；其余變量含義同上。

考慮污染源部分獨立衰減至x斷面處產(chǎn)生的溶質量為Ww（mg），其計算公式為：

對于需要進行水質評價的河段斷面來說，式（8）所表示的污染源部分獨立衰減所帶來的污染相當于對河道額外產(chǎn)生的影響，考慮到日常水質評價中常采用濃度單位，因此本文將污染源部分獨立衰減至評價斷面所形成的濃度定義為附加影響。

綜上，污染物部分獨立衰減到x斷面處對河流水質所形成的附加影響ΔC的計算公式為：

這里需要注意的是，式（9）為污染物對河流水質的附加影響通用計算公式，具體運用時還需明確具體的污染物因子，即計算具體污染物因子對河道的附加影響。

4 應用實例

在實際河流水質預測評價工作中，通常以某一常見的污染物因子為控制指標，如COD、氨氮，當該污染物濃度衰減至河道初始濃度背景值時，即可認為該衰減距離為影響范圍，但從水質管理目標的角度出發(fā)，因水質管理目標對應的某項污染物濃度與河道初始濃度背景值并不重疊，此時則需要對影響評價結果做出相應調(diào)整。

本文以靈璧縣某鄉(xiāng)鎮(zhèn)擬建污水處理廠項目為例，計算該污水處理廠退水的污染物對河流水質的附加影響，對該污水處理廠退水進行水質影響評價，闡述該方法的可行性。

該污水處理廠處理能力為800 m3/d，經(jīng)管道退排至唐河，本文以主要控制性指標CODcr為例，經(jīng)處理后退排，正常工況下污染物入河處CODcr濃度為50 mg/L，而非正常工況下濃度為250 mg/L。

唐河位于宿州市境內(nèi)，現(xiàn)狀水質管理目標為Ⅳ類水標準，在該水質管理目標下，要求控制指標CODcr濃度范圍為20～30 mg/L。

唐河自排污口入河斷面至下游303省道公路橋控制斷面河段長約20 km，從最不利工況的角度出發(fā)，取90%的枯水年份最小月份流量，根據(jù)測量為0.15 m3/s，對應流速為0.001 5 m/s，綜合衰減系數(shù)取0.1 d-1?；谏鲜龌緮?shù)據(jù)，計算該污水處理廠退水的污染物對河流水質的附加影響。

經(jīng)計算，該污水處理廠退水所產(chǎn)生的污染物對河流水質的附加影響沿唐河各斷面的變化情況詳見表1。

以唐河2018年303省道公路橋斷面水質監(jiān)測成果的平均值為河流水質背景值，其中CODcr為21.6 mg/L，即唐河現(xiàn)狀水質符合地表水Ⅳ類標準。

表1 污水處理廠退水的污染物對河流水質指標（CODcr）的附加影響計算結果

（1）在不考慮河流現(xiàn)狀水質類別的情況下，正常工況下，在x=8 000 m處可以基本認為污水處理廠退水對河道水質的影響可以忽略；非正常工況下，在x=10 000 m處可以基本認為污水處理廠退水對河道水質的影響可以忽略。

（2）從河流現(xiàn)狀水質管理目標的角度出發(fā)，唐河水質背景值CODCr為21.6 mg/L，以出縣境控制斷面水質類別為依據(jù)，正常工況下，污水處理廠退水不會影響水質類別（即表中數(shù)據(jù)+河流水質背景值≤水質Ⅳ類標準限值）；非正常工況下，在x=800 m處污水處理廠退水已經(jīng)不會影響河流現(xiàn)狀水質類別。

5 結論

（1）在一定條件下，計算污染物對河流水質的附加影響，對擬建項目退水影響做出評價，可有效避免對河流多斷面水質濃度背景值的影響，降低評價工作難度。

（2）從水功能區(qū)河流水質類別及水質管理目標的角度出發(fā)，采用污染物對河流水質的附加影響評價方法對擬建退水所形成的影響做出定性定量的評價，可直觀地呈現(xiàn)對河流水質的影響程度。

（3）采用污染物對河流水質的附加影響評價方法，可清晰表達入河排污口設置對水質管理目標的影響，可以為水域相關管理提供較為直觀的數(shù)據(jù)支撐。

（4）污染物對河流水質的附加影響評價方法雖然在計算形式上較為簡易，但有效聯(lián)系了河流水質管理目標，為水質預測評價工作提供了一個新的思路。