石維， 劉德文， 郭麗峰

(1.水利部海河水利委員會 水資源保護科學研究所，天津 300170；2.生態(tài)環(huán)境部海河流域北海海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學研究中心，天津 300170)

《中共中央國務院關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》(中發(fā)〔2011〕1號)和《國務院關(guān)于實行最嚴格水資源管理制度的意見》(國發(fā)〔2012〕3號)明確提出建立水功能區(qū)限制納污制度，即確立水功能區(qū)限制納污紅線，從嚴核定水域納污容量，嚴格控制入河湖排污總量。2015年國務院印發(fā)的《水污染防治行動計劃》也明確要求“加強水功能區(qū)監(jiān)督管理，從嚴核定水域納污能力?！焙：恿饔蚴俏覈?、文化中心和經(jīng)濟發(fā)達地區(qū),河流水質(zhì)總體較差，水質(zhì)劣于Ⅲ類的受污染河長占63%，主要污染項目為氨氮、COD、高錳酸鹽指數(shù)等。核定海河流域河流納污能力是制定河流限制排污總量、促進區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量改善的關(guān)鍵。

水體納污能力是指在水體設計水文條件下，滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標要求所能容納的最大污染物量[1-2]。而科學地對水體納污能力進行量化，模型參數(shù)是影響納污能力計算結(jié)果的重要因素之一。在水質(zhì)模型中，一般將污染物在水環(huán)境中的物理降解、化學降解和生物降解概化為污染物綜合降解系數(shù)。污染物綜合降解系數(shù)反映了污染物在水體作用下降解速度的快慢，是計算納污能力的重要參數(shù)，與河流的水溫、水文條件(如流量、流速、河寬、水深、泥沙含量)、污染物濃度梯度和河道狀況等因素有關(guān)[3]。因此，確定污染物綜合降解系數(shù)對計算水體納污能力、預測污染物濃度、制定污染物控制方案等整個過程的準確性和合理性有較大影響。

河流綜合降解系數(shù)的確定方法有很多，主要有現(xiàn)場監(jiān)測法、室內(nèi)模擬實驗法、歷史資料類比分析法、實測資料反推法、常規(guī)監(jiān)測資料估算等[4-5]。張世坤等通過室內(nèi)模擬實驗對黃河花園口斷面開展了污染物自凈降解研究[6]。張亞麗等通過現(xiàn)場模擬法,采用一維穩(wěn)態(tài)模型測算了淮河支流洪河五溝營—塔橋鄉(xiāng)河段COD、氨氮和總磷在枯水期、平水期和豐水期的綜合降解系數(shù)[7]。孫遠軍等以上海市的蒲匯塘河道為研究對象,通過環(huán)形水槽開展和塑料箱同步開展了河水的動態(tài)和靜態(tài)降解實驗[8]。呂寶闊和原暉等采用歷史監(jiān)測資料分別對蒲河和復州河計算分析了綜合降解系數(shù)年變化趨勢[9-10]。許鈺沐采用2010—2013年分上、中、下旬計算了不同月份的污染物降解系數(shù),并用2015年實測水質(zhì)資料對分析結(jié)果進行了反算驗證[11]。馬雪鑫采用2017年4月至2018年1月連續(xù)9個月的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),計算了烏梁素海的綜合降解系數(shù)[12]。目前，國內(nèi)大多數(shù)研究是以室內(nèi)模擬實驗法來計算水質(zhì)降解系數(shù)。由于室內(nèi)模擬計算屬于靜態(tài)實驗，在模擬過程中無法體現(xiàn)河流的水文、水利、溫度、河道特征、底泥性質(zhì)、季節(jié)變化等諸多綜合影響因素，其研究結(jié)果具有一定的局限性[13]。本文選擇在試點河流開展污染物綜合降解系數(shù)實測研究，同時也開展了室內(nèi)模擬實驗，并對結(jié)果進行了對比分析。

1 試點河流概況

為了盡可能保證實驗的準確性和測定綜合降解系數(shù)的代表性，所選河段一般要求比較順直，河道較為規(guī)整，水流穩(wěn)定，沒有排污口和支流匯入，沒有取水口等。另外，所選河段的長度要適當，不能過長，也不能過短，河段太短，污染物剛開始自凈；河段太長，污染物已經(jīng)完全自凈。兩種情況都不能準確地反映污染物自凈過程[14]。

本文選取海河流域漳衛(wèi)南運河水系的衛(wèi)河元村—館陶段(62 km)、衛(wèi)運河館陶—臨清段(57 km)為實驗河段，兩河段均無入河排污口，無支流匯入，無閘壩攔河建筑物。

漳衛(wèi)南運河是海河流域五大水系之一，由漳河、衛(wèi)河、衛(wèi)運河、漳衛(wèi)新河和南運河組成，流經(jīng)山西、河南、河北、山東4省及天津市入渤海，流域面積37 700 km2。該水系地處溫帶半干旱、半濕潤季風氣候區(qū)，多年平均氣溫14 ℃，多年平均降雨量608.4 mm，6—9月份降雨量占年降雨量的70%以上。多年平均水面蒸發(fā)量為1 100 mm(E601型蒸發(fā)皿觀測值)，陸面蒸發(fā)量為487 mm。

漳衛(wèi)南運河水系如圖1所示。衛(wèi)河和衛(wèi)運河的污染物綜合降解系數(shù)K值監(jiān)測斷面位置示意圖如圖2所示。

圖1 漳衛(wèi)南運河水系示意圖

圖2 衛(wèi)河和衛(wèi)運河K值監(jiān)測斷面位置示意圖

2 實驗方案設計及計算方法

2.1 方案設計

污染物綜合降解系數(shù)K常采用的實測研究方法，主要包括二斷面法和多斷面法。根據(jù)試點河流的實際情況，本文采用二斷面法率定K值。

分別在元村、館陶、臨清布設1個采樣點，6、7、8、9、11月每月進行1次追蹤監(jiān)測，每次測定平均流速、水溫、DO、CODcr、氨氮等參數(shù)。同時于6月份和9月份分別在元村、館陶、臨清取水樣靜置于室內(nèi)，每天測定水溫、CODcr、氨氮，連測7 d。

野外追蹤實驗中，元村、館陶、臨清3個斷面采樣時間間隔為同一水團到達下一斷面的時間，現(xiàn)場測定斷面平均流速，并通過實測流速推算確定下斷面采樣時間。如元村斷面流量10 m3/s，從元村到館陶、館陶到臨清，大約各需要2 d，因此元村、館陶、臨清3個斷面現(xiàn)場實測流速和采樣分別在第1、3、5天進行。

2.2 K值計算方法

衛(wèi)河和衛(wèi)運河屬于典型的海河流域平原河流，河道主槽寬深比小，污染物在較短的河段內(nèi)，能在斷面內(nèi)均勻混合，斷面污染物質(zhì)量濃度橫向變化不大。一般采用一維水質(zhì)模型計算納污能力，污染物沿程質(zhì)量濃度按下式計算：

式中：C為出流污染物質(zhì)量濃度，mg/L；x為與起始斷面間的距離，km；u為設計條件下河段平均流速，km/d；C0為起始斷面污染物質(zhì)量濃度，mg/L；K為污染物綜合降解系數(shù)， d-1。

根據(jù)上式，可得：

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 野外監(jiān)測實驗

經(jīng)5次實際取樣監(jiān)測，元村—館陶段KCOD取值范圍為0.05～0.11 d-1，平均值為0.08 d-1；K氨氮取值范圍為0.25～0.94 d-1，平均值為0.46 d-1；KBOD5取值范圍為0.01～0.37 d-1，平均值為0.16 d-1。館陶—臨清KCOD平均值為0.09 d-1；K氨氮取值范圍為0.48～1.25 d-1，均值為0.73 d-1;KBOD5取值范圍為0.08～0.55 d-1，平均值為0.24 d-1。詳見表1。

表1 試點河流污染物綜合衰減系數(shù)實測結(jié)果表

兩個河段的COD和BOD5綜合衰減系數(shù)都出現(xiàn)了負值，原因是下斷面污染物濃度大于上斷面濃度。這兩個河段都是沒有排污口的，且采樣都是在晴天進行，因此可以排除點、面源等外源污染物的影響，污染是內(nèi)源引起的。20世紀八、九十年代，隨著沿河兩岸經(jīng)濟的發(fā)展，衛(wèi)河、衛(wèi)運河水質(zhì)污染嚴重，底泥由于吸附水體中的污染物質(zhì)也受到嚴重污染。近年來,隨著治理力度加大，河流水質(zhì)明顯改善，但底泥中的污染物質(zhì)從未得到治理。因此在適宜的條件下，比如高溫，底泥中的有機污染物有可能釋放到水體中[15-18]。

在北運河的實測研究表明，COD衰減系數(shù)均值為0.13 d-1，與衛(wèi)河、衛(wèi)運河上的結(jié)果相近。但包括北運河在內(nèi)的國內(nèi)相關(guān)河流衰減系數(shù)的研究結(jié)論為COD衰減系數(shù)的取值略大于氨氮衰減系數(shù)的，而衛(wèi)河、衛(wèi)運河實測研究表明，COD衰減系數(shù)要小于氨氮衰減系數(shù)，利用館陶至臨清段的歷史常規(guī)水量水質(zhì)資料推求出來的COD衰減系數(shù)也小于氨氮衰減系數(shù)。這可能和河流自身條件和所處的自然環(huán)境有關(guān)，需要深入研究。

根據(jù)實測計算得到的COD綜合衰減系數(shù)、河段平均流速以及河長等數(shù)據(jù)，反推兩個河段的COD自凈率，元村—館陶段平均為6%，館陶—臨清段平均為8.5%，比較符合河流實際情況。

根據(jù)館陶—臨清段2009年歷史同期水質(zhì)水量資料，計算得COD綜合衰減系數(shù)均值為0.079 d-1，與本實驗結(jié)論基本一致。

綜上說明，本文測得的COD綜合衰減系數(shù)基本符合河流實際情況。

3.2 實驗室衰減實驗

根據(jù)室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)，用指數(shù)函數(shù)擬合元村、館陶、臨清3個斷面的污染物綜合衰減系數(shù)，結(jié)果見表2和如圖3所示。

表2 污染物綜合衰減系數(shù)室內(nèi)實測結(jié)果 單位： d-1

圖3 元村、館陶、臨清綜合衰減系數(shù)擬合曲線

由表2可知:元村、館陶和臨清的COD綜合衰減系數(shù)分別為0.01、0.03、0.06 d-1；氨氮綜合衰減系數(shù)分別為0.43、0.74、0.36 d-1；BOD5綜合衰減系數(shù)分別為0.04、0.11、0.21 d-1。元村—館陶段COD平均綜合衰減系數(shù)為0.02 d-1；氨氮綜合衰減系數(shù)平均值為0.58 d-1；BOD5綜合衰減系數(shù)平均值為0.07 d-1。館陶—臨清段COD平均綜合衰減系數(shù)為0.05 d-1；氨氮綜合衰減系數(shù)平均值為0.55 d-1；BOD5綜合衰減系數(shù)平均值為0.16 d-1。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

野外監(jiān)測實驗結(jié)果表明：元村—館陶段COD、氨氮和BOD5平均綜合降解系數(shù)分別為0.08、0.46、0.16 d-1；館陶—臨清段COD、氨氮和BOD5平均綜合降解系數(shù)分別為0.09、0.73、0.24 d-1。

室內(nèi)實驗結(jié)果表明：元村—館陶段COD、氨氮和BOD5平均綜合降解系數(shù)分別為0.02、0.58、0.07 d-1；館陶—臨清段COD、氨氮和BOD5平均綜合降解系數(shù)分別為0.05、0.55、0.16 d-1。

4.2 討論

對比室內(nèi)和野外實驗結(jié)果可以看出，氨氮綜合衰減系數(shù)的室內(nèi)和野外結(jié)果相差不大，而COD和BOD5綜合衰減系數(shù)的室內(nèi)結(jié)果均小于野外結(jié)果。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能有以下兩個方面：一是水樣中氨氮質(zhì)量濃度為4 mg/L(劣Ⅴ類)左右，比較高，因此容易降解，而COD和BOD5質(zhì)量濃度在40 mg/L和15 mg/L左右(接近Ⅴ類)，本身COD和BOD5質(zhì)量濃度相對于氨氮來說比較低，所以難降解；二是室內(nèi)和野外自然環(huán)境條件存在差異。野外環(huán)境中水溫較高，流速較大，污染物降解速度較快，因此野外污染物綜合衰減系數(shù)比室內(nèi)的大。

實驗室模擬所求得的污染物綜合降解系數(shù)是理想條件下的，它雖然反映了一定的物理、化學和生化特征，但無法反映出水文、氣象等條件對污染物的影響?，F(xiàn)場實測數(shù)據(jù)確定的水質(zhì)參數(shù)是一個綜合降解系數(shù)，它除了反映污染物本身的生化降解特性外，還反映了沉降、懸浮等水流綜合效應[19-21]。實驗室水樣靜置模擬7 d后比現(xiàn)場水樣實測的降解系數(shù)明顯減小，KCOD平均值減小0.08 d-1，K氨氮平均值減小0.30 d-1，說明流速對降解系數(shù)的影響明顯。