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        松花江支流梧桐河COD和氨氮動態(tài)水環(huán)境容量研究

        2022-01-08 13:45:38于曉英杜慧玲董彭旭
        關(guān)鍵詞:環(huán)境容量支流排污口

        于曉英,杜慧玲,董彭旭,姜 兵

        (黑龍江省環(huán)境科學(xué)研究院,黑龍江 哈爾濱 150056)

        0 引言

        水環(huán)境容量是指在給定水域范圍和水文條件,規(guī)定排污方式和水質(zhì)目標(biāo)的前提下,單位時間內(nèi)該水域最大允許納污量[1]是水環(huán)境管理的基礎(chǔ)[2-4].近年來,國內(nèi)外已有較多關(guān)于水環(huán)境容量相關(guān)研究,通過研究松花江干支流的水環(huán)境容量,可對松花江干流的水質(zhì)保障及環(huán)境管理起到積極的作用.目前針對黑龍江省內(nèi)河流的研究多集中在松花江干流,主要涉及松花江干流哈爾濱段[5-11],松花江干流佳木斯段[12-13]、松花江干流肇東段[14]的水環(huán)境容量研究也有相應(yīng)體現(xiàn),對松花江支流的水環(huán)境容量研究內(nèi)容相對較少,涉及牡丹江[15-16]、阿什河[17-18]、安肇新河[19],對松花江支流梧桐河的動態(tài)水環(huán)境容量未見有相關(guān)內(nèi)容研究.本研究針對北方寒冷地區(qū)河流季節(jié)性水環(huán)境容量不均的問題,以黑龍江省鶴崗境內(nèi)第一條大河梧桐河為研究對象,采用國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的公式法[20],研究COD和氨氮的動態(tài)水環(huán)境容量,為當(dāng)?shù)厮h(huán)境容量的合理利用和水環(huán)境管理提供有效依據(jù).

        1 研究方法

        1.1 選用模型

        梧桐河屬松花江一級支流,寬深比較大,屬于寬淺型河道,污染物在排放到水體后,沿流程在很長距離的河段內(nèi)不能達(dá)到斷面內(nèi)均勻混合,污染物濃度在斷面上沿橫向變化較大,且沿岸污染源為岸邊排放,故采用二維岸邊排放水質(zhì)模型[7],結(jié)合段尾控制法計算水環(huán)境容量[7,21],讓水質(zhì)在各段末達(dá)到功能區(qū)段水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).計算公式見式(1):

        (1)

        式中,cs為污染物在研究河段的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(mg/L);c0為污染物在研究河段的本底值(mg/L);xi為敏感點到排污口的距離(m);My為河流縱向、橫向的彌散系數(shù)(m2/s);ux為河流的平均流速(m/s);K1為污染物的衰減速度常數(shù)(d-1);B為河流水面寬度(m);H為河流平均水深(m);π為圓周率.

        1.2 計算單元的劃分和計算因子的確定

        根據(jù)水質(zhì)斷面及功能區(qū)目標(biāo)設(shè)置情況,梧桐河河段設(shè)梧桐河漂流站-梧桐河口內(nèi)1個計算單元,將COD和NH3-N作為水環(huán)境容量計算因子.計算單元屬性見表1.圖1為研究區(qū)域排污口和斷面概化示意圖.梧桐河漂流站-梧桐河口內(nèi)的主要排污口為鶴崗市東部污水處理廠,其與終點斷面的距離為21 km.

        圖1 梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)斷面之間排污口概化示意圖

        1.3 模型參數(shù)的選取

        1.3.1 水文參數(shù)

        依據(jù)2009—2013年水文資料,取相應(yīng)月份的最小流量作為當(dāng)月的設(shè)計流量,其他水文參數(shù)均為此設(shè)計流量下的值.在這種設(shè)計條件下,水環(huán)境所能提供的環(huán)境容量值隨著月份變化,這樣能在保證水質(zhì)的前提下更充分地利用水環(huán)境容量.

        1.3.2 橫向彌散系數(shù)My及降解系數(shù)K1

        My采用Taylor公式(2)進(jìn)行求解.

        (2)

        式中:My為河流橫向的彌散系數(shù),m2/s;B為河流水面平均寬度,m;h為河流平均水深,m;g為重力加速度,9.8 m/s2;i為平均縱向坡降,取0.7.

        由公式(2)計算彌散系數(shù),結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)對相應(yīng)斷面的COD以及NH3-N的預(yù)測濃度和實測濃度進(jìn)行了擬合分析和修正,結(jié)合已有文獻(xiàn)以及經(jīng)驗系數(shù)法初步確定計算單元的降解系數(shù)K1值,再根據(jù)已有監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和修正,經(jīng)過率定后的My及K1值見表2.

        表2 梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)段彌散系數(shù)、降解系數(shù)表

        2 結(jié)果與分析

        2.1 理想水環(huán)境容量計算結(jié)果

        理想水環(huán)境容量是將計算單元視為獨立的河段,不考慮上下游水體對水環(huán)境容量的影響,也不考慮支流和排污口的影響.根據(jù)公式(1)及設(shè)計參數(shù),對理想水環(huán)境容量進(jìn)行計算,結(jié)果見表3.雖然理想水環(huán)境容量不能直接應(yīng)用于實際,但是對于水環(huán)境容量的利用和規(guī)劃還是具有指導(dǎo)性意義的.

        表3 梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)段COD理想動態(tài)水環(huán)境容量

        2.2 實際水環(huán)境容量計算結(jié)果

        在理想水環(huán)境容量研究基礎(chǔ)上,結(jié)合實際情況,對梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)段的實際水環(huán)境容量進(jìn)行計算.

        2.2.1 考慮上游水質(zhì)對水環(huán)境容量的影響

        根據(jù)2013年監(jiān)測結(jié)果,上游來水梧桐河漂流站斷面COD水質(zhì)優(yōu)于功能區(qū)Ⅲ類水體的要求而達(dá)到Ⅱ類水體的標(biāo)準(zhǔn).因此在計算實際水環(huán)境容量時,上游來水按照Ⅱ類水體COD限值為15 mg/L,NH3-N為0.5 mg/L進(jìn)行核算.其水環(huán)境容量重新核算結(jié)果見表4.

        表4 考慮上游水質(zhì)情況下梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)段COD實際動態(tài)水環(huán)境容量

        與理想水環(huán)境容量相比,COD的實際水環(huán)境容量年總量從9 159.277 t/a 增加至12 854.525 t/a,增加幅度達(dá)40%,NH3-N的實際水環(huán)境容量年總量從442.682 t/a 增加至812.207 t/a,增加幅度達(dá)83%.由此可見,上游水體的水質(zhì)優(yōu)劣對下游水體的水環(huán)境容量有著很大的影響,若要確保下游水體的水環(huán)境容量能滿足該段生產(chǎn)和生活的需求,必須嚴(yán)格控制上游水體水質(zhì).

        2.2.2 考慮支流及排污口對水環(huán)境容量的影響

        梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)的主要支流從西北到東南依次為細(xì)鱗河、鶴立河.細(xì)鱗河匯入梧桐河的位置在水文站的上游,水文站的數(shù)據(jù)已經(jīng)包括了細(xì)鱗河對干流的影響,因此,對于支流僅需考慮鶴立河的水功能區(qū)劃及水文參數(shù),鶴立河的水質(zhì)目標(biāo)為III類,水質(zhì)現(xiàn)狀為V類,鶴立河最小流量為0.385 m3/s.此外,梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)有一較大污染源為鶴崗市東部污水處理廠,該污染源流量較大,因此還需考慮其對水體的影響,該污水處理廠建成時間為2013年7月,設(shè)計規(guī)模為3萬m3/d.支流及排污口的排放量及流量情況見表5.

        表5 主要支流及排污口排放量

        由于支流和排污口水量的匯入,水體的流量、流速、水面寬度及水深等都將發(fā)生變化.但水文資料有限,本研究假設(shè)支流和排污口水量的匯入并不會改變水體的寬度和深度,只對流速產(chǎn)生影響.將支流及排污口作為流速變化的分界斷面,按照設(shè)計流量重新核算不同斷面沿河流速變化,綜合考慮上游水質(zhì)及支流匯入的實際情況,對梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)計算單元的水環(huán)境容量進(jìn)行重新核算,核算結(jié)果見表6.COD和NH3-N的理想動態(tài)水環(huán)境容量與實際動態(tài)水環(huán)境容量對比情況見圖2、圖3.

        表6 梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)段COD實際動態(tài)水環(huán)境容量

        由圖2、圖3可知,COD與氨氮年內(nèi)動態(tài)水環(huán)境容量變化趨勢相似,最大水環(huán)境容量均出現(xiàn)在8月份,最小水環(huán)境容量均出現(xiàn)在3月份.所計算河段的實際動態(tài)水環(huán)境容量除個別月份外,其余月份均大于理想水環(huán)境容量.與理想水環(huán)境容量相比,在綜合考慮上游水質(zhì)、支流和排污口匯入的情況下,該河段內(nèi)COD的實際水環(huán)境容量年總量由9 159.277 t/a升至10 887.764 t/a,增加幅度達(dá)13.86%,NH3-N的水環(huán)境容量年總量由442.682 t/a增至674.895 t/a,增加幅度達(dá)52.46%.由此可知,盡管支流和排污口匯入該河段,但由于上游來水水質(zhì)較好,該河段的實際水環(huán)境容量年總量仍比理想水環(huán)境容量有明顯增加.

        圖2 COD理想動態(tài)水環(huán)境容量及實際動態(tài)水環(huán)境容量

        圖3 氨氮理想動態(tài)水環(huán)境容量及實際動態(tài)水環(huán)境容量

        2.2.3 各水期動態(tài)水環(huán)境容量情況

        該河段豐、平、枯各水期 COD 和氨氮的理想水環(huán)境容量和實際水環(huán)境容量平均值分別見圖4和圖5.無論理想動態(tài)水環(huán)境容量還是實際動態(tài)水環(huán)境容量,COD與氨氮水環(huán)境容量隨水期變化的趨勢基本一致.各水期COD和氨氮均為豐水期水環(huán)境容量最大,枯水期水環(huán)境容量最小.

        圖4 各水期COD和氨氮理想動態(tài)水環(huán)境容量

        圖5 各水期COD和氨氮實際動態(tài)水環(huán)境容量

        3 結(jié)論

        1)無論理想動態(tài)水環(huán)境容量還是實際動態(tài)水環(huán)境容量,COD與氨氮水環(huán)境容量隨水期及年內(nèi)變化趨勢基本一致,豐水期水環(huán)境容量最大,枯水期水環(huán)境容量最小.最大水環(huán)境容量均出現(xiàn)在8月份,最小水環(huán)境容量均出現(xiàn)在3月份.

        2)由于上游來水水質(zhì)較好,盡管有支流和排污口匯入,該河段COD與氨氮實際動態(tài)水環(huán)境容量除個別月外,其他月均高于理想動態(tài)水環(huán)境容量,可以通過控制上游水體水質(zhì)來確保下游水體的水環(huán)境容量.

        3)水環(huán)境容量受季節(jié)性影響變化明顯,且受上游來水、排污口及支流等影響,建議對河段實行動態(tài)管理,更合理地利用水環(huán)境容量,為環(huán)境管理提供參考和理論依據(jù).

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