趙艷鋒，武宏娟，康佳琪

（1.山西省水文水資源勘測總站，太原 030001；2.臨汾市水文水資源勘測站，山西 臨汾 041000）

河流污染物綜合衰減系數(shù)K反映污染物在水體作用下降解速度的快慢， 它是河流水質(zhì)模型的關(guān)鍵參數(shù)，在計算水體納污能力、預測污染物濃度變化、制定污染物控制方案等方面， 如何確定并選擇科學合理的污染物綜合衰減系數(shù)成為關(guān)鍵［1］。 目前，污染物綜合衰減系數(shù)的確定方法主要包括水團追蹤實測法、實驗室模擬法、經(jīng)驗公式估算、類比與分析借用等［2］。 因河流本身的實際情況差別很大，用經(jīng)驗公式法及分析借用法判定河流污染物的綜合衰減系數(shù)有一定的誤差性［3］。 實驗室模擬法因無法還原河流實際形態(tài)、水文水力條件和物理流域各因素邊界條件，衰減系數(shù)容易失真。

本文以汾河干流典型污染物氨氮、 總磷為研究對象， 采用水團追蹤現(xiàn)場實測法測定汾河柴莊段污染物衰減系數(shù)，得出綜合衰減系數(shù)取值范圍和指導值，可以為建立汾河水質(zhì)預警預報模型、應對突發(fā)水污染事件及流域水生態(tài)保護與修復等提供科學依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 河段選擇

汾河是黃河第二大支流，山西省內(nèi)最大河流。汾河發(fā)源于寧武縣東寨鎮(zhèn)管涔山脈，流向自北向南，縱貫大半個山西， 匯聚源自呂梁、 太行兩大山區(qū)的支流，穿越太原、臨汾兩大盆地，于禹門口下游匯入黃河，平均縱坡0.112%，河道彎曲系數(shù)1.68。 其中河源至蘭村段及靈石至洪洞趙城河段， 河水穿行于山峽之間，縱坡較大，約0.25%～0.44%；蘭村以下至介休義棠及趙城以下至河口兩段，流經(jīng)太原、臨汾盆地，縱坡平緩，約0.03%～0.05%［4］。 本著測試河段應具備代表性和便于采樣監(jiān)測兩個原則， 選取汾河干流襄汾縣城下游至侯馬新絳交界處， 總河長45.2km為試驗河段。 該河段水面寬40～50m，非汛期水流穩(wěn)定、無支流匯入，無入河排污口、無人工閘壩、試驗期無提引水，便于采樣及施測。

根據(jù)現(xiàn)場查勘情況， 自上而下共布設(shè)毛村、柴莊、汾陰橋、上平望、侯馬5個斷面作為試驗監(jiān)測斷面，試驗河段各斷面基本信息如表1。

表1 試驗河段各監(jiān)測斷面信息

1.2 試驗過程

1.2.1 水團追蹤

以裝有適量水的帶標記塑料壺作為浮標進行現(xiàn)場水團追蹤，測得毛村至柴莊斷面用時7h8min，柴莊至汾陰橋斷面用時7h45min，汾陰橋至上平望斷面用時15h，上平望至侯馬斷面用時5h。

1.2.2 監(jiān)測參數(shù)

監(jiān)測參數(shù)包括流量、流速、河寬、水深等水文參數(shù)及水溫、DO、pH值、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）等水質(zhì)參數(shù)。 氨氮實驗室分析檢測采用納氏試劑分光光度法，總磷采用連續(xù)流動鉬酸銨分光光度法。

1.2.3 采樣試驗

2020年11月17日10：00進行預試驗， 毛村斷面以1h為間隔， 分別采集0，1，2h 3個水樣。 于7h8min，7h45min，30h，35h后分別采集柴莊、汾陰橋、上平望、侯馬斷面的水樣。 在11月17日預試驗基礎(chǔ)上，11月20日0：00起，對各斷面進行連續(xù)12h采樣試驗。毛村斷面以1h為間隔，分別采集0，1，2，……11h共12個水樣，按水團歷時于7h8min，7h45min，30h，35h后分別采集柴莊、汾陰橋、上平望、侯馬斷面對應時間水樣，分批送實驗室檢測。 同斷面連續(xù)采樣監(jiān)測可有效消除斷面污染物濃度波動對綜合衰減系數(shù)計算結(jié)果的影響。

為保證檢測過程一致性，5個斷面采樣位置均為中弘一點（水面寬約50m）， 采樣水深在水面下0.5m（水深約1.3m），按送樣路程最遠斷面（侯馬）自采樣至送回試驗室時間計算， 每個樣品從采樣到檢測時間間隔均控制為5h。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物濃度沿程變化

根據(jù)上述試驗方法，得出氨氮、總磷濃度沿程變化情況如圖1、圖2。

圖1 氨氮濃度沿程變化

圖2 總磷濃度沿程變化

可以看出，實驗條件下典型污染物氨氮、總磷濃度沿程下降趨勢均較為明顯。 氨氮濃度在上斷面毛村 以 下 的 柴 莊（9.4km）、汾 陰 橋（20.5km）、上 平 望（37.3km）斷面下降趨勢基本一致，下降速率較快，上平望-侯馬斷面下降趨勢較平緩?？偭诐舛仍谇鞍攵危逯练陉帢?，總磷濃度大于0.250mg/L）比后半段（汾陰橋至侯馬，總磷濃度小于0.250mg/L）降低較快，說明試驗條件下總磷降解速率受初始濃度的影響較大，初始濃度越高降解速率越快（0.250mg/L可能是總磷降解速率快慢的閾值，有待進一步實驗研究）。

2.2 衰減系數(shù)K

2.2.1 計算模型

本次試驗河段河寬約50m，流量在10m3/s 左右，流速小于1m/s，水深小于1.5m，基本滿足：①無外源污染源，僅考慮污染物的衰減；②垂向尺度遠小于水平輸送尺度，從而忽略垂向擴散；③上斷面各污染物一開始就完全混合，從而忽略橫向擴散。 可認為屬一維均勻穩(wěn)定流，污染物衰減計算采用一維水質(zhì)模型［2］，即：

2.2.2 計算統(tǒng)計

將試驗河段進行概化， 自上而下分別為毛村f1、柴莊f2、汾陰橋f3、上平望f4、侯馬f55個連續(xù)斷面，上下游斷面間距分別為9.4，11.1，16.8，7.9km， 分為4個河段g1，g2，g3，g4，如圖3。

圖3 試驗河段概化

根據(jù)f1與f2斷面檢測結(jié)果，計算得單個河段g1綜合衰減系數(shù)Kg1，以此類推，可計算g1～g44個河段綜合衰減系數(shù)Kg1～Kg4；將連續(xù)河段進行組合，f1～f3斷面為河段g5，f1～f4斷面為河段g6，f1～f5斷面為河段g7，f2～f4斷面為河段g8，f2～f5斷面為河段g9，f3～f5斷面為河段g10，可得g5～g106個河段綜合衰減系數(shù)Kg5～Kg10， 以此類推，本次試驗的15組監(jiān)測數(shù)據(jù)共得150組計算結(jié)果Kg1-Kg150；再取0～2h試驗各項目濃度均值按前述方法，可得Kg151～Kg160； 取0～11h試驗各項目濃度均值按前述方法，可得Kg161～Kg170。 自此共得綜合衰減系數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果樣本集（Kg1～Kg170）。

2.2.3 計算結(jié)果

按上述方法將樣本集中K為負值的異常值剔除（可能的原因是個別測次采樣不規(guī)范、采樣水深0.5m不能精確把握、擾動底泥等），氨氮有6組異常數(shù)據(jù)，總磷有5組異常數(shù)據(jù)，實際氨氮有效樣本數(shù)據(jù)164組，總磷有效樣本數(shù)據(jù)165組。將樣本數(shù)據(jù)按四分位法進行匯總統(tǒng)計， 氨氮綜合衰減系數(shù)分布情況如圖4，總磷綜合衰減系數(shù)分布情況如圖5。

圖4 氨氮綜合衰減系數(shù)分布情況

圖5 總磷綜合衰減系數(shù)分布情況

分別計算樣本集數(shù)值平均值、第一四分位數(shù)Q1、中位數(shù)Me、第三四分位數(shù)Q3。 統(tǒng)計計算結(jié)果如表2。

表2 典型污染物綜合衰減系數(shù)統(tǒng)計計算結(jié)果

根據(jù)樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，考慮試驗河段K值取值的穩(wěn)健安全性，將四分位距（Q1～Q3）作為綜合衰減系數(shù)取值區(qū)間， 將中位數(shù)值作為綜合衰減系數(shù)取值指導值。氨氮、總磷的綜合衰減系數(shù)范圍依次為：0.606～1.089d-1、0.296～0.520d-1，中位數(shù)分別為0.847d-1、0.374d-1。

同時發(fā)現(xiàn)，總磷第一四分位以下數(shù)（較小的K值）在起始河段（毛村至柴莊斷面）樣本數(shù)僅有1個，說明總磷綜合衰減系數(shù)在上游河段較下游河段為大，主要原因是上游斷面初始濃度較下游斷面濃度更高，總磷衰減更顯著。

不同污染項目在天然河流中均受污染物自身性質(zhì)、水溫、pH值、溶解氧、微生物性質(zhì)、懸浮物顆粒粒徑、河床坡度、水動力條件等的綜合影響［5］，這些影響因素有可能發(fā)生協(xié)同作用也有可能產(chǎn)生拮抗作用。本次汾河柴莊段現(xiàn)場實測試驗，氨氮衰減效率較高，綜合衰減系數(shù)較大。分析認為氨氮在自然河道中的含量變化兼有吸附沉降等物理化學過程和微生物吸收代謝等生物作用， 試驗條件下較低的環(huán)境溫度（6～10℃）可能限制了生物作用（現(xiàn)場試驗同時進行COD檢測，各斷面COD濃度無明顯差異），但對物理化學過程應無較大影響， 氨氮衰減以物理化學過程為主。另外，試驗河段氨氮濃度（1.26～7.89mg/L，國內(nèi)其他研究中氨氮濃度多在0.025～0.650mg/L）較高，可能也是氨氮衰減效率較高的一個原因， 即相同條件下，氨氮初始濃度越高衰減速率越快［6］。 總磷衰減同樣以吸附、沉降等物理化學過程為主，研究河段試驗條件下總磷衰減效率較高， 總磷綜合衰減系數(shù)可靠性較高。但水體中各污染項目關(guān)于發(fā)生生物作用、物理化學過程、污染物衰減變化機理的研究較少，有待進一步研究。

2.2.4 結(jié)果驗證

將本次試驗結(jié)果與國內(nèi)相關(guān)研究成果對比（表3）。國內(nèi)河流氨氮衰減系數(shù)取值多在0.050～1.550d-1，總磷衰減系數(shù)取值多在0.030～1.300d-1，本次試驗低溫枯水期汾河下游段各項目衰減系數(shù)取值區(qū)間處于上述范圍，汾河段污染物綜合衰減系數(shù)取值范圍基本合理。

表3 國內(nèi)部分河流污染物綜合衰減系數(shù)

續(xù)表3

3 結(jié)語

（1）本文采用一維水質(zhì)模型計算和四分位法統(tǒng)計分析，確定低溫枯水期汾河下游柴莊段氨氮綜合衰減系數(shù)范圍為0.606～1.089d-1，取值指導值為0.847d-1；總磷綜合衰減系數(shù)范圍為0.296～0.520d-1， 取值指導值為0.374d-1。

（2）試驗條件下，典型污染物氨氮和總磷衰減效率較高，綜合衰減系數(shù)較大，衰減系數(shù)可靠性較高。氨氮和總磷衰減可能主要依靠吸附、沉降等物理化學過程，衰減效率受初始濃度影響明顯，初始濃度越高河段衰減系數(shù)越大。另外，本次試驗在低溫枯水期（氣溫6～10℃，水溫6～10℃，流量10m3/s左右）進行，應對高溫、豐水期污染物綜合衰減系數(shù)做進一步試驗研究。

（3）本研究成果為我國相關(guān)水質(zhì)參數(shù)確定提供參考依據(jù)，為進一步研究河流水體自凈規(guī)律、建立水質(zhì)模型、確定水環(huán)境容量、制定水污染控制計劃與水生態(tài)修復方案提供科學依據(jù)。