劉迷亮

(惠民縣水利安裝服務(wù)中心,山東 惠民 251700)

0 引 言

近年來,隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn),包括工業(yè)污水、生活污水在內(nèi)的各種污染排放激增,大量未經(jīng)處理或者不達(dá)標(biāo)的污水廢水直接排入河流干道,帶來了嚴(yán)重的河流生態(tài)危機(jī)。因此,如何進(jìn)行水環(huán)境治理成為目前各界關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。

本文從兩種污染類型入手,即點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染。其中,點(diǎn)源污染具有固定排污特點(diǎn),而非點(diǎn)源污染則具備廣泛隨機(jī)、模糊潛伏等特點(diǎn)。特別是在包含農(nóng)村地區(qū)在內(nèi)的流域區(qū)段,非點(diǎn)源污染問題更加凸顯,一方面是農(nóng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng),如農(nóng)業(yè)種植、畜牧養(yǎng)殖等活動(dòng)產(chǎn)生的污染;另一方面是農(nóng)村居民對于水環(huán)境保護(hù)意識(shí)不充分,加大了非點(diǎn)源污染的程度。因此,如何協(xié)同計(jì)算兩者的負(fù)荷以及污染貢獻(xiàn)率是研究重點(diǎn)?？紤]到QUAL2K模型在水質(zhì)模擬方面更全面,適應(yīng)性更強(qiáng),且人力財(cái)力花費(fèi)更具備經(jīng)濟(jì)性,因此研究選擇該模型對水力模擬和水質(zhì)模擬進(jìn)行分析[2],得出多源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率結(jié)果,為污水治理提出有價(jià)值的指導(dǎo)建議。

1 基于QUAL2K水質(zhì)模型的河道多源污染負(fù)荷計(jì)算

1.1 河道多源污染負(fù)荷計(jì)算分析

本文研究對象山東濱州徒駭河水環(huán)境所受的污染,包括工業(yè)廢水排放污染、農(nóng)業(yè)種植和畜牧養(yǎng)殖帶來的污染以及水土自然流失等。對于多源頭污染負(fù)荷計(jì)算,一般分為點(diǎn)源頭污染以及非點(diǎn)源頭污染兩種計(jì)算類別[3-4]。其中,點(diǎn)源頭污染主要包含借由管道輸入河流的工業(yè)污染,而非點(diǎn)源頭污染包括未經(jīng)處理經(jīng)由地表滲透而出的農(nóng)業(yè)種植或養(yǎng)殖污水以及水土自然流失。對于所選的徒駭河曲段,該研究段分布較多為中小型加工廠,且集中在木材、建材等方向,部分為農(nóng)產(chǎn)品代工廠[5-6]。

根據(jù)入河系數(shù)法,可以估算工業(yè)污染負(fù)荷。在已知工廠污水排放方式以及位置的情況下,入河系數(shù)法通過工廠污染排放出口和污染最終進(jìn)入流域的入口間距(記為L)以及溫度等影響因子,衡量工廠產(chǎn)污量和工廠污染入河量之間的比例關(guān)系。而入河系數(shù)又可由渠道修正系數(shù)α、溫度修正系數(shù)β以及規(guī)定的污染初始入河系數(shù)三者的乘積得到。根據(jù)工廠排污口到污染入河口的距離值,可以查表得到初始入河系數(shù);根據(jù)污染是否經(jīng)由明渠入河,可以決定渠道修正系數(shù)的取值;根據(jù)溫度所在曲線,可以查詢溫度修正系數(shù)。三者取值情況見表1。

表1 取值分布表

近年來,徒駭河附近大多數(shù)中小型加工企業(yè)發(fā)展迅猛,尤其是工業(yè)的加速發(fā)展,使該流域附近人口數(shù)量激增,因此來自村民的日常生活廢水或污水便成為徒駭河非點(diǎn)狀源頭的主要污染源之一[7-9]。在估算污染負(fù)荷時(shí),研究采取平均產(chǎn)污參數(shù)法,來計(jì)算村民生活污染負(fù)荷,因此該污染負(fù)荷由農(nóng)村生活平均產(chǎn)污參數(shù)、所選研究曲段村民總?cè)丝跀?shù)以及農(nóng)村生活污染所產(chǎn)污染入河系數(shù)3部分乘積構(gòu)成。

同時(shí),考慮到該流域附近村民個(gè)人養(yǎng)殖畜禽時(shí)清理糞便的方式主要為干清糞,因此當(dāng)遇到降雨天氣作用時(shí),將會(huì)存在相當(dāng)部分?jǐn)?shù)量的干清糞以液體形式經(jīng)雨水沖刷而流入河道,采用產(chǎn)排污水系數(shù)法可以估算該類污染負(fù)荷。

此外,徒駭河附近土地以耕地較多,玉米等糧食谷物的種植較為廣泛,為了保證糧食碩果,村民每年都會(huì)使用各種農(nóng)藥或化肥,產(chǎn)生了經(jīng)由農(nóng)業(yè)種植而帶來的化學(xué)污染。采用肥料流失系數(shù)法,可以估算該類污染負(fù)荷[10-11]。

需要指出的是,在水環(huán)境污染分析時(shí),對研究河道自身水土流失導(dǎo)致的氮磷化學(xué)污染也是重要一部分。估算該部分污染需要使用土壤流失方程,該方程目標(biāo)是計(jì)算土壤侵蝕量,土壤侵蝕量與降雨侵蝕因子、坡長坡度因子、地表植被覆蓋因子等相關(guān)[12-13]。其中,降雨侵蝕因子用于評估受降雨而導(dǎo)致土壤分離的動(dòng)力性指標(biāo),一般取值為0～1640.7MJ·mm/(hm2·h·a),而坡長坡度因子用于表征受損土壤在地形和地貌的改變程度,兩者取值為0～64。見表2。

表2 不同類型土地植被覆蓋及其管理因子(C)和土地保護(hù)措施因子(P)參數(shù)取值

由表2可知,對于工廠和水田以及經(jīng)濟(jì)作物用地來說,其植被覆蓋和管理因子取值分別為0.15、0.18和0.05。該因子的使用意義在于其可以反映河道各種植被對土壤的侵蝕程度。

1.2 基于QUAL2K水質(zhì)模型的河道污染遷移模型

單純估算點(diǎn)源污染和非點(diǎn)污染的負(fù)荷量,不足夠充分反映其對流域斷面的水質(zhì)影響。因此,需要借助QUAL2K水質(zhì)模型,進(jìn)一步定量分析徒駭河所存在的污染物流動(dòng)遷移過程。QUAL2K模型原理借助有限差分方法,來計(jì)算各污染成分的遷移規(guī)律,因此該模型適用于含多排污口、多直流的河道[14]。使用模型時(shí),通常假定待研究河流呈梯形,河中污染物的運(yùn)動(dòng)方式主要為平流和彌散運(yùn)動(dòng),均發(fā)生在主流方向,且水容量和污染物質(zhì)量守恒。該模型包含水力模擬及水質(zhì)模擬兩部分,水力模擬又包含流量平衡、水力特征分析和縱向彌散計(jì)算3部分。流量平衡示意圖見圖1。

圖1 流量平衡示意圖

圖1中,Qin,i、Qout,i為點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染徑直流入和流出單元i的總流量,m3/s;Qi-1為單元i-1到單元i的入流流量,m3/s;Qi為單元i到單元i+1的出流流量,m3/s。

水位和流量關(guān)系表達(dá)式如下:

U=aQb,H=αQβ

(1)

式中:Q為流量,m3/s;H為水位高度,m;U為流速,m/s;a、b、α、β均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),無量綱?？v向彌散系數(shù)計(jì)算表達(dá)式如下:

(2)

式中:Ep,j為單元i和單元i+1間存在的縱向彌散系數(shù),m2/s;Ui為水流速度,m/s;Si為河道坡度值,%。

引入縱向彌散系數(shù)意義在于模擬現(xiàn)實(shí)河道內(nèi)污染成分隨水流縱向產(chǎn)生的彌散作用。式(3)為物質(zhì)平流擴(kuò)散遷移方程,該方程是水質(zhì)模擬關(guān)鍵方程。公式如下:

(3)

式中:C為污染物質(zhì)濃度,mg/L;t為時(shí)間,d;Ax為河道斷面面積,m2;DL為河道水流縱向彌散系數(shù),m2/d;x為河道水流縱向坐標(biāo),m;U為河道水流平均流速,m/s;S為外部源以及外部匯,kg/d;V為計(jì)算單元體積大小,m3。

水質(zhì)模擬包含氨氮、總磷等物質(zhì)的計(jì)算,兩者總量隨著河道水域中有機(jī)氮的水解反應(yīng)以及各種水生動(dòng)植物的排泄或者死亡而增加。模型參數(shù)主要包含河道自然特征參數(shù)、水力參數(shù)以及水質(zhì)參數(shù)3種。自然特征參數(shù)又包括復(fù)氧參數(shù)、河道底藻類覆蓋率參數(shù)以及河道底沉積物覆蓋度參數(shù)。其中,河流復(fù)氧參數(shù)可以通過模型自帶的Owens-Gibbs公式或Tsivoglou and Neal公式進(jìn)行計(jì)算;河道底藻類覆蓋率則需要根據(jù)對應(yīng)流域各河段植物占全段比例得來,經(jīng)走訪調(diào)研可知,研究所選徒駭河上游河段藻類覆蓋率為30%～50%,下游河段為20%～30%;河道沉積物覆蓋度為75%～90%。研究所選河流水力參數(shù)取值情況見表3。

表3 所選曲段河流水力參數(shù)取值情況

由表3可知,參數(shù)b為0.4～0.6,參數(shù)β為0.3～0.5,且兩者之和必須滿足小于或等于1。水質(zhì)參數(shù)則與水解、沉降以及溫度修正系數(shù)相關(guān)。

2 基于QUAL2K水質(zhì)模型的河道多源污染負(fù)荷結(jié)果分析

模型參數(shù)驗(yàn)證是應(yīng)用模型的重要步驟,因此需要事先將模型計(jì)算值和實(shí)際監(jiān)測值進(jìn)行率定,從而確保兩者誤差控制在合理范圍內(nèi)。將多源污染負(fù)荷作為模型輸入數(shù)據(jù),可以得到氨氮和總磷濃度數(shù)據(jù)的水質(zhì)擬合結(jié)果,見圖2。

圖2 河道水質(zhì)模擬結(jié)果

由圖2可知,對于氨氮模擬曲線來說,其決定系數(shù)R2和納什系數(shù)ENS為0.83和0.83;對于總磷模擬曲線而言,其決定系數(shù)為0.76,納什系數(shù)為0.82。決定系數(shù)越接近于1,表明擬合效果越好;納什系數(shù)高于0.65,表明模型擬合效果良好,因此經(jīng)由QUAL2K模型后的水質(zhì)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果良好。3種污染組分水解、沉降、硝化系數(shù)的率定結(jié)果見表4。

表4 3種污染組分水質(zhì)系數(shù)的率定結(jié)果

由表4可知,對于研究河道曲段Ⅰ、河道曲段Ⅱ,有機(jī)氮水解系數(shù)和沉降系數(shù)分別為0.3、0.25以及0.29、0.21,滿足模型推薦取值范圍0～5以內(nèi)以及0～2以內(nèi)。而氨氮硝化系數(shù)分別為0.28、0.22,滿足模型推薦取值范圍0～10以內(nèi)?？偭姿庀禂?shù)和沉降系數(shù)分別為0.45、0.42以及0.30、0.31,滿足模型推薦取值范圍0～5和0～2以內(nèi)。

在準(zhǔn)備工作完成后,還需要考察點(diǎn)源污染及非點(diǎn)源污染對兩個(gè)研究曲段在氨氮及總磷兩種污染的負(fù)荷貢獻(xiàn)率。圖3為各種污染源對河段Ⅰ在氨氮及總磷負(fù)荷貢獻(xiàn)率柱狀圖。

由圖3(a)可知,針對各大污染源的貢獻(xiàn)率分析是逐月計(jì)算的。對于河段Ⅰ氨氮貢獻(xiàn)率上,工業(yè)污染最小值出現(xiàn)在8月份,為0.3%;最大值出現(xiàn)在3和11月份,為14.5%。農(nóng)村日常生活污染最小值出現(xiàn)在5月份,為2.2%;最大值出現(xiàn)在4月份,為12.5%。畜禽養(yǎng)殖污染最小值出現(xiàn)在6月份,為12.6%;最大值出現(xiàn)在4和9月份,為73.1%。農(nóng)業(yè)種植污染最小值出現(xiàn)在9月份,為5.7%;最大值出現(xiàn)在5月份,為78.6%。自然水土流失污染最小值出現(xiàn)在8月份,為0.4%;最大值出現(xiàn)在1月份,為5.5%。

由圖3(b)可知,對于河段Ⅰ總磷貢獻(xiàn)率上,工業(yè)污染數(shù)值范圍在0.03%～1.10%;生活污染取值在0.12%～1.39%;畜禽養(yǎng)殖污染取值在1.61%～21.2%;農(nóng)業(yè)種植污染在9.1%～83.7%;自然水土流失污染在0.4%～4.5%。

因此,從時(shí)間層面分析可知,工業(yè)污染在1-12月貢獻(xiàn)率比率不高且變化起伏程度也較小,其原因在于工廠產(chǎn)生的廢水總量相對固定,且多數(shù)經(jīng)由固定管道流入河道,因此具有一定程度預(yù)先處理。生活污染在夏季存在明顯增長,其原因是居民在夏季需水量激增,對應(yīng)產(chǎn)生的污水量也增多。畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)種植也存在夏季污染加重情況,原因在于夏季降雨增多,污水隨之流入河道概率增加。

3 結(jié) 論

針對經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)如何做到協(xié)同平衡的問題,本文提出了一種基于QUAL2K水質(zhì)模型的河道多源污染負(fù)荷計(jì)算分析模型,通過結(jié)果數(shù)據(jù),在水河道保護(hù)上提供了參考性建議。結(jié)果顯示,在針對點(diǎn)源污染、非點(diǎn)源污染的氨氮以及總磷負(fù)荷擬合上,得到了良好效果,兩者納什系數(shù)分別為0.83和0.82,均高于參考值0.65。在多源污染貢獻(xiàn)率分析中發(fā)現(xiàn),夏季因?yàn)榻涤暌蛩貛淼挠晁疀_刷作用,使得畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)種植帶來的氨氮污染加劇變快,因此在夏季尤其需要加大治污力度。