基于容量模型的水环境污染物稀释水量评价研究

汪 建 英

(浙江省水文局，杭州 310009)

0 引 言

理论上，水环境容量反映着水体污染物在水环境中的迁移、转化和积存规律，也反映满足特定功能条件下水环境对污染物的承受能力。在实践上，水环境容量是水环境目标管理的基本依据，更是水环境规划的主要约束条件[1]。本文通过对瓯江丽水段(大溪)一年的水质、水文特征监测，确定以COD、氨氮为控制因子，建立一维河流容量模型进行稀释水量计算研究[2]，以期为水环境污染物稀释水量研究及行业主管部门决策提供科学依据。

1 河流断面的设置

根据水环境功能区的划分、支流的分布以及河流的宽、深等情况，大溪主要河段的划分[3]如表1所示。根据各河段的实际情况选择合适的水质模型，确定相应的参数，计算污染物稀释水量。计算河段为玉溪水库大坝----丽水青田交界处。

表1 瓯江丽水段(大溪)断面的划分

2 水质现状

为了较全面的掌握大溪的水环境现状，对该河段的4个监测断面在2014年8月-2015年8月期间的水质数据进行了分析，监测数据由丽水市水文站提供。4个监测断面分别为：大港头、碧湖老车渡(采桑村)、上县头和丽水，监测项目分别为高锰酸盐指数、氨氮和总磷等3项。

2.1 水质评价标准和方法

本报告中的水质评价均采用国家《地表水环境质量标准》中的标准[4]。

水质评价方法采用综合污染指数进行评价[5]，具体评价方法如下：

单项水质参数i在第j点的污染指数为：

Sij=Cij/Csi

(1)

第j点的综合污染指数：

(2)

根据综合污染指数，划分水环境质量等级。本次现状评价中水环境质量标准按Ⅳ类控制。

2.2 水质现状评价

综合考虑水质现状评价的目的和要求，以本次各个监测断面监测数据为依据，选取高锰酸盐指数、氨氮和总磷3项指标对水质进行统计分析，各项指标浓度变化情况见图1～图3。

图1 瓯江丽水段高锰酸盐指数变化趋势

图2 瓯江丽水段氨氮变化趋势

图3 瓯江丽水段总磷变化趋势

3 污染源基础数据调查

将重点工业源、规模化养殖大户、城镇污水集中处理厂以及中心城镇生活污染源均作为点源，其他污染源如农业、农村畜禽散养等均作为面源进行调查。调查范围大溪的全部陆域(莲都区)基准年为2014年，调查项目如下。

(1)工业污染源调查。对区域内重点工业企业(日排水量大于100 t，或日CODcr排放量大于60 kg，日氨氮排放量大于10 kg，或CODcr、氨氮排放量占到县(区)负荷80%以内的企业)进行调查。包括主要污染物的平均排放浓度、月平均排水量、年排放量、有无处理设施、年处理量、污水排放去向以及排污入河口的经纬度、排污口距企业的距离，各工业执行标准和达标情况。

(2)规模化畜禽养殖。规模化养殖定义为：猪大于100头，或蛋鸡大于3 000只，或肉鸡大于6 000只，或奶牛大于20头，或肉牛大于40头。调查包括养殖场名称及养殖种类、养殖场入河口经纬度及纳污河流名称、养殖场年末存栏数和年内出栏数、用水量及排水量、排污方式和污水处理设施情况。

(3)城镇污水集中处理厂。以污水处理厂为基本单位进行，包括污水处理厂排污口名称和经纬度、污水处理厂运行方式和运行情况、污染物(CODcr和氨氮)去除量和排放量、废水排放量。

(4)城市、农村生活污染源。调查以街道(乡、镇)为基本单元统计，调查城市、农村常住人口和流动人口数量，人均社会综合用水量(包括社会各企事业单位用水量)、排水量及区域人均用水量；城镇生活污水纳管率、排放去向。

(5)分散畜禽养殖调查。散养畜禽定义为：猪少于100头，或蛋鸡少于3 000只，或肉鸡少于6 000只，或奶牛少于20头，或肉牛少于40头。调查包括养殖场名称及养殖种类、养殖场入河口经纬度及纳污河流名称、养殖场年末存栏数和年内出栏数，2014年末存栏和2014年内出栏总数等。

(6)农田径流污染调查。调查以乡(镇)为基本单元统计，填报农田面积、坡度、农作物类型、土壤类型、年降雨量、轮作方式、化肥施用量。

根据浙江省水文局统计，大溪段各功能区的纳污量见表2。

表2 瓯江丽水段各功能区污染负荷统计表 t/a

4 水质模型的建立

根据水环境功能区的实际情况，大溪段以山区性河流为主，选用一维水环境容量模型(河宽较大的区域选择结合不均匀系数一维水环境容量模型)；开潭电站附近形成一回水段，回水段流速很缓慢，采用湖库零维模型计算，并用不均匀系数校正。

4.1 山区性河流----一维河流容量模型

对于河流而言，一维模型假定污染物浓度仅在河流纵向上发生变化，主要适用于同时满足以下条件的河段：①宽浅河段；②污染物在较短的时间内基本能混合均匀；③污染物浓度在断面横向方向变化不大，横向和垂向的污染物浓度梯度可以忽略。而大溪符合上述条件，因此，选用一维水质模型进行水质预测。

在忽略离散作用时，描述河流污染物一维稳态衰减规律的微分方程为(遵循一级反应动力学)：

(3)

考虑K和u为常数，不随时间和河长的变化而变化，进行积分可得：

(4)

假定一段河流，上游来水流量为Q′0,浓度为C′0,在起始端有一污染源流量为Qp，浓度为Cp，不考虑混合过程而假定在排污口断面瞬时完成均匀混合，即假定水体内在某一断面处或某一区域之外实现均匀混合。则有如下推导：

(5)

令Q′0+Qp=Q,QpCp=W,则

(6)

式中：u为河流断面平均流速；x,L为沿程距离；K为综合降解系数；C为沿程污染物浓度；C0为上游来水污染物浓度。

以上公式均未考虑单位换算系数，对于一个完全确定边界条件的河段，输入所有条件进行水质模拟， 当C=Cs时，此时的Q0即为该河段的稀释水量，由于采用一维容量模型，对于较宽的河流，采用不均匀系数校正。其计算公式为：

(7)

式中：W为入河污染物量， t/a；Q0为稀释流量，m3/s；α为不均匀系数；Cs为水质目标浓度，mg/L；C0为入上游来水污染物浓度，mg/L；K为污染物综合降解系数，1/d；L为河段长度，m；u为平均流速，m/s。

4.2 湖泊和水库

采用湖库零维容量模型，推导过程略，直接给出计算公式:

W=31.536×α×[Q0×(Cs-C0)+KVCs/86 400]

(8)

式中：W为水环境容量，t/d；Q0为稀释流量，m3/s；C0为进口断面的入流水质浓度，mg/L；α为不均匀系数；Cs为该水体的水质标准，mg/L；V为水体体积，m3；K为污染物降解系数，1/d；Qp为点源水量，m3/s。

5 相关参数的估算

计算模型参数以常规监测和现场监测数据计算结果为主，同时参考现有相关研究成果、国内文献和经验公式。在河段水环境承载力的计算中，参数的确定和取值是否符合客观规律直接关系到计算结果是否准确合理，因此，参数的确定和取值是计算中关键的一步。

5.1 降解系数K

(1)公式的选择。对污染物的降解系数K1的计算采用野外两点测定法，即在沿污染物流向上设置不同的两个测点，测定其浓度，可直接估算出该段水体在当时的环境条件下对该污染物的降解系数K1(实际上包括了生物降解和沉淀等其他所有减少有机物的过程)。

根据污染物降解符合一级动力学方程的假设有：

C2=c1e-K1 t

(9)

方程两边取对数，考虑到t=x/u，可得降解系数K1，即：

(10)

式中：c1，c2为对应x1，x2(x1

用上式计算COD和氨氮的降解系数。

(2)K值的确定。本报告中河流降解系数K值的参考《瓯江丽水段(大溪)水环境承载能力研究》中所取的K值，见表3。

5.2 不均匀系数

(1)一般性河流及感潮河段的不均匀系数见表4。

(2)湖泊、水库的不均匀系数见表5。

5.3 其 他

在计算过程中需要的其他参数，大溪中相应断面的CODMn、BOD、氨氮、总磷等本底值，采用2013年和2014年大溪水质监测结果中的监测数据。

表3 降解系数K的拟选值 d-1

表4 河流不均匀系数

表5 湖泊和水库的不均匀系数

6 标准的确定

(1)地表水质量标准。污水通过排污口排放后，除混合区段外，其他各河段水质须达到相应的功能区要求，该标准采用《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)。

(2)污水排放标准。经中岸圩污水处理厂处理后排放的废水，其污染物浓度参照《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级B类标准，经水阁污水处理厂和腊口污水处理厂处理后排放的废水，其污染物浓度执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级A类标准，具体见表6。

表6 《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002) mg/L

注：括号外数值为水温>12 ℃时的控制指标，括号内数值为水温≤12 ℃的控制指标。

7 污染物稀释水量计算

根据大溪水域的实际情况及有关部门意见和建议，分别以NH3-N和COD为控制因子对大溪的污染物稀释水量进行计算预测，由于丽水市环境保护十三五规划尚未出台，2020年的入河COD和氨氮减排量参照十二五规划的减排量，分别为10%(COD)和12.5%(氨氮)，计算结果见表7，表8。

表7 瓯江丽水段各功能区现状年稀释水量 m3/s

表8 瓯江丽水段各功能区2020预测稀释水量 m3/s

8 结 语

水是人类生存和发展不可替代的资源，是社会经济可持续发展的重要物质基础。随着社会经济的发展和人口的增长，水环境污染日益加剧。为了控制水体污染和恢复污染水体的水质功能，污染物稀释水量计算研究，是环境目标管理的基本依据，也是环境管理中的一个重要的实际应用问题[6]。对于山溪型河流，基于水文、水质监测数据，污染源数据调查，采用水环境一维容量模型方法较为准确、可行。

□

[1] 方子云. 水环境保护手册[M].南京：河海大学出版社，1988.

[2] 马乐宽.流域生态环境需水研究[D]. 北京：北京大学，2008.

[3] 俞建军,汪小泉. 浙江省水功能区水环境功能区划分方案[Z]. 杭州：浙江省水文局，2006.

[4] GB 3838-2002，地表水环境质量标准[S].

[5] SL 219-2013，水环境监测规范[S].

[6] 方国华，于凤存，曹永潇. 中国水环境容量研究概述[J]. 安徽农业科学，2007,27:19-12.