干旱地區(qū)市區(qū)性河流水質(zhì)研究

徐明德，徐光宇

（1.太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原030024；2.天津大學(xué) 仁愛學(xué)院土木與環(huán)境工程系，天津301606）

1 河流概況

山西省作為我國(guó)北方干旱少雨地區(qū)，水資源的短缺和水污染的嚴(yán)重，已成為該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要制約因素之一。尤其是在一些城市地區(qū)，工業(yè)和居民生活區(qū)集中，大量廢水排入河流，造成水體嚴(yán)重污染，加劇了水資源的供需矛盾，所以對(duì)有限的水資源進(jìn)行保護(hù)和污染防治刻不容緩。

玉門河位于太原市汾河西岸，發(fā)源于太原西山石干峰，向東流經(jīng)太原市西部近郊和西部城區(qū)等地進(jìn)入汾河，沙石河底，屬常流河。玉門河也是典型的干旱地區(qū)的市區(qū)性河流，徑流量小，河流沿途匯入兩岸大量的工業(yè)廢水和生活污水，污染嚴(yán)重，水體黑臭。玉門河與汾河具有緊密的水力聯(lián)系，是汾河太原城區(qū)段水體污染負(fù)荷重要貢獻(xiàn)者，嚴(yán)重影響了城市水環(huán)境、城市文化景觀及居民的健康。

筆者從玉門河的實(shí)際情況出發(fā)，研究這類河流的主要污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，建立了河流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，為汾河水環(huán)境綜合整治規(guī)劃提供技術(shù)支持，具有現(xiàn)實(shí)的意義。

2 河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)范圍

考慮到玉門河河段下游居民區(qū)生活污水排放集中、污染嚴(yán)重，對(duì)河流流量影響較大等因素，本次研究中水質(zhì)監(jiān)測(cè)的主要河段范圍確定為入汾河口向上游8.5km的河段。該河段處于城市西部區(qū)域中心地帶，排污集中，污染嚴(yán)重，水質(zhì)接近城市污水，水中有機(jī)物濃度高，足以反映玉門河水質(zhì)污染狀況。

2.2 監(jiān)測(cè)斷面

按照監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置的基本原則，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，從排污口位置、河流流態(tài)變化處等多方面綜合考慮，篩選確定設(shè)立5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面：窊流斷面，鐵橋斷面，重機(jī)宿舍斷面，后北屯斷面及前北屯斷面，分別記為斷面1—5。

2.3 監(jiān)測(cè)頻率及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

為能反映該河流水文、水質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律，確定監(jiān)測(cè)周期為一年，每月采樣四次，各斷面水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)。

按照污染源踏勘調(diào)查，通過初步水質(zhì)組分分析，在初期一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)較廣范圍的污染因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，篩選確定該河流的主要污染物即監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，包括有流量、流速、水溫、BOD5、DO、NH3－N、pH等。

3 河流水質(zhì)模型的建立

3.1 水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的基本假設(shè)

根據(jù)玉門河的水文及水質(zhì)特性，在長(zhǎng)期水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，給出水質(zhì)模型的基本假設(shè)。

1）研究河段的各個(gè)斷面之間為均勻穩(wěn)定。研究河段相對(duì)較短，水體的水文條件、物理化學(xué)、生物化學(xué)過程和排污條件所構(gòu)成的水質(zhì)狀態(tài)較為穩(wěn)定，即可忽略排污的波動(dòng)性，認(rèn)為河流為穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。

2）玉門河位于城區(qū)西部，河床坡降相對(duì)較大，流量較小，排入的污染物質(zhì)很快就與河水充分混合。在定常排污的條件下，擴(kuò)散作用僅在一個(gè)較短的時(shí)段和較短的河段內(nèi)明顯，可以忽略。

3）該河流為小型河流，河床較窄，在橫截面上測(cè)得的流速和流量不隨時(shí)間發(fā)生改變，因此按一維狀態(tài)研究。

4）部分河段排污口排量小而分散，對(duì)排污口適當(dāng)合并集中，以等效源代替。

3.2 河流污染物耗氧機(jī)制

根據(jù)對(duì)玉門河5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析，玉門河河水處于溶解氧嚴(yán)重不足狀態(tài)，此時(shí)有機(jī)物的轉(zhuǎn)化機(jī)制及存在與氧源充足情況是不相同的，而是屬于厭氧狀態(tài)或虧氧狀態(tài)有機(jī)物轉(zhuǎn)化機(jī)制［2］。

在好氧條件下，有機(jī)物的氧化分解是通過微生物的生物化學(xué)作用，這個(gè)過程可看作含碳有機(jī)物分解的碳質(zhì)耗氧和含氮物質(zhì)分解的硝化耗氧兩個(gè)階段；第二階段大致是在第一階段的5～10d后發(fā)生。對(duì)這兩個(gè)階段的耗氧能力常用兩個(gè)定量數(shù)值表征，即碳化反應(yīng)耗氧速率k1與硝化反應(yīng)耗氧速率kN。第二階段耗氧過程的發(fā)生，除與水體溶解氧含量有關(guān)外，還取決于pH值，當(dāng)pH＝8.3時(shí)，硝化反應(yīng)最佳；pH＝6時(shí)，硝化反應(yīng)能力只相當(dāng)最佳時(shí)的10%。

天然水域的虧氧狀態(tài)通常發(fā)生在溶解氧小于1 mg／L（或1.5）時(shí)，此時(shí)水體固然處于缺氧，但有機(jī)物的衰減過程仍然處于好氧機(jī)制演變過程。也就是說只要水體能得到一定量的氧氣，就會(huì)產(chǎn)生一定程度的耗氧碳化過程。碳化程度取決于供氧量，且這類反應(yīng)僅僅存在于第一階段的碳質(zhì)耗氧中。至于第二階段耗氧是否發(fā)生，除pH值條件外，研究認(rèn)為［2］，因硝化細(xì)菌是完全好氧的，當(dāng)ρ（O）≤2mg／L時(shí)，硝化反應(yīng)會(huì)急劇降低；當(dāng)ρ（O）＜0.3mg／L時(shí)，氧化反應(yīng)停止?？梢姡澭鯛顟B(tài)時(shí)第二階段耗氧反應(yīng)已接近停止。

由于第二階段硝化耗氧要在5～10d后發(fā)生，以此判斷耗氧機(jī)制，若用最低的河流流速0.2m／s估計(jì)，污水在河流運(yùn)行20km約需28h。可見，在有可能發(fā)生第二階段耗氧之前，污水團(tuán)就進(jìn)入研究范圍河段的下游。其次，從河水的pH值看，平均大約為6.5，呈酸性反應(yīng)，在此情況下，即使有硝化反應(yīng)也已很低。另外，河流現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，本河水是魚蝦絕跡、水草極少，因而光合作用產(chǎn)氧幾乎為零，研究河流水體的DO濃度值較低。盡管多數(shù)斷面ρ（O）＞1.5 mg／L，但多數(shù)ρ（O）≤2.5mg／L，河水的硝化耗氧反應(yīng)是很有限的。綜合以上認(rèn)為，河流水質(zhì)主要存在含碳有機(jī)質(zhì)的氧化分解過程，BOD是河流溶解氧含量最主要的影響因素。由此可得出，玉門河河流中的有機(jī)質(zhì)存在的耗氧過程可以只考慮第一階段。

3.3 模型的選擇

以上分析可知，玉門河河水主要存在含碳有機(jī)質(zhì)的氧化分解過程，BOD是河流溶解氧含量最主要的影響因素。同時(shí)，由于玉門河水中懸浮物含量高，也要考慮沉淀、絮凝、沖刷和再懸浮過程的綜合影響，因而選擇一維穩(wěn)態(tài)的Thomas（托馬斯）模型作為玉門河河流水質(zhì)模型［3－4］。

Thomas（托馬斯）模型的基本形式為：

式中：ρ（C），ρ（O）為分別為距河流起始端距離為x的BOD、DO的質(zhì)量濃度，mg／L；ρs（O）為飽和溶解氧的質(zhì)量濃度，mg／L；k1為碳化耗氧量耗氧速率，d－1；k2為復(fù)氧速率，d－1；k3為 BOD5沉浮系數(shù)，d－1；v為河流流速，m／s。

3.4 水質(zhì)模型的穩(wěn)態(tài)解析解

河流初始條件為x＝0時(shí)，

式中：ρ0（C）為BOD初始質(zhì)量濃度；ρ0（O）為溶解氧的初始質(zhì)量濃度。

式（1）、（2）解為：

3.5 控制斷面及入流參數(shù)確定

基于污染源調(diào)查與水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并參考相關(guān)資料［1］，得到玉門河研究河段各斷面接納的入流量（Q）及水質(zhì)指標(biāo)見表1所示。

表1 汾河太原段斷面入流參數(shù)

3.6 模型參數(shù)確定

將各斷面2003－2004年每周一次的BOD5和DO的質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)值，按豐水期、枯水期分組。豐水期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均值用于確定模型參數(shù)，確定的模型參數(shù)為k1、k2、k3。應(yīng)用非線性最速梯度法進(jìn)行參數(shù)估值，參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2所示。

表2 模型參數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.7 模型檢驗(yàn)

將各斷面2003－2004年每周一次的BOD5、DO的質(zhì)量濃度枯水期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均值用于模型的驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見表3所示。

表3 汾河太原城區(qū)段水質(zhì)模型驗(yàn)證結(jié)果

由表3可見，在模擬的5個(gè)斷面中，質(zhì)量濃度的平均相對(duì)誤差（不計(jì)初始斷面）為6.81%；ρ（C）的平均相對(duì)誤差為5.54%；ρ（O）平均相對(duì)誤差為8.08%。導(dǎo)致個(gè)別斷面相對(duì)誤差較大的原因，涉及河流水質(zhì)的不穩(wěn)定性、采樣和監(jiān)測(cè)分析手段等多方面因素?？傮w來說，該水質(zhì)模型與玉門河水質(zhì)的實(shí)際情況基本一致，表明模型是合理可行的。

4 水質(zhì)預(yù)測(cè)計(jì)算

玉門河位于城區(qū)，其水質(zhì)污染對(duì)城市環(huán)境、景觀等影響較大，因此治理刻不容緩。設(shè)想各斷面均采用同樣的方式對(duì)接納污水中BOD進(jìn)行處理，消減率分別為20%，60%，80%；或設(shè)想上游水質(zhì)不變而徑流量提高1m3／s，則運(yùn)用該模型對(duì)不同方案預(yù)測(cè)計(jì)算，各個(gè)削減方案下該河流污染物BOD變化見圖1。

圖1 河流水質(zhì)變化預(yù)測(cè)結(jié)果

由圖可知，對(duì)各斷面接納污水中BOD消減60%時(shí)，各斷面BOD的質(zhì)量濃度＜18mg／L；消減80%時(shí)，各斷面BOD的質(zhì)量濃度＜10mg／L；而上游同水質(zhì)徑流量若能增加僅1m3／s，則各斷面水質(zhì)改善的效果更好。

5 結(jié)論

1）通過河流水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)，對(duì)干旱地區(qū)市區(qū)性河流玉門河水質(zhì)現(xiàn)狀、特點(diǎn)及污染物的好氧機(jī)制進(jìn)行了分析。分析得知，本河流污染物耗氧主要為碳化耗氧，為建立河流水質(zhì)模型提供了基礎(chǔ)。

2）建立了針對(duì)玉門河水質(zhì)特性的BOD-DO的耦合模型，以現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)進(jìn)行模型參數(shù)的確定和模型驗(yàn)證。總體而言，該水質(zhì)模型與玉門河水質(zhì)的實(shí)際情況基本一致，表明模型是合理可行的，也說明對(duì)于干旱地區(qū)小型河流來說，用較簡(jiǎn)單的一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型就可以進(jìn)行水質(zhì)模擬計(jì)算，并取得較滿意的結(jié)果。

3）應(yīng)用該模型對(duì)設(shè)想污染治理方案進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測(cè)，反映了不同的治理方案下河流水質(zhì)變化趨勢(shì)，可為污染嚴(yán)重的市區(qū)性河流實(shí)施分步治理提供參考，為實(shí)現(xiàn)河流科學(xué)管理提供技術(shù)支持。

4）模型預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果比較說明，通過截污控制污染物排放量是市區(qū)性河流水質(zhì)改善的基本途徑，同時(shí)提高上游徑流量對(duì)改善污染較嚴(yán)重河流的水質(zhì)具有較佳的效果。因此提高生態(tài)蓄水量以增加地表徑流量，對(duì)于河流污染治理同樣是非常重要的。河流污染治理是進(jìn)行截污控制、污水資源化、生態(tài)建設(shè)、科學(xué)管理等綜合整治、統(tǒng)籌規(guī)劃的系統(tǒng)工程問題。

［1］ 太原市地方志編纂委員會(huì).太原市志［M］.太原：山西古籍出版社，1999.

［2］ 鄭英銘，楊志.虧氧狀態(tài)的水質(zhì)模擬［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1990，18（5）：100-107.

［3］ 傅國(guó)偉.河流水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬及其模擬計(jì)算［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社.1987.

［4］ 韋鶴平，徐明德.環(huán)境系統(tǒng)工程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.