平原河網(wǎng)水體石油類(lèi)濃度達(dá)標(biāo)及總量控制

胡琦玉,逄 勇,2,魯祖寶

平原河網(wǎng)水體石油類(lèi)濃度達(dá)標(biāo)及總量控制

胡琦玉1,逄 勇1,2,魯祖寶3

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098; 3.臺(tái)州市環(huán)境保護(hù)局,浙江臺(tái)州 318001)

選取臺(tái)州市區(qū)水體為平原河網(wǎng)水體代表,根據(jù)石油類(lèi)污染物垂向分布規(guī)律,得到臺(tái)州市區(qū)水體石油類(lèi)污染物垂向分布系數(shù)為2.33 m-1,修訂各斷面垂向平均濃度為水深0.5 m處濃度,簡(jiǎn)化三維問(wèn)題;建立臺(tái)州市中心片區(qū)一維河網(wǎng)水量水質(zhì)模型,對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行率定驗(yàn)證。分別利用水環(huán)境容量數(shù)學(xué)模型和一維河網(wǎng)模型獲得研究區(qū)域石油類(lèi)水環(huán)境容量和斷面達(dá)標(biāo)時(shí)各排污口的削減量。結(jié)果表明：研究區(qū)域內(nèi)石油類(lèi)水環(huán)境容量為2.68 t/a,容量總量達(dá)標(biāo)情況下,石油類(lèi)污染物削減率為75%;主要控制斷面達(dá)標(biāo)情況下,各排污口的削減率在33%～100%之間。

水環(huán)境容量;石油類(lèi)污染物;總量控制;垂向分布;參數(shù)率定;削減量;平原河網(wǎng);臺(tái)州市

平原河網(wǎng)水體具有河道縱橫交錯(cuò)、水體流動(dòng)性小、水利閘壩工程密布、人工調(diào)度性強(qiáng)、自?xún)裟芰Σ畹奶攸c(diǎn),而其周?chē)质侨祟?lèi)生產(chǎn)、生活聚集的主要場(chǎng)所。石油類(lèi)污染物是平原河網(wǎng)地區(qū)機(jī)械制造業(yè)、重金屬加工等行業(yè)產(chǎn)生的污染物之一。隨工業(yè)產(chǎn)污廢水進(jìn)入天然水體的石油類(lèi)污染物不僅會(huì)對(duì)水體中生物、底泥造成一定的危害,也會(huì)間接對(duì)人類(lèi)健康產(chǎn)生威脅。研究平原河網(wǎng)水體石油類(lèi)污染物遷移轉(zhuǎn)化擴(kuò)散規(guī)律,選取科學(xué)的研究方法,進(jìn)而制定并實(shí)施污染物控制方法,對(duì)于改善水體水質(zhì)、維護(hù)用水安全具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于水體中石油類(lèi)污染物的研究也有很多,早在1969年Fay[1]就研究并創(chuàng)立油膜擴(kuò)展4階段理論。海洋及河口處石油類(lèi)污染物研究多數(shù)基于三維及二維潮流(波)模型,國(guó)外的Kim等[2]、以及Leendertse等[3]分別建立了海灣三維和二維潮流模型,在此類(lèi)數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,于海亮[4]開(kāi)展了海上溢漏化學(xué)品的三維污染擴(kuò)散預(yù)測(cè)研究,陳新永等[5]通過(guò)二維潮波運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬渤海灣碼頭溢油油膜擴(kuò)散的4個(gè)階段,俞琨[6]開(kāi)展了江蘇近海二維潮流及石油類(lèi)污染物的數(shù)值模擬。在內(nèi)河石油類(lèi)污染物研究中,以機(jī)理性研究較為常見(jiàn)：國(guó)內(nèi)的Huang等[7]分析了石油類(lèi)污染物的特性和環(huán)境行為;趙東風(fēng)等[8]進(jìn)行了石油類(lèi)污染物在各種水體中的擴(kuò)散、揮發(fā)、溶解、分解、乳化、氧化、生物降解、沉降、吸附與吸收、分配與富集的定性分析;黃廷林等[9-11]則建立了多沙河流中石油類(lèi)污染物遷移的一維吸附和解吸模型和黃土地區(qū)非點(diǎn)源石油類(lèi)污染物濃度預(yù)測(cè)模型。研究者對(duì)實(shí)際油類(lèi)污染事件仍多采用二維及三維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行河口及海域中溢油現(xiàn)象的模擬,建模較為復(fù)雜,并且不適用于平原河網(wǎng)區(qū)寬淺型河道,因而,建立更為簡(jiǎn)便適用的數(shù)學(xué)模型,對(duì)開(kāi)展平原河網(wǎng)區(qū)石油類(lèi)污染物的研究具有一定的科學(xué)性與實(shí)用性。

筆者以位于浙江省溫黃平原的臺(tái)州市區(qū)為例,對(duì)臺(tái)州市區(qū)的中心片區(qū)(黃巖區(qū)的西城街道、江口街道、南城街道及椒江區(qū)的白云街道、葭沚街道、海門(mén)街道)河網(wǎng)水體石油類(lèi)污染物遷移轉(zhuǎn)化及污染物削減控制進(jìn)行研究。鑒于石油類(lèi)污染物在水體中具有區(qū)別于其他類(lèi)污染物的分布特性——垂向分層分布,基于2012年1月8—13日的水文水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)資料,根據(jù)石油類(lèi)污染物垂向紊動(dòng)擴(kuò)散機(jī)理獲得石油類(lèi)污染物濃度垂向分布參數(shù),修訂水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為水深0.5m處石油類(lèi)濃度;建立一維河網(wǎng)模型,率定石油類(lèi)污染物降解參數(shù);構(gòu)建河網(wǎng)入河污染物總量與石油類(lèi)濃度響應(yīng)關(guān)系,制定水體石油類(lèi)污染物達(dá)標(biāo)總量控制方案,為臺(tái)州市區(qū)開(kāi)展污染物減排提供科技支撐,并為平原河網(wǎng)地區(qū)污染物限排提供借鑒。

1 研究區(qū)域概況

臺(tái)州市地處浙江東南沿海,介于東經(jīng)120°17憶～121°56憶,北緯28°01憶～29°21憶之間。市區(qū)分椒江、路橋和黃巖3個(gè)區(qū),行政區(qū)面積約為1536km2;地貌類(lèi)型以山地為主,且有江、河、水庫(kù)、海島等交錯(cuò)穿插,人工調(diào)度閘門(mén)分布廣泛,調(diào)度方式復(fù)雜,市區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密布,水系發(fā)達(dá),分為椒江、金清河網(wǎng)兩大水系,屬于典型的平原河網(wǎng)區(qū),研究區(qū)域區(qū)位圖見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域區(qū)位

臺(tái)州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,工業(yè)多以制造業(yè)為主,目前已形成了汽車(chē)摩托車(chē)及配件、醫(yī)藥化工、家用電器等“5+1”主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。此類(lèi)行業(yè)在生產(chǎn)發(fā)展過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生大量含石油類(lèi)的廢水,市區(qū)水體水質(zhì)因此受到嚴(yán)重威脅,基于石油類(lèi)污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理,根據(jù)同步監(jiān)測(cè)水文水質(zhì)資料,利用一維河網(wǎng)模型進(jìn)行計(jì)算,采用總量控制的方法對(duì)入河石油類(lèi)污染物進(jìn)行及時(shí)控制,預(yù)計(jì)會(huì)對(duì)城區(qū)水體水質(zhì)產(chǎn)生一定的緩解和改善作用,研究區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)分布及同步監(jiān)測(cè)斷面分布圖見(jiàn)圖2。

圖2 研究區(qū)域河網(wǎng)及同步監(jiān)測(cè)斷面分布

2 水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 石油類(lèi)污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理模型的建立

2.1.1 石油類(lèi)污染物濃度垂向分布數(shù)學(xué)模型

a.石油類(lèi)污染物濃度垂向分布。油滴進(jìn)入水體后,受水流紊動(dòng)作用擴(kuò)散并在一定條件下與上游作用處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),利用擴(kuò)散方程求解后可得油濃度沿垂線(xiàn)的分布公式為

式中：ρZ為水深Z處油濃度;Z0為水面處深度; ρ0為對(duì)應(yīng)于Z0處的油濃度;α為垂向分布系數(shù)。

b.水深0.5m處油濃度確定。為確定油類(lèi)平均濃度所處水深,對(duì)式(1)在水深上積分,即：ρ(d)=假設(shè)水域水深為(0, H),即Z0=0,對(duì)式(1)在(Z0,H)上積分得

則垂直方向平均濃度ρ憶為

將式(3)代入式(1)得平均濃度所處的水深Z憶：

由式(4)可知,對(duì)于不規(guī)則河道,其沿水流方向各個(gè)點(diǎn)所在的垂線(xiàn)上對(duì)應(yīng)的Z憶(i)值是不同的,且Z憶(i)為一與河道水深H有關(guān)的曲線(xiàn)函數(shù)。為使計(jì)算更加簡(jiǎn)便,采用化曲線(xiàn)坐標(biāo)為直線(xiàn)坐標(biāo)的方法,將Z憶(i)歸一化,即令Z憶(i)=0.5 m,并有水深0.5 m處對(duì)應(yīng)于式(1)的計(jì)算濃度為ρ0.5(i),獲得將平均濃度修訂為0.5 m處濃度的修正系數(shù)β(i)：

對(duì)于河道上實(shí)際的n個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,0.5 m處石油類(lèi)污染物監(jiān)測(cè)值寫(xiě)成行列式：ρ0.5J=[ρ0.5J(1), ρ0.5J(2),…,ρ0.5J(n)];將各斷面平均濃度修訂為水深0.5 m處濃度有：ˉρ0.5=[ˉρ0.5(1),ˉρ0.5(2),…, ˉρ0.5(n)];并有修正矩陣：

從而將各斷面平均濃度轉(zhuǎn)化為0.5 m處的情況：

2.1.2 石油類(lèi)污染物揮發(fā)降解數(shù)學(xué)模型

石油類(lèi)污染物進(jìn)入水域后,揮發(fā)是初期發(fā)生的主要降解過(guò)程。定量研究一般應(yīng)用維廉姆斯等(Williams and Hann)[12]給出的計(jì)算公式：

式中：ρe為油溢出后經(jīng)過(guò)t時(shí)間原油中揮發(fā)部分的濃度;ρ*e為t=0時(shí)原油揮發(fā)部分的初始濃度;ke為揮發(fā)系數(shù),決定于油的性質(zhì)、風(fēng)、波浪破碎程度、油膜面積和溫度等。

2.1.3 石油類(lèi)污染物吸附沉淀數(shù)學(xué)模型

比重大于水的重油在水中發(fā)生沉降作用,水中顆粒物則對(duì)石油類(lèi)污染物產(chǎn)生吸附作用;目前,定量地描述石油在水中的沉降過(guò)程尚有困難,這方面的研究尚待開(kāi)拓。參照現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)石油類(lèi)污染物沉降規(guī)律的定性描述,有以下公式[13]：

式中：ρq為單位重量顆粒物的吸附量;kq為吸附常數(shù);為吸附質(zhì)在水相的平衡濃度。

2.1.4 石油類(lèi)污染物生物降解數(shù)學(xué)模型

石油類(lèi)污染物在水中的生物化學(xué)變化,一方面是細(xì)菌對(duì)石油的降解,另一方面是化學(xué)氧化和海洋生物攝取石油烴后的代謝作用。關(guān)于定量計(jì)算石油類(lèi)污染物的生物降解作用,參考李春榮等[14]在關(guān)于石油污染物的生物降解研究中的觀(guān)點(diǎn),認(rèn)為其降解符合一級(jí)動(dòng)力反應(yīng)方程：-dρ/dt=kρ。由此得出定量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：ρb為油溢出后經(jīng)過(guò)t時(shí)間原油中生物降解損耗部分的濃度;ρ*b為t=0時(shí)原油生物降解損耗部分的初始濃度;kb為生物降解系數(shù)。

2.2 一維河網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型

由于內(nèi)河的寬度較小,忽略石油類(lèi)污染物的橫向輸移,在考慮垂向分布的基礎(chǔ)上,采用一維河網(wǎng)水質(zhì)水量模型進(jìn)行石油類(lèi)污染物濃度預(yù)測(cè),模型基本方程為

a.水動(dòng)力方程：

式中：Q為流量;x為沿水流方向空間坐標(biāo);BW為調(diào)蓄寬度,指包括灘地在內(nèi)的全部河寬;Z為水位;t為時(shí)間坐標(biāo);q為旁側(cè)入流流量,入流為正,出流為負(fù);u為斷面平均流速;g為重力加速度;A為主槽過(guò)水?dāng)嗝婷娣e;B為主流斷面寬度;n為糙率;R為水力半徑。

b.污染物輸移方程：

式中：Z為水位;Ex為縱向分散系數(shù);ρ是水流輸送的物質(zhì)濃度;Ω為河道叉點(diǎn)—節(jié)點(diǎn)的水面面積;j為節(jié)點(diǎn)編號(hào);I為與節(jié)點(diǎn)j相連接的河道編號(hào),I=1,2,…,NI;Sc為與輸送物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項(xiàng);Kd為衰減因子;S為外部的源或匯項(xiàng)。

對(duì)時(shí)間項(xiàng)采用向前差分,對(duì)流項(xiàng)采用上風(fēng)格式,擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式。

2.3 水環(huán)境容量數(shù)學(xué)模型

采用完全混合模型進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算(水文保證率為90%),河網(wǎng)區(qū)環(huán)境容量具體計(jì)算公式如下：

其中Wij=Q0ij(ρsij-ρ0ij)+KVijρsij

式中：W為河網(wǎng)區(qū)環(huán)境容量;αij為不均勻系數(shù),αij∈(0,1],河道越寬、水面越大,則αij越小;Wij為計(jì)算中的最小空間計(jì)算單元和最小時(shí)間計(jì)算單元;Q0ij、ρ0ij分別代表進(jìn)口斷面的入流流量和水質(zhì)濃度;ρsij為水體的水質(zhì)目標(biāo);K為降解系數(shù);Vij為水體的體積。

計(jì)算中最小空間計(jì)算單元為河段(河段為兩節(jié)點(diǎn)之間的河道);最小時(shí)間計(jì)算單元為天。

3 模型建立及參數(shù)率定

3.1 水深0.5 m處油濃度的確定

利用6號(hào)斷面石油類(lèi)污染物分層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出臺(tái)州市區(qū)水體石油類(lèi)垂向分布系數(shù)α為2.33/m。

由于其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多為水深0.5 m處水體表層的油濃度值,根據(jù)式(1)～(5)提供的計(jì)算方法計(jì)算出各斷面垂向平均濃度之后,將其修訂為水深0.5 m處油濃度,為下文的計(jì)算和率定提供依據(jù)。

3.2 河網(wǎng)及排污口概化

將內(nèi)部河道進(jìn)行概化,形成一個(gè)有河道、有節(jié)點(diǎn)的概化河網(wǎng),河道的斷面形狀采用同時(shí)期實(shí)測(cè)大斷面數(shù)據(jù),被概化的河道包括研究區(qū)域內(nèi)的南官河、東官河、永寧河、海門(mén)河等。同時(shí),根據(jù)臺(tái)州市環(huán)保局提供的工業(yè)污染源相關(guān)資料,將研究區(qū)域內(nèi)104家直接排放石油類(lèi)污染物入河的工業(yè)企業(yè)污染源概化為19個(gè)排污口。具體見(jiàn)圖3。

圖3 研究區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)及排污口概化

排污口編號(hào)1～8以及13～19中,主要包含黃巖區(qū)98家直接排放污水(含有石油類(lèi)污染物的污水)入河的工業(yè)企業(yè),其中橡膠和塑料制品業(yè)38家,鐵路、船舶、航空航天和其他運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)16家,金屬制品業(yè)10家,通用設(shè)備制造業(yè)7家,其余包括化工原料和化學(xué)制品制造業(yè),黑色金屬冶煉和壓延加工業(yè)、專(zhuān)用設(shè)備制造業(yè)等在內(nèi)的一共有27家。石油類(lèi)污染物排放量達(dá)9.22 t/a,平均石油類(lèi)污染物排放濃度達(dá)29.35 mg/L。

排污口編號(hào)9～12中主要包含椒江區(qū)6家直接排放污水(含有石油類(lèi)污染物的污水)入河的工業(yè)企業(yè),其中橡膠和塑料制品業(yè)3家,鐵路、船舶、航空航天和其他運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)3家。石油類(lèi)污染物排放量達(dá)1.49t/a,平均石油類(lèi)污染物排放質(zhì)量濃度達(dá)15.88mg/L。

3.3 邊界條件

根據(jù)河網(wǎng)模型的概化結(jié)果,計(jì)算時(shí)選取6個(gè)邊界斷面,與同步監(jiān)測(cè)的區(qū)域?qū)?yīng)即為圖1中的4、7、10、12、16、18號(hào)斷面。模型的邊界條件即為此6個(gè)斷面各時(shí)段的流量、水位和水質(zhì)實(shí)測(cè)值。水動(dòng)力計(jì)算邊界中,4號(hào)斷面的邊界條件為水位條件,其他各斷面的邊界條件均為流量條件。水質(zhì)邊界即為各時(shí)段6個(gè)邊界斷面石油類(lèi)污染物同步監(jiān)測(cè)值經(jīng)修訂后的平均濃度值。

3.4 初始條件

根據(jù)河網(wǎng)模型概化結(jié)果以及選取的邊界條件,水量的初始條件即為各邊界斷面首次監(jiān)測(cè)的水位、流量值;水質(zhì)的初始條件則為各邊界斷面首次監(jiān)測(cè)的經(jīng)修訂的石油類(lèi)平均濃度值。

3.5 參數(shù)選取

河道糙率系數(shù)取0.03,擴(kuò)散系數(shù)取10 m2/s;參照式(5)～(7)及文獻(xiàn)[15],石油類(lèi)污染物揮發(fā)系數(shù)ke取0.1 d-1,kq取0.01～0.1,kb取0.007～0.020 d-1進(jìn)行計(jì)算。

3.6 參數(shù)率定

根據(jù)2012年1月8—13日的野外同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)垂向修訂結(jié)果,利用建立的河網(wǎng)模型和設(shè)定的邊界條件、污染源條件進(jìn)行計(jì)算,調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)之后分別對(duì)水量和水質(zhì)模型進(jìn)行率定。

3.6.1 水量模型參數(shù)率定

研究區(qū)域內(nèi)選取2、3、6、9斷面流量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)圖4。

結(jié)合圖4和已有的計(jì)算結(jié)果得出,各斷面流量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差依次為：2號(hào)斷面0.7%、3號(hào)斷面1.57%、6號(hào)斷面9.83%、9號(hào)斷面3.28%;各斷面流量模型計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合程度較高,平均相對(duì)誤差小于10%,說(shuō)明模型及參數(shù)適用于對(duì)當(dāng)?shù)睾恿魉窟\(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。

圖4 2012年1月8—13日研究區(qū)域內(nèi)部分?jǐn)嗝媪髁磕Ｐ陀?jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖5 2012年1月8—13日研究區(qū)域內(nèi)部分?jǐn)嗝媸皖?lèi)污染物質(zhì)量濃度模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

3.6.2 水質(zhì)模型參數(shù)率定

在研究區(qū)域內(nèi)選取2、3、5、6號(hào)斷面石油類(lèi)濃度模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,具體見(jiàn)圖5(注：此處出現(xiàn)的實(shí)測(cè)值為修訂之后的同步監(jiān)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù))。

結(jié)合圖5和已有的計(jì)算結(jié)果得出,各斷面石油類(lèi)污染物濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差依次為：2號(hào)斷面10.7%、3號(hào)斷面13.24%、5號(hào)斷面6.45%、6號(hào)斷面13.98%;各斷面石油類(lèi)污染物濃度模型計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合程度較高,平均相對(duì)誤差為11.1%。說(shuō)明模型及參數(shù)適用于對(duì)當(dāng)?shù)氐氖皖?lèi)污染物濃度進(jìn)行模擬。

3.6.3 參數(shù)率定結(jié)果

經(jīng)過(guò)模型計(jì)算對(duì)比之后,確定適用于當(dāng)?shù)睾泳W(wǎng)模型的主要計(jì)算參數(shù)如下：河道糙率n的取值為0.02～0.04,擴(kuò)散系數(shù)D取值為10m2/s,水中石油類(lèi)揮發(fā)系數(shù)ke為0.1d-1,水中石油類(lèi)污染物吸附常數(shù)kq為0.01,水中石油類(lèi)污染物生物降解系數(shù)為0.01 d-1。

4 模型應(yīng)用與分析——石油類(lèi)污染物達(dá)標(biāo)總量控制方案

4.1 方案制定

選取位于椒江區(qū)中心的3、5號(hào)斷面,位于黃巖區(qū)中心的17號(hào)斷面和位于兩區(qū)交界處的1號(hào)斷面作為主要控制斷面,根據(jù)《浙江省地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃》的要求,1、3、5和17號(hào)斷面近期達(dá)Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)臺(tái)州市區(qū)2010年污染源普查資料及2012年1月8—13日水質(zhì)實(shí)測(cè)資料,制定研究區(qū)域水體石油類(lèi)達(dá)標(biāo)方案如下：

方案一：根據(jù)上文建立的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型計(jì)算研究區(qū)域石油類(lèi)水環(huán)境容量(最大允許排放量),從總量達(dá)標(biāo)控制的角度對(duì)石油類(lèi)污染物進(jìn)行削減與控制,并得出各主要控制斷面的石油類(lèi)濃度改善情況。

方案二：在方案一的基礎(chǔ)上,根據(jù)上文建立的一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型,將最大允許排放量分配到各排污口,從主要控制斷面石油類(lèi)濃度達(dá)標(biāo)的角度對(duì)石油類(lèi)污染物進(jìn)行削減與控制。

4.2 方案一計(jì)算結(jié)果

根據(jù)一維河網(wǎng)模型計(jì)算90%保證率下研究區(qū)域各河段的水文情勢(shì);降解系數(shù)則選取上文率定結(jié)果,對(duì)于石油類(lèi)污染物,此處的降解系數(shù)為綜合降解系數(shù);結(jié)合《浙江省地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃》,利用上文建立的水環(huán)境容量數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到研究區(qū)域石油類(lèi)污染物的環(huán)境容量為2.68 t/a。根據(jù)“3.2節(jié)河網(wǎng)及排污口概化”進(jìn)行計(jì)算,石油類(lèi)污染物排放量為10.71t/a。

利用排放量減去環(huán)境容量再除以排放量,得出污染物的削減率為75%。將污染物削減量平均分配到各個(gè)概化排污口,利用一維河網(wǎng)模型計(jì)算得出1、3、5、17號(hào)斷面的石油類(lèi)質(zhì)量濃度分別為0.054 mg/L,0.051 mg/L,0.090 mg/L、0.050 mg/L,除5號(hào)斷面之外,其他斷面石油類(lèi)濃度都基本達(dá)標(biāo)。

4.3 方案二計(jì)算結(jié)果

在方案一的基礎(chǔ)上,根據(jù)《臺(tái)州市區(qū)水環(huán)境整治規(guī)劃(2012—2020)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)劃》)中工業(yè)企業(yè)控污潛力分析,以控制斷面水質(zhì)(石油類(lèi))達(dá)標(biāo)為前提,根據(jù)上游來(lái)水水質(zhì)變化和各污染源污染物排放量的變化,將環(huán)境容量(最大允許排放量)分配到各個(gè)排污口,得到控制斷面達(dá)標(biāo)方案。各概化排污口按對(duì)控制斷面水體污染物質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)率并考慮《規(guī)劃》可實(shí)施性進(jìn)行削減。各概化排污口排污量Pi(i=1,2,…,n)對(duì)控制斷面水體污染物質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)率計(jì)算公式為

式中：βi為概化排污口i對(duì)水質(zhì)的貢獻(xiàn)率;ρi為概化排污口i與入河斷面完全混合后的水體污染物濃度。

按照各概化排污口對(duì)控制斷面水體污染物質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)比例進(jìn)行分配,將超出允許排放量的部分采取減量控制措施。經(jīng)計(jì)算,在現(xiàn)狀邊界水質(zhì)條件下,各概化排污口石油類(lèi)排放量需要削減的比例在33%～100%之間(表1)。

表1 方案二下研究區(qū)域內(nèi)各概化排污口石油類(lèi)污染物削減比例%

方案二下,上游黃巖區(qū)的工業(yè)企業(yè)污染物削減比例為88%,下游椒江區(qū)的工業(yè)企業(yè)石油類(lèi)污染物削減率為43%,實(shí)現(xiàn)污染物削減之后最終實(shí)現(xiàn)幾個(gè)控制斷面石油類(lèi)濃度的達(dá)標(biāo)。

4.4 結(jié)果分析

結(jié)合上文的計(jì)算結(jié)果可以看出,方案二的計(jì)算結(jié)果是對(duì)方案一的優(yōu)化,將污染物削減量具體到每一個(gè)排污口,可操作性更強(qiáng),實(shí)施起來(lái)更加合理,因此筆者認(rèn)為方案二對(duì)于臺(tái)州市區(qū)石油類(lèi)污染物控制更具有指導(dǎo)意義。

對(duì)于研究區(qū)內(nèi)石油類(lèi)污染物的污染現(xiàn)狀,地方部門(mén)應(yīng)盡快有計(jì)劃地對(duì)相關(guān)企業(yè)采取關(guān)停搬遷等措施,加快對(duì)排污企業(yè)進(jìn)行納管,嚴(yán)格監(jiān)管企業(yè)整治提升,深化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,提高企業(yè)清潔生產(chǎn)水平,實(shí)現(xiàn)入河石油類(lèi)污染物總量的有效控制,才能早日實(shí)現(xiàn)平原河網(wǎng)水體石油類(lèi)的達(dá)標(biāo),有效改善水環(huán)境現(xiàn)狀。

5 結(jié) 論

a.選取典型平原河網(wǎng)區(qū)——臺(tái)州市區(qū)作為研究區(qū)域,將石油類(lèi)分層濃度修訂為平均濃度在0.5 m處的濃度之后,建立一維河網(wǎng)水量水質(zhì)模型,結(jié)合實(shí)地野外水量水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)該模型對(duì)于研究區(qū)域內(nèi)的水量水質(zhì)模擬較好,表明可以用于平原河網(wǎng)水體石油類(lèi)污染物的濃度變化模擬。

b.為了研究平原河網(wǎng)地區(qū)水體石油類(lèi)污染物總量控制方案,利用水環(huán)境容量零維模型計(jì)算了研究區(qū)域所能容納石油類(lèi)的容量,制定了容量總量控制方案;在此基礎(chǔ)上,確定各排污口對(duì)于控制斷面水質(zhì)濃度的貢獻(xiàn),利用一維河網(wǎng)模型進(jìn)一步得出了控制斷面達(dá)標(biāo)時(shí)各排污口的污染物削減及控制情況。

c.研究區(qū)域中黃巖區(qū)水體水質(zhì)功能區(qū)目標(biāo)較高,工業(yè)企業(yè)分布較多,總體削減率也較高,達(dá)88%,椒江區(qū)相應(yīng)的整體削減率只有43%。本文建立的計(jì)算體系及數(shù)學(xué)模型為臺(tái)州市區(qū)石油類(lèi)污染物減排提供了技術(shù)支撐,對(duì)于解決平原河網(wǎng)水體石油類(lèi)污染物達(dá)標(biāo)限排具有一定的指導(dǎo)與借鑒意義。

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Standard-reaching analysis of petroleum pollutant concentrations and total quantity control in plain river network

HU Qiyu1,PANG Yong1,2,LU Zubao3
(1.College of Environment,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.Key Laboratory of Integrated Regulation and Resources Development on Shallow Lakes,Ministry of Education, Hohai University,Nanjing,210098,China; 3.Taizhou Environmental Protection,Taizhou 318001,China)

We selected water bodies in the urban area of Taizhou City as representative of plain river networks. According to the regularity of vertical distribution of petroleum pollutants,we obtained the vertical distribution coefficient of the petroleum pollutants in the urban area,which was α=2.33 m,and simplified the threedimensional problem by revising the vertical average concentration for each section into the concentration at a depth of 0.5 m.We also constructed a one-dimensional river network water quantity and water quality model for the Taizhou downtown area and calibrated and verified the parameters of the model.Using the mathematical model of water environmental capacity and the one-dimensional river network model,respectively,we obtained the study area's petroleum water environmental capacity and the reduction for each generalized drainage outlet when the water quality reached the standards.The results show that the study area's petroleum water environmental capacity was 2.68 tons per year.The reduction rate of petroleum pollutants should be 75%in order to ensure that the total capacity can reach the standards,and the reduction rate of petroleum pollutants at each generalized drainage outlet should be reduced by 33%to 100%to ensure that the water quality of the main control sections can reach the standards.

water environmental capacity;petroleum pollutants;total quantity control;vertical distribution; parameter calibration;reduction;plain river network;Taizhou City

X32

A

1004-6933(2014)01-0057-07

201311-07 編輯：徐 娟)

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.01.012

國(guó)家自然科學(xué)基金(51179053);國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2012ZX07506-006-05,2012ZX07506-007-01)

胡琦玉(1990—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)榄h(huán)境規(guī)劃與影響評(píng)價(jià)。E-mail：huqiyv@163.com