渭河流域?qū)氹u眉縣段水環(huán)境容量核算與分析

趙串串, 馬志峰, 安若蘭, 張 藜, 于 杰

(陜西科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 西安 710021)

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渭河流域?qū)氹u眉縣段水環(huán)境容量核算與分析

趙串串, 馬志峰, 安若蘭, 張 藜, 于 杰

(陜西科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 西安 710021)

隨著陜西經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，環(huán)境問題日益突出,渭河水生態(tài)環(huán)境也隨之遭到破壞。為提高干流水體消納污染負(fù)荷的能力，以渭河眉縣干流及境內(nèi)3條較大的支流，即石頭河、霸王河、湯峪河為研究對象，通過實地監(jiān)測獲取選定河段的河寬、水深、流速、溶解氧以及COD等相關(guān)水質(zhì)參數(shù)。采用一維水質(zhì)模型核算出干流河段稀釋混合長度。通過情景設(shè)定，對比分析干流稀釋混合長度與河流背景COD濃度以及污染排放量之間的關(guān)系。結(jié)果表明，采用完全混合模型核算出3條支流河段均有一定剩余COD水環(huán)境容量，可以很好地補(bǔ)給干流水環(huán)境的污染負(fù)荷能力。結(jié)合干流稀釋混合長度與支流水環(huán)境容量，提出河段達(dá)標(biāo)優(yōu)化治理方案。

水環(huán)境容量; 稀釋混合長度; 水質(zhì)模型

隨著城市發(fā)展需水量的增加與水環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，水質(zhì)污染與水資源不足已經(jīng)嚴(yán)重制約城市的發(fā)展[1]。我國北方的水資源開發(fā)已超過50%，南方發(fā)達(dá)的水系加速了超標(biāo)污水的遷移擴(kuò)散，造成了更加嚴(yán)重的水體污染[2]。渭河流域涉及寶雞、楊凌、西安等8個市(區(qū))60個縣(市、區(qū))，自古以來對陜西的發(fā)展起著舉足輕重的作用[3]。目前渭河水質(zhì)有所改善，但仍未達(dá)到省政府要求，干流出境斷面等化學(xué)需氧量(簡稱COD)無法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，并且污染排放量隨著人口百萬速度增長將以10%左右速度增長。因此，對渭河水環(huán)境容量的研究已經(jīng)迫在眉睫。周洋等采用一維穩(wěn)態(tài)模型與水環(huán)境容量模型計算渭河陜西段水環(huán)境容量，為水資源合理利用和環(huán)境生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)[4]。朱磊等結(jié)合水文水質(zhì)特性，針對渭河關(guān)中段建立了水質(zhì)水量關(guān)系影響程序，其為水質(zhì)改善以及生態(tài)基流保障提供技術(shù)支持[5]。

為提升干流水體自凈能力，本文將干流稀釋混合長度作為研究對象，通過情景設(shè)定，確定稀釋混合長度部分影響因素。由于支流是補(bǔ)充干流水體的重要來源，本文將石頭河、霸王河、湯峪河3條支流作為研究對象，研究支流水環(huán)境在一定程度上對干流水環(huán)境的補(bǔ)給與調(diào)節(jié)作用。

1 研究區(qū)概況

眉縣隸屬于陜西省寶雞市，屬暖溫帶大陸性半濕潤氣候，海拔高度在442～3 767 m，年均降水609.5 mm，年均氣溫12.9℃。

渭河眉縣段平均水深1～1.2 m，河寬1 km左右，年均流量4億m3。該段主要支流為石頭河、霸王河和湯峪河。石頭河平均河寬25 m，水深0.5 m。霸王河源于太白山，處于眉縣東部地區(qū)，平均河寬36 m，水深0.6 m。湯峪河位于眉縣最東部，平均河寬30 m，水深0.45 m。近年支流水質(zhì)變化見表1。從表1可以看出，從2009—2011年，河水中COD濃度呈增長趨勢，但COD濃度小于20 mg/L，屬于Ⅲ類水。而隨著眉縣旅游業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等發(fā)展[6-8]，渭河眉縣某污水公司排污口斷面下游約20 km河長COD濃度高達(dá)40 mg/L以上，經(jīng)河流稀釋消減水體仍屬劣V類水質(zhì)，嚴(yán)重影響干流水環(huán)境按功能區(qū)劃達(dá)標(biāo)問題。

表1 支流水環(huán)境現(xiàn)狀

2 研究內(nèi)容及方法

2.1 干流稀釋混合長度核算

稀釋混合長度，為從排污口開始到污染物消減到水體達(dá)標(biāo)處的長度。

渭河眉縣段河段寬淺，橫向和垂向的污染物濃度梯度可以忽略，選用一維水質(zhì)模型[9]：

(1)

(2)

式中：C——標(biāo)準(zhǔn)COD濃度(kg/m3)；C0——接納污染物且完全混合后COD濃度(kg/m3)；K——污染物降解速度常數(shù)(d)；x——河流稀釋混合長度(m)；u——河流流速(m/s)；Cu——排污口上游河流背景濃度(mg /L)；Qu——排污口上游河水流量(m3/s)；Ce——排污口污水濃度(mg/L)；Qe——排污口污水流量(m3/s)。

2.2 支流水環(huán)境容量核算

2.2.1 模型選擇 環(huán)境容量為一個環(huán)境單元在滿足環(huán)境目標(biāo)的前提下，所能接受的最大污染物量[10-12]。渭河眉縣段3條支流均屬于寬淺型，符合使用完全混合模型的條件。因此，選用完全混合模型核算COD水環(huán)境容量。

完全混合模型只考慮污染物的衰減，環(huán)境容量為：

S=QC-QC0+KCV=Q(C-C0)+KCV

(3)

式中：S——進(jìn)入河段的COD總量(kg/d)；Q——河段流量(m3/s)；C——標(biāo)準(zhǔn)COD濃度(kg/m3)；C0——接納污染物且完全混合后COD濃度(kg/m3)；K——污染物降解速度常數(shù)(d)；V——河段體積(m3)。

2.2.2 支流河段參數(shù) 石頭河、霸王河、湯峪河三條支流沒有其他支流匯入，并且排污口極少，因此通過兩點法確定K值，即通過測定河流上下游兩斷面的COD值，確定K值：

(4)

式中：u——河流流速(m/s)；Δx——監(jiān)測斷面距離(m)；Ca，Cb——上、下游斷面a，b兩處COD濃度(mg/L)。

3 結(jié)果與分析

3.1 干流水環(huán)境負(fù)荷分析

干流水環(huán)境負(fù)荷分析，以眉縣某污水公司排污口入干流河段為研究起始斷面，基于一維模型，分析某污水公司污水處理廠排污口混合緩沖區(qū)河段長度，討論眉縣部分因素對干流稀釋混合長度的影響。

3.1.1 排污口混合緩沖區(qū)河段長度核算 據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918—2002可知，眉縣干流段COD執(zhí)行一級B標(biāo)準(zhǔn)，最高允許排放污水濃度為60 mg/L。據(jù)2011年數(shù)據(jù)調(diào)查，某污水公司污水處理廠污水排放量為0.083 m3/s。

采用漂浮法測定河段平均流速為0.35 m/s，根據(jù)陜西水利廳魏家堡監(jiān)測站多年監(jiān)測流量數(shù)據(jù)，河段流量取近10 a枯水期平均流量，其值為30.53 m3/s，河段排放口上游500 m取樣實測COD濃度為58.52 mg/L。參照相關(guān)文獻(xiàn)，渭河干流COD的K值為0.46/d[13-14]。

根據(jù)一維水質(zhì)模型，該排污口稀釋混合河段長度為70 584.44 m。

3.1.2 優(yōu)化方案討論 根據(jù)計算的排污口稀釋混合河段長度，需經(jīng)過70 km以上，COD濃度才可達(dá)到Ⅲ類水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。由于該段混合區(qū)同時接納下游其他排污口排放的污水，干流河段達(dá)標(biāo)需要更長的稀釋河段長度。為此，本文提出了以下優(yōu)化方案。

方案一，通過降低污水排放量，如將排放量消減到原排放量的1/2，核算稀釋混合河段長度為70.583 km，如消減到原排放量的1/8，則稀釋混合河段長度為70.581 km。因此，單純減小排污量對河流稀釋混合長度影響非常小，該方案不可行。

方案二，通過降低上游COD背景濃度減小河道稀釋長度，見表2。

由表2可知，河流背景COD濃度在情景1到情景4變化時，濃度每降低10 mg/L，河流稀釋混合長度相應(yīng)降低20 km。當(dāng)COD濃度不大于23 mg/L時，河流稀釋長度降低到10 km以內(nèi)。

表2 河流稀釋混合長度變化

3.2 支流水環(huán)境容量核算與分析

支流環(huán)境容量核算時，首先沿3條河中下游進(jìn)行了采樣和測定，其中，石頭河選取河段為距離入渭河口3 km處，其他2條河在保證漂浮法等測定條件的前提下，選取了距入渭河口較近的地方。

3.2.1 參數(shù)估值 支流水質(zhì)監(jiān)測點選取河床地勢比較平坦，水流較平緩的河段，采樣點相距約2 km。河流中溶解氧(下文簡稱DO)值通過便攜式溶解氧儀測定，COD值通過國標(biāo)法進(jìn)行實驗室測定，水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3。水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，見表4。

表3 支流水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

注：流速選用漂浮法測定。

表4 支流水文監(jiān)測數(shù)據(jù)

注：a代表河流上游；b代表河流下游。

水質(zhì)參數(shù)估值通過兩點法確定，即將測定數(shù)據(jù)帶入公式(4) ，求得K值。因此，石頭河、霸王河、湯峪河的COD降解常數(shù)分別為0.19/d，0.13/d，0.17/d。

3.2.2 水環(huán)境容量核算 結(jié)合陜西水環(huán)境功能區(qū)劃分，三條支流設(shè)定執(zhí)行Ⅱ類水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，COD濃度上限為15 mg/L，初始COD濃度選取支流上游COD濃度。

將上述數(shù)據(jù)帶入公式(3) ，求得水環(huán)境容量，結(jié)果見表5。

表5 支流水環(huán)境容量 kg/d

3.2.3 補(bǔ)給調(diào)節(jié)作用分析 據(jù)支流實地監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，3條支流COD濃度均達(dá)到地表水環(huán)境I類標(biāo)準(zhǔn)，且支流均有一定剩余環(huán)境容量。

霸王河水體流量最大，其流量約占干流近10 a枯水期流量的1/4，對支流有很好的補(bǔ)給調(diào)節(jié)作用。其他兩條支流流量較小，但也存在一定補(bǔ)給作用。

4 結(jié)論與建議

1) 通過設(shè)置渭河于流水環(huán)境污染負(fù)荷優(yōu)化方案可知，河流上游背景COD濃度嚴(yán)重影響到下游排污口河流的稀釋混合長度。該河段背景COD濃度在25 mg/L以上時，對河流稀釋混合長度影響非常明顯。

建議規(guī)定上游排污口稀釋緩沖區(qū)的河長，即將排污口進(jìn)行類別劃分，保證每個排污口的設(shè)置都位于上一個排污口的稀釋緩沖區(qū)以外，確保下一排污口出現(xiàn)之前，河流水環(huán)境能夠達(dá)標(biāo)。

2) 石頭河、霸王河、湯峪河河段水環(huán)境容量分別為271.81，72.08，289.89 kg/d，對干流水環(huán)境存在稀釋調(diào)節(jié)作用。

建議在治理渭河干流污染的基礎(chǔ)上，應(yīng)保持和維護(hù)好支流水環(huán)境容量。在一定程度上，支流水環(huán)境可以補(bǔ)給干流水環(huán)境，稀釋干流背景濃度，提升干流水體的污染負(fù)荷量，縮短混合緩沖區(qū)河長，可保證整條河流在短距離范圍之內(nèi)達(dá)標(biāo)。

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Analysis of Water Environmental Capacity of Wei River in Baoji-Meixian Section

ZHAO Chuanchuan, MA Zhifeng, AN Ruolan, ZHANG Li, Yü Jie

(CollegeofResources&Environment,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi′an710021,China)

With the rapid development of the economy in Shaanxi, the environmental problems have become increasingly prominent. As the key river Shaanxi, the eco-environment of Wei River has been destroyed. In order to improve the load capacity of the contaminants, the width, depth, velocity, dissolved oxygen, COD and other related water quality parameters were observed in the Wei River in Meixian County and its three tributaries including Shitou river, Bawang river and Tangyu river. The three tributaries had remainder COD water environmental capacity proved by using the completely mixed model, and it can supply for self cleaning capacity of the main stream. We got the dilution mixing length of the main stream by using the one-dimensional. By setting the scenario, we compared and analyzed the relationships between dilution mixing length and the background COD concentrations of the river and the pollution emissions. And then we proposed a measure that the COD in the upstream should be we controlled in order to reduce the length of the buffer in the river and to meet the standard.

water environmental capacity; dilution mixing length; water quality model

2014-05-13

2014-06-13

陜西科技大學(xué)研究生創(chuàng)新資助項目(skdcx2013324)

趙串串(1976—),女,陜西西安市人,副教授,碩士,研究方向為流域水環(huán)境模擬與生態(tài)環(huán)境保護(hù)。E-mail:sxkjdxzcc@126.com

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1005-3409(2015)02-0189-04