淮河支流污染物綜合降解系數(shù)動態(tài)測算

張亞麗，申 劍，史淑娟，韓麗瓊，姚志鵬

1．河南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，河南省高校農(nóng)業(yè)資源利用工程技術研究中心，河南 鄭州 450002

2．河南省環(huán)境監(jiān)測中心，河南 鄭州 450004

3．中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012

綜合降解系數(shù)反映了污染物降解速率的快慢，是研究河流水質(zhì)變化規(guī)律、計算水環(huán)境容量的主要參數(shù)之一，對于區(qū)域排污總量控制計劃的制定、總量負荷指標的科學分配、控制計劃執(zhí)行過程的管理等具有重要作用［1-2］。影響綜合降解系數(shù)的因素十分復雜，主要包括流速、流量、pH、水溫、污染物本身的屬性及濃度梯度、水體中微生物性質(zhì)等［3-5］。綜合降解系數(shù)的確定方法有很多(如經(jīng)驗公式估算法、類比分析法、現(xiàn)場模擬法和實驗室模擬法等［1-2］)。目前國內(nèi)主要針對同一水文條件下的綜合降解系數(shù)開展研究(主要為枯水期)，不足以體現(xiàn)水環(huán)境管理的科學性和有效性［4-8］。實際上河流污染物及河流水文、水質(zhì)條件都具有隨時空變化的動態(tài)特征，因此其綜合降解系數(shù)也具有不確定性和動態(tài)性［1-2，9-10］。枯水期水體自凈能力最差，單純在最不利條件下研究枯水期的綜合降解系數(shù)，并將其作為水環(huán)境容量的計算參數(shù)，不利于充分發(fā)揮水體的自凈作用和水環(huán)境的動態(tài)科學管理。因此，以淮河支流(洪河)為例，采用現(xiàn)場實測法，研究水體 COD、氨氮和總磷在不同水期(豐水期、平水期和枯水期)的綜合降解系數(shù)，研究其動態(tài)變化規(guī)律，以期為流域水環(huán)境容量計算、污染物總量控制和上下游生態(tài)補償、水質(zhì)目標管理等提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

洪河又稱為洪汝河，是淮河上游的二級支流，發(fā)源于河南省舞陽市南熬山，流經(jīng)舞鋼市、舞陽縣和駐馬店地區(qū)的西平、上蔡和新蔡縣等，到班臺入大洪河，最后匯入淮河，全長254 km，流域面積4 170 km2。歷史上洪河曾是一條水旱災害頻發(fā)且嚴重的河流。洪河的污染源主要是沿河兩岸的工廠和企業(yè)的未達標廢水。近年來，通過各種污染治理和水環(huán)境保護措施，水質(zhì)逐漸有所好轉(zhuǎn)。

2 實驗部分

2.1 河流監(jiān)測斷面的選取與設置

為了盡可能保證實驗的準確性和測定綜合降解系數(shù)的代表性，所選河段一般要求比較順直，河道較為規(guī)整，水流穩(wěn)定，沒有排污口和支流匯入，沒有取水口等。另外，所選河段的長度要適當，不能過長或過短，河段太短，污染物剛開始自凈，河段太長，污染物已經(jīng)完全自凈，都不能準確地反映污染物自凈過程［1-2］。根據(jù)研究區(qū)域的自然環(huán)境特征、水文形勢和社會經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀，經(jīng)過實地調(diào)研及分析，選取駐馬店洪河西平五溝營－塔橋鄉(xiāng)河段為研究區(qū)域。

2.2 數(shù)據(jù)分析及處理方法

2.2.1 監(jiān)測因子

監(jiān)測因子包括水質(zhì)項目和水文項目。水質(zhì)項目主要為COD、氨氮和總磷;水文項目主要為固定采樣點經(jīng)緯度坐標、河寬、流速、流量。

2.2.2 監(jiān)測方法

污染因子COD和總磷按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)規(guī)定方法測定。具體為COD采用重鉻酸鹽法(GB 11914—1989)測定;總磷采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—1989)測定;氨氮采用納式試劑分光光度法(HJ 535—2009)測定。流速按照浮標法測定，監(jiān)測點坐標用GPS定位，用GIS軟件測算河段長度。

2.2.3 監(jiān)測周期及監(jiān)測頻次

2012年12月—2013年3月每周一、三、五手工采集水樣，按照河段從上游至下游順序在選定河段采集3個水樣，同時記錄監(jiān)測斷面水文條件。所有斷面因河段發(fā)生凌汛、結凍等特殊情況而無法采樣以及河流斷流時，該斷面可不進行采樣，但必須上報相應的文字說明。

2013年4—9月每周一手工采集水樣，按照河段從上游至下游順序在選定河段采集3個水樣，同時記錄監(jiān)測斷面的水文條件。

2.2.4 綜合降解系數(shù)計算

對于水體中COD、氨氮和總磷的降解，一般認為符合一級反應動力學方程［1-2，10］。計算公式為

式中:C1、C2分別為河段上下斷面的污染物濃度，mg/L;U為河段平均流速，m/s;L為河段上下斷面間距，km;K為河流綜合降解系數(shù)，d－1。

3 結果分析

3.1 河流不同時期綜合降解系數(shù)動態(tài)變化

利用不同水期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用式(1)分別測算河流枯水期、平水期和豐水期的污染物綜合降解系數(shù)。經(jīng)過分析，得到各河段污染物在各水期綜合降解系數(shù)的取值范圍，對取值范圍內(nèi)的綜合降解系數(shù)求取平均值和中位數(shù)(表1)可知，不同河段綜合降解系數(shù)略有差異，這主要與河段水文特征和河道狀況等有關，具體仍需深入分析。各水期綜合降解系數(shù)的關系為枯水期＜平水期＜豐水期。這主要是因為在豐水期，河流的流量大，徑污比就大，更有利于污染物的混合稀釋，污染物的自凈程度相對較快;此外，豐水期 (夏季)水溫高，有利于污染物的降解，枯水期 (冬季)水溫低，生物降解和揮發(fā)作用下降，平水期綜合降解系數(shù)則介于兩者之間。中國河流COD綜合降解系數(shù)范圍為0．009 ～0．47 d－1，氨氮的綜合降解系數(shù)范圍為 0．105 ～0．350 d－1［6］，駐馬店洪河五溝營 －塔橋鄉(xiāng)河段COD和氨氮綜合降解系數(shù)總體在全國均處于較低水平，可見，此河段水體對COD和氨氮的降解能力相對較弱，應嚴格控制排入河流水體的COD和氨氮總量。

表1 監(jiān)測期污染因子綜合降解系數(shù)測算結果

3.2 河流污染物綜合降解系數(shù)建議

綜合國內(nèi)外多條河流綜合降解系數(shù)的研究成果及取值情況，經(jīng)過分析，確定了各河段污染物在不同水期綜合降解系數(shù)(表2)。對其取平均值，求得洪河五溝營－塔橋鄉(xiāng)河段各污染物綜合降解系數(shù)的值。根據(jù)各河段綜合降解系數(shù)的取值及平均值可知，枯水期綜合降解系數(shù)約為平水期的80% ～90%，約為豐水期的70% ～80%。

表2 綜合降解系數(shù)測算結果d－1

4 綜合降解系數(shù)驗證

為了驗證測算結果的可靠性，利用歷史資料對應水期的觀測數(shù)據(jù)，對河流上游斷面污染物運行至下游斷面時的各污染物濃度進行預測，并與下游斷面同步監(jiān)測結果相對照，結果見表3。

表3 污染物計算值與實測值比較 mg/L

由表3可以看出，各監(jiān)測斷面污染物濃度的計算值與實測值相差不大，吻合度較好，因此利用一維水質(zhì)模型計算的綜合降解系數(shù)是可靠的，可用于流域水環(huán)境容量的計算。污染物濃度計算值與實測值存在差別，原因主要是模型預測是針對通常排污情況，沒有考慮下游的實際排污波動變化;實測值是同步監(jiān)測結果而并非跟蹤監(jiān)測結果，因此上斷面對下斷面的影響存在水團運行時間差等因素。

5 結論

1)利用河流一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型，現(xiàn)場模擬測算出駐馬店洪河五溝營－塔橋鄉(xiāng)河段的COD、氨氮和總磷在不同水期的綜合降解系數(shù)，結果表明，各水期污染物綜合降解系數(shù)的關系為枯水期＜平水期＜豐水期。對計算結果進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，枯水期綜合降解系數(shù)約為平水期的80% ～90%，約為豐水期的70%～80%。

2)根據(jù)測算的綜合降解系數(shù)，利用上斷面污染物濃度預測下斷面污染物濃度，對比下斷面污染物濃度的計算值與實測值，結果表明兩者吻合度較高，表明各水期污染物綜合降解系數(shù)的測算值是合理、可靠的，因此可以用于區(qū)域水環(huán)境容量的測算和污染物總量控制計劃的制定以及污染負荷總量分配等環(huán)境保護工作。

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