松花江支流梧桐河COD和氨氮?jiǎng)討B(tài)水環(huán)境容量研究

于曉英，杜慧玲，董彭旭，姜 兵

(黑龍江省環(huán)境科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150056)

0 引言

水環(huán)境容量是指在給定水域范圍和水文條件，規(guī)定排污方式和水質(zhì)目標(biāo)的前提下，單位時(shí)間內(nèi)該水域最大允許納污量[1]是水環(huán)境管理的基礎(chǔ)[2-4].近年來，國內(nèi)外已有較多關(guān)于水環(huán)境容量相關(guān)研究，通過研究松花江干支流的水環(huán)境容量，可對松花江干流的水質(zhì)保障及環(huán)境管理起到積極的作用.目前針對黑龍江省內(nèi)河流的研究多集中在松花江干流，主要涉及松花江干流哈爾濱段[5-11]，松花江干流佳木斯段[12-13]、松花江干流肇東段[14]的水環(huán)境容量研究也有相應(yīng)體現(xiàn)，對松花江支流的水環(huán)境容量研究內(nèi)容相對較少，涉及牡丹江[15-16]、阿什河[17-18]、安肇新河[19]，對松花江支流梧桐河的動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量未見有相關(guān)內(nèi)容研究.本研究針對北方寒冷地區(qū)河流季節(jié)性水環(huán)境容量不均的問題，以黑龍江省鶴崗境內(nèi)第一條大河梧桐河為研究對象，采用國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的公式法[20]，研究COD和氨氮的動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量，為當(dāng)?shù)厮h(huán)境容量的合理利用和水環(huán)境管理提供有效依據(jù).

1 研究方法

1.1 選用模型

梧桐河屬松花江一級支流，寬深比較大，屬于寬淺型河道，污染物在排放到水體后，沿流程在很長距離的河段內(nèi)不能達(dá)到斷面內(nèi)均勻混合，污染物濃度在斷面上沿橫向變化較大，且沿岸污染源為岸邊排放，故采用二維岸邊排放水質(zhì)模型[7]，結(jié)合段尾控制法計(jì)算水環(huán)境容量[7，21]，讓水質(zhì)在各段末達(dá)到功能區(qū)段水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).計(jì)算公式見式(1)：

(1)

式中，cs為污染物在研究河段的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(mg/L)；c0為污染物在研究河段的本底值(mg/L)；xi為敏感點(diǎn)到排污口的距離(m)；My為河流縱向、橫向的彌散系數(shù)(m2/s)；ux為河流的平均流速(m/s)；K1為污染物的衰減速度常數(shù)(d-1)；B為河流水面寬度(m)；H為河流平均水深(m)；π為圓周率.

1.2 計(jì)算單元的劃分和計(jì)算因子的確定

根據(jù)水質(zhì)斷面及功能區(qū)目標(biāo)設(shè)置情況，梧桐河河段設(shè)梧桐河漂流站-梧桐河口內(nèi)1個(gè)計(jì)算單元，將COD和NH3-N作為水環(huán)境容量計(jì)算因子.計(jì)算單元屬性見表1.圖1為研究區(qū)域排污口和斷面概化示意圖.梧桐河漂流站-梧桐河口內(nèi)的主要排污口為鶴崗市東部污水處理廠，其與終點(diǎn)斷面的距離為21 km.

圖1 梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)斷面之間排污口概化示意圖

1.3 模型參數(shù)的選取

1.3.1 水文參數(shù)

依據(jù)2009—2013年水文資料，取相應(yīng)月份的最小流量作為當(dāng)月的設(shè)計(jì)流量，其他水文參數(shù)均為此設(shè)計(jì)流量下的值.在這種設(shè)計(jì)條件下，水環(huán)境所能提供的環(huán)境容量值隨著月份變化，這樣能在保證水質(zhì)的前提下更充分地利用水環(huán)境容量.

1.3.2 橫向彌散系數(shù)My及降解系數(shù)K1

My采用Taylor公式(2)進(jìn)行求解.

(2)

式中：My為河流橫向的彌散系數(shù)，m2/s；B為河流水面平均寬度，m；h為河流平均水深，m；g為重力加速度，9.8 m/s2；i為平均縱向坡降，取0.7.

由公式(2)計(jì)算彌散系數(shù)，結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)對相應(yīng)斷面的COD以及NH3-N的預(yù)測濃度和實(shí)測濃度進(jìn)行了擬合分析和修正，結(jié)合已有文獻(xiàn)以及經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法初步確定計(jì)算單元的降解系數(shù)K1值，再根據(jù)已有監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和修正，經(jīng)過率定后的My及K1值見表2.

表2 梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)段彌散系數(shù)、降解系數(shù)表

2 結(jié)果與分析

2.1 理想水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果

理想水環(huán)境容量是將計(jì)算單元視為獨(dú)立的河段，不考慮上下游水體對水環(huán)境容量的影響，也不考慮支流和排污口的影響.根據(jù)公式(1)及設(shè)計(jì)參數(shù)，對理想水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3.雖然理想水環(huán)境容量不能直接應(yīng)用于實(shí)際，但是對于水環(huán)境容量的利用和規(guī)劃還是具有指導(dǎo)性意義的.

表3 梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)段COD理想動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量

2.2 實(shí)際水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果

在理想水環(huán)境容量研究基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際情況，對梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)段的實(shí)際水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算.

2.2.1 考慮上游水質(zhì)對水環(huán)境容量的影響

根據(jù)2013年監(jiān)測結(jié)果，上游來水梧桐河漂流站斷面COD水質(zhì)優(yōu)于功能區(qū)Ⅲ類水體的要求而達(dá)到Ⅱ類水體的標(biāo)準(zhǔn).因此在計(jì)算實(shí)際水環(huán)境容量時(shí)，上游來水按照Ⅱ類水體COD限值為15 mg/L，NH3-N為0.5 mg/L進(jìn)行核算.其水環(huán)境容量重新核算結(jié)果見表4.

表4 考慮上游水質(zhì)情況下梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)段COD實(shí)際動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量

與理想水環(huán)境容量相比，COD的實(shí)際水環(huán)境容量年總量從9 159.277 t/a 增加至12 854.525 t/a，增加幅度達(dá)40%，NH3-N的實(shí)際水環(huán)境容量年總量從442.682 t/a 增加至812.207 t/a，增加幅度達(dá)83%.由此可見，上游水體的水質(zhì)優(yōu)劣對下游水體的水環(huán)境容量有著很大的影響，若要確保下游水體的水環(huán)境容量能滿足該段生產(chǎn)和生活的需求，必須嚴(yán)格控制上游水體水質(zhì).

2.2.2 考慮支流及排污口對水環(huán)境容量的影響

梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)的主要支流從西北到東南依次為細(xì)鱗河、鶴立河.細(xì)鱗河匯入梧桐河的位置在水文站的上游，水文站的數(shù)據(jù)已經(jīng)包括了細(xì)鱗河對干流的影響，因此，對于支流僅需考慮鶴立河的水功能區(qū)劃及水文參數(shù)，鶴立河的水質(zhì)目標(biāo)為III類，水質(zhì)現(xiàn)狀為V類，鶴立河最小流量為0.385 m3/s.此外，梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)有一較大污染源為鶴崗市東部污水處理廠，該污染源流量較大，因此還需考慮其對水體的影響，該污水處理廠建成時(shí)間為2013年7月，設(shè)計(jì)規(guī)模為3萬m3/d.支流及排污口的排放量及流量情況見表5.

表5 主要支流及排污口排放量

由于支流和排污口水量的匯入，水體的流量、流速、水面寬度及水深等都將發(fā)生變化.但水文資料有限，本研究假設(shè)支流和排污口水量的匯入并不會改變水體的寬度和深度，只對流速產(chǎn)生影響.將支流及排污口作為流速變化的分界斷面，按照設(shè)計(jì)流量重新核算不同斷面沿河流速變化，綜合考慮上游水質(zhì)及支流匯入的實(shí)際情況，對梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)計(jì)算單元的水環(huán)境容量進(jìn)行重新核算，核算結(jié)果見表6.COD和NH3-N的理想動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量與實(shí)際動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量對比情況見圖2、圖3.

表6 梧桐河漂流站—梧桐河口內(nèi)段COD實(shí)際動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量

由圖2、圖3可知，COD與氨氮年內(nèi)動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量變化趨勢相似，最大水環(huán)境容量均出現(xiàn)在8月份，最小水環(huán)境容量均出現(xiàn)在3月份.所計(jì)算河段的實(shí)際動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量除個(gè)別月份外，其余月份均大于理想水環(huán)境容量.與理想水環(huán)境容量相比，在綜合考慮上游水質(zhì)、支流和排污口匯入的情況下，該河段內(nèi)COD的實(shí)際水環(huán)境容量年總量由9 159.277 t/a升至10 887.764 t/a，增加幅度達(dá)13.86%，NH3-N的水環(huán)境容量年總量由442.682 t/a增至674.895 t/a，增加幅度達(dá)52.46%.由此可知，盡管支流和排污口匯入該河段，但由于上游來水水質(zhì)較好，該河段的實(shí)際水環(huán)境容量年總量仍比理想水環(huán)境容量有明顯增加.

圖2 COD理想動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量及實(shí)際動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量

圖3 氨氮理想動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量及實(shí)際動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量

2.2.3 各水期動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量情況

該河段豐、平、枯各水期 COD 和氨氮的理想水環(huán)境容量和實(shí)際水環(huán)境容量平均值分別見圖4和圖5.無論理想動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量還是實(shí)際動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量，COD與氨氮水環(huán)境容量隨水期變化的趨勢基本一致.各水期COD和氨氮均為豐水期水環(huán)境容量最大，枯水期水環(huán)境容量最小.

圖4 各水期COD和氨氮理想動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量

圖5 各水期COD和氨氮實(shí)際動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量

3 結(jié)論

1)無論理想動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量還是實(shí)際動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量，COD與氨氮水環(huán)境容量隨水期及年內(nèi)變化趨勢基本一致，豐水期水環(huán)境容量最大，枯水期水環(huán)境容量最小.最大水環(huán)境容量均出現(xiàn)在8月份，最小水環(huán)境容量均出現(xiàn)在3月份.

2)由于上游來水水質(zhì)較好，盡管有支流和排污口匯入，該河段COD與氨氮實(shí)際動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量除個(gè)別月外，其他月均高于理想動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量，可以通過控制上游水體水質(zhì)來確保下游水體的水環(huán)境容量.

3)水環(huán)境容量受季節(jié)性影響變化明顯，且受上游來水、排污口及支流等影響，建議對河段實(shí)行動(dòng)態(tài)管理，更合理地利用水環(huán)境容量，為環(huán)境管理提供參考和理論依據(jù).