水?dāng)U散示蹤實(shí)驗(yàn)在環(huán)評中的應(yīng)用

[摘要]敘述了水?dāng)U散示蹤實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)、示蹤劑的選擇、采樣、實(shí)驗(yàn)的分析和參數(shù)的求取等實(shí)驗(yàn)的全過程。

[關(guān)鍵詞]示蹤實(shí)驗(yàn)擴(kuò)散參數(shù)示蹤劑羅丹明-B

山區(qū)河流，大都是河狹水急，河床坡度大、支流繁多。在環(huán)境影響評價中如評價河段較短時，自凈能力不易顯示出來，一般均由擴(kuò)散作用起主導(dǎo)作用。因此，水?dāng)U散作用的研究是水環(huán)境影響評價中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

天然河流的混合擴(kuò)散系數(shù)的確定，一般有三種方法，即:

⑴ 根據(jù)水文資料和水文特征，用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。

⑵ 水工模型實(shí)驗(yàn):在水工模型上進(jìn)行擴(kuò)散示蹤實(shí)驗(yàn)。

⑶ 在實(shí)際河段進(jìn)行示蹤擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)驗(yàn)公式法雖然最省時省工，但預(yù)測的精度往往不高，相差一個數(shù)量級的現(xiàn)象也時常發(fā)生，一般用于排污量較小的環(huán)境影響評價或流域環(huán)境規(guī)劃中作半定量的估算。

水工模型法取得的數(shù)據(jù)比較精確，并且可以隨意假設(shè)各種排污方案進(jìn)行類比實(shí)驗(yàn)。示蹤劑的消耗量也少，福建省閩江福州段的示蹤擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)就曽在水工模型上進(jìn)行的。由于水工模型的投資很大，一般都只有在有的模型上進(jìn)行。水工模型不是專為示蹤擴(kuò)散研究設(shè)計(jì)的，所以，在示蹤實(shí)驗(yàn)中對某些細(xì)部結(jié)構(gòu)的研究也是不夠的。

化學(xué)示蹤法，是最常用的求取擴(kuò)散系數(shù)的方法，這種實(shí)驗(yàn)最有利于工程環(huán)境影響評價的參數(shù)求取。因?yàn)槭聚檮┩斗诺钠瘘c(diǎn)可設(shè)在假定的排污口處，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可靠。但工作量大，人力、物力的消耗也大。為了節(jié)約成本，提高實(shí)驗(yàn)的成功率，研究如何組織好示蹤實(shí)驗(yàn)是很有現(xiàn)實(shí)意義的。

根據(jù)我院的工作實(shí)踐，做好示蹤實(shí)驗(yàn)的要點(diǎn)可分為以下5個環(huán)節(jié)。

1方案設(shè)計(jì)

示蹤實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)是擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵，一個好的實(shí)驗(yàn)方案就等于成功了一半。方案設(shè)計(jì)時首先應(yīng)該根據(jù)研究的目的先確定準(zhǔn)備驗(yàn)證的模式、計(jì)算程序，然后根據(jù)模式計(jì)算中所必須的各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)計(jì)如何在實(shí)驗(yàn)中求取這些參數(shù)的手段。示蹤實(shí)驗(yàn)是為求這些參數(shù)而進(jìn)行的，而不是一場示蹤表演。有的實(shí)驗(yàn)雖然取得了一大堆數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)不配套，導(dǎo)致最終無法處理。這就是因?yàn)楫?dāng)時方案設(shè)計(jì)時沒有考慮到數(shù)據(jù)處理的緣故。

在方案設(shè)計(jì)時，最容易忽視的是現(xiàn)場水文數(shù)據(jù)的獲取。一般來說，單靠水文站的資料是滿足不了模式參數(shù)的要求，那會使整個實(shí)驗(yàn)的精度下降，甚至造成失敗，因此應(yīng)該委托有關(guān)單位進(jìn)行測試，使模式中的各項(xiàng)參數(shù)的精度達(dá)到大致相同的水平。

應(yīng)該注意到，擴(kuò)散系數(shù)的求得是有一定的局限性，用甲公式求得的擴(kuò)散系數(shù)只適用于甲公式，用于乙公式時應(yīng)經(jīng)過驗(yàn)證，否則往往會使模式失真，因此參數(shù)求取的模式應(yīng)和所使用的模式一致。

2示蹤劑的選擇

示蹤劑的選擇必須注意以下幾個問題:⑴河段上游很少或者沒有這種物質(zhì)，即本底要低;⑵這種物質(zhì)容易監(jiān)測，方法簡單，由于實(shí)驗(yàn)時樣品很多，如果分析時間過長或監(jiān)測成本過高都是不合適的;⑶分析中干擾物要少;⑷無毒或低毒;⑸最低檢出限要小，這樣示蹤劑的投放量就可以減少;⑹穩(wěn)定程度高，不容易產(chǎn)生降解，即降解系數(shù)要小。

過去用得最多的是堿性玫瑰精。它是一種染料，化學(xué)名稱為羅丹明-B，這種物質(zhì)可采用螢光光度計(jì)分析，干擾小、分析方法簡單、最低檢出限低，但應(yīng)注意在污水排放口投放時它的色度是否會被污水顏色所掩蓋。

因此，我們可使用某個工廠排出的特殊污染物。如鋅、鉛等重金屬作為示蹤劑，如果上游沒有或很少這種污染物，用它作為示蹤是簡便而經(jīng)濟(jì)的，并且接近了河道中實(shí)際情況，分析方法也簡單、快速。

此外還可用COD作為示蹤劑，但它使用的條件受到較大的限制，因?yàn)棰潘谋镜赘蓴_大;⑵分析方法比較繁雜，分析周期大;⑶容易降解，因此它只適用于本底濃度比較均勻，而排放濃度又大大高于本底濃度的場合，實(shí)驗(yàn)室分析力量比較強(qiáng)的單位。它突出的優(yōu)點(diǎn)是可以在研究擴(kuò)散的同時研究自凈降解能力，特別適用于工廠的改、擴(kuò)建工程。因?yàn)檫@些污染物的性質(zhì)是相同的或相似的，如我院在某造紙廠擴(kuò)建時的環(huán)境影響評價中就應(yīng)用過COD作實(shí)驗(yàn)。

以下以堿性玫瑰精示蹤劑為例進(jìn)行討論。

3實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備

堿性玫瑰精是一種易溶于水的染料，分子式為

C28H31ClN2O3，分子量479，其稀溶液是淡紅色的，由于它易被激發(fā)出螢光，所以一般采用螢光分析儀進(jìn)行。分析方法簡單、快捷，和一般的比色法相同，其螢光特征發(fā)射波長在580nm，最佳發(fā)射波長為556nm。

儀器的質(zhì)量對最低檢出限的影響很大，例如國產(chǎn)的FY-1型螢光分析儀，其最低檢出限為1ppb左右，而進(jìn)口的日立650-60型或島津RF-540型螢光分析儀，其最低檢出限為0.1ppb左右，二者相差高達(dá)一個數(shù)量級，這就意味著在水樣中要達(dá)到同樣濃度，使用國產(chǎn)的儀器的投放量應(yīng)比進(jìn)口的多投放10倍示蹤劑的量。因此在現(xiàn)場分析使用國產(chǎn)的儀器進(jìn)行監(jiān)測，未檢出或接近檢出限的帶回實(shí)驗(yàn)室，用進(jìn)口儀器再測，這樣對提高實(shí)驗(yàn)的精度是有益的，應(yīng)該注意的是帶回的樣品必須使用原系列標(biāo)樣進(jìn)行再分析，不要另配標(biāo)樣，以免引進(jìn)不必要的誤差。

在分析時SS對分析的干擾很大，在SS=20mg/l時平均吸附為14%左右，當(dāng)?shù)豐S=100mg/l時平均吸附率為40%左右，因此當(dāng)SS很高時，則不應(yīng)進(jìn)行此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，在分析時必須使用實(shí)驗(yàn)河段的河水配制標(biāo)準(zhǔn)溶液，以抵銷SS的影響，用蒸餾水配制標(biāo)準(zhǔn)系列反而不合適。分析的樣品不宜保持太久，以防樣品降解。

4示蹤劑的投放方式和投放

示蹤劑的投放方式一般分為瞬時源、連續(xù)源和有限時段三種類型。由于經(jīng)費(fèi)、時間的限制，一般采用瞬時投放和有限時段連續(xù)投放二種，采用何種設(shè)放方式是決定于待解決問題的本身和采用的水質(zhì)模型。一般來講對于研究河段較長，如進(jìn)行水系規(guī)劃可采用瞬時投放，以求得縱向擴(kuò)散系數(shù)。如進(jìn)行工廠的影響評價，為了了解排污口附近污染帶的情況則可以采用連續(xù)有限時段排放，它要待排放穩(wěn)定后再進(jìn)行采樣，不穩(wěn)定時采樣是沒意義的，據(jù)文獻(xiàn)記載，以6小時為好，但實(shí)際中由于種種因素的限制，2小時后就進(jìn)行采樣也是有的。

瞬時投放要求示蹤劑能瞬時進(jìn)入水體，所以應(yīng)該把示蹤劑溶解成高濃度，小體積，這樣才便于瞬時投放，溶液應(yīng)配制在濃度1.5%以下，濃度太高容易產(chǎn)生顆粒，而影響溶解的效果，為了增加其溶解度可采用物理或化學(xué)的方法，但不得破壞其原有的結(jié)構(gòu)，投放時的船只在投放后應(yīng)向上游遠(yuǎn)遠(yuǎn)離開，以避免投料船只對水體的污染，并且不應(yīng)立即沖洗船體。

在進(jìn)行連續(xù)投放時為了使投放得均勻則應(yīng)把示蹤濃度盡量配得稀一些，使排放的每一瞬間盡量均勻，投放的時間可得到延長，配料至少有二個大的容器，一個溶解，一個投放，也有挖一個大槽一次混合均勻后再均勻排出，這樣的效果就更好了，在采樣時每桶示蹤劑的初始濃度也必須測一下，體積可先劃好刻度，視刻度而定，以便在投放時控制流量。

應(yīng)該指出，示蹤實(shí)驗(yàn)中排放出的水量是比較少的，因此在擴(kuò)散過程中沒有水動力的作用，而實(shí)際生產(chǎn)中，對一些大的污染源，水量很大，在排放口形成一股沖力，因此在預(yù)測中應(yīng)考慮到這方面的因素，否則就會引起預(yù)測的誤差。

堿性玫瑰精的粉很輕，風(fēng)一吹就起揚(yáng)，而一小粒粉未就可染紅一大片，因此，最好在室內(nèi)先分包、溶解、裝入塑料袋以減輕現(xiàn)場工作的強(qiáng)度。

5采樣

樣點(diǎn)的采集分為固定和流動二種。定點(diǎn)采樣即是在每個采樣點(diǎn)上配備一條船，拋錨固定在采樣點(diǎn)位置。定時采集樣品，這種做法采樣定位精確，樣品的同時性也好，其主要的缺點(diǎn)是船只和人員需要量太大，因此實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)高。

巡回采樣法。即一條船或二條船在同一斷面作定時的巡回采樣。

采樣點(diǎn)的定位可以采用拉繩的方法或標(biāo)物法，也可以采用儀器定位。這種方法簡單易行，經(jīng)費(fèi)也較少。由于船在運(yùn)行位精度較差，樣品采樣也有一個時間差，并且有可能起到攪拌作用對于較窄的河道，或取斷面平時樣時比較有效。

采樣的深度一般采用表層采樣法。對于較深的河道，如水深大于2m的，還應(yīng)加采垂直分布，對于河口，因有淡咸水的比重差，因此更應(yīng)用垂直采樣法，必須采用定點(diǎn)采樣法較好。采樣應(yīng)有統(tǒng)一指揮。

根據(jù)以上的方法，我們組織和實(shí)施了10余次示蹤擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，(其中包括感潮河段和海灣)均取得了良好的效果。

例1:沙溪河縱向擴(kuò)散系數(shù)的求取

為了進(jìn)行沙溪干流水環(huán)境規(guī)劃，我們在沙縣上游河段進(jìn)行了水示蹤擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)。目的是求取其中的縱向擴(kuò)散系數(shù)，該公式:

要求橫斷面是均勻的，為此必須使示蹤劑迅速和河水混勻。因此我們采用加熱溶解法，使5kg示蹤劑溶解在很少的水體中，以便于瞬時投放。其次采用二條船作人字形投放利用斷面流速的不同，使河段橫斷面混合均勻，因此僅經(jīng)過2km，橫斷面就混合均勻(當(dāng)時水量達(dá)250m3/s)達(dá)到了理想的效果，擬合后求得

DL=0.00105U2W2/Hu*+41.91

實(shí)測值的計(jì)算值，相對誤差平均為7.8%，最大為16.4%，高于前人所作的研究。

例2:富屯溪邵武段橫向擴(kuò)散系數(shù)的求取

為了確定年產(chǎn)5萬噸邵武竹漿廠的排污。我們進(jìn)行了二維示蹤擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)。因?yàn)槭沁B續(xù)投料，所以配制的是4000ppm的稀溶液，采用結(jié)繩法確定采樣點(diǎn)的橫向距離，由于當(dāng)?shù)刂魉鞑辉诤拥乐虚g，所以每個采樣點(diǎn)都進(jìn)行流速和水深的測量。然后用累積流量法進(jìn)行模擬。

N=0，±1，±2……， ∞

進(jìn)行非線性擬合估算，求得邵武河段的橫向擴(kuò)散系數(shù)，代入計(jì)算后八組模型的計(jì)算值和實(shí)測值的回歸相關(guān)每數(shù)γ=0.85～0.99，平均0.94。

以上實(shí)測說明了示蹤實(shí)驗(yàn)的組織和實(shí)施是進(jìn)行擴(kuò)散預(yù)測的重要保證，關(guān)系到預(yù)測工作是否成敗的關(guān)鍵，是進(jìn)行水?dāng)U散實(shí)驗(yàn)時必須重視的。