沱江上游支流石亭江水環(huán)境容量及模擬探討

陳西平,楊 柳,向 艷,陳 誠

(1.四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,成都 610041;2.成都紡織高等專科學(xué)校,成都 610023)

石亭江是四川沱江上游的主要支流。什邡石亭江化工開發(fā)試驗(yàn)區(qū)是石亭江的主要污染源,該段污染源分布較為集中,且排放口較多。為了保護(hù)沱江水質(zhì)不受到重大污染,探討上游石亭江水環(huán)境容量和控制污染源排放是十分必要的。

什邡化工區(qū)點(diǎn)污染源輸入石亭江為多點(diǎn)輸入。國內(nèi)對非點(diǎn)源多點(diǎn)分散排放的水質(zhì)模擬探討已有文獻(xiàn)報(bào)告[1,2],對多個(gè)工業(yè)污染源同時(shí)排放對河流影響的水質(zhì)模擬探討的文獻(xiàn)還不多見。本文著重探討一點(diǎn)源單獨(dú)排放和多點(diǎn)源同時(shí)輸入的河流水質(zhì)模擬方法,計(jì)算污染源易降解和難降解污染物對石亭江的影響。由于點(diǎn)污染源的治理方法、管理措施、防治對策等均取決于受納水體的水質(zhì)狀況,故對石亭江水環(huán)境容量的計(jì)算和水質(zhì)模擬,正是為了控制化工區(qū)污染源排放和防治石亭江污染提供依據(jù)。

1 石亭江水文要素

石亭江系季節(jié)性河流,其流量在年內(nèi)的變化也較大。據(jù)當(dāng)?shù)馗呔瓣P(guān)水文站多年資料,月平均最大流量為 5.6m3/s,最小月平均流量為 3.2m3/s,極端最小流量可達(dá) 0.5m3/s。表 1列出了石亭江化工區(qū)段各水期的設(shè)計(jì)流量及相應(yīng)的流速。可見枯水期和洪水期流量相差較大。

表1 石亭江化工開發(fā)區(qū)段水文參數(shù)[3]Tab.1 Hydrological parameters for the section of chemical development zone in Shitingjiang River

2 模型與模擬計(jì)算方法

2.1 水環(huán)境容量

什邡化工區(qū)向石亭江排放易降解和難降解兩類污染物,由于污染物在水體中的變化不同,其計(jì)算式分別為[4-5]：

式中：Wy—河流易降解污染物允許排放量 (kg/d);

Wn—河流難降解污染物允許排放量 (kg/d);

Cs—水源保護(hù)區(qū)段規(guī)定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) (mg/L);

Qp—河流設(shè)計(jì)流量 (m3/s);

q—旁側(cè)污水流量 (m3/s);

C0—上游斷面污染物濃度 (mg/L);

K1—衰減系數(shù) (d-1);

X—河流段長 (km);

u—斷面平均流速 (km/d)。

2.2 水質(zhì)模擬方法

2.2.1 難降解污染物

2.2.1.1 一點(diǎn)輸入

式中：C—河水和污水混合均勻后濃度 (mg/L);

Q0—上游河流流量 (m3/s);

C1—排放廢水中污染物濃度 (mg/L);

其他符號同前。

2.2.1.2 多點(diǎn)輸入

在化工區(qū)內(nèi),污染源沿河岸分散排放,河流污染物是多點(diǎn)源的線性疊加關(guān)系,其計(jì)算遞推式為：

式中：Ct1,Ct2,…,Cti—1,2,…,i斷面污染計(jì)算濃度 (mg/L);

q1,q2,…qi—1,2,……,i斷面旁側(cè)排放口的廢水流量 (m3/s);

C1,C2,…,Ci—1,2,…,i排放口廢水污染物濃度 (mg/L)。

2.2.2 易降解污染物

什邡化工區(qū)僅一個(gè)污染源排放易降解污染物,故選取BOD5進(jìn)行一點(diǎn)源輸入的水質(zhì)模擬計(jì)算：

式中：L—BOD5計(jì)算濃度 (mg/L);

L0—初始斷面河流和廢水混合后的濃度(mg/L);

u—斷面平均流速 (km/d);

x—上、下斷面距離 (km);

其他符號同前。

3 模型的參數(shù)確定

3.1 BOD5—階衰減系數(shù)

石亭江BOD5一階衰減系數(shù) K1的確定,采用實(shí)測值反推和經(jīng)驗(yàn)公式相對比的方法,其計(jì)算公式為：

經(jīng)驗(yàn)公式：

實(shí)測值反推公式[3]:

式中：Q—河流流量 (m3/s)

△t—流經(jīng)上下游斷面的時(shí)間 (d);

△x—上、下斷面距離 (km);

C0、C—上斷面和下斷面 BOD5實(shí)測值(mg/L)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)測值計(jì)算的石亭江不同流量下的 K1見表 2。

表2 石亭江化工試驗(yàn)區(qū)段 K1計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculated K1for the section of chemical development zone in Shitingjiang River (d-1)

3.2 廢水污染物排放濃度確定

根據(jù)多樣品監(jiān)測,廢水中 BOD5濃度為313.8mg/L?；^(qū)含難降解污染物的污染源較多。本文計(jì)算氟化物對石亭江的影響,各污染源氟化物濃度分別為：A源為 4.89mg/L,B源為25mg/L,C源為 2.4mg/L,D源為 29.58mg/L,E源為30.0mg/L。

3.3 L0和 C0的確定

根據(jù)多樣品監(jiān)測平均結(jié)果,石亭江上游斷面BOD5濃度為3.31mg/L,即L0為3.31mg/L。A源排放口上游斷面氟化物濃度為0.63mg/L,取C0為0.63mg/L。

4 石亭江水環(huán)境容量計(jì)算

根據(jù)表 1石亭江設(shè)計(jì)流量及相應(yīng)流速和《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》 (GB3838-2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(BOD5≤4mg/L,氟化物≤1mg/L),用式 (1)和式 (2)分別計(jì)算 BOD5和氟化物的水環(huán)境容量。石亭江化工區(qū)上游斷面 BOD5為 3.31mg/L,氟化物為 0.63mg/L,化工開發(fā)試驗(yàn)區(qū)廢水排放流量為0.106m3/s。由此計(jì)算出BOD5、氟化物在石亭江各流量下的允許排放量見表 3。由表 3取流量為自變量,相應(yīng)污染物允許排放量為因變量進(jìn)行回歸分析,得到污染允許排放量變化的相關(guān)模式 (r=1)。

表3 石亭江水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculated water environmental capacity of pollutant for the section of chemical development zone in Shitingjiang River (kg/d)

式中：WBOD5、WF-—BOD5和氟化物的允許排放量 (kg/d);

Q—石亭江流量 (m3/s)。

目前化工開發(fā)區(qū)每天排氟 227kg,BOD5162kg。由表 3可見,石亭江枯水期幾乎無容量可言,洪水期具有一定的容量,其中當(dāng)河流流量為20m3/s時(shí),每天可排 BOD51237.59kg,氟化物648.52kg。由于枯水期氟化物和BOD5一般均超過河流環(huán)境容量。因此,化工開發(fā)試驗(yàn)區(qū)應(yīng)控制氟化物和BOD5廢水排放。

5 石亭江水質(zhì)模擬

石亭江化工開發(fā)試驗(yàn)區(qū)主要污染物是廢水中的氟化物。因此,本文選擇氟化物和水質(zhì)綜合指標(biāo)BOD5進(jìn)行河流水質(zhì)模擬。

5.1 BOD5污染模擬

什邡化工開發(fā)試驗(yàn)區(qū)一點(diǎn)源含BOD5廢水排放流量為 0.00408m3/s。根據(jù)石亭江在同流量下的 K1和廢水濃度以及 L0的確定,用 (5)式進(jìn)行河流0.5,1.0,3.2m3/s流量時(shí)的水質(zhì)模擬,結(jié)果見表 4,可見BOD5排放對石亭江的影響距離為15km。

表4 一點(diǎn)源BOD5排放對石亭江影響的水質(zhì)模擬結(jié)果Tab.4 Simulated result for the effect of a point source BOD5 discharge on the water quality of Shitingjiang River (mg/L)

5.2 氟化物污染模擬

化工開發(fā)試驗(yàn)區(qū)共有 5個(gè)企業(yè)的含氟廢水排入石亭江。由于是多個(gè)污染源排放,取 C0為0.63mg/L,采用 (4)式進(jìn)行水質(zhì)模擬計(jì)算,結(jié)果見表 5。由表可見,當(dāng)?shù)谖鍌€(gè)污染源廢水排入后,石亭江流量為 0.5m3/s時(shí),氟化物濃度為 2.83mg/L,當(dāng)石亭江流量為 1.0m3/s時(shí),氟化物濃度為1.79mg/L,均超過 GB3838-2002Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。因此,削減化工開發(fā)試驗(yàn)區(qū)氟化物排放是防治石亭江氟污染的主要途徑。

表5 化工開發(fā)試驗(yàn)區(qū)氟污染對石亭江影響的水質(zhì)模擬結(jié)果Tab.5 S imulated result for the effect of fluorine pollution from the chemical development test on the water quality of Shitingjiang River(mg/L)

6 結(jié) 語

石亭江什邡化工開發(fā)試驗(yàn)區(qū)污染源較為集中,但沒有集中的排放口,各污染源廢水分別排入石亭江。為了保護(hù)石亭江水質(zhì)不受污染,本文計(jì)算了石亭江的水環(huán)境容量,并探討了多點(diǎn)源分散排放的水質(zhì)模擬方法,提出了河流多點(diǎn)源難降解污染物輸入的濃度推式,為多點(diǎn)源同時(shí)排放的水質(zhì)模擬提供了便利。

石亭江是沱江上游的主要支流。為了防治沱江干流水質(zhì)污染,保護(hù)上游水質(zhì)是非常必要的。本文通過對石亭江環(huán)境容量的計(jì)算和水質(zhì)模擬表明,化工開發(fā)試驗(yàn)區(qū)排放的廢水中氟化物對石亭江水質(zhì)影響較大。因此削減廢水中氟排放是防治石亭江和沱江水質(zhì)污染的主要途徑。

[1] 陳西平.水網(wǎng)城市徑流污染對河流影響的模擬研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),1991,11(1)：118-124.

[2] 陳西平.城市徑流對河流污染的 CIS模型與計(jì)算[J].水利學(xué)報(bào),1993,(2)：57-63.

[3] 賀錫泉,等 .什邡縣石亭江雙盛化工開發(fā)試驗(yàn)區(qū)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃[R].成都：四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,1999.93-99.

[4] 呂修均,等 .環(huán)境保護(hù)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)匯編(二)[R].成都：成都市環(huán)境保護(hù)局,1991.352-354.

[5] 陳西平,等 .四川石橋糧油加工貿(mào)易區(qū)區(qū)域環(huán)境影響報(bào)告書[R].成都：四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,2006.6-7.