松花江干流哈爾濱段COD和氨氮?jiǎng)討B(tài)水環(huán)境容量研究

杜慧玲， 于曉英， 曲茉莉

(黑龍江省環(huán)境科學(xué)研究院， 黑龍江 哈爾濱 150000)

1 研究背景

水環(huán)境容量是指在保證水環(huán)境功能的前提下，受納水體所能承受的最大污染物排放量，或者在給定的水質(zhì)目標(biāo)和水文設(shè)計(jì)條件下，水域的最大容許納污量[1]。中國水環(huán)境容量具有明顯的空間分布特征[2-4]，水環(huán)境容量豐裕度指數(shù)呈現(xiàn)出從東南沿海向西部內(nèi)陸逐漸遞減的趨勢。隨著區(qū)域社會、經(jīng)濟(jì)功能的增強(qiáng)而產(chǎn)生的生活和工業(yè)耗水量、廢水排放量和污染物排放量不斷增加，進(jìn)而改變了區(qū)域生態(tài)結(jié)構(gòu)，降低了區(qū)域生態(tài)功能和水環(huán)境容量，因此水環(huán)境容量是影響和決定區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要因素[5-8]?！笆濉逼陂g，隨著東北地區(qū)振興規(guī)劃、黑龍江省“八大經(jīng)濟(jì)區(qū)”和“十大工程”建設(shè)的深入實(shí)施，松花江流域經(jīng)濟(jì)社會將呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢，流域治污壓力持續(xù)加大。松花江流域地處高緯度地區(qū)，是中國境內(nèi)唯一的一條冰封期5個(gè)月的河流，冰層厚度可達(dá)1 m左右，水溫低，水環(huán)境容量低。因此，松花江水環(huán)境容量具有季節(jié)性變化大的特征，對其開展動態(tài)水環(huán)境容量研究具有重要意義。

截至目前，對于地表水體水環(huán)境容量的計(jì)算，中國發(fā)展了公式法[9-11]、模型試錯(cuò)法[12,13]、系統(tǒng)最優(yōu)化法[14-16]、概率稀釋模型法[17]和未確知數(shù)學(xué)法[18-20]等5大類計(jì)算方法。歐美國家對于水環(huán)境容量的計(jì)算，早期一般采用確定性方法進(jìn)行研究[21-22]，20世紀(jì)70年代后開始采用不確定性方法[23-25]。其中，公式法可以認(rèn)為是各類方法中最基本的方法，其他各類方法的計(jì)算也以水環(huán)境容量計(jì)算公式為基礎(chǔ)。公式法已成為中國應(yīng)用最廣泛的方法[26]，《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》和《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》中所采用的即為公式法。近年來，國內(nèi)外關(guān)于動態(tài)水環(huán)境容量的研究較多[18-20,23-25,27-36]，但對松花江流域動態(tài)水環(huán)境容量的研究相對較少[27-32]，且大部分研究集中在2013年以前，2013年后哈爾濱新增兩座污水處理廠，市控東江橋斷面也已經(jīng)取消。

本文研究依據(jù)新發(fā)布的《國務(wù)院關(guān)于全國重要江河湖泊水功能區(qū)劃(2011-2030年)的批復(fù)》(國函[2011]167號)劃分計(jì)算單元，對松花江干流哈爾濱段動態(tài)COD和NH3—N環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可以為污水處理廠減排以及“水十條”任務(wù)目標(biāo)的完成提供技術(shù)支持。

2 研究方法

2.1 環(huán)境容量計(jì)算模型

水環(huán)境容量模型是依據(jù)水質(zhì)模型來劃分的，由簡單到復(fù)雜依次為零維模型、一維模型、二維模型和三維模型。若要真實(shí)地反映污染物在水中的濃度分布，最精確的是三維模型，但是三維模型往往非常復(fù)雜，需要的參數(shù)很多且個(gè)別參數(shù)很難獲取，因此實(shí)際運(yùn)用中，通常根據(jù)實(shí)際需要，更多采用零維模型、一維模型和二維模型。

松花江哈爾濱段平均寬度約為1 025 m，平均深度約為4.5 m，多年平均流量大于600 m3/s，屬于寬淺河道大型河流，沿岸污染源為岸邊排放，采用二維岸邊排放水質(zhì)模型(見式(1))能較為準(zhǔn)確地模擬污染物在水體中的擴(kuò)散規(guī)律，從而能夠獲得較精確地計(jì)算結(jié)果[28]。

(1)

式中：c(x，y)為河流中任一點(diǎn)(x，y)污染物的預(yù)測濃度，mg/L；x為排污口至敏感點(diǎn)的縱向距離，m；y為敏感點(diǎn)至排污口所在岸邊的橫向距離，m；Qp為排污口的流量，m3/s；cp為排污口污染物的排放濃度，mg/L；ch為污染物在河流中的背景濃度，mg/L；My為河流的縱向和橫向彌散系數(shù)，m2/s；u為河流的縱向和橫向平均流速，m/s；K1為污染物衰減速度常數(shù)，d-1；B為河流的水面寬度，m；H為河流的平均水深，m。

由公式(1)可推導(dǎo)出水環(huán)境容量計(jì)算模型：

(2)

式中：cs為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L；c0為污染物在河流中的背景濃度或本底值，mg/L。

因敏感點(diǎn)的位置常取在岸邊，敏感點(diǎn)到排污口所在岸邊橫向距離為0。則式(1)可簡化為式(3)，式(2)可簡化為式(4)。

(3)

(4)

為了充分利用松花江哈爾濱段的水環(huán)境容量，不至于使該河段的水質(zhì)惡化，采用段尾控制法[28,37]核算該河段的水環(huán)境容量，其表達(dá)式見式(5)。

(5)

2.2 計(jì)算單元的劃分

依據(jù)《國務(wù)院關(guān)于全國重要江河湖泊水功能區(qū)劃(2011-2030年)的批復(fù)》(國函[2011]167號)，將松花江干流哈爾濱段劃分為朱順屯-馬家溝匯入口上和馬家溝匯入口上-大頂子山兩個(gè)計(jì)算單元，計(jì)算單元屬性見表1，圖1為松花江哈爾濱段水系及監(jiān)測斷面圖，圖2為研究區(qū)域排污口和斷面概化示意圖。

表1 計(jì)算單元屬性

圖1 松花江哈爾濱段水系及監(jiān)測斷面圖

圖2 研究區(qū)域排污口和斷面概化示意圖

2.3 排污口及其位置

主要排污口及其與終點(diǎn)斷面的距離見表2。

表2 主要排污口

2.4 模型參數(shù)的選取

2.4.1 水文參數(shù) 水文參數(shù)來自于松花江哈爾濱水文站2009-2013年的水文資料，流速、河流水面寬度、河流平均水深等取相應(yīng)月份的最小流量(當(dāng)月的設(shè)計(jì)流量)下的值。據(jù)此計(jì)算的水環(huán)境容量值隨月份不同而不同，呈現(xiàn)動態(tài)變化過程，在保障水質(zhì)的前提下，可以合理利用松花江哈爾濱段的水環(huán)境容量。

2.4.2 橫向彌散系數(shù)My和污染物的衰減速度常數(shù)K1橫向彌散系數(shù)My采用Taylor公式(6)進(jìn)行初步求解。

(6)

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，松花江哈爾濱段取0.05‰～0.1‰。

已有研究結(jié)果表明[7]，松花江哈爾濱市江段的污染物降解系數(shù)KCOD采用0.150～0.200 d-1，KNH3—N采用0.121～0.210 d-1。

依據(jù)已有監(jiān)測數(shù)據(jù)及式(3)進(jìn)行松花江哈爾濱段綜合降解系數(shù)K1值的計(jì)算，利用計(jì)算結(jié)果對松花江大頂子山斷面的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，對綜合降解系數(shù)K1值和My進(jìn)行率定，率定結(jié)果如表3所示。

表3 彌散系數(shù)和綜合降解系數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 理想水環(huán)境容量的計(jì)算

依據(jù)公式(4)和(5)對朱順屯-馬家溝匯入口上和馬家溝匯入口上-大頂子山兩個(gè)計(jì)算單元的COD和NH3—N理想動態(tài)環(huán)境容量(不考慮計(jì)算單元內(nèi)支流和排污口的影響，同時(shí)上游水質(zhì)按照功能區(qū)劃水質(zhì)取值)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 理想動態(tài)COD和NH3—N環(huán)境容量 t

由表4可見，松花江哈爾濱段COD和NH3—N理想環(huán)境容量呈現(xiàn)出動態(tài)變化過程，最大值出現(xiàn)在8月，最小值出現(xiàn)在2月。理想水環(huán)境容量是計(jì)算實(shí)際水環(huán)境容量的基礎(chǔ)，同時(shí)，其計(jì)算結(jié)果對于水環(huán)境容量的利用和規(guī)劃具有指導(dǎo)性意義。

3.2 實(shí)際水環(huán)境容量的計(jì)算

在對理想水環(huán)境容量進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際情況，對松花江哈爾濱段的實(shí)際水環(huán)境容量進(jìn)行研究。

3.2.1 考慮上游水質(zhì)對水環(huán)境容量的影響 根據(jù)2011-2015年水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，朱順屯斷面目前只能達(dá)到Ⅲ類水體的要求而非理想的Ⅱ類水體。在計(jì)算實(shí)際水環(huán)境容量時(shí)，按照Ⅲ類水體COD限值為20 mg/L、NH3—N為1.0 mg/L進(jìn)行核算。由于本研究采用段尾控制法計(jì)算水環(huán)境容量，因此上游來水水質(zhì)的變化對何家溝有一定的影響，而下游的松北排水區(qū)則不受影響。何家溝-松北排污口水環(huán)境容量重新核算結(jié)果見表5。

表5 何家溝-松北排污口各月實(shí)際水環(huán)境容量 t

與理想水環(huán)境容量相比，COD年水環(huán)境容量從21 235 t/a降至3 529 t/a，降低幅度達(dá)83%，NH3—N年水環(huán)境容量從1 919 t/a降至149 t/a，降低幅度達(dá)92%。

由此可見，上游水體的水質(zhì)是否能達(dá)標(biāo)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)格控制上游水體的水質(zhì)。

3.2.2 考慮支流對水環(huán)境容量的影響 松花江朱順屯-大頂子山江段的主要支流從西到東，依次為阿什河、呼蘭河、蜚克圖河。這3條支流均在馬家溝匯入口上—大頂子山江段匯入，3條支流中蜚克圖河流量最小，對干流的影響可以忽略，另外兩條支流的水功能區(qū)劃及水文參數(shù)見表6。

根據(jù)水文資料，各支流的設(shè)計(jì)流量為近10年最枯月平均流量。此外，由于污染源流量較大，所以還需考慮污染源對水體的影響，表7為松花江哈爾濱段污水處理廠排污情況。

表6 主要支流水功能區(qū)劃及水文參數(shù)

表7 污水處理廠清單

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。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。將各支流及排污口作為流速變化的分界斷面，依據(jù)表6和表7，重新核算排污口及支流的流量，按照設(shè)計(jì)流量重新核算不同斷面沿江流速變化。

3.2.3 實(shí)際水環(huán)境容量核算 綜合考慮上游水質(zhì)及支流匯入的實(shí)際情況，對松花江哈爾濱段COD和NH3—N的水環(huán)境容量進(jìn)行重新核算，結(jié)果見圖3和圖4。

3.3 水環(huán)境容量動態(tài)變化情況分析

由圖3和圖4可見，COD和NH3—N的環(huán)境容量變化趨勢相似。松花江干流哈爾濱段兩個(gè)計(jì)算單元相應(yīng)的兩個(gè)江段中，馬家溝匯入口上-大頂子山江段的水環(huán)境容量較大，朱順屯-馬家溝匯入口上江段的水環(huán)境容量較小。兩個(gè)江段COD環(huán)境容量的比值約為8.3，NH3—N環(huán)境容量的比值約為5.0，說明兩個(gè)江段的COD和NH3—N的環(huán)境容量分布不夠均勻，且COD環(huán)境容量分布均勻性更差些。

兩個(gè)江段COD和NH3—N環(huán)境容量最大值均出現(xiàn)在8月，最小值均出現(xiàn)在2月，朱順屯-馬家溝匯入口上江段COD環(huán)境容量最大值和最小值的比值為2.16(理想)和1.49(實(shí)際)，NH3—N環(huán)境容量最大值和最小值的比值為2.95(理想)和2.26(實(shí)際)，說明這一江段NH3—N的波動幅度比COD大，實(shí)際環(huán)境容量的波動幅度比理想環(huán)境容量小。馬家溝匯入口上-大頂子山江段COD環(huán)境容量最大值和最小值的比值為1.77(理想)和1.68(實(shí)際)，NH3—N環(huán)境容量最大值和最小值的比值為2.63(理想)和2.60(實(shí)際)，說明這一江段NH3—N的波動幅度亦比COD大，實(shí)際環(huán)境容量的波動幅度與理想環(huán)境容量相近。

朱順屯-馬家溝匯入口上江段和馬家溝匯入口上-大頂子山江段COD實(shí)際環(huán)境容量與理想環(huán)境容量的比值分別為0.484和0.483；兩個(gè)江段NH3—N實(shí)際環(huán)境容量與理想環(huán)境容量的比值分別為0.286和0.280。可見，實(shí)際環(huán)境容量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理想環(huán)境容量，而且NH3—N的環(huán)境壓力較COD更加嚴(yán)峻。

3.4 水環(huán)境容量影響因素分析

由公式(5)可見，降解系數(shù)、上游斷面水質(zhì)、功能區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以及水流速度是影響水環(huán)境容量大小的主要因素。顯而易見，降解系數(shù)與環(huán)境容量為正相關(guān)關(guān)系；而流速對環(huán)境容量大小的影響則非常復(fù)雜，當(dāng)流速ux=K1xln(cs/c0)/86400時(shí)，環(huán)境容量為0；在其他參數(shù)不變的條件下，當(dāng)cs=c0時(shí)，流速越大，環(huán)境容量越?。粚?shí)際在環(huán)境容量計(jì)算時(shí)，公式(5)中的每個(gè)變量都在時(shí)時(shí)發(fā)生變化，因此，環(huán)境容量和流速的定量關(guān)系還有待于深入研究。

圖5和圖6分別為松花江干流哈爾濱段COD和NH3—N水環(huán)境容量在各水期的均值。表8為松花江干流各水期平均流量和平均流速。

圖3動態(tài)COD環(huán)境容量圖4動態(tài)NH3—N環(huán)境容量

圖5各水期COD水環(huán)境容量均值圖6各水期NH3—N水環(huán)境容量均值

表8 松花江各水期平均流量和平均流速

由圖5和圖6可見，豐水期COD和NH3—N的環(huán)境容量最大，平水期次之，枯水期環(huán)境容量最小。這一方面是因?yàn)樨S水期水溫最高，微生物新陳代謝最旺盛，生化反應(yīng)速率最快，COD和NH3—N的降解系數(shù)最大；而枯水期正值松花江的冰封期，水體溫度低，降低了水體對污染物的降解作用。另一方面，表8中所列數(shù)據(jù)表明，各水期COD和NH3—N的水環(huán)境容量的變化趨勢與各水期流量和流速的變化趨勢一致，可見，松花江哈爾濱段各水期水環(huán)境容量的大小與水體流速呈現(xiàn)正相關(guān)特征。

4 結(jié) 論

(1)松花江干流哈爾濱段COD和NH3—N環(huán)境容量年內(nèi)的變化趨勢相似，環(huán)境容量最大值均出現(xiàn)在8月份，最小值均出現(xiàn)在2月份；馬家溝匯入口上-大頂子山江段的水環(huán)境容量較大，朱順屯-馬家溝匯入口上江段的水環(huán)境容量較小，兩個(gè)江段的COD和NH3—N的環(huán)境容量分布不夠均勻，且COD環(huán)境容量分布均勻性更差。

(2)朱順屯-馬家溝匯入口上江段NH3—N的波動幅度比COD大，實(shí)際環(huán)境容量的波動幅度比理想環(huán)境容量??；馬家溝匯入口上-大頂子山江段NH3—N的波動幅度亦比COD大，實(shí)際環(huán)境容量的波動幅度與理想環(huán)境容量相近。

(3)豐水期COD和NH3—N的環(huán)境容量最大，平水期次之，枯水期環(huán)境容量最?。桓魉贑OD和NH3—N的水環(huán)境容量的變化趨勢與各水期流量和流速的變化趨勢一致，說明水環(huán)境容量的大小受水量和水體流速等水文參數(shù)的影響較大。

(4)COD和NH3—N的實(shí)際環(huán)境容量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理想環(huán)境容量，而且NH3—N的環(huán)境壓力較COD更加嚴(yán)峻，為了更合理地利用松花江哈爾濱江段的水環(huán)境容量，后續(xù)研究可結(jié)合動態(tài)容量以及污水處理廠排污現(xiàn)狀，給出各污水處理廠的污染物削減量，以保障松花江哈爾濱段的水質(zhì)不斷改善。

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