未名湖生化需氧量污染調(diào)查與控制研究方法

韓 鵬 秦京偉

（中國(guó)寰球工程有限公司 北京 100012）

1 研究背景

北京大學(xué)未名湖區(qū)是北京市第四批文物保護(hù)單位，也是北大學(xué)子們學(xué)習(xí)之余休閑、散心之處。未名湖作為整個(gè)湖區(qū)的中心，在北大人心中占有重要地位。

北京大學(xué)的地表水系主要由18個(gè)大小湖泊組成[1]。其中未名湖是面積最大的水域。

20世紀(jì)60年代以前，未名湖是活水，但是近幾十年由于北京市地下水的過(guò)量開(kāi)采，無(wú)論是地表水還是地下水都幾近枯竭，沒(méi)有自然水來(lái)補(bǔ)充，未名湖成為死水。這樣一來(lái)，污染物得不到有效清除，未名湖的水質(zhì)狀況逐漸惡化，富營(yíng)養(yǎng)化日趨嚴(yán)重，總磷、總氮和BOD嚴(yán)重超標(biāo)，影響了周圍師生的身心健康和湖區(qū)的觀賞價(jià)值。

2 研究目的

建立未名湖BOD/DO模型，為未名湖BOD的治理提供支持。

3 研究方法和步驟

3.1 模型構(gòu)建

BOD為生化需氧量的縮寫(xiě)，是表示水中有機(jī)物等需氧污染物質(zhì)含量的一個(gè)綜合指標(biāo)。

DO是指溶解在水里氧的量，用每升水里氧氣的毫克數(shù)表示。常溫差壓下，純水里大約溶解氧8.66mg/L。當(dāng)水中的溶解氧值降到5mg/L時(shí)，一些魚(yú)類的呼吸就發(fā)生困難。

當(dāng)水體受到有機(jī)物污染時(shí)（即富營(yíng)養(yǎng)化），耗氧嚴(yán)重，溶解氧得不到及時(shí)補(bǔ)充，水體中的厭氧菌就會(huì)很快繁殖，有機(jī)物因腐敗而使水體變黑、發(fā)臭。因此有必要建立BOD/DO模型對(duì)水中的BOD、DO進(jìn)行模擬，尋找解決富營(yíng)養(yǎng)化的途徑或檢驗(yàn)湖泊治理措施的好壞。

未名湖面積很小，只有36018平方米[1]，因此需要建立一個(gè)集總（零維）的水質(zhì)模型。

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，某時(shí)段任何污染物含量的變化等于該時(shí)段流入總量減去流出總量，再減去元素降解或沉淀等所損失的量。其統(tǒng)一表達(dá)為：

其中M表示湖內(nèi)污染物總量，minmout表示污染物流入、流出湖泊的速率，k表示污染物衰減率，t表示時(shí)間。

對(duì)于未名湖的BOD來(lái)說(shuō)，假設(shè)湖泊水總體積不變，入湖流量等于出湖流量，可得：

其中V表示湖的體積，c表示BOD濃度，Q表示入湖流量，W表示非點(diǎn)源途徑入湖速率，kr表示BOD削減速度：

kd表示因好氧有機(jī)物氧化分解而削減的速率，ks表示因沉降作用而削減的速率。

對(duì)于未名湖來(lái)說(shuō)，由于水并不是常流動(dòng)的，所以在計(jì)算一般狀態(tài)時(shí)可以取Q值為零，在未名湖補(bǔ)水時(shí)，Q才有正的值。

對(duì)于氧氣來(lái)說(shuō)，有：

其中D表示氧負(fù)，即氧飽和濃度與當(dāng)前濃度之差，D=os-o，ka表示復(fù)氧速率。其余變量與（3）式相同。

（2）、（4）兩式即為未名湖BOD/DO模型的核心，可以看到，模型本身是十分簡(jiǎn)單的，關(guān)鍵是各個(gè)參數(shù)的收集和校正。模型的校正可使用一次補(bǔ)水后的BOD、DO濃度隨時(shí)間變化的曲線，以及補(bǔ)水后經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間后BOD、DO的平均值。

3.2 數(shù)據(jù)收集

（1）湖泊體積V

未名湖的面積在2002年左右為36018平方米[1]，鑒于未名湖的水位變化范圍很小，故認(rèn)為現(xiàn)在的面積也為36018平方米。未名湖平均水深可以使用船配合測(cè)深桿、測(cè)深錘，在湖面上等距測(cè)深。取25米間距的格點(diǎn)，共45個(gè)。如圖2中的黑點(diǎn)所示。

圖2 未名湖等距（25米）網(wǎng)格（底圖：Google Earth）

（2）入湖流量

入湖流量數(shù)據(jù)需要向?qū)W校管理部門(mén)咨詢，包括補(bǔ)水時(shí)間、頻率、來(lái)源、每次持續(xù)時(shí)間以及水流量等。

（3）入湖BOD濃度

補(bǔ)水來(lái)源分為兩種情況，一是使用萬(wàn)泉河水補(bǔ)給，二是使用自來(lái)水補(bǔ)給（包括直接使用抽取的地下水補(bǔ)給）。目前尚不清楚補(bǔ)水來(lái)源，所以BOD濃度的測(cè)試需要等到補(bǔ)水來(lái)源信息獲取后進(jìn)行。

BOD的測(cè)定有多種方法，如標(biāo)準(zhǔn)稀釋法、微生物電極法、活性污泥曝氣降解法、測(cè)壓法等。根據(jù)我國(guó)頒布的水質(zhì)分析方法GB7488-87，采用便準(zhǔn)稀釋法，即將水樣稀釋至一定濃度后，在20攝氏度恒溫下培養(yǎng)5天，測(cè)量培養(yǎng)后水中的溶解氧量，便可計(jì)算出5日生化需氧量（BOD5），也可以根據(jù)BOD5計(jì)算出總BOD的值。[2]這種方法也是國(guó)際上約定俗成的分析方法。

根據(jù)BOD5計(jì)算出總BOD的方法見(jiàn)下：

（4）非點(diǎn)源BOD入湖速率

非點(diǎn)源BOD的測(cè)定十分困難，這里為了計(jì)算簡(jiǎn)便，做一定簡(jiǎn)化：假設(shè)非點(diǎn)源BOD入湖速率是常量，不隨時(shí)間變化。首先根據(jù)文獻(xiàn)，估計(jì)出非點(diǎn)源BOD入湖速率的大概值以及可能的范圍，在模型校正時(shí)再確定此項(xiàng)的敏感性，做出相應(yīng)調(diào)整。

（5）BOD氧化分解速率

Hydroscience在1971年發(fā)表的文章中推薦使用下面的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算20攝氏度下BOD氧化分解速率（d-1）：[3]

其中H表示水體的深度（ft）。

該式表明深度在2.4米（8英尺）以下，BOD氧化分解速率隨著深度增加而減少，在2.4米以上BOD氧化分解速率為恒定值。

當(dāng)溫度為其他溫度時(shí)，使用下式計(jì)算[3]：

其中kd20為20攝氏度的速率，T表示溫度，θ≌1.047。

（6）BOD沉降分解速率

未經(jīng)處理的污水中，懸浮固體的含量很高，故沉降作用很明顯，而且水越淺，沉降越快。

BOD沉降分解速率可由下式計(jì)算[3]：

其中vs表示BOD的沉降速率，H表示水深。

vs的測(cè)定可以根據(jù)文獻(xiàn)估計(jì)，然后在模型校正時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

（7）復(fù)氧速率

停滯水體的復(fù)氧速率與風(fēng)速有很大關(guān)系，對(duì)于湖體，有很多經(jīng)驗(yàn)公式，這里選用Banks在1975年提出的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式（d-1）：[3]

其中Uw表示水面上空10米的風(fēng)速（m/s），H表示水深（m）。

當(dāng)溫度為其他溫度時(shí)，使用下式計(jì)算[3]：

其中ka20為20攝氏度的速率，T表示溫度，θ≌1.024。

風(fēng)速的確定可以使用北京市平均風(fēng)速，也可以自己實(shí)地測(cè)定。不過(guò)由于風(fēng)速的可變性，使用平均值可能使結(jié)果不準(zhǔn)確，所以在模型校正時(shí)要對(duì)ka進(jìn)行校正。

（8）飽和溶解氧

影響飽和溶解氧濃度（os）的三大因素是溫度、鹽度、氣壓。未名湖海拔約為50米，鹽度尚未測(cè)定。可以在測(cè)量未名湖深度的同時(shí)取樣，使用鹽度計(jì)測(cè)定未名湖水的平均鹽度。

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、鹽度為零的水的飽和溶解氧計(jì)算公式見(jiàn)下（mg/L）：[3]

其中Ta表示絕對(duì)溫度（K）：

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，鹽度不為零時(shí)，首先計(jì)算，然后使用下式計(jì)算：[3]

其中 S表示鹽度（ppt）。

當(dāng)海拔不為零時(shí)，使用下式計(jì)算：[3]

os1為1個(gè)大氣壓下的飽和溶解氧。

整個(gè)模型的關(guān)鍵參數(shù)以及取得方法見(jiàn)表1：

表1 模型參數(shù)及取得方法

3.3 模型計(jì)算及校正

將（2）、（4）兩式進(jìn)行數(shù)值求解，為保證計(jì)算精度，同時(shí)考慮實(shí)際需要，時(shí)間步長(zhǎng)選用1天，數(shù)值方法選用4級(jí)RK方法，由于BOD的方程獨(dú)立于DO的方程，所以首先計(jì)算BOD，然后計(jì)算DO。

由于不知道未名湖是否有BOD/DO的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，故要根據(jù)調(diào)查結(jié)果判斷。如果官方有檢測(cè)數(shù)據(jù)，那么可以使用已有數(shù)據(jù)；如果沒(méi)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，那么研究就要花費(fèi)一段時(shí)間（半年以上）進(jìn)行BOD/DO監(jiān)測(cè)。

當(dāng)拿到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，就可以根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校正。計(jì)劃使用遺傳算法（Genetic Algorithm，GA），關(guān)于目標(biāo)函數(shù)的選取將在拿到所有數(shù)據(jù)后再進(jìn)行。

3.4 不確定性分析

計(jì)劃使用MCMC（MarkovchainMonteCarlo）方法進(jìn)行模型的不確定性分析，以確定各個(gè)參數(shù)的不確定性對(duì)模型輸出結(jié)果的影響。

結(jié)語(yǔ)

模型搭建后，可以分析模型在管理上的作用。首先，要確定管理目標(biāo)。管理目標(biāo)可以分為近期目標(biāo)和遠(yuǎn)期目標(biāo)，比如在2年內(nèi)達(dá)到國(guó)家IV類水標(biāo)準(zhǔn)，5年內(nèi)達(dá)到國(guó)家III類水標(biāo)準(zhǔn)。一般情況下，管理部門(mén)要制定不同難度的多個(gè)目標(biāo)。

其次，根據(jù)管理目標(biāo)確定治理措施。治理措施分為工程性措施和非工程性措施。這些措施可以被參數(shù)化寫(xiě)入模型，根據(jù)模型來(lái)確定各種措施的治理效果，以及為達(dá)到目標(biāo)所需措施的強(qiáng)度或種類。比如用污水處理廠的中水來(lái)代替萬(wàn)泉河的補(bǔ)水，在模型中體現(xiàn)為Q和cin的變化和延續(xù)時(shí)間；又如使用各種生物方式來(lái)治理湖泊，在模型中體現(xiàn)為W和kd的變化；再比如清淤措施可以表現(xiàn)為ks的變化等等。

可以根據(jù)剛剛搭建的模型來(lái)建立一個(gè)優(yōu)化模型，使在一定置信水平下達(dá)到管理目標(biāo)，同時(shí)成本最小。然后根據(jù)成本效益分析來(lái)確定管理目標(biāo)和相應(yīng)的治理手段。