王繼梅,孫三祥
(蘭州交通大學 環(huán)境與市政工程學院,甘肅 蘭州 730070)
蘭州市的工業(yè)、城市發(fā)展和人口増長很大程度上受限于蘭州段水環(huán)境狀況,尤其受到干流水環(huán)境容量的約束。近10年黃河蘭州段水位降低、流量減小、流速減緩,嚴重影響了水體的自凈和輸移能力。同時沿線風險源對黃河蘭州段水污染影響值得關注。因此,針對黃河蘭州段進行水環(huán)境容量及其水質評價的研究極其重要[1]。
河流水質模型發(fā)展較早,經(jīng)過學者們多年的研究已由最早的一維穩(wěn)態(tài)模型發(fā)展到現(xiàn)在廣泛應用、成熟的三維模型,不僅涉及到包括ANN(人工神經(jīng)網(wǎng)絡)、3S(Remote sensing 、Geography information systems和Global positioning systems的統(tǒng)稱)技術等在內的多種新技術方法,還產生了相應的軟件來輔助研究[2]。
目前有關水環(huán)境容量的計算方法也很多,比如由美國EPA提出經(jīng)中國學者引進并加以改進的概率稀釋模型、在中國應用最廣泛的公式法以及系統(tǒng)分析法等[3]。
為使研究結果更精確和更有代表性,本次研究同時選用水質模型和水環(huán)境容量計算模型進行研究。
黃河自扶河橋斷面進入蘭州,依次經(jīng)過湟水橋、新城橋、包蘭橋、民河橋、享堂幾個斷面后經(jīng)過什川橋斷面流出蘭州,其中新城橋斷面到包蘭橋斷面之間的河道經(jīng)過蘭州市區(qū)段。因此,本次研究只模擬從新城橋到包蘭橋之間的41.68 m。其中,新城橋斷面到中山橋斷面的距離為26.68 km,中山橋斷面到包蘭橋斷面的距離為15 km[4],具體的斷面分布見圖1。
新城橋斷面到包蘭橋斷面沿線排污口分布見表1。
圖1 斷面分布
表1 黃河蘭州市區(qū)段排污口情況
該河段主要排污口有蘭化橡膠廠與西固電廠共排口、大青溝、蘭石與黃河啤酒廠入河口、七里河橋洪道、油污干管入河口以及雁兒灣洪溝6個排污口,分別記為1#,2#,3#,4#,5#,6#排污口。
在環(huán)境影響評價和一般的水質規(guī)劃中,常常將有機污染物的綜合代表項目列為重點評價或重點規(guī)劃控制項目。本次研究按照慣例選用能反映有機污染的綜合項目—化學耗氧量(CODcr)作為研究對象[5]。
由于黃河蘭州段區(qū)域尺度大,可以認為污染物在進入河道以后可在短時間內混合均勻,且該河段水力條件不符合一維穩(wěn)態(tài)耦合模型的前提條件,所以本次研究選用一維非穩(wěn)態(tài)河流水質模型,即:
(1)
式中,C為河水中t時的污染物濃度值,mg/L;K為污染物綜合降解系數(shù),d-1;u為河流縱向平均速度,km/h;E為縱向離散系數(shù),km/h;x為縱向遷移距離,km。
5.2.1 綜合降解系數(shù)K
K是水環(huán)境相關研究中需要確定的關鍵參數(shù)之一,目前常用的方法有實驗室率定法、野外同步監(jiān)測率定法、實測資料反推法、類比法、分析借用法等。一般而言,實驗室率定法、野外同步監(jiān)測率定法、實測資料反推法等方法操作需要耗費的人力物力以及時間都比較長,實現(xiàn)難度較大,所以通常選用類比法和分析借用法來確定綜合降解系數(shù)。
劉洪燕等[6]采用分析借用法總結了我國部分河流的COD綜合降解系數(shù),見表2。
從表2中可以看出,黃河蘭州段CODcr綜合降解系數(shù)的取值范圍是0.185~0.240。另外,中國人民解放軍后勤工程學院環(huán)科所在黃河小川段(位于本次研究區(qū)上游約60 km處)的實測值為K=0.222/d,符合黃河蘭州段CODcr綜合降解系數(shù)的取值范圍。因此,本次研究采用該降解系數(shù)。
表2 我國部分河流COD綜合降解系數(shù)
5.2.2 縱向離散系數(shù)E
王莉[5]利用最小二乘法對黃河蘭州段的縱向離散系數(shù)進行了計算,并用中山橋斷面2003年偶數(shù)月的流速進行了調參,奇數(shù)月流速進行了模型驗證,模擬結果較好地吻合了實測值。本次研究采用該值,E=48 km/h。
5.2.3 COD本底濃度
取中山橋斷面2013年COD逐月監(jiān)測值(圖2)。
圖2 2013年各月COD監(jiān)測值
5.2.4 河流縱向平均速度u
對比黃河蘭州段2010~2016年水文資料,選取2013年最枯月流量284 m3/s,流速為1.03 m/s。因為最枯月流量最小,排污量相同的情況下,其所受的污染也是最大的。2013年中山橋斷面逐月流量流速監(jiān)測值見表3。
表3 2013年中山橋斷面逐月流量流速監(jiān)測值
將以上各個參數(shù)代入公式(1),采用四點隱式差分格式進行求解,具體模擬結果見表4,其中只列出一些重點斷面的CODcr值。
將計算結果與河流逐月CODcr濃度監(jiān)測值對比,可以看出,計算結果吻合較好。數(shù)據(jù)波動在允許誤差范圍內,且考慮到數(shù)據(jù)監(jiān)測時各種因素導致的不精確,該計算結論可作為研究依據(jù)。
表4 各排污口所在區(qū)域水質
分析計算結果可以看出,整個研究河段的CODcr濃度均未超標,只是在5#和6#排污口匯入時,下游CODcr濃度明顯升高,由此可見上游排污口的匯入對下游水體水質的影響極大。
結合黃河蘭州段的徑污比,選用概念清晰、計算簡便二維水環(huán)境容量計算模型。即:
(2)
式(2)中,W為水環(huán)境容量,kg/d;CS為污染物控制標準濃度,mg/L;C0為污染物環(huán)境本底值,mg/L;K為污染物綜合降解系數(shù),d-1;u為河流縱向平均速度,m/s;h為平均水深,m;Dy為橫向離散系數(shù),m2/s;X為計算單元長度,m;B為河面寬度,m。
為確保下游水質,本次研究采用段尾控制法[7],分別將中山橋斷面和包蘭橋斷面作為控制斷面,根據(jù)斷面和主要排污口的位置,將該段河道進行概化,見圖3。
圖3 河道及排污口概化
6.3.1 河寬B和平均水深h
根據(jù)水文資料,黃河蘭州市段河面平均寬度B為150 m,平均水深h為1.94 m。
6.3.2 橫向離散系數(shù)Dy
橫向離散系數(shù)可以用Taylor公式(3)進行計算:
(3)
式中:g 為重力加速度;i為平均縱向坡度,根據(jù)水文資料i取0.0012;其余參數(shù)同公式(2)。代入各值,可得Dy=0.164 m2/s。
6.3.3 計算單元長度X
根據(jù)前面的河道概化圖結合段尾控制法,主要排污口及其與控制斷面的距離見表5。
表5 計算單元長度X
6.3.4CS和C0
CS根據(jù)《地表水環(huán)境質量標準(GB3838-2002)》來確定,見表6,選取CS=20 mg/L。C0根據(jù)2012~2016年新城橋斷面污染物監(jiān)測的平均值統(tǒng)計結果來確定,見圖4,取C0=13.24 mg/L。
表6 各種污染物污染程度標準限值 mg/L
圖4 2012~2016年COD均值統(tǒng)計
其余參數(shù)與一維水質模型計算時一樣。
利用公式(2)對黃河蘭州市段進行計算,結果見表7。
表7 各河段COD的允許環(huán)境容量
由表7的計算結果可以得出以下結果。
(1)當前黃河蘭州市段各排污口均尚有一定的環(huán)境余量,但由于中山橋斷面承納的上游污廢水較多,為保證下游水質,應注意保持或者削減當前的排污量。
(2)2,3,4計算單元的水環(huán)境容量相較1計算單元的降幅較大,尤其從2計算單元到3計算單元,水環(huán)境容量降幅明顯增大,由此可見,上游排污會造成下游水體的負荷加大,使下游水環(huán)境容量減小。
綜合一維水質模型和二維水環(huán)境容量計算模型計算結果可以看出,在基于近7年最枯月流量的保證下,黃河蘭州市段的水環(huán)境容量仍有一定余量,水質情況也較理想,大多數(shù)河段水質可以保證在Ⅱ類水標準。但同時也看到,上游排污對下游水體的水質以及納污能力的影響都很大,在排污量較大的5#和6#排污口附近COD濃度超過15 mg/L,且在一定范圍內污染物濃度也都較高,因此必須將排污口污染物排放量限定在允許排放量范圍內。