黃河蘭州段CODcr水質和水環(huán)境容量研究

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)

1 引言

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。

2 研究區(qū)水體現(xiàn)狀

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。

3 污染源現(xiàn)狀

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。

4 評價因子選取

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]。

5 一維水質模型計算

5.1 水質模型選取

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 參數(shù)率定

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

5.3 模型計算結果

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。

5.4 計算結果與分析

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。

6 二維水環(huán)境容量計算

6.1 水質模型選取

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。

6.2 河道及排污口概化

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 參數(shù)率定

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。

6.4 模型計算結果

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

6.5 計算結果與分析

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。

7 結論

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。