張亞麗，申 劍，史淑娟，韓麗瓊，姚志鵬

1．河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南省高校農(nóng)業(yè)資源利用工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002

2．河南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河南 鄭州 450004

3．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

綜合降解系數(shù)反映了污染物降解速率的快慢，是研究河流水質(zhì)變化規(guī)律、計(jì)算水環(huán)境容量的主要參數(shù)之一，對(duì)于區(qū)域排污總量控制計(jì)劃的制定、總量負(fù)荷指標(biāo)的科學(xué)分配、控制計(jì)劃執(zhí)行過(guò)程的管理等具有重要作用［1-2］。影響綜合降解系數(shù)的因素十分復(fù)雜，主要包括流速、流量、pH、水溫、污染物本身的屬性及濃度梯度、水體中微生物性質(zhì)等［3-5］。綜合降解系數(shù)的確定方法有很多(如經(jīng)驗(yàn)公式估算法、類比分析法、現(xiàn)場(chǎng)模擬法和實(shí)驗(yàn)室模擬法等［1-2］)。目前國(guó)內(nèi)主要針對(duì)同一水文條件下的綜合降解系數(shù)開(kāi)展研究(主要為枯水期)，不足以體現(xiàn)水環(huán)境管理的科學(xué)性和有效性［4-8］。實(shí)際上河流污染物及河流水文、水質(zhì)條件都具有隨時(shí)空變化的動(dòng)態(tài)特征，因此其綜合降解系數(shù)也具有不確定性和動(dòng)態(tài)性［1-2，9-10］?？菟谒w自凈能力最差，單純?cè)谧畈焕麠l件下研究枯水期的綜合降解系數(shù)，并將其作為水環(huán)境容量的計(jì)算參數(shù)，不利于充分發(fā)揮水體的自凈作用和水環(huán)境的動(dòng)態(tài)科學(xué)管理。因此，以淮河支流(洪河)為例，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法，研究水體 COD、氨氮和總磷在不同水期(豐水期、平水期和枯水期)的綜合降解系數(shù)，研究其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，以期為流域水環(huán)境容量計(jì)算、污染物總量控制和上下游生態(tài)補(bǔ)償、水質(zhì)目標(biāo)管理等提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

洪河又稱為洪汝河，是淮河上游的二級(jí)支流，發(fā)源于河南省舞陽(yáng)市南熬山，流經(jīng)舞鋼市、舞陽(yáng)縣和駐馬店地區(qū)的西平、上蔡和新蔡縣等，到班臺(tái)入大洪河，最后匯入淮河，全長(zhǎng)254 km，流域面積4 170 km2。歷史上洪河曾是一條水旱災(zāi)害頻發(fā)且嚴(yán)重的河流。洪河的污染源主要是沿河兩岸的工廠和企業(yè)的未達(dá)標(biāo)廢水。近年來(lái)，通過(guò)各種污染治理和水環(huán)境保護(hù)措施，水質(zhì)逐漸有所好轉(zhuǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 河流監(jiān)測(cè)斷面的選取與設(shè)置

為了盡可能保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和測(cè)定綜合降解系數(shù)的代表性，所選河段一般要求比較順直，河道較為規(guī)整，水流穩(wěn)定，沒(méi)有排污口和支流匯入，沒(méi)有取水口等。另外，所選河段的長(zhǎng)度要適當(dāng)，不能過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短，河段太短，污染物剛開(kāi)始自凈，河段太長(zhǎng)，污染物已經(jīng)完全自凈，都不能準(zhǔn)確地反映污染物自凈過(guò)程［1-2］。根據(jù)研究區(qū)域的自然環(huán)境特征、水文形勢(shì)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)研及分析，選取駐馬店洪河西平五溝營(yíng)－塔橋鄉(xiāng)河段為研究區(qū)域。

2.2 數(shù)據(jù)分析及處理方法

2.2.1 監(jiān)測(cè)因子

監(jiān)測(cè)因子包括水質(zhì)項(xiàng)目和水文項(xiàng)目。水質(zhì)項(xiàng)目主要為COD、氨氮和總磷;水文項(xiàng)目主要為固定采樣點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)、河寬、流速、流量。

2.2.2 監(jiān)測(cè)方法

污染因子COD和總磷按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)規(guī)定方法測(cè)定。具體為COD采用重鉻酸鹽法(GB 11914—1989)測(cè)定;總磷采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—1989)測(cè)定;氨氮采用納式試劑分光光度法(HJ 535—2009)測(cè)定。流速按照浮標(biāo)法測(cè)定，監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)用GPS定位，用GIS軟件測(cè)算河段長(zhǎng)度。

2.2.3 監(jiān)測(cè)周期及監(jiān)測(cè)頻次

2012年12月—2013年3月每周一、三、五手工采集水樣，按照河段從上游至下游順序在選定河段采集3個(gè)水樣，同時(shí)記錄監(jiān)測(cè)斷面水文條件。所有斷面因河段發(fā)生凌汛、結(jié)凍等特殊情況而無(wú)法采樣以及河流斷流時(shí)，該斷面可不進(jìn)行采樣，但必須上報(bào)相應(yīng)的文字說(shuō)明。

2013年4—9月每周一手工采集水樣，按照河段從上游至下游順序在選定河段采集3個(gè)水樣，同時(shí)記錄監(jiān)測(cè)斷面的水文條件。

2.2.4 綜合降解系數(shù)計(jì)算

對(duì)于水體中COD、氨氮和總磷的降解，一般認(rèn)為符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程［1-2，10］。計(jì)算公式為

式中:C1、C2分別為河段上下斷面的污染物濃度，mg/L;U為河段平均流速，m/s;L為河段上下斷面間距，km;K為河流綜合降解系數(shù)，d－1。

3 結(jié)果分析

3.1 河流不同時(shí)期綜合降解系數(shù)動(dòng)態(tài)變化

利用不同水期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用式(1)分別測(cè)算河流枯水期、平水期和豐水期的污染物綜合降解系數(shù)。經(jīng)過(guò)分析，得到各河段污染物在各水期綜合降解系數(shù)的取值范圍，對(duì)取值范圍內(nèi)的綜合降解系數(shù)求取平均值和中位數(shù)(表1)可知，不同河段綜合降解系數(shù)略有差異，這主要與河段水文特征和河道狀況等有關(guān)，具體仍需深入分析。各水期綜合降解系數(shù)的關(guān)系為枯水期＜平水期＜豐水期。這主要是因?yàn)樵谪S水期，河流的流量大，徑污比就大，更有利于污染物的混合稀釋，污染物的自凈程度相對(duì)較快;此外，豐水期 (夏季)水溫高，有利于污染物的降解，枯水期 (冬季)水溫低，生物降解和揮發(fā)作用下降，平水期綜合降解系數(shù)則介于兩者之間。中國(guó)河流COD綜合降解系數(shù)范圍為0．009 ～0．47 d－1，氨氮的綜合降解系數(shù)范圍為 0．105 ～0．350 d－1［6］，駐馬店洪河五溝營(yíng) －塔橋鄉(xiāng)河段COD和氨氮綜合降解系數(shù)總體在全國(guó)均處于較低水平，可見(jiàn)，此河段水體對(duì)COD和氨氮的降解能力相對(duì)較弱，應(yīng)嚴(yán)格控制排入河流水體的COD和氨氮總量。

表1 監(jiān)測(cè)期污染因子綜合降解系數(shù)測(cè)算結(jié)果

3.2 河流污染物綜合降解系數(shù)建議

綜合國(guó)內(nèi)外多條河流綜合降解系數(shù)的研究成果及取值情況，經(jīng)過(guò)分析，確定了各河段污染物在不同水期綜合降解系數(shù)(表2)。對(duì)其取平均值，求得洪河五溝營(yíng)－塔橋鄉(xiāng)河段各污染物綜合降解系數(shù)的值。根據(jù)各河段綜合降解系數(shù)的取值及平均值可知，枯水期綜合降解系數(shù)約為平水期的80% ～90%，約為豐水期的70% ～80%。

表2 綜合降解系數(shù)測(cè)算結(jié)果d－1

4 綜合降解系數(shù)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證測(cè)算結(jié)果的可靠性，利用歷史資料對(duì)應(yīng)水期的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)河流上游斷面污染物運(yùn)行至下游斷面時(shí)的各污染物濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與下游斷面同步監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)照，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 污染物計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較 mg/L

由表3可以看出，各監(jiān)測(cè)斷面污染物濃度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差不大，吻合度較好，因此利用一維水質(zhì)模型計(jì)算的綜合降解系數(shù)是可靠的，可用于流域水環(huán)境容量的計(jì)算。污染物濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在差別，原因主要是模型預(yù)測(cè)是針對(duì)通常排污情況，沒(méi)有考慮下游的實(shí)際排污波動(dòng)變化;實(shí)測(cè)值是同步監(jiān)測(cè)結(jié)果而并非跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果，因此上斷面對(duì)下斷面的影響存在水團(tuán)運(yùn)行時(shí)間差等因素。

5 結(jié)論

1)利用河流一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型，現(xiàn)場(chǎng)模擬測(cè)算出駐馬店洪河五溝營(yíng)－塔橋鄉(xiāng)河段的COD、氨氮和總磷在不同水期的綜合降解系數(shù)，結(jié)果表明，各水期污染物綜合降解系數(shù)的關(guān)系為枯水期＜平水期＜豐水期。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，枯水期綜合降解系數(shù)約為平水期的80% ～90%，約為豐水期的70%～80%。

2)根據(jù)測(cè)算的綜合降解系數(shù)，利用上斷面污染物濃度預(yù)測(cè)下斷面污染物濃度，對(duì)比下斷面污染物濃度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，結(jié)果表明兩者吻合度較高，表明各水期污染物綜合降解系數(shù)的測(cè)算值是合理、可靠的，因此可以用于區(qū)域水環(huán)境容量的測(cè)算和污染物總量控制計(jì)劃的制定以及污染負(fù)荷總量分配等環(huán)境保護(hù)工作。

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