入河排污口污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響評(píng)價(jià)

李金臣，王訓(xùn)詩

（1.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250000）

1 引言

基于河流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型可建立入河排污口排污量與河流水質(zhì)的定性、定量關(guān)系，是河流水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的基本方法[1]。對(duì)于大部分的中小河流來說，在實(shí)際入河排污口水質(zhì)預(yù)測(cè)工作中，多采用河流混合稀釋模型與河流一維水質(zhì)濃度衰減模型進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。上述的評(píng)價(jià)方法雖在實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用，但存在如下幾個(gè)問題。

（1）河流混合稀釋模型與河流水質(zhì)濃度衰減模型在使用時(shí)對(duì)初始斷面（污染物入河斷面處）污染物濃度值的精度有一定要求，但河流是一個(gè)復(fù)雜多變、具有不確定性的開放系統(tǒng)[2]，由于沒有長序列的水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，所以無法準(zhǔn)確刻畫初始斷面污染物濃度。從水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)工作實(shí)際工期的角度出發(fā)，對(duì)大多數(shù)河流開展長序列水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作也是有一定難度的。

（2）在實(shí)際河流水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)工作中，入河排污口多為擬建狀態(tài)，即在入河排污口未投入使用之前，有一定時(shí)間的預(yù)測(cè)期，僅使用預(yù)測(cè)期內(nèi)現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)資料無法驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，這就導(dǎo)致水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)論都建立在模型邊界條件不發(fā)生改變的理想狀態(tài)下。

（3）預(yù)測(cè)期內(nèi)若在預(yù)測(cè)的影響范圍內(nèi)出現(xiàn)新的未知點(diǎn)源污染，就會(huì)導(dǎo)致模型預(yù)測(cè)的結(jié)果出現(xiàn)偏差，此時(shí)需對(duì)評(píng)價(jià)范圍內(nèi)的污染源進(jìn)行重新排查，以校定模型的邊界條件，進(jìn)行重新預(yù)測(cè)，這樣勢(shì)必會(huì)浪費(fèi)大量的人力物力，延長工作周期，降低工作效率[3]。

對(duì)于評(píng)價(jià)范圍內(nèi)出現(xiàn)未知點(diǎn)源污染的問題，在之前研究中，余江[4]等人提出貢獻(xiàn)值的簡(jiǎn)化算法用以解決這一問題，但使用這一方法會(huì)夸大擬建項(xiàng)目的環(huán)境效益；此外該方法的使用對(duì)河流污染物入河斷面處濃度背景值的精度有一定要求。

針對(duì)上述問題，結(jié)合河流水質(zhì)管理目標(biāo)，筆者試圖提出河流水質(zhì)附加影響評(píng)價(jià)方法，以解決缺乏長序列水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料的河流水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)工作中的相關(guān)問題，減小對(duì)水質(zhì)基礎(chǔ)資料調(diào)查的難度及人力物力的投入，縮短環(huán)境評(píng)價(jià)工期，提高工作效率。

2 一維水質(zhì)模型及其解

在不考慮水質(zhì)彌散作用的條件下，給出描述污染物濃度沿河流方向衰減的水質(zhì)模型的假設(shè)條件：①在污染物入河初始斷面，河流污染物濃度背景值為Ch（mg/L）、河流流量為Qh（m3/s）、污染物濃度為Cw（mg/L）、污染物排放量為Qw（m3/s）；②河道水流速度為v（m/s），在河道各斷面一致；③河流水質(zhì)濃度的綜合衰減系數(shù)為k（d-1）。

基于上述條件，模型表述如下：

式中：x為計(jì)算點(diǎn)至初始斷面的距離（m）；C為河道某斷面的污染物濃度（mg/L）。

式中：t為污染物進(jìn)入河道后到達(dá)某斷面的時(shí)間（s）；其余變量含義同上。

對(duì)式（1）兩邊積分，在上述條件下，得到河流水質(zhì)濃度是一個(gè)沿河穩(wěn)態(tài)分布函數(shù)，即濃度不隨時(shí)間發(fā)生變化：

式中：C（x）為河道x斷面處的污染物濃度（mg/L）；C0為污染物進(jìn)入河道混合后初始計(jì)算斷面處的污染物濃度（mg/L）；其余變量含義同上。

令P(x)=e-kx v，并將式（4）帶入式（3），得到：

該公式被廣泛應(yīng)用于中小河流水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)計(jì)算中。

陶月贊、葉棟成[5-6]等探討了地下水對(duì)河流補(bǔ)給條件下河流水質(zhì)的變化，提到了地下水水質(zhì)與河道水質(zhì)基于一維水質(zhì)模型的混合稀釋、衰減這2個(gè)過程的計(jì)算先后順序不會(huì)對(duì)模型最后的預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，這里不妨將污染源當(dāng)作地下水補(bǔ)給，從模型的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，說明上述結(jié)論的正確性。

式（5）可改寫為：

式中：Cw?P(x)與Ch?P(x)可以看作是Ch和Cw獨(dú)自衰減至x斷面處的濃度值；由于Qh與Qw在整個(gè)研究河段都是保持不變的，所以分子項(xiàng)實(shí)際是污染物和河道本身在x斷面處的溶質(zhì)通量。

基于此，Qh、Qw混合后所預(yù)測(cè)的x斷面處污染物濃度值實(shí)際可以等價(jià)于Ch和Cw獨(dú)立衰減至x斷面處再進(jìn)行完全混合作用形成的污染物濃度。

由上述可知，Ch、Cw的衰減規(guī)律均是符合式（3）的，即污染物衰減變化曲線相互之間是平行的，如圖1所示。

圖1 污染物衰減曲線

3 污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響計(jì)算方法

在預(yù)測(cè)期內(nèi)，當(dāng)污染物進(jìn)入河道時(shí)，由于難以確定初始斷面河流污染物濃度背景，所以無法直接使用式（4）對(duì)混合后初始計(jì)算斷面處的污染物濃度做出準(zhǔn)確計(jì)算。

基于一維水質(zhì)模型的混合、衰減這2個(gè)過程的計(jì)算先后順序不會(huì)對(duì)模型最后的預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響這一規(guī)律，可計(jì)算污染物獨(dú)立衰減至x斷面處的濃度：

式中：Cw(x)為污染物獨(dú)立衰減至x斷面處的濃度（mg/L）；其余變量含義同上。

考慮污染源部分獨(dú)立衰減至x斷面處產(chǎn)生的溶質(zhì)量為Ww（mg），其計(jì)算公式為：

對(duì)于需要進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)的河段斷面來說，式（8）所表示的污染源部分獨(dú)立衰減所帶來的污染相當(dāng)于對(duì)河道額外產(chǎn)生的影響，考慮到日常水質(zhì)評(píng)價(jià)中常采用濃度單位，因此本文將污染源部分獨(dú)立衰減至評(píng)價(jià)斷面所形成的濃度定義為附加影響。

綜上，污染物部分獨(dú)立衰減到x斷面處對(duì)河流水質(zhì)所形成的附加影響ΔC的計(jì)算公式為：

這里需要注意的是，式（9）為污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響通用計(jì)算公式，具體運(yùn)用時(shí)還需明確具體的污染物因子，即計(jì)算具體污染物因子對(duì)河道的附加影響。

4 應(yīng)用實(shí)例

在實(shí)際河流水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)工作中，通常以某一常見的污染物因子為控制指標(biāo)，如COD、氨氮，當(dāng)該污染物濃度衰減至河道初始濃度背景值時(shí)，即可認(rèn)為該衰減距離為影響范圍，但從水質(zhì)管理目標(biāo)的角度出發(fā)，因水質(zhì)管理目標(biāo)對(duì)應(yīng)的某項(xiàng)污染物濃度與河道初始濃度背景值并不重疊，此時(shí)則需要對(duì)影響評(píng)價(jià)結(jié)果做出相應(yīng)調(diào)整。

本文以靈璧縣某鄉(xiāng)鎮(zhèn)擬建污水處理廠項(xiàng)目為例，計(jì)算該污水處理廠退水的污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響，對(duì)該污水處理廠退水進(jìn)行水質(zhì)影響評(píng)價(jià)，闡述該方法的可行性。

該污水處理廠處理能力為800 m3/d，經(jīng)管道退排至唐河，本文以主要控制性指標(biāo)CODcr為例，經(jīng)處理后退排，正常工況下污染物入河處CODcr濃度為50 mg/L，而非正常工況下濃度為250 mg/L。

唐河位于宿州市境內(nèi)，現(xiàn)狀水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，在該水質(zhì)管理目標(biāo)下，要求控制指標(biāo)CODcr濃度范圍為20～30 mg/L。

唐河自排污口入河斷面至下游303省道公路橋控制斷面河段長約20 km，從最不利工況的角度出發(fā)，取90%的枯水年份最小月份流量，根據(jù)測(cè)量為0.15 m3/s，對(duì)應(yīng)流速為0.001 5 m/s，綜合衰減系數(shù)取0.1 d-1。基于上述基本數(shù)據(jù)，計(jì)算該污水處理廠退水的污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響。

經(jīng)計(jì)算，該污水處理廠退水所產(chǎn)生的污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響沿唐河各斷面的變化情況詳見表1。

以唐河2018年303省道公路橋斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)成果的平均值為河流水質(zhì)背景值，其中CODcr為21.6 mg/L，即唐河現(xiàn)狀水質(zhì)符合地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

表1 污水處理廠退水的污染物對(duì)河流水質(zhì)指標(biāo)（CODcr）的附加影響計(jì)算結(jié)果

（1）在不考慮河流現(xiàn)狀水質(zhì)類別的情況下，正常工況下，在x=8 000 m處可以基本認(rèn)為污水處理廠退水對(duì)河道水質(zhì)的影響可以忽略；非正常工況下，在x=10 000 m處可以基本認(rèn)為污水處理廠退水對(duì)河道水質(zhì)的影響可以忽略。

（2）從河流現(xiàn)狀水質(zhì)管理目標(biāo)的角度出發(fā)，唐河水質(zhì)背景值CODCr為21.6 mg/L，以出縣境控制斷面水質(zhì)類別為依據(jù)，正常工況下，污水處理廠退水不會(huì)影響水質(zhì)類別（即表中數(shù)據(jù)+河流水質(zhì)背景值≤水質(zhì)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)限值）；非正常工況下，在x=800 m處污水處理廠退水已經(jīng)不會(huì)影響河流現(xiàn)狀水質(zhì)類別。

5 結(jié)論

（1）在一定條件下，計(jì)算污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響，對(duì)擬建項(xiàng)目退水影響做出評(píng)價(jià)，可有效避免對(duì)河流多斷面水質(zhì)濃度背景值的影響，降低評(píng)價(jià)工作難度。

（2）從水功能區(qū)河流水質(zhì)類別及水質(zhì)管理目標(biāo)的角度出發(fā)，采用污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響評(píng)價(jià)方法對(duì)擬建退水所形成的影響做出定性定量的評(píng)價(jià)，可直觀地呈現(xiàn)對(duì)河流水質(zhì)的影響程度。

（3）采用污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響評(píng)價(jià)方法，可清晰表達(dá)入河排污口設(shè)置對(duì)水質(zhì)管理目標(biāo)的影響，可以為水域相關(guān)管理提供較為直觀的數(shù)據(jù)支撐。

（4）污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響評(píng)價(jià)方法雖然在計(jì)算形式上較為簡(jiǎn)易，但有效聯(lián)系了河流水質(zhì)管理目標(biāo)，為水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)工作提供了一個(gè)新的思路。