基于海河流域某河道綜合水質模型的河道多源污染負荷研究

劉迷亮

(惠民縣水利安裝服務中心,山東 惠民 251700)

0 引 言

近年來,隨著我國城鎮化進程的不斷推進,包括工業污水、生活污水在內的各種污染排放激增,大量未經處理或者不達標的污水廢水直接排入河流干道,帶來了嚴重的河流生態危機。因此,如何進行水環境治理成為目前各界關注的焦點[1]。

本文從兩種污染類型入手,即點源污染和非點源污染。其中,點源污染具有固定排污特點,而非點源污染則具備廣泛隨機、模糊潛伏等特點。特別是在包含農村地區在內的流域區段,非點源污染問題更加凸顯,一方面是農業實踐活動,如農業種植、畜牧養殖等活動產生的污染;另一方面是農村居民對于水環境保護意識不充分,加大了非點源污染的程度。因此,如何協同計算兩者的負荷以及污染貢獻率是研究重點。考慮到QUAL2K模型在水質模擬方面更全面,適應性更強,且人力財力花費更具備經濟性,因此研究選擇該模型對水力模擬和水質模擬進行分析[2],得出多源污染負荷貢獻率結果,為污水治理提出有價值的指導建議。

1 基于QUAL2K水質模型的河道多源污染負荷計算

1.1 河道多源污染負荷計算分析

本文研究對象山東濱州徒駭河水環境所受的污染,包括工業廢水排放污染、農業種植和畜牧養殖帶來的污染以及水土自然流失等。對于多源頭污染負荷計算,一般分為點源頭污染以及非點源頭污染兩種計算類別[3-4]。其中,點源頭污染主要包含借由管道輸入河流的工業污染,而非點源頭污染包括未經處理經由地表滲透而出的農業種植或養殖污水以及水土自然流失。對于所選的徒駭河曲段,該研究段分布較多為中小型加工廠,且集中在木材、建材等方向,部分為農產品代工廠[5-6]。

根據入河系數法,可以估算工業污染負荷。在已知工廠污水排放方式以及位置的情況下,入河系數法通過工廠污染排放出口和污染最終進入流域的入口間距(記為L)以及溫度等影響因子,衡量工廠產污量和工廠污染入河量之間的比例關系。而入河系數又可由渠道修正系數α、溫度修正系數β以及規定的污染初始入河系數三者的乘積得到。根據工廠排污口到污染入河口的距離值,可以查表得到初始入河系數;根據污染是否經由明渠入河,可以決定渠道修正系數的取值;根據溫度所在曲線,可以查詢溫度修正系數。三者取值情況見表1。

表1 取值分布表

近年來,徒駭河附近大多數中小型加工企業發展迅猛,尤其是工業的加速發展,使該流域附近人口數量激增,因此來自村民的日常生活廢水或污水便成為徒駭河非點狀源頭的主要污染源之一[7-9]。在估算污染負荷時,研究采取平均產污參數法,來計算村民生活污染負荷,因此該污染負荷由農村生活平均產污參數、所選研究曲段村民總人口數以及農村生活污染所產污染入河系數3部分乘積構成。

同時,考慮到該流域附近村民個人養殖畜禽時清理糞便的方式主要為干清糞,因此當遇到降雨天氣作用時,將會存在相當部分數量的干清糞以液體形式經雨水沖刷而流入河道,采用產排污水系數法可以估算該類污染負荷。

此外,徒駭河附近土地以耕地較多,玉米等糧食谷物的種植較為廣泛,為了保證糧食碩果,村民每年都會使用各種農藥或化肥,產生了經由農業種植而帶來的化學污染。采用肥料流失系數法,可以估算該類污染負荷[10-11]。

需要指出的是,在水環境污染分析時,對研究河道自身水土流失導致的氮磷化學污染也是重要一部分。估算該部分污染需要使用土壤流失方程,該方程目標是計算土壤侵蝕量,土壤侵蝕量與降雨侵蝕因子、坡長坡度因子、地表植被覆蓋因子等相關[12-13]。其中,降雨侵蝕因子用于評估受降雨而導致土壤分離的動力性指標,一般取值為0～1640.7MJ·mm/(hm2·h·a),而坡長坡度因子用于表征受損土壤在地形和地貌的改變程度,兩者取值為0～64。見表2。

表2 不同類型土地植被覆蓋及其管理因子(C)和土地保護措施因子(P)參數取值

由表2可知,對于工廠和水田以及經濟作物用地來說,其植被覆蓋和管理因子取值分別為0.15、0.18和0.05。該因子的使用意義在于其可以反映河道各種植被對土壤的侵蝕程度。

1.2 基于QUAL2K水質模型的河道污染遷移模型

單純估算點源污染和非點污染的負荷量,不足夠充分反映其對流域斷面的水質影響。因此,需要借助QUAL2K水質模型,進一步定量分析徒駭河所存在的污染物流動遷移過程。QUAL2K模型原理借助有限差分方法,來計算各污染成分的遷移規律,因此該模型適用于含多排污口、多直流的河道[14]。使用模型時,通常假定待研究河流呈梯形,河中污染物的運動方式主要為平流和彌散運動,均發生在主流方向,且水容量和污染物質量守恒。該模型包含水力模擬及水質模擬兩部分,水力模擬又包含流量平衡、水力特征分析和縱向彌散計算3部分。流量平衡示意圖見圖1。

圖1 流量平衡示意圖

圖1中,Qin,i、Qout,i為點源污染和非點源污染徑直流入和流出單元i的總流量,m3/s;Qi-1為單元i-1到單元i的入流流量,m3/s;Qi為單元i到單元i+1的出流流量,m3/s。

水位和流量關系表達式如下:

U=aQb,H=αQβ

(1)

式中:Q為流量,m3/s;H為水位高度,m;U為流速,m/s;a、b、α、β均為經驗系數,無量綱。縱向彌散系數計算表達式如下:

(2)

式中:Ep,j為單元i和單元i+1間存在的縱向彌散系數,m2/s;Ui為水流速度,m/s;Si為河道坡度值,%。

引入縱向彌散系數意義在于模擬現實河道內污染成分隨水流縱向產生的彌散作用。式(3)為物質平流擴散遷移方程,該方程是水質模擬關鍵方程。公式如下:

(3)

式中:C為污染物質濃度,mg/L;t為時間,d;Ax為河道斷面面積,m2;DL為河道水流縱向彌散系數,m2/d;x為河道水流縱向坐標,m;U為河道水流平均流速,m/s;S為外部源以及外部匯,kg/d;V為計算單元體積大小,m3。

水質模擬包含氨氮、總磷等物質的計算,兩者總量隨著河道水域中有機氮的水解反應以及各種水生動植物的排泄或者死亡而增加。模型參數主要包含河道自然特征參數、水力參數以及水質參數3種。自然特征參數又包括復氧參數、河道底藻類覆蓋率參數以及河道底沉積物覆蓋度參數。其中,河流復氧參數可以通過模型自帶的Owens-Gibbs公式或Tsivoglou and Neal公式進行計算;河道底藻類覆蓋率則需要根據對應流域各河段植物占全段比例得來,經走訪調研可知,研究所選徒駭河上游河段藻類覆蓋率為30%～50%,下游河段為20%～30%;河道沉積物覆蓋度為75%～90%。研究所選河流水力參數取值情況見表3。

表3 所選曲段河流水力參數取值情況

由表3可知,參數b為0.4～0.6,參數β為0.3～0.5,且兩者之和必須滿足小于或等于1。水質參數則與水解、沉降以及溫度修正系數相關。

2 基于QUAL2K水質模型的河道多源污染負荷結果分析

模型參數驗證是應用模型的重要步驟,因此需要事先將模型計算值和實際監測值進行率定,從而確保兩者誤差控制在合理范圍內。將多源污染負荷作為模型輸入數據,可以得到氨氮和總磷濃度數據的水質擬合結果,見圖2。

圖2 河道水質模擬結果

由圖2可知,對于氨氮模擬曲線來說,其決定系數R2和納什系數ENS為0.83和0.83;對于總磷模擬曲線而言,其決定系數為0.76,納什系數為0.82。決定系數越接近于1,表明擬合效果越好;納什系數高于0.65,表明模型擬合效果良好,因此經由QUAL2K模型后的水質數據擬合結果良好。3種污染組分水解、沉降、硝化系數的率定結果見表4。

表4 3種污染組分水質系數的率定結果

由表4可知,對于研究河道曲段Ⅰ、河道曲段Ⅱ,有機氮水解系數和沉降系數分別為0.3、0.25以及0.29、0.21,滿足模型推薦取值范圍0～5以內以及0～2以內。而氨氮硝化系數分別為0.28、0.22,滿足模型推薦取值范圍0～10以內。總磷水解系數和沉降系數分別為0.45、0.42以及0.30、0.31,滿足模型推薦取值范圍0～5和0～2以內。

在準備工作完成后,還需要考察點源污染及非點源污染對兩個研究曲段在氨氮及總磷兩種污染的負荷貢獻率。圖3為各種污染源對河段Ⅰ在氨氮及總磷負荷貢獻率柱狀圖。

由圖3(a)可知,針對各大污染源的貢獻率分析是逐月計算的。對于河段Ⅰ氨氮貢獻率上,工業污染最小值出現在8月份,為0.3%;最大值出現在3和11月份,為14.5%。農村日常生活污染最小值出現在5月份,為2.2%;最大值出現在4月份,為12.5%。畜禽養殖污染最小值出現在6月份,為12.6%;最大值出現在4和9月份,為73.1%。農業種植污染最小值出現在9月份,為5.7%;最大值出現在5月份,為78.6%。自然水土流失污染最小值出現在8月份,為0.4%;最大值出現在1月份,為5.5%。

由圖3(b)可知,對于河段Ⅰ總磷貢獻率上,工業污染數值范圍在0.03%～1.10%;生活污染取值在0.12%～1.39%;畜禽養殖污染取值在1.61%～21.2%;農業種植污染在9.1%～83.7%;自然水土流失污染在0.4%～4.5%。

因此,從時間層面分析可知,工業污染在1-12月貢獻率比率不高且變化起伏程度也較小,其原因在于工廠產生的廢水總量相對固定,且多數經由固定管道流入河道,因此具有一定程度預先處理。生活污染在夏季存在明顯增長,其原因是居民在夏季需水量激增,對應產生的污水量也增多。畜禽養殖和農業種植也存在夏季污染加重情況,原因在于夏季降雨增多,污水隨之流入河道概率增加。

3 結 論

針對經濟發展與生態保護如何做到協同平衡的問題,本文提出了一種基于QUAL2K水質模型的河道多源污染負荷計算分析模型,通過結果數據,在水河道保護上提供了參考性建議。結果顯示,在針對點源污染、非點源污染的氨氮以及總磷負荷擬合上,得到了良好效果,兩者納什系數分別為0.83和0.82,均高于參考值0.65。在多源污染貢獻率分析中發現,夏季因為降雨因素帶來的雨水沖刷作用,使得畜禽養殖和農業種植帶來的氨氮污染加劇變快,因此在夏季尤其需要加大治污力度。