沱江上游支流石亭江水环境容量及模拟探讨

2010-01-29陈西平

四川环境 2010年2期

陈西平,杨柳,向艳,陈诚

(1.四川省环境保护科学研究院,成都 610041;2.成都纺织高等专科学校,成都 610023)

石亭江是四川沱江上游的主要支流。什邡石亭江化工开发试验区是石亭江的主要污染源,该段污染源分布较为集中,且排放口较多。为了保护沱江水质不受到重大污染,探讨上游石亭江水环境容量和控制污染源排放是十分必要的。

什邡化工区点污染源输入石亭江为多点输入。国内对非点源多点分散排放的水质模拟探讨已有文献报告[1,2],对多个工业污染源同时排放对河流影响的水质模拟探讨的文献还不多见。本文着重探讨一点源单独排放和多点源同时输入的河流水质模拟方法,计算污染源易降解和难降解污染物对石亭江的影响。由于点污染源的治理方法、管理措施、防治对策等均取决于受纳水体的水质状况,故对石亭江水环境容量的计算和水质模拟,正是为了控制化工区污染源排放和防治石亭江污染提供依据。

1 石亭江水文要素

石亭江系季节性河流,其流量在年内的变化也较大。据当地高景关水文站多年资料,月平均最大流量为 5.6m3/s,最小月平均流量为 3.2m3/s,极端最小流量可达 0.5m3/s。表 1列出了石亭江化工区段各水期的设计流量及相应的流速。可见枯水期和洪水期流量相差较大。

表1 石亭江化工开发区段水文参数[3]Tab.1 Hydrological parameters for the section of chemical development zone in Shitingjiang River

2 模型与模拟计算方法

2.1 水环境容量

什邡化工区向石亭江排放易降解和难降解两类污染物,由于污染物在水体中的变化不同,其计算式分别为[4-5]：

式中：Wy—河流易降解污染物允许排放量 (kg/d);

Wn—河流难降解污染物允许排放量 (kg/d);

Cs—水源保护区段规定水质标准 (mg/L);

Qp—河流设计流量 (m3/s);

q—旁侧污水流量 (m3/s);

C0—上游断面污染物浓度 (mg/L);

K1—衰减系数 (d-1);

X—河流段长 (km);

u—断面平均流速 (km/d)。

2.2 水质模拟方法

2.2.1 难降解污染物

2.2.1.1 一点输入

式中：C—河水和污水混合均匀后浓度 (mg/L);

Q0—上游河流流量 (m3/s);

C1—排放废水中污染物浓度 (mg/L);

其他符号同前。

2.2.1.2 多点输入

在化工区内,污染源沿河岸分散排放,河流污染物是多点源的线性叠加关系,其计算递推式为：

式中：Ct1,Ct2,…,Cti—1,2,…,i断面污染计算浓度 (mg/L);

q1,q2,…qi—1,2,……,i断面旁侧排放口的废水流量 (m3/s);

C1,C2,…,Ci—1,2,…,i排放口废水污染物浓度 (mg/L)。

2.2.2 易降解污染物

什邡化工区仅一个污染源排放易降解污染物,故选取BOD5进行一点源输入的水质模拟计算：

式中：L—BOD5计算浓度 (mg/L);

L0—初始断面河流和废水混合后的浓度(mg/L);

u—断面平均流速 (km/d);

x—上、下断面距离 (km);

其他符号同前。

3 模型的参数确定

3.1 BOD5—阶衰减系数

石亭江BOD5一阶衰减系数 K1的确定,采用实测值反推和经验公式相对比的方法,其计算公式为：

经验公式：

实测值反推公式[3]:

式中：Q—河流流量 (m3/s)

△t—流经上下游断面的时间 (d);

△x—上、下断面距离 (km);

C0、C—上断面和下断面 BOD5实测值(mg/L)。

根据经验公式和实测值计算的石亭江不同流量下的 K1见表 2。

表2 石亭江化工试验区段 K1计算结果Tab.2 Calculated K1for the section of chemical development zone in Shitingjiang River (d-1)

3.2 废水污染物排放浓度确定

根据多样品监测,废水中 BOD5浓度为313.8mg/L。化工区含难降解污染物的污染源较多。本文计算氟化物对石亭江的影响,各污染源氟化物浓度分别为：A源为 4.89mg/L,B源为25mg/L,C源为 2.4mg/L,D源为 29.58mg/L,E源为30.0mg/L。

3.3 L0和 C0的确定

根据多样品监测平均结果,石亭江上游断面BOD5浓度为3.31mg/L,即L0为3.31mg/L。A源排放口上游断面氟化物浓度为0.63mg/L,取C0为0.63mg/L。

4 石亭江水环境容量计算

根据表 1石亭江设计流量及相应流速和《地面水环境质量标准》 (GB3838-2002)Ⅲ类标准(BOD5≤4mg/L,氟化物≤1mg/L),用式 (1)和式 (2)分别计算 BOD5和氟化物的水环境容量。石亭江化工区上游断面 BOD5为 3.31mg/L,氟化物为 0.63mg/L,化工开发试验区废水排放流量为0.106m3/s。由此计算出BOD5、氟化物在石亭江各流量下的允许排放量见表 3。由表 3取流量为自变量,相应污染物允许排放量为因变量进行回归分析,得到污染允许排放量变化的相关模式 (r=1)。

表3 石亭江水环境容量计算结果Tab.3 Calculated water environmental capacity of pollutant for the section of chemical development zone in Shitingjiang River (kg/d)

式中：WBOD5、WF-—BOD5和氟化物的允许排放量 (kg/d);

Q—石亭江流量 (m3/s)。

目前化工开发区每天排氟 227kg,BOD5162kg。由表 3可见,石亭江枯水期几乎无容量可言,洪水期具有一定的容量,其中当河流流量为20m3/s时,每天可排 BOD51237.59kg,氟化物648.52kg。由于枯水期氟化物和BOD5一般均超过河流环境容量。因此,化工开发试验区应控制氟化物和BOD5废水排放。

5 石亭江水质模拟

石亭江化工开发试验区主要污染物是废水中的氟化物。因此,本文选择氟化物和水质综合指标BOD5进行河流水质模拟。

5.1 BOD5污染模拟

什邡化工开发试验区一点源含BOD5废水排放流量为 0.00408m3/s。根据石亭江在同流量下的 K1和废水浓度以及 L0的确定,用 (5)式进行河流0.5,1.0,3.2m3/s流量时的水质模拟,结果见表 4,可见BOD5排放对石亭江的影响距离为15km。

表4 一点源BOD5排放对石亭江影响的水质模拟结果Tab.4 Simulated result for the effect of a point source BOD5 discharge on the water quality of Shitingjiang River (mg/L)

5.2 氟化物污染模拟

化工开发试验区共有 5个企业的含氟废水排入石亭江。由于是多个污染源排放,取 C0为0.63mg/L,采用 (4)式进行水质模拟计算,结果见表 5。由表可见,当第五个污染源废水排入后,石亭江流量为 0.5m3/s时,氟化物浓度为 2.83mg/L,当石亭江流量为 1.0m3/s时,氟化物浓度为1.79mg/L,均超过 GB3838-2002Ⅲ类水标准。因此,削减化工开发试验区氟化物排放是防治石亭江氟污染的主要途径。

表5 化工开发试验区氟污染对石亭江影响的水质模拟结果Tab.5 S imulated result for the effect of fluorine pollution from the chemical development test on the water quality of Shitingjiang River(mg/L)