多点输入的河流空间污染响应研究

2012-02-28杨育红刘中培于福荣

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2012年4期

杨育红，刘中培，于福荣

（华北水利水电学院，河南郑州 450011）

点源和非点源污染是水环境质量恶化的两大污染源．随着工业源和城镇生活源治理率的不断提高，重点地区和流域的水环境保护取得了积极进展，但环境形势依然严峻．在我国“三河、三湖、一江、一区”重点治理流域中，化学需氧量（CODCr）是国家“一控双达标”的主要目标控制污染物．实施排污总量控制的技术关键是建立污染源排放量与河流水质之间的输入响应关系，反映在设计条件下，给定水域和污染物排放条件，得出污染源排放污染物数量所引起的水域水质指标增加或减少的数量［1］．由于非点源污染的复杂性和不确定性，我国环境容量资源分配研究多为点源污染与环境目标的关系［2－3］．松花江流域属于水资源贫乏地区，水环境污染加剧水资源短缺，激化供需矛盾．化学需氧量是松花江吉林省段（下称第二松花江）水质超标的主要污染物．“十五”末期，第二松花江流域CODCr非点源污染输出负荷占总负荷的36%，非点源污染CODCr即将超过点源污染CODCr，成为主要污染源［4］．非点源污染治理无疑是国家“十二五”环境保护的重要任务．因此，选择第二松花江流域为研究区，综合考虑CODCr点源和非点源污染，研究监测断面水质的影响系数，建立污染源与目标之间的输入响应关系，以便进行目标管理的系统分析．

1概况

第二松花江是松花江的南源，贯穿吉林省中、东部地区，是吉林省最大河流，全长790 km，流域面积78 182 km2，位于东经 124°36'—128°50'，北纬41°44'—45°24'．主要支流有辉发河、伊通河、饮马河等，每年有近5个月的冰封期，流域位置如图1所示．流域多年平均径流量172．6亿m3，其中6—9月份径流量占全年径流量的68% ～78%．流域地处中纬度地带，属温带大陆性季风气候，降水的区域性和季节性变率大，造成第二松花江年径流变化也较大，连丰、连枯期较长．中下游地区是我国重要的商品粮基地，也是重要的工业密集区，主要有“化工城”吉林、“汽车城”长春和“石油城”松原等．

图1 第二松花江流域自然地理位置

第二松花江是吉林省工农业生产和社会经济可持续发展的水电资源，也是沿江主要城市和农村点源、非点源污染的受纳水体．尽管吉林省工业废水和城市生活污水治理率不断提高，但主要江河水质并没有大的改善，满足其功能区划的断面仅占30%．

2 模型建立

2．1 输入响应模型

污染源控制的是污染物排放总量，而环境目标控制的是水质浓度，在污染物总量与水质浓度之间并不是简单的水量稀释关系，而是由包含稀释、沉降、再悬浮、吸附、解吸、光解、挥发、物化、生化等多种过程的综合效应所决定的．基于此，反映污染物排放量引起水质变化的输入响应模型越来越引起重视．其中输入模型中的影响系数是污染源负荷优化分配过程中反复应用的经典参数，可以完成污染源影响顺序评价、污染源布局、水质模拟、功能区可达性分析计算和根据已知水质标准反推容许排污量及优化组合等管理工作．

对符合一级动力学降解规律的一般污染物，不考虑离散作用，其一维河流的污染物输入响应模型如下式所示．

式中：Cx为排污口下游污染物浓度，mg/L;C0为x=0处污染物的浓度，mg/L;x（t）为污染物输移距离，m;u为河流平均流速，m/s;K为综合衰减系数，1/d．

公式（2）也可写成

式中：W为污染物总量，g;WFT为影响系数，是上游来水Q0（m3）、排污量QE（m3）、综合衰减系数K、河水流速u和距离x的函数．将排污总量与影响系数相乘，可得到排污口对控制断面的贡献率，完成源与

2．2 模型参数确定

模型建立前所做基础工作有污染源调查、河流水文资料统计以及水质模型的选取和运用．主要进行第二松花江丰水期CODCr在各断面的输入响应系数研究，干流12个监测断面，一级支流辉发河和饮马河及饮马河支流伊通河共有监测断面7个．假设每个断面为污染物排放和充分混合点，2个一级支流汇入口设为虚拟断面，点源和非点源污染均在设置的断面进入河流．因此，在干流上共有可计算断面14个．由于河流水质监测指标多采用高锰酸盐指数，而点源和非点源排放量通常为化学需氧量，为方便计算，选取 CODMn=3．3 CODCr［5－6］;河流流速、流量、断面距离等河流水文参数为吉林省河流近30年统计平均值;点源排放量和排放浓度为1996—2010年的《吉林省环境质量报告书》统计数据;CODCr综合衰减系数参见先前研究成果［7］;非点源浓度和排放量采用类比法结合实测资料确定．目标的链接．但对于第二松花江，由于沿江两岸生活和生产因素，河流水量在丰水期明显走失，某一河段控制断面流量的结点平衡被打破，由污染物量求得的水质响应系数不如由浓度值求得的响应系数更能反映河流的一般情况．一维河流的单污染物对控制断面的浓度输入响应系数CFT为

3 结果与讨论

3．1 CODCr影响系数

第二松花江丰水期各断面CODCr影响系数和外界输入污染物的总量即W列于表1．影响系数即指上游每一个断面输入单位污染源时，对下游断面水质产生的影响．运用计算的CODCr影响系数可以进行水质模拟，表1清楚地表示了各断面污染源的输入对下游各个断面的影响，只要输入污染物总量，即可预报下游断面可能达到的污染物浓度，据此给出相应的保护措施．

表1 第二松花江丰水期CODCr影响系数

续表1

3．2 污染源影响顺序评价

表2给出了第二松花江监测断面污染总量及其污染贡献率．表2显示，按断面污染源输入总量（W）大小排序为，饮马河输入＞丰满＞九站＞白山大桥＞龙潭桥＞镇江口＞西大嘴子＞白旗＞辉发河输入＞畜牧场＞松花江村＞临江大桥＞哨口＞松林．若以影响系数与污染输入量相乘，可得到上游各断面污染物排放对松林控制断面水质的贡献率．饮马河输入对松林断面水质贡献率24．46%，镇江口、西大嘴子紧随其后，贡献率分别为15．29%和14．25%．第二松花江监测断面对流域出口松林控制断面的贡献率排序为饮马河输入＞镇江口＞西大嘴子＞畜牧场＞丰满＞九站＞龙潭桥＞白旗＞松林＞松花江村＞哨口＞白山大桥＞辉发河输入＞临江大桥．得出了一个完全不同于污染源输入总量排序的评价结论，这一结论从目标管理的角度评价，能说明不同污染源排放量对改善目标的关系．

可见，饮马河输入第二松花江干流的污染物量及浓度均对松林断面水质影响最大;而在饮马河流域，伊通河水质的影响又是最大．伊通河流经长春市，是长春市主要的纳污水体，因此，长春市污染源治理率的提高和对非点源污染的治理是改善伊通河水质的关键，也是松林控制断面水质改善的重要前提．镇江口断面受饮马河汇入的影响，贡献率位于第二;西大嘴子、畜牧场2个断面受“石油城”松原市污染源的影响，并且距离控制断面较近，对控制断面的贡献率排在第三、第四位;而九站、龙潭桥分布在“化工城”吉林市上下游，决定了这2个断面的贡献率也较大．河流城市段仍是第二松花江水质改善的重点和优先控制区域．