松花江干流佳木斯段COD和氨氮动态实际水环境容量研究

2019-07-12董彭旭杜慧玲于晓英

现代农业科技 2019年11期

董彭旭杜慧玲于晓英

摘要针对松花江流域水环境容量季节性变化情况，在动态的水文设计条件下，基于二维岸边排放模型，采用段尾控制法对松花江佳木斯段COD和NH3-N的实际水环境容量进行了数值计算与分析。结果表明，松花江佳木斯段COD与NH3-N实际水环境容量变化趋势相似，NH3-N波动幅度大于COD的波动幅度;实际水环境容量季节性变化较大，丰水期最大，枯水期最小，应实施动态的管理。研究结果可为松花江水环境管理和保护提供基础理论依据。

关键词动态水环境容量;COD;NH3-N;松花江佳木斯段

中图分类号 X832 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2019）11-0166-03

Abstract In view of the seasonal variations of water environmental capacity in Songhua River，under dynamic hydrological design conditions，based on two-dimensional side-discharge model，the COD and NH3-N actual water environmental capacity of Jiamusi section in Songhua River was calculated and analyzed by using section-ending control method.The results showed that the variation trend of COD and NH3-N actual water environmental capacity was similar in Songhua River Jiamusi section，and the fluctuation range of NH3-N was greater than that of COD.Seasonal difference of the capacity was obvious，the maximum and minimum value of the COD and NH3-N actual water environmental capacity appeared in flood season and dry season，respectively.Dynamic management should be implemented in Songhua River.This research can provide theoretical accordance for water environmental management and protection of Songhua River.

Key words dynamic water environmental capacity;chemical oxygen demand（COD）;ammonia nitrogen（NH3-N）;Jiamusi section in Songhua River

水环境容量是指在一定的环境目标条件下，水体能够容纳污染物的最大量或自身调节净化并保持生态平衡的能力，反映了水體纳污能力的大小[1]。随着我国水环境管理中对以水质改善为目标的容量总量控制认识的不断加深，科学合理地确定河湖水库水环境容量的技术方法成为诸多学者们不断研究的方向[2]。影响河流水环境容量的因素很多，主要包括水域水质环境功能区要求、河道的水文条件、污染物的特性等。我国对于水环境容量的研究已进行了40多年[3-4]，在理论及总量控制方法2个方面取得了丰硕成果，并提出了可分配水环境容量的概念及办法[5]。水环境容量已在我国许多重要水体中开展了研究和应用，为水污染治理和保护提供了科学依据，丰富了水环境容量的理论和研究方法。

松花江佳木斯江段位于松花江下游，在同江附近汇入中俄界河黑龙江，该江段的水质直接影响松花江的出境水质[6]。因此，对其水环境容量进行研究，可以为流域环境规划、污染防治与环境管理提供重要依据，对加强松花江流域水资源保护、防治松花江水质污染具有十分重要的意义。松花江流域位于我国北方高纬度寒冷地区，存在冰封期与非冰封期的差异，河流径流量的季节性变化较大且冬季水温低，因而松花江水环境容量存在季节性差异变化，需进行动态水环境容量分析并实施动态管理。近年来，国内外关于动态水环境容量的研究较多，但对松花江流域动态水环境容量的研究相对较少且大部分研究集中在2013年以前[7]。

1 研究方法

1.1 环境容量计算模型的选取

松花江佳木斯江段多年平均流量约2 149 m3/s，河槽宽度约500～2 000 m，平均水深约4 m，平均流速约0.4 m/s，属于宽浅大型河流，其主要支流从上游至下游主要包括汤旺河、梧桐河和安邦河。

根据《水域纳污能力计算规程》（GB/T 25173—2010），河流水环境容量计算模型由简单到复杂依次为河流零维模型、河流一维模型和河流二维模型。其中，河流二维模型适用于大型河段（流量Q≥150 m3/s），污染物在河段非均匀混合，故本文选取河流二维模型。研究江段沿岸的污染源为岸边排放，因而采用二维岸边排放模型对污染物在水体中的迁移扩散规律进行模拟。敏感点位置取岸边，并采用段尾控制法，推导出研究江段的水环境容量计算公式，见式（1）。

式（1）中，cs—污染物在研究河段的水质标准（mg/L）;c0—污染物在研究河段的本底值（mg/L）;xi—敏感点到排污口的距离（m）;My—河流纵向、横向的弥散系数（m2/s）;ux—河流的平均流速（m/s）;K1—污染物的衰减速度常数（d-1）;B—河流水面宽度（m）;H—河流平均水深（m）。

1.2 研究江段计算单元的划分

根据松花江佳木斯江段的国家水质考核断面及其功能区目标，将研究江段划分为3个计算单元，分别为佳木斯上—佳木斯下、佳木斯下—江南屯、江南屯—同江，计算单元属性见表1。松花江佳木斯江段监测断面位置见图1。

1.3 水文参数的选取

水文参数根据2009—2013年松花江佳木斯站的水文监测数据，取每个月的最小实测流量作为当月的设计流量，流速、平均水深、水面宽度等水文参数取相应月份的最小流量对应的值。由此计算出的水环境容量随月份变化呈现动态变化。

1.4 横向弥散系数My及污染物综合衰减系数

横向弥散系数My采用Taylor公式进行求解，见式（2）。

式（2）中，My—河流横向弥散系数（m2/s）;B—河流水面平均宽度（m）;h—河流平均水深（m）;g—重力加速度，取9.8 m/s2;i—平均纵向坡降，松花江佳木斯段取0.1‰。

松花江佳木斯段的横向弥散系数My见表2。污染物综合衰减系数K1依据已有文献以及经验系数法初步确定，再根据已有断面COD和NH3-N的监测数据进行拟合分析和修正，经过率定后的污染物综合衰减系数K1值见表2。

1.5 主要支流与排污口概化

松花江佳木斯段主要支流从上游至下游依次为汤旺河、格金河、阿凌达河、梧桐河、安邦河5个支流，其各计算单元内主要排污口排放量及其与终点断面的距离见表3。该江段主要支流、排污口与断面位置关系的概化示意图见图2。

2 结果与分析

结合松花江佳木斯段的实际情况，将各个计算单元视为独立的河段，由式（1）计算佳木斯上—佳木斯下、佳木斯下—江南屯及江南屯—同江3个计算单元的COD和NH3-N的实际水环境容量。实际水环境容量需考虑上游来水水质的影响，根据实际水质情况以及支流、排污口对水环境容量的影响进行综合计算。根据松花江佳木斯段2016年各监测断面的实际水质监测结果，佳木斯下和江南屯2个断面的COD和NH3-N的监测值与其功能区划要求不一致，均为Ⅲ类水，优于水环境功能区要求，对COD和NH3-N的实际水环境容量产生影响。另外，支流和排污口处的汇水将改变水体的流量、流速、水深、水面宽度等要素从而影响水环境容量。本文受水文资料的限制，假设支流和排污口汇水并不会改变水体的宽度和深度，只对流速产生影响。根据流域水文资料，佳木斯站位于佳木斯市西区污水处理厂排污口与泉林生态农业有限公司排污口之间，将各支流及排污口汇入的位置作为流速变化的分界断面，重新核算不同断面沿江流速变化，并据此计算实际COD和NH3-N水环境容量。松花江佳木斯段考虑上游来水水质和支流、排污口汇入影响的COD实际水环境容量见表4和图3，NH3-N实际水环境容量见表5和图4。

根据图3和图4可知，松花江佳木斯段COD和NH3-N的实际水环境容量呈现出动态变化趋势，变化趋势相似，在夏季7—9月明显高于其他月份，最大值均出现在8月。佳木斯上—佳木斯下段COD实际水环境容量最大值与最小值的比值为3.38，NH3-N实际水环境容量最大值与最小值的比值为4.14;佳木斯下—江南屯段COD实际水环境容量最大值与最小值的比值为4.11，NH3-N实际水环境容量最大值与最小值的比值为4.49;江南屯—同江段COD实际水环境容量最大值与最小值的比值为3.36，NH3-N实际水环境容量最大值与最小值的比值为4.17。由此说明，松花江佳木斯段的实际环境容量NH3-N波动幅度大于COD的波动幅度。

松花江佳木斯段各水期COD和NH3-N的实际水环境容量平均值分别见图5和图6。可知，松花江佳木斯段COD和NH3-N的实际水环境容量在丰水期最大，其次为平水期，枯水期最小。这受季节影响，不同水期水体温度不同，导致污染物综合衰减系数不同：丰水期的水温高，生化反应速率快，衰减系数大;而枯水期正值冰封期，水温低，衰减系数小。水体的实际水环境容量与污染物综合衰减系数成正相关，受温度影响。另外，根据2009—2013年松花江佳木斯站的水文监测数据，松花江佳木斯段3个水期的平均流速呈现丰水期（1.07 m/s）>平水期（0.71 m/s）>枯水期（0.27 m/s）的特征，水环境容量与水体流速随水期的变化趋势相似。因此，松花江佳木斯段各水期的实际水环境容量与水体流速成正相关。

3 结论

（1）松花江佳木斯段COD与NH3-N实际水环境容量的变化趋势相似，夏季明显高于其他月份，最大值均出现在 8月，NH3-N波动幅度大于COD的波动幅度。

（2）松花江佳木斯段COD和NH3-N的实际水环境容量在丰水期最大，枯水期最小。除受温度影响外，也与水体流速有关，实际水环境容量与水体流速成正相关。实际水环境容量的季节性变化较大，应进行动态管理，以保障水质安全。

4 参考文献

[1] 程功.大庆市安肇新河流域水环境容量核算[J].黑龙江水利科技，2017，45（8）：75-77.

[2] 陶亚，陈宇轩，赵喜亮，等.基于EFDC模型的阿什河水环境容量季节性分析[J].环境工程，2017，35（7）：65-69.

[3] 冯民权，胡芳，吴波，等.汉江安康段排污口近区污染扩散规律[J].西北大学学报（自然科学版），2009，39（5）：887-890.

[4] 梁兢波，张国成.汉江安康段水质卫生评价[J].环境与健康杂志，2001，18（5）：283-285.

[5] 张涛，任昭，王凤金，等.汉江汉中段水质调查与分析[J].监测分析，2011（2）：86-89.

[6] 李永亮，牟学军，李健，等.松花江佳木斯江段休养生息前后水环境质量变化研究[J].中国水利，2014（11）：50-52.

[7] 杜慧玲，于晓英，曲茉莉.松花江干流哈尔滨段COD和氨氮动态水环境容量研究[J].水资源与水工程学报，2018，29（2）：69-75.

基金项目国家水体污染控制与治理科技重大专项（2014ZX07201012）。