松花江支流梧桐河COD和氨氮动态水环境容量研究

于晓英，杜慧玲，董彭旭，姜 兵

(黑龙江省环境科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150056)

0 引言

水环境容量是指在给定水域范围和水文条件，规定排污方式和水质目标的前提下，单位时间内该水域最大允许纳污量[1]是水环境管理的基础[2-4].近年来，国内外已有较多关于水环境容量相关研究，通过研究松花江干支流的水环境容量，可对松花江干流的水质保障及环境管理起到积极的作用.目前针对黑龙江省内河流的研究多集中在松花江干流，主要涉及松花江干流哈尔滨段[5-11]，松花江干流佳木斯段[12-13]、松花江干流肇东段[14]的水环境容量研究也有相应体现，对松花江支流的水环境容量研究内容相对较少，涉及牡丹江[15-16]、阿什河[17-18]、安肇新河[19]，对松花江支流梧桐河的动态水环境容量未见有相关内容研究.本研究针对北方寒冷地区河流季节性水环境容量不均的问题，以黑龙江省鹤岗境内第一条大河梧桐河为研究对象，采用国内应用最广泛的公式法[20]，研究COD和氨氮的动态水环境容量，为当地水环境容量的合理利用和水环境管理提供有效依据.

1 研究方法

1.1 选用模型

梧桐河属松花江一级支流，宽深比较大，属于宽浅型河道，污染物在排放到水体后，沿流程在很长距离的河段内不能达到断面内均匀混合，污染物浓度在断面上沿横向变化较大，且沿岸污染源为岸边排放，故采用二维岸边排放水质模型[7]，结合段尾控制法计算水环境容量[7，21]，让水质在各段末达到功能区段水质标准.计算公式见式(1)：

(1)

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

1.2 计算单元的划分和计算因子的确定

根据水质断面及功能区目标设置情况，梧桐河河段设梧桐河漂流站-梧桐河口内1个计算单元，将COD和NH3-N作为水环境容量计算因子.计算单元属性见表1.图1为研究区域排污口和断面概化示意图.梧桐河漂流站-梧桐河口内的主要排污口为鹤岗市东部污水处理厂，其与终点断面的距离为21 km.

图1 梧桐河漂流站—梧桐河口内断面之间排污口概化示意图

1.3 模型参数的选取

1.3.1 水文参数

依据2009—2013年水文资料，取相应月份的最小流量作为当月的设计流量，其他水文参数均为此设计流量下的值.在这种设计条件下，水环境所能提供的环境容量值随着月份变化，这样能在保证水质的前提下更充分地利用水环境容量.

1.3.2 横向弥散系数My及降解系数K1

My采用Taylor公式(2)进行求解.

(2)

式中：My为河流横向的弥散系数，m2/s；B为河流水面平均宽度，m；h为河流平均水深，m；g为重力加速度，9.8 m/s2；i为平均纵向坡降，取0.7.

由公式(2)计算弥散系数，结合水质监测数据对相应断面的COD以及NH3-N的预测浓度和实测浓度进行了拟合分析和修正，结合已有文献以及经验系数法初步确定计算单元的降解系数K1值，再根据已有监测数据进行拟合和修正，经过率定后的My及K1值见表2.

表2 梧桐河漂流站—梧桐河口内段弥散系数、降解系数表

2 结果与分析

2.1 理想水环境容量计算结果

理想水环境容量是将计算单元视为独立的河段，不考虑上下游水体对水环境容量的影响，也不考虑支流和排污口的影响.根据公式(1)及设计参数，对理想水环境容量进行计算，结果见表3.虽然理想水环境容量不能直接应用于实际，但是对于水环境容量的利用和规划还是具有指导性意义的.

表3 梧桐河漂流站—梧桐河口内段COD理想动态水环境容量

2.2 实际水环境容量计算结果

在理想水环境容量研究基础上，结合实际情况，对梧桐河漂流站—梧桐河口内段的实际水环境容量进行计算.

2.2.1 考虑上游水质对水环境容量的影响

根据2013年监测结果，上游来水梧桐河漂流站断面COD水质优于功能区Ⅲ类水体的要求而达到Ⅱ类水体的标准.因此在计算实际水环境容量时，上游来水按照Ⅱ类水体COD限值为15 mg/L，NH3-N为0.5 mg/L进行核算.其水环境容量重新核算结果见表4.

表4 考虑上游水质情况下梧桐河漂流站—梧桐河口内段COD实际动态水环境容量

与理想水环境容量相比，COD的实际水环境容量年总量从9 159.277 t/a 增加至12 854.525 t/a，增加幅度达40%，NH3-N的实际水环境容量年总量从442.682 t/a 增加至812.207 t/a，增加幅度达83%.由此可见，上游水体的水质优劣对下游水体的水环境容量有着很大的影响，若要确保下游水体的水环境容量能满足该段生产和生活的需求，必须严格控制上游水体水质.

2.2.2 考虑支流及排污口对水环境容量的影响

梧桐河漂流站—梧桐河口内的主要支流从西北到东南依次为细鳞河、鹤立河.细鳞河汇入梧桐河的位置在水文站的上游，水文站的数据已经包括了细鳞河对干流的影响，因此，对于支流仅需考虑鹤立河的水功能区划及水文参数，鹤立河的水质目标为III类，水质现状为V类，鹤立河最小流量为0.385 m3/s.此外，梧桐河漂流站—梧桐河口内有一较大污染源为鹤岗市东部污水处理厂，该污染源流量较大，因此还需考虑其对水体的影响，该污水处理厂建成时间为2013年7月，设计规模为3万m3/d.支流及排污口的排放量及流量情况见表5.

表5 主要支流及排污口排放量

由于支流和排污口水量的汇入，水体的流量、流速、水面宽度及水深等都将发生变化.但水文资料有限，本研究假设支流和排污口水量的汇入并不会改变水体的宽度和深度，只对流速产生影响.将支流及排污口作为流速变化的分界断面，按照设计流量重新核算不同断面沿河流速变化，综合考虑上游水质及支流汇入的实际情况，对梧桐河漂流站—梧桐河口内计算单元的水环境容量进行重新核算，核算结果见表6.COD和NH3-N的理想动态水环境容量与实际动态水环境容量对比情况见图2、图3.

表6 梧桐河漂流站—梧桐河口内段COD实际动态水环境容量

由图2、图3可知，COD与氨氮年内动态水环境容量变化趋势相似，最大水环境容量均出现在8月份，最小水环境容量均出现在3月份.所计算河段的实际动态水环境容量除个别月份外，其余月份均大于理想水环境容量.与理想水环境容量相比，在综合考虑上游水质、支流和排污口汇入的情况下，该河段内COD的实际水环境容量年总量由9 159.277 t/a升至10 887.764 t/a，增加幅度达13.86%，NH3-N的水环境容量年总量由442.682 t/a增至674.895 t/a，增加幅度达52.46%.由此可知，尽管支流和排污口汇入该河段，但由于上游来水水质较好，该河段的实际水环境容量年总量仍比理想水环境容量有明显增加.

图2 COD理想动态水环境容量及实际动态水环境容量

图3 氨氮理想动态水环境容量及实际动态水环境容量

2.2.3 各水期动态水环境容量情况

该河段丰、平、枯各水期 COD 和氨氮的理想水环境容量和实际水环境容量平均值分别见图4和图5.无论理想动态水环境容量还是实际动态水环境容量，COD与氨氮水环境容量随水期变化的趋势基本一致.各水期COD和氨氮均为丰水期水环境容量最大，枯水期水环境容量最小.

图4 各水期COD和氨氮理想动态水环境容量

图5 各水期COD和氨氮实际动态水环境容量

3 结论

1)无论理想动态水环境容量还是实际动态水环境容量，COD与氨氮水环境容量随水期及年内变化趋势基本一致，丰水期水环境容量最大，枯水期水环境容量最小.最大水环境容量均出现在8月份，最小水环境容量均出现在3月份.

2)由于上游来水水质较好，尽管有支流和排污口汇入，该河段COD与氨氮实际动态水环境容量除个别月外，其他月均高于理想动态水环境容量，可以通过控制上游水体水质来确保下游水体的水环境容量.

3)水环境容量受季节性影响变化明显，且受上游来水、排污口及支流等影响，建议对河段实行动态管理，更合理地利用水环境容量，为环境管理提供参考和理论依据.