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入河排污口污染物对河流水质的影响

发布时间:2021-1-15 14:55:59  中国污水处理工程网

  一、引言

  基于河流水质数学模型可建立入河排污口排污量与河流水质的定性、定量关系,是河流水质预测评价的基本方法。对于大部分的中小河流来说,在实际入河排污口水质预测工作中,多采用河流混合稀释模型与河流一维水质浓度衰减模型进行水质预测评价。上述的评价方法虽在实践中有着广泛的应用,但存在如下几个问题。

  (1)河流混合稀释模型与河流水质浓度衰减模型在使用时对初始断面(污染物入河断面处)污染物浓度值的精度有一定要求,但河流是一个复杂多变、具有不确定性的开放系统,由于没有长序列的水质动态监测数据,所以无法准确刻画初始断面污染物浓度。从水质预测评价工作实际工期的角度出发,对大多数河流开展长序列水质监测工作也是有一定难度的。

  (2)在实际河流水质预测评价工作中,入河排污口多为拟建状态,即在入河排污口未投入使用之前,有一定时间的预测期,仅使用预测期内现状监测资料无法验证模型预测的准确性,这就导致水质预测评价结论都建立在模型边界条件不发生改变的理想状态下。

  (3)预测期内若在预测的影响范围内出现新的未知点源污染,就会导致模型预测的结果出现偏差,此时需对评价范围内的污染源进行重新排查,以校定模型的边界条件,进行重新预测,这样势必会浪费大量的人力物力,延长工作周期,降低工作效率。

  对于评价范围内出现未知点源污染的问题,在之前研究中,余江等人提出贡献值的简化算法用以解决这一问题,但使用这一方法会夸大拟建项目的环境效益,此外该方法的使用对河流污染物入河断面处浓度背景值的精度有一定要求。

  针对上述问题,结合河流水质管理目标,笔者试图提出河流水质附加影响评价方法,以解决缺乏长序列水质动态监测资料的河流水质预测评价工作中的相关问题,减小对水质基础资料调查的难度及人力物力的投入,缩短环境评价工期,提高工作效率。

  二、一维水质模型及其解

  在不考虑水质弥散作用的条件下,给出描述污染物浓度沿河流方向衰减的水质模型的假设条件:①在污染物入河初始断面,河流污染物浓度背景值为Ch(mg/L)、河流流量为Qh(m3/s)、污染物浓度为Cw(mg/L)、污染物排放量为Qw(m3/s),②河道水流速度为v(m/s),在河道各断面一致,③河流水质浓度的综合衰减系数为k(d-1)。

  基于上述条件,模型表述如下:

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  式中:x为计算点至初始断面的距离(m),C为河道某断面的污染物浓度(mg/L)。

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  式中:t为污染物进入河道后到达某断面的时间(s),其余变量含义同上。

  对式(1)两边积分,在上述条件下,得到河流水质浓度是一个沿河稳态分布函数,即浓度不随时间发生变化:

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  式中:C(x)为河道x断面处的污染物浓度(mg/L),C0为污染物进入河道混合后初始计算断面处的污染物浓度(mg/L),其余变量含义同上。

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  该公式被广泛应用于中小河流水质预测评价计算中。

  陶月赞、叶栋成等探讨了地下水对河流补给条件下河流水质的变化,提到了地下水水质与河道水质基于一维水质模型的混合稀释、衰减这2个过程的计算先后顺序不会对模型最后的预测结果产生影响,这里不妨将污染源当作地下水补给,从模型的数学结构特征出发,说明上述结论的正确性。

  式(5)可改写为:

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  式中:Cw·P(x)与Ch·P(x)可以看作是Ch和Cw独自衰减至x断面处的浓度值,由于Qh与Qw在整个研究河段都是保持不变的,所以分子项实际是污染物和河道本身在x断面处的溶质通量。

  基于此,Qh、Qw混合后所预测的x断面处污染物浓度值实际可以等价于Ch和Cw独立衰减至x断面处再进行完全混合作用形成的污染物浓度。

  由上述可知,Ch、Cw的衰减规律均是符合式(3)的,即污染物衰减变化曲线相互之间是平行的,如图1所示。

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  三、污染物对河流水质的附加影响计算方法

  在预测期内,当污染物进入河道时,由于难以确定初始断面河流污染物浓度背景,所以无法直接使用式(4)对混合后初始计算断面处的污染物浓度做出准确计算。

  基于一维水质模型的混合、衰减这2个过程的计算先后顺序不会对模型最后的预测结果产生影响这一规律,可计算污染物独立衰减至x断面处的浓度:

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  式中:Cw(x)为污染物独立衰减至x断面处的浓度(mg/L),其余变量含义同上。

  考虑污染源部分独立衰减至x断面处产生的溶质量为W(wmg),其计算公式为:

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  对于需要进行水质评价的河段断面来说,式(8)所表示的污染源部分独立衰减所带来的污染相当于对河道额外产生的影响,考虑到日常水质评价中常采用浓度单位,因此本文将污染源部分独立衰减至评价断面所形成的浓度定义为附加影响。

  综上,污染物部分独立衰减到x断面处对河流水质所形成的附加影响ΔC的计算公式为:

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  这里需要注意的是,式(9)为污染物对河流水质的附加影响通用计算公式,具体运用时还需明确具体的污染物因子,即计算具体污染物因子对河道的附加影响。

  四、应用实例

  在实际河流水质预测评价工作中,通常以某一常见的污染物因子为控制指标,如COD、氨氮,当该污染物浓度衰减至河道初始浓度背景值时,即可认为该衰减距离为影响范围,但从水质管理目标的角度出发,因水质管理目标对应的某项污染物浓度与河道初始浓度背景值并不重叠,此时则需要对影响评价结果做出相应调整。

  本文以灵璧县某乡镇拟建污水处理厂项目为例,计算该污水处理厂退水的污染物对河流水质的附加影响,对该污水处理厂退水进行水质影响评价,阐述该方法的可行性。

  该污水处理厂处理能力为800m3/d,经管道退排至唐河,本文以主要控制性指标CODcr为例,经处理后退排,正常工况下污染物入河处CODcr浓度为50mg/L,而非正常工况下浓度为250mg/L。

  唐河位于宿州市境内,现状水质管理目标为Ⅳ类水标准,在该水质管理目标下,要求控制指标CODcr浓度范围为20~30mg/L。

  唐河自排污口入河断面至下游303省道公路桥控制断面河段长约20km,从最不利工况的角度出发,取90%的枯水年份最小月份流量,根据测量为0.15m3/s,对应流速为0.0015m/s,综合衰减系数取0.1d-1。基于上述基本数据,计算该污水处理厂退水的污染物对河流水质的附加影响。

  经计算,该污水处理厂退水所产生的污染物对河流水质的附加影响沿唐河各断面的变化情况详见表1。

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  以唐河2018年303省道公路桥断面水质监测成果的平均值为河流水质背景值,其中CODcr为21.6mg/L,即唐河现状水质符合地表水Ⅳ类标准。

  (1)在不考虑河流现状水质类别的情况下,正常工况下,在x=8000m处可以基本认为污水处理厂退水对河道水质的影响可以忽略,非正常工况下,在x=10000m处可以基本认为污水处理厂退水对河道水质的影响可以忽略。

  (2)从河流现状水质管理目标的角度出发,唐河水质背景值CODCr为21.6mg/L,以出县境控制断面水质类别为依据,正常工况下,污水处理厂退水不会影响水质类別(即表中数据+河流水质背景值≤水质Ⅳ类标准限值),非正常工况下,在x=800m处污水处理厂退水已经不会影响河流现状水质类別。

  四、结论

  (1)在一定条件下,计算污染物对河流水质的附加影响,对拟建项目退水影响做出评价,可有效避免对河流多断面水质浓度背景值的影响,降低评价工作难度。

  (2)从水功能区河流水质类别及水质管理目标的角度出发,采用污染物对河流水质的附加影响评价方法对拟建退水所形成的影响做出定性定量的评价,可直观地呈现对河流水质的影响程度。

  (3)采用污染物对河流水质的附加影响评价方法,可清晰表达入河排污口设置对水质管理目标的影响,可以为水域相关管理提供较为直观的数据支撑。

  (4)污染物对河流水质的附加影响评价方法虽然在计算形式上较为简易,但有效联系了河流水质管理目标,为水质预测评价工作提供了一个新的思路。(来源:水发规划设计有限公司,山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心)

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