一、引言
基于河流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型可建立入河排污口排污量與河流水質(zhì)的定性、定量關(guān)系，是河流水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的基本方法。對(duì)于大部分的中小河流來說，在實(shí)際入河排污口水質(zhì)預(yù)測(cè)工作中，多采用河流混合稀釋模型與河流一維水質(zhì)濃度衰減模型進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。上述的評(píng)價(jià)方法雖在實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用，但存在如下幾個(gè)問題。
(1)河流混合稀釋模型與河流水質(zhì)濃度衰減模型在使用時(shí)對(duì)初始斷面(污染物入河斷面處)污染物濃度值的精度有一定要求，但河流是一個(gè)復(fù)雜多變、具有不確定性的開放系統(tǒng)，由于沒有長序列的水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，所以無法準(zhǔn)確刻畫初始斷面污染物濃度。從水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)工作實(shí)際工期的角度出發(fā)，對(duì)大多數(shù)河流開展長序列水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作也是有一定難度的。
(2)在實(shí)際河流水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)工作中，入河排污口多為擬建狀態(tài)，即在入河排污口未投入使用之前，有一定時(shí)間的預(yù)測(cè)期，僅使用預(yù)測(cè)期內(nèi)現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)資料無法驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，這就導(dǎo)致水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)論都建立在模型邊界條件不發(fā)生改變的理想狀態(tài)下。
(3)預(yù)測(cè)期內(nèi)若在預(yù)測(cè)的影響范圍內(nèi)出現(xiàn)新的未知點(diǎn)源污染，就會(huì)導(dǎo)致模型預(yù)測(cè)的結(jié)果出現(xiàn)偏差，此時(shí)需對(duì)評(píng)價(jià)范圍內(nèi)的污染源進(jìn)行重新排查，以校定模型的邊界條件，進(jìn)行重新預(yù)測(cè)，這樣勢(shì)必會(huì)浪費(fèi)大量的人力物力，延長工作周期，降低工作效率。
對(duì)于評(píng)價(jià)范圍內(nèi)出現(xiàn)未知點(diǎn)源污染的問題，在之前研究中，余江等人提出貢獻(xiàn)值的簡化算法用以解決這一問題，但使用這一方法會(huì)夸大擬建項(xiàng)目的環(huán)境效益，此外該方法的使用對(duì)河流污染物入河斷面處濃度背景值的精度有一定要求。
針對(duì)上述問題，結(jié)合河流水質(zhì)管理目標(biāo)，筆者試圖提出河流水質(zhì)附加影響評(píng)價(jià)方法，以解決缺乏長序列水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料的河流水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)工作中的相關(guān)問題，減小對(duì)水質(zhì)基礎(chǔ)資料調(diào)查的難度及人力物力的投入，縮短環(huán)境評(píng)價(jià)工期，提高工作效率。
二、一維水質(zhì)模型及其解
在不考慮水質(zhì)彌散作用的條件下，給出描述污染物濃度沿河流方向衰減的水質(zhì)模型的假設(shè)條件：①在污染物入河初始斷面，河流污染物濃度背景值為Ch(mg/L)、河流流量為Qh(m3/s)、污染物濃度為Cw(mg/L)、污染物排放量為Qw(m3/s)，②河道水流速度為v(m/s)，在河道各斷面一致，③河流水質(zhì)濃度的綜合衰減系數(shù)為k(d-1)。
基于上述條件，模型表述如下：
式中：x為計(jì)算點(diǎn)至初始斷面的距離(m)，C為河道某斷面的污染物濃度(mg/L)。
式中：t為污染物進(jìn)入河道后到達(dá)某斷面的時(shí)間(s)，其余變量含義同上。
對(duì)式(1)兩邊積分，在上述條件下，得到河流水質(zhì)濃度是一個(gè)沿河穩(wěn)態(tài)分布函數(shù)，即濃度不隨時(shí)間發(fā)生變化：
式中：C(x)為河道x斷面處的污染物濃度(mg/L)，C0為污染物進(jìn)入河道混合后初始計(jì)算斷面處的污染物濃度(mg/L)，其余變量含義同上。
該公式被廣泛應(yīng)用于中小河流水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)計(jì)算中。
陶月贊、葉棟成等探討了地下水對(duì)河流補(bǔ)給條件下河流水質(zhì)的變化，提到了地下水水質(zhì)與河道水質(zhì)基于一維水質(zhì)模型的混合稀釋、衰減這2個(gè)過程的計(jì)算先后順序不會(huì)對(duì)模型最后的預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，這里不妨將污染源當(dāng)作地下水補(bǔ)給，從模型的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，說明上述結(jié)論的正確性。
式(5)可改寫為：
式中：Cw·P(x)與Ch·P(x)可以看作是Ch和Cw獨(dú)自衰減至x斷面處的濃度值，由于Qh與Qw在整個(gè)研究河段都是保持不變的，所以分子項(xiàng)實(shí)際是污染物和河道本身在x斷面處的溶質(zhì)通量。
基于此，Qh、Qw混合后所預(yù)測(cè)的x斷面處污染物濃度值實(shí)際可以等價(jià)于Ch和Cw獨(dú)立衰減至x斷面處再進(jìn)行完全混合作用形成的污染物濃度。
由上述可知，Ch、Cw的衰減規(guī)律均是符合式(3)的，即污染物衰減變化曲線相互之間是平行的，如圖1所示。
三、污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響計(jì)算方法
在預(yù)測(cè)期內(nèi)，當(dāng)污染物進(jìn)入河道時(shí)，由于難以確定初始斷面河流污染物濃度背景，所以無法直接使用式(4)對(duì)混合后初始計(jì)算斷面處的污染物濃度做出準(zhǔn)確計(jì)算。
基于一維水質(zhì)模型的混合、衰減這2個(gè)過程的計(jì)算先后順序不會(huì)對(duì)模型最后的預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響這一規(guī)律，可計(jì)算污染物獨(dú)立衰減至x斷面處的濃度：
式中：Cw(x)為污染物獨(dú)立衰減至x斷面處的濃度(mg/L)，其余變量含義同上。
考慮污染源部分獨(dú)立衰減至x斷面處產(chǎn)生的溶質(zhì)量為W(wmg)，其計(jì)算公式為：
對(duì)于需要進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)的河段斷面來說，式(8)所表示的污染源部分獨(dú)立衰減所帶來的污染相當(dāng)于對(duì)河道額外產(chǎn)生的影響，考慮到日常水質(zhì)評(píng)價(jià)中常采用濃度單位，因此本文將污染源部分獨(dú)立衰減至評(píng)價(jià)斷面所形成的濃度定義為附加影響。
綜上，污染物部分獨(dú)立衰減到x斷面處對(duì)河流水質(zhì)所形成的附加影響ΔC的計(jì)算公式為：
這里需要注意的是，式(9)為污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響通用計(jì)算公式，具體運(yùn)用時(shí)還需明確具體的污染物因子，即計(jì)算具體污染物因子對(duì)河道的附加影響。
四、應(yīng)用實(shí)例
在實(shí)際河流水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)工作中，通常以某一常見的污染物因子為控制指標(biāo)，如COD、氨氮，當(dāng)該污染物濃度衰減至河道初始濃度背景值時(shí)，即可認(rèn)為該衰減距離為影響范圍，但從水質(zhì)管理目標(biāo)的角度出發(fā)，因水質(zhì)管理目標(biāo)對(duì)應(yīng)的某項(xiàng)污染物濃度與河道初始濃度背景值并不重疊，此時(shí)則需要對(duì)影響評(píng)價(jià)結(jié)果做出相應(yīng)調(diào)整。
本文以靈璧縣某鄉(xiāng)鎮(zhèn)擬建污水處理廠項(xiàng)目為例，計(jì)算該污水處理廠退水的污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響，對(duì)該污水處理廠退水進(jìn)行水質(zhì)影響評(píng)價(jià)，闡述該方法的可行性。
該污水處理廠處理能力為800m3/d，經(jīng)管道退排至唐河，本文以主要控制性指標(biāo)CODcr為例，經(jīng)處理后退排，正常工況下污染物入河處CODcr濃度為50mg/L，而非正常工況下濃度為250mg/L。
唐河位于宿州市境內(nèi)，現(xiàn)狀水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，在該水質(zhì)管理目標(biāo)下，要求控制指標(biāo)CODcr濃度范圍為20~30mg/L。
唐河自排污口入河斷面至下游303省道公路橋控制斷面河段長約20km，從最不利工況的角度出發(fā)，取90%的枯水年份最小月份流量，根據(jù)測(cè)量為0.15m3/s，對(duì)應(yīng)流速為0.0015m/s，綜合衰減系數(shù)取0.1d-1。基于上述基本數(shù)據(jù)，計(jì)算該污水處理廠退水的污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響。
經(jīng)計(jì)算，該污水處理廠退水所產(chǎn)生的污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響沿唐河各斷面的變化情況詳見表1。
以唐河2018年303省道公路橋斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)成果的平均值為河流水質(zhì)背景值，其中CODcr為21.6mg/L，即唐河現(xiàn)狀水質(zhì)符合地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。
(1)在不考慮河流現(xiàn)狀水質(zhì)類別的情況下，正常工況下，在x=8000m處可以基本認(rèn)為污水處理廠退水對(duì)河道水質(zhì)的影響可以忽略，非正常工況下，在x=10000m處可以基本認(rèn)為污水處理廠退水對(duì)河道水質(zhì)的影響可以忽略。
(2)從河流現(xiàn)狀水質(zhì)管理目標(biāo)的角度出發(fā)，唐河水質(zhì)背景值CODCr為21.6mg/L，以出縣境控制斷面水質(zhì)類別為依據(jù)，正常工況下，污水處理廠退水不會(huì)影響水質(zhì)類別(即表中數(shù)據(jù)+河流水質(zhì)背景值≤水質(zhì)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)限值)，非正常工況下，在x=800m處污水處理廠退水已經(jīng)不會(huì)影響河流現(xiàn)狀水質(zhì)類別。
四、結(jié)論
(1)在一定條件下，計(jì)算污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響，對(duì)擬建項(xiàng)目退水影響做出評(píng)價(jià)，可有效避免對(duì)河流多斷面水質(zhì)濃度背景值的影響，降低評(píng)價(jià)工作難度。
(2)從水功能區(qū)河流水質(zhì)類別及水質(zhì)管理目標(biāo)的角度出發(fā)，采用污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響評(píng)價(jià)方法對(duì)擬建退水所形成的影響做出定性定量的評(píng)價(jià)，可直觀地呈現(xiàn)對(duì)河流水質(zhì)的影響程度。
(3)采用污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響評(píng)價(jià)方法，可清晰表達(dá)入河排污口設(shè)置對(duì)水質(zhì)管理目標(biāo)的影響，可以為水域相關(guān)管理提供較為直觀的數(shù)據(jù)支撐。
(4)污染物對(duì)河流水質(zhì)的附加影響評(píng)價(jià)方法雖然在計(jì)算形式上較為簡易，但有效聯(lián)系了河流水質(zhì)管理目標(biāo)，為水質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)工作提供了一個(gè)新的思路。( >
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