干旱地区市区性河流水质研究

徐明德，徐光宇

（1.太原理工大学 环境科学与工程学院，太原030024；2.天津大学 仁爱学院土木与环境工程系，天津301606）

1 河流概况

山西省作为我国北方干旱少雨地区，水资源的短缺和水污染的严重，已成为该区域经济发展的主要制约因素之一。尤其是在一些城市地区，工业和居民生活区集中，大量废水排入河流，造成水体严重污染，加剧了水资源的供需矛盾，所以对有限的水资源进行保护和污染防治刻不容缓。

玉门河位于太原市汾河西岸，发源于太原西山石干峰，向东流经太原市西部近郊和西部城区等地进入汾河，沙石河底，属常流河。玉门河也是典型的干旱地区的市区性河流，径流量小，河流沿途汇入两岸大量的工业废水和生活污水，污染严重，水体黑臭。玉门河与汾河具有紧密的水力联系，是汾河太原城区段水体污染负荷重要贡献者，严重影响了城市水环境、城市文化景观及居民的健康。

笔者从玉门河的实际情况出发，研究这类河流的主要污染物迁移转化规律，建立了河流水质数学模型，为汾河水环境综合整治规划提供技术支持，具有现实的意义。

2 河流水质监测

2.1 监测范围

考虑到玉门河河段下游居民区生活污水排放集中、污染严重，对河流流量影响较大等因素，本次研究中水质监测的主要河段范围确定为入汾河口向上游8.5km的河段。该河段处于城市西部区域中心地带，排污集中，污染严重，水质接近城市污水，水中有机物浓度高，足以反映玉门河水质污染状况。

2.2 监测断面

按照监测断面设置的基本原则，经现场踏勘，从排污口位置、河流流态变化处等多方面综合考虑，筛选确定设立5个监测断面：窊流断面，铁桥断面，重机宿舍断面，后北屯断面及前北屯断面，分别记为断面1—5。

2.3 监测频率及监测项目

为能反映该河流水文、水质的时空变化规律，确定监测周期为一年，每月采样四次，各断面水质同步监测。

按照污染源踏勘调查，通过初步水质组分分析，在初期一段时间内，对较广范围的污染因子进行监测的基础上，筛选确定该河流的主要污染物即监测项目，包括有流量、流速、水温、BOD5、DO、NH3－N、pH等。

3 河流水质模型的建立

3.1 水质数学模型的基本假设

根据玉门河的水文及水质特性，在长期水文水质监测的基础上，给出水质模型的基本假设。

1）研究河段的各个断面之间为均匀稳定。研究河段相对较短，水体的水文条件、物理化学、生物化学过程和排污条件所构成的水质状态较为稳定，即可忽略排污的波动性，认为河流为稳态状态。

2）玉门河位于城区西部，河床坡降相对较大，流量较小，排入的污染物质很快就与河水充分混合。在定常排污的条件下，扩散作用仅在一个较短的时段和较短的河段内明显，可以忽略。

3）该河流为小型河流，河床较窄，在横截面上测得的流速和流量不随时间发生改变，因此按一维状态研究。

4）部分河段排污口排量小而分散，对排污口适当合并集中，以等效源代替。

3.2 河流污染物耗氧机制

根据对玉门河5个监测断面水质监测分析，玉门河河水处于溶解氧严重不足状态，此时有机物的转化机制及存在与氧源充足情况是不相同的，而是属于厌氧状态或亏氧状态有机物转化机制［2］。

在好氧条件下，有机物的氧化分解是通过微生物的生物化学作用，这个过程可看作含碳有机物分解的碳质耗氧和含氮物质分解的硝化耗氧两个阶段；第二阶段大致是在第一阶段的5～10d后发生。对这两个阶段的耗氧能力常用两个定量数值表征，即碳化反应耗氧速率k1与硝化反应耗氧速率kN。第二阶段耗氧过程的发生，除与水体溶解氧含量有关外，还取决于pH值，当pH＝8.3时，硝化反应最佳；pH＝6时，硝化反应能力只相当最佳时的10%。

天然水域的亏氧状态通常发生在溶解氧小于1 mg／L（或1.5）时，此时水体固然处于缺氧，但有机物的衰减过程仍然处于好氧机制演变过程。也就是说只要水体能得到一定量的氧气，就会产生一定程度的耗氧碳化过程。碳化程度取决于供氧量，且这类反应仅仅存在于第一阶段的碳质耗氧中。至于第二阶段耗氧是否发生，除pH值条件外，研究认为［2］，因硝化细菌是完全好氧的，当ρ（O）≤2mg／L时，硝化反应会急剧降低；当ρ（O）＜0.3mg／L时，氧化反应停止。可见，亏氧状态时第二阶段耗氧反应已接近停止。

由于第二阶段硝化耗氧要在5～10d后发生，以此判断耗氧机制，若用最低的河流流速0.2m／s估计，污水在河流运行20km约需28h。可见，在有可能发生第二阶段耗氧之前，污水团就进入研究范围河段的下游。其次，从河水的pH值看，平均大约为6.5，呈酸性反应，在此情况下，即使有硝化反应也已很低。另外，河流现场勘查发现，本河水是鱼虾绝迹、水草极少，因而光合作用产氧几乎为零，研究河流水体的DO浓度值较低。尽管多数断面ρ（O）＞1.5 mg／L，但多数ρ（O）≤2.5mg／L，河水的硝化耗氧反应是很有限的。综合以上认为，河流水质主要存在含碳有机质的氧化分解过程，BOD是河流溶解氧含量最主要的影响因素。由此可得出，玉门河河流中的有机质存在的耗氧过程可以只考虑第一阶段。

3.3 模型的选择

以上分析可知，玉门河河水主要存在含碳有机质的氧化分解过程，BOD是河流溶解氧含量最主要的影响因素。同时，由于玉门河水中悬浮物含量高，也要考虑沉淀、絮凝、冲刷和再悬浮过程的综合影响，因而选择一维稳态的Thomas（托马斯）模型作为玉门河河流水质模型［3－4］。

Thomas（托马斯）模型的基本形式为：

式中：ρ（C），ρ（O）为分别为距河流起始端距离为x的BOD、DO的质量浓度，mg／L；ρs（O）为饱和溶解氧的质量浓度，mg／L；k1为碳化耗氧量耗氧速率，d－1；k2为复氧速率，d－1；k3为 BOD5沉浮系数，d－1；v为河流流速，m／s。

3.4 水质模型的稳态解析解

河流初始条件为x＝0时，

式中：ρ0（C）为BOD初始质量浓度；ρ0（O）为溶解氧的初始质量浓度。

式（1）、（2）解为：

3.5 控制断面及入流参数确定

基于污染源调查与水质现场监测，并参考相关资料［1］，得到玉门河研究河段各断面接纳的入流量（Q）及水质指标见表1所示。

表1 汾河太原段断面入流参数

3.6 模型参数确定

将各断面2003－2004年每周一次的BOD5和DO的质量浓度监测值，按丰水期、枯水期分组。丰水期监测数据均值用于确定模型参数，确定的模型参数为k1、k2、k3。应用非线性最速梯度法进行参数估值，参数计算结果见表2所示。

表2 模型参数计算结果

3.7 模型检验

将各断面2003－2004年每周一次的BOD5、DO的质量浓度枯水期监测数据均值用于模型的验证，验证结果见表3所示。

表3 汾河太原城区段水质模型验证结果

由表3可见，在模拟的5个断面中，质量浓度的平均相对误差（不计初始断面）为6.81%；ρ（C）的平均相对误差为5.54%；ρ（O）平均相对误差为8.08%。导致个别断面相对误差较大的原因，涉及河流水质的不稳定性、采样和监测分析手段等多方面因素。总体来说，该水质模型与玉门河水质的实际情况基本一致，表明模型是合理可行的。

4 水质预测计算

玉门河位于城区，其水质污染对城市环境、景观等影响较大，因此治理刻不容缓。设想各断面均采用同样的方式对接纳污水中BOD进行处理，消减率分别为20%，60%，80%；或设想上游水质不变而径流量提高1m3／s，则运用该模型对不同方案预测计算，各个削减方案下该河流污染物BOD变化见图1。

图1 河流水质变化预测结果

由图可知，对各断面接纳污水中BOD消减60%时，各断面BOD的质量浓度＜18mg／L；消减80%时，各断面BOD的质量浓度＜10mg／L；而上游同水质径流量若能增加仅1m3／s，则各断面水质改善的效果更好。

5 结论

1）通过河流水质现状监测，对干旱地区市区性河流玉门河水质现状、特点及污染物的好氧机制进行了分析。分析得知，本河流污染物耗氧主要为碳化耗氧，为建立河流水质模型提供了基础。

2）建立了针对玉门河水质特性的BOD-DO的耦合模型，以现状监测资料为基础进行模型参数的确定和模型验证。总体而言，该水质模型与玉门河水质的实际情况基本一致，表明模型是合理可行的，也说明对于干旱地区小型河流来说，用较简单的一维稳态水质模型就可以进行水质模拟计算，并取得较满意的结果。

3）应用该模型对设想污染治理方案进行水质预测，反映了不同的治理方案下河流水质变化趋势，可为污染严重的市区性河流实施分步治理提供参考，为实现河流科学管理提供技术支持。

4）模型预测计算结果比较说明，通过截污控制污染物排放量是市区性河流水质改善的基本途径，同时提高上游径流量对改善污染较严重河流的水质具有较佳的效果。因此提高生态蓄水量以增加地表径流量，对于河流污染治理同样是非常重要的。河流污染治理是进行截污控制、污水资源化、生态建设、科学管理等综合整治、统筹规划的系统工程问题。

［1］ 太原市地方志编纂委员会.太原市志［M］.太原：山西古籍出版社，1999.

［2］ 郑英铭，杨志.亏氧状态的水质模拟［J］.河海大学学报，1990，18（5）：100-107.

［3］ 傅国伟.河流水质数学模拟及其模拟计算［M］.北京：中国环境科学出版社.1987.

［4］ 韦鹤平，徐明德.环境系统工程［M］.北京：化学工业出版社，2009.