黄河兰州段CODcr水质和水环境容量研究

王继梅，孙三祥

(兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070)

1 引言

兰州市的工业、城市发展和人口増长很大程度上受限于兰州段水环境状况，尤其受到干流水环境容量的约束。近10年黄河兰州段水位降低、流量减小、流速减缓，严重影响了水体的自净和输移能力。同时沿线风险源对黄河兰州段水污染影响值得关注。因此，针对黄河兰州段进行水环境容量及其水质评价的研究极其重要[1]。

河流水质模型发展较早，经过学者们多年的研究已由最早的一维稳态模型发展到现在广泛应用、成熟的三维模型，不仅涉及到包括ANN(人工神经网络)、3S(Remote sensing 、Geography information systems和Global positioning systems的统称)技术等在内的多种新技术方法，还产生了相应的软件来辅助研究[2]。

目前有关水环境容量的计算方法也很多，比如由美国EPA提出经中国学者引进并加以改进的概率稀释模型、在中国应用最广泛的公式法以及系统分析法等[3]。

为使研究结果更精确和更有代表性，本次研究同时选用水质模型和水环境容量计算模型进行研究。

2 研究区水体现状

黄河自扶河桥断面进入兰州，依次经过湟水桥、新城桥、包兰桥、民河桥、享堂几个断面后经过什川桥断面流出兰州，其中新城桥断面到包兰桥断面之间的河道经过兰州市区段。因此，本次研究只模拟从新城桥到包兰桥之间的41.68 m。其中，新城桥断面到中山桥断面的距离为26.68 km，中山桥断面到包兰桥断面的距离为15 km[4]，具体的断面分布见图1。

3 污染源现状

新城桥断面到包兰桥断面沿线排污口分布见表1。

图1 断面分布

表1 黄河兰州市区段排污口情况

该河段主要排污口有兰化橡胶厂与西固电厂共排口、大青沟、兰石与黄河啤酒厂入河口、七里河桥洪道、油污干管入河口以及雁儿湾洪沟6个排污口，分别记为1#，2#，3#，4#，5#，6#排污口。

4 评价因子选取

在环境影响评价和一般的水质规划中，常常将有机污染物的综合代表项目列为重点评价或重点规划控制项目。本次研究按照惯例选用能反映有机污染的综合项目—化学耗氧量(CODcr)作为研究对象[5]。

5 一维水质模型计算

5.1 水质模型选取

由于黄河兰州段区域尺度大，可以认为污染物在进入河道以后可在短时间内混合均匀，且该河段水力条件不符合一维稳态耦合模型的前提条件，所以本次研究选用一维非稳态河流水质模型，即：

(1)

式中，C为河水中t时的污染物浓度值，mg/L；K为污染物综合降解系数，d-1；u为河流纵向平均速度，km/h；E为纵向离散系数，km/h；x为纵向迁移距离，km。

5.2 参数率定

5.2.1 综合降解系数K

K是水环境相关研究中需要确定的关键参数之一，目前常用的方法有实验室率定法、野外同步监测率定法、实测资料反推法、类比法、分析借用法等。一般而言，实验室率定法、野外同步监测率定法、实测资料反推法等方法操作需要耗费的人力物力以及时间都比较长，实现难度较大，所以通常选用类比法和分析借用法来确定综合降解系数。

刘洪燕等[6]采用分析借用法总结了我国部分河流的COD综合降解系数，见表2。

从表2中可以看出，黄河兰州段CODcr综合降解系数的取值范围是0.185～0.240。另外，中国人民解放军后勤工程学院环科所在黄河小川段(位于本次研究区上游约60 km处)的实测值为K=0.222/d，符合黄河兰州段CODcr综合降解系数的取值范围。因此，本次研究采用该降解系数。

表2 我国部分河流COD综合降解系数

5.2.2 纵向离散系数E

王莉[5]利用最小二乘法对黄河兰州段的纵向离散系数进行了计算，并用中山桥断面2003年偶数月的流速进行了调参，奇数月流速进行了模型验证，模拟结果较好地吻合了实测值。本次研究采用该值，E=48 km/h。

5.2.3 COD本底浓度

取中山桥断面2013年COD逐月监测值(图2)。

图2 2013年各月COD监测值

5.2.4 河流纵向平均速度u

对比黄河兰州段2010～2016年水文资料，选取2013年最枯月流量284 m3/s，流速为1.03 m/s。因为最枯月流量最小，排污量相同的情况下，其所受的污染也是最大的。2013年中山桥断面逐月流量流速监测值见表3。

表3 2013年中山桥断面逐月流量流速监测值

5.3 模型计算结果

将以上各个参数代入公式(1)，采用四点隐式差分格式进行求解，具体模拟结果见表4，其中只列出一些重点断面的CODcr值。

5.4 计算结果与分析

将计算结果与河流逐月CODcr浓度监测值对比，可以看出，计算结果吻合较好。数据波动在允许误差范围内，且考虑到数据监测时各种因素导致的不精确，该计算结论可作为研究依据。

表4 各排污口所在区域水质

分析计算结果可以看出，整个研究河段的CODcr浓度均未超标，只是在5#和6#排污口汇入时，下游CODcr浓度明显升高，由此可见上游排污口的汇入对下游水体水质的影响极大。

6 二维水环境容量计算

6.1 水质模型选取

结合黄河兰州段的径污比，选用概念清晰、计算简便二维水环境容量计算模型。即：

(2)

式(2)中，W为水环境容量，kg/d；CS为污染物控制标准浓度，mg/L；C0为污染物环境本底值，mg/L；K为污染物综合降解系数，d-1；u为河流纵向平均速度，m/s；h为平均水深，m；Dy为横向离散系数，m2/s；X为计算单元长度，m；B为河面宽度，m。

6.2 河道及排污口概化

为确保下游水质，本次研究采用段尾控制法[7]，分别将中山桥断面和包兰桥断面作为控制断面，根据断面和主要排污口的位置，将该段河道进行概化，见图3。

图3 河道及排污口概化

6.3 参数率定

6.3.1 河宽B和平均水深h

根据水文资料，黄河兰州市段河面平均宽度B为150 m，平均水深h为1.94 m。

6.3.2 横向离散系数Dy

横向离散系数可以用Taylor公式(3)进行计算：

(3)

式中：g 为重力加速度；i为平均纵向坡度，根据水文资料i取0.0012；其余参数同公式(2)。代入各值，可得Dy=0.164 m2/s。

6.3.3 计算单元长度X

根据前面的河道概化图结合段尾控制法，主要排污口及其与控制断面的距离见表5。

表5 计算单元长度X

6.3.4CS和C0

CS根据《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》来确定，见表6，选取CS=20 mg/L。C0根据2012～2016年新城桥断面污染物监测的平均值统计结果来确定，见图4，取C0=13.24 mg/L。

表6 各种污染物污染程度标准限值 mg/L

图4 2012～2016年COD均值统计

其余参数与一维水质模型计算时一样。

6.4 模型计算结果

利用公式(2)对黄河兰州市段进行计算，结果见表7。

表7 各河段COD的允许环境容量

6.5 计算结果与分析

由表7的计算结果可以得出以下结果。

(1)当前黄河兰州市段各排污口均尚有一定的环境余量，但由于中山桥断面承纳的上游污废水较多，为保证下游水质，应注意保持或者削减当前的排污量。

(2)2，3，4计算单元的水环境容量相较1计算单元的降幅较大，尤其从2计算单元到3计算单元，水环境容量降幅明显增大，由此可见，上游排污会造成下游水体的负荷加大，使下游水环境容量减小。

7 结论

综合一维水质模型和二维水环境容量计算模型计算结果可以看出，在基于近7年最枯月流量的保证下，黄河兰州市段的水环境容量仍有一定余量，水质情况也较理想，大多数河段水质可以保证在Ⅱ类水标准。但同时也看到，上游排污对下游水体的水质以及纳污能力的影响都很大，在排污量较大的5#和6#排污口附近COD浓度超过15 mg/L，且在一定范围内污染物浓度也都较高，因此必须将排污口污染物排放量限定在允许排放量范围内。