吉林市松花江干流化学需氧量和氨氮水环境容量特征研究

董春欣，佟亮亮，陈立波，李成日，徐亚茹

(1.吉林化工学院 资源与环境工程学院,吉林 吉林 132022；2.吉林省吉林生态环境监测中心,吉林 吉林132001)

水环境容量的概念最早于上世纪70年代由日本科学家首次提出[1].尽管目前关于水环境容量定义仍存有争议，但基本可以归结为在保证水体正常功能用途或水质标准的前提下，水体所能稀释和降解的最大污染物量[1-4].随着社会经济的发展，水环境容量成为社会经济和生态环境和谐发展的瓶颈.水环境容量的确定是水污染总量控制的基础和核心，是水环境管理及城市经济发展规划的重要基础[5].目前，国内外对水环境容量的核算方法包括公式法[6]、系统最优法[7-8]、模型试错法[9]、概率稀释模型法[10]、盲数理论法[11]、S-P简单模型[12]、WASP[13]、Deft3D法[14]等，计算维数存在一维、二维和三维[4]之分.尽管随着计算机技术的发展，环境容量相关研究不断深入，计算方法更为科学，但目前多数计算方法对基础数据要求较多，导致很多水体的水环境容量因难以满足计算条件而难于计算.其中一维稳态模型因对基础数据要求较低，结果可靠，已被大量应用[4].

松花江是我国“十三五”环境保护规划中重点监管流域，吉林市处于松花江上游，通过对吉林市松花江干流的水环境容量研究，可为吉林市未来经济发展建设和松花江水资源管理提供科学依据.本文根据松花江干流的特点采用一维稳态模型计算污染物在松花江干流的变化特征，并利用段首控制法核算环境容量，以确保整个干流水质均能满足国家管控标准.

1 研究区概况

吉林市位于吉林省的中东部，是一座以化工、电力、冶金、汽车为主导产业的工业城市，气候类型属于温带大陆性季风气候，四季分明.春季少雨干燥，多西南风；夏季温热多雨，较湿润；秋季多晴，昼夜温差大；冬季漫长而寒冷多雪.气温受地形影响，吉林地区的气温自西、西北向东、东南随地势的增高而降低.年平均气温3.9 ℃，一月平均气温最低，一般在-18～20 ℃；七月平均气温最高，一般在21～23 ℃.全年平均降水量650～750 mm，全年日照时数一般在2 300～2 500 h.松花江为吉林市第一大河流，流域面积约为22 665 km2，占吉林市总面积的83.5%，年入境水量84.57亿m3，占吉林市入境水量的77.9%.

1.1 研究区段的划分

吉林市工业区主要位于松花江干流清源桥断面至白旗断面，因此选择清源桥断面至白旗断面作为研究河段.在此区间清源桥、哨口、溪浪口、白旗断面均为国家重点监控断面，水质均按照《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)规定的III类水质标准执行，所以按照清源桥-哨口段、哨口-溪浪口和溪浪口-白旗分段研究，具体分段见图 1.

图1 松花江分段示意图

1.2 污染现状

吉林市松花江段中的清源桥-哨口段主要受点源污染，其它江段主要受非点源污染，且主要污染物为化学需氧量(COD)和氨氮.2018年，吉林市实施碧水保卫战，切实改善水环境质量，全面落实“河长制”，完成入河排污口整治81处，推进水质达标专项整治，推进完成了22个重点工程，配套管网进一步完善，吉林市城区的污水处理率达到97.46%，有效减少了环境安全隐患，全面改善了松花江的环境质量，2018年所有断面都达到了国家管控目标，具体数值见表 1.

表1 2018年吉林市松花江干流各断面COD和氨氮

2 材料与方法

2.1 模型选择

吉林市松花江干流属于典型河道型河流，水质运动特性符合一维运动规律.为达到简化计算的目的，将采用一维稳态河流水质模型，一维模型建立在一维稳态衰减方程上，见公式(1).其最终浓度可由公式(2)计算.

(1)

(2)

式中，u为河流平均速度，m/s；x为目标污染物传输距离，m；k为综合衰减系数，d-1；C0为x=0处目标污染物浓度，mg/L；Cx为x处目标污染物浓度，mg/L.

2.2 环境容量核算方法选择

目前，利用一维稳态水质模型计算河流环境容量主要有三种核算方法，即段首控制法、控制断面法和段尾控制法[15].其中，段首控制法目的在于使水质在各段均能达到功能区段的水质标准，这也比较符合国家生态环境部对吉林市松花江的控制目标.因此，采用段首控制法对研究区进行环境容量核算.段首控制法中的段，是指在一个功能区中沿河任意两个控制断面之间的河段.段首控制法河段环境容量W可表示为：

(3)

式中，Cs为目标污染物控制标准，mg/L；Q0为来水的流量，m3/s；C0为来水目标污染物浓度，mg/L；xi、xi-1为第i、i-1断面到入境断面的距离，m.

2.3 计算参数

由于研究区以COD和氨氮为主要污染物，所以选取COD和氨氮作为水环境容量核算的目标污染物，时间以年为单位，COD综合降解系数和氨氮综合降解系数参考朱晓娟等研究结果分别取0.15 d-1和0.1 d-1[16].由于研究区各段均要达到《国家地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中III类水质标准，根据III类水质标准规定COD和氨氮限值标准分别为20 mg/L、1 mg/L.研究区河流平均速度和流量取近十年统计平均值，各江段长度根据卫星图中江段长度测量确定，具体长度见表2.

表2 吉林市松花江干流各江段距离

3 结果与讨论

3.1 计算结果

按照上述方法，对吉林市松花江干流各江段的COD和氨氮水环境容量进行核算，结果见表3.

表3 吉林市松花江干流各江段环境容量核算结果

3.2 结果分析

由表3可知，研究区COD水环境容量和氨氮水环境容量分别为494 513.5 t/a和24 725.7 t/a，整个研究区水环境容量较大.其中COD现状总排入量占研究区水环境容量的53.7%，氨氮现状排入量占研究区水环境容量的29.7%，整个研究区未来还有很大的发展潜力.

清源桥-哨口段COD水环境容量272 906.2 t/a，氨氮水环境容量为13 645.3，该河段水环境容量最大，且主要以点源污染为主，其中COD现状排入量为97 484.6 t/a，占该区段水环境容量的35.7%，氨氮现状排入量为4 137.2 t/a，占该区段水环境容量的30.3%.尽管吉林市主要工业污水、生活污水在该河段排放，但该河段的污水处理厂严格执行高标准处理，使该河段环境容量还有很大剩余，未来该区域还有很大的发展潜力.

哨口-溪浪口段COD水环境容量150 604.8 t/a，氨氮水环境容量为7 530.2 t/a.该河段COD现状排入量为130 605.4 t/a，为3个河段中最大值，占该河段水环境容量的86.7%，这主要是由于该河段周围农田较多，致使现排污量较大，未来应对该河段加强面源污染防治措施.该河段的氨氮现状排入量为2 615.3 t/a，仅占该河段水环境容量的34.7%.

溪浪口-白旗段COD水环境容量71 002.5 t/a，氨氮水环境容量为3 550.1 t/a，其中COD现状排入量为36 981.9 t/a，占该河段水环境容量的52.1%，氨氮现状排入量为594.7 t/a，占该河段水环境容量的29.7%.

以上分析可知，哨口-溪浪口受非点源污染的影响，剩余环境容量较低，其它两个区段剩余水环境容量较大.水环境容量是经济发展的基础，说明该地区经济未来仍有很大的发展潜力.

4 结 论

2018年吉林市全面落实“河长制”，实施碧水保卫松花江段COD和氨氮环境容量保卫战，切实改善水环境质量.目前吉林市松花江干流COD和氨氮水环境容量有较大的剩余，分别占总水环境容量的46.4%和70.3%，说明吉林市未来经济发展还有很大潜力.尽管目前吉林市松花江干流有很大的水环境容量，但非点源污染仍比较严重，未来可采取相应措施对非点源污染进行治理，以进一步改善吉林市松花江干流段的水环境.