基于海河流域某河道综合水质模型的河道多源污染负荷研究

刘迷亮

(惠民县水利安装服务中心,山东 惠民 251700)

0 引 言

近年来,随着我国城镇化进程的不断推进,包括工业污水、生活污水在内的各种污染排放激增,大量未经处理或者不达标的污水废水直接排入河流干道,带来了严重的河流生态危机。因此,如何进行水环境治理成为目前各界关注的焦点[1]。

本文从两种污染类型入手,即点源污染和非点源污染。其中,点源污染具有固定排污特点,而非点源污染则具备广泛随机、模糊潜伏等特点。特别是在包含农村地区在内的流域区段,非点源污染问题更加凸显,一方面是农业实践活动,如农业种植、畜牧养殖等活动产生的污染;另一方面是农村居民对于水环境保护意识不充分,加大了非点源污染的程度。因此,如何协同计算两者的负荷以及污染贡献率是研究重点。考虑到QUAL2K模型在水质模拟方面更全面,适应性更强,且人力财力花费更具备经济性,因此研究选择该模型对水力模拟和水质模拟进行分析[2],得出多源污染负荷贡献率结果,为污水治理提出有价值的指导建议。

1 基于QUAL2K水质模型的河道多源污染负荷计算

1.1 河道多源污染负荷计算分析

本文研究对象山东滨州徒骇河水环境所受的污染,包括工业废水排放污染、农业种植和畜牧养殖带来的污染以及水土自然流失等。对于多源头污染负荷计算,一般分为点源头污染以及非点源头污染两种计算类别[3-4]。其中,点源头污染主要包含借由管道输入河流的工业污染,而非点源头污染包括未经处理经由地表渗透而出的农业种植或养殖污水以及水土自然流失。对于所选的徒骇河曲段,该研究段分布较多为中小型加工厂,且集中在木材、建材等方向,部分为农产品代工厂[5-6]。

根据入河系数法,可以估算工业污染负荷。在已知工厂污水排放方式以及位置的情况下,入河系数法通过工厂污染排放出口和污染最终进入流域的入口间距(记为L)以及温度等影响因子,衡量工厂产污量和工厂污染入河量之间的比例关系。而入河系数又可由渠道修正系数α、温度修正系数β以及规定的污染初始入河系数三者的乘积得到。根据工厂排污口到污染入河口的距离值,可以查表得到初始入河系数;根据污染是否经由明渠入河,可以决定渠道修正系数的取值;根据温度所在曲线,可以查询温度修正系数。三者取值情况见表1。

表1 取值分布表

近年来,徒骇河附近大多数中小型加工企业发展迅猛,尤其是工业的加速发展,使该流域附近人口数量激增,因此来自村民的日常生活废水或污水便成为徒骇河非点状源头的主要污染源之一[7-9]。在估算污染负荷时,研究采取平均产污参数法,来计算村民生活污染负荷,因此该污染负荷由农村生活平均产污参数、所选研究曲段村民总人口数以及农村生活污染所产污染入河系数3部分乘积构成。

同时,考虑到该流域附近村民个人养殖畜禽时清理粪便的方式主要为干清粪,因此当遇到降雨天气作用时,将会存在相当部分数量的干清粪以液体形式经雨水冲刷而流入河道,采用产排污水系数法可以估算该类污染负荷。

此外,徒骇河附近土地以耕地较多,玉米等粮食谷物的种植较为广泛,为了保证粮食硕果,村民每年都会使用各种农药或化肥,产生了经由农业种植而带来的化学污染。采用肥料流失系数法,可以估算该类污染负荷[10-11]。

需要指出的是,在水环境污染分析时,对研究河道自身水土流失导致的氮磷化学污染也是重要一部分。估算该部分污染需要使用土壤流失方程,该方程目标是计算土壤侵蚀量,土壤侵蚀量与降雨侵蚀因子、坡长坡度因子、地表植被覆盖因子等相关[12-13]。其中,降雨侵蚀因子用于评估受降雨而导致土壤分离的动力性指标,一般取值为0～1640.7MJ·mm/(hm2·h·a),而坡长坡度因子用于表征受损土壤在地形和地貌的改变程度,两者取值为0～64。见表2。

表2 不同类型土地植被覆盖及其管理因子(C)和土地保护措施因子(P)参数取值

由表2可知,对于工厂和水田以及经济作物用地来说,其植被覆盖和管理因子取值分别为0.15、0.18和0.05。该因子的使用意义在于其可以反映河道各种植被对土壤的侵蚀程度。

1.2 基于QUAL2K水质模型的河道污染迁移模型

单纯估算点源污染和非点污染的负荷量,不足够充分反映其对流域断面的水质影响。因此,需要借助QUAL2K水质模型,进一步定量分析徒骇河所存在的污染物流动迁移过程。QUAL2K模型原理借助有限差分方法,来计算各污染成分的迁移规律,因此该模型适用于含多排污口、多直流的河道[14]。使用模型时,通常假定待研究河流呈梯形,河中污染物的运动方式主要为平流和弥散运动,均发生在主流方向,且水容量和污染物质量守恒。该模型包含水力模拟及水质模拟两部分,水力模拟又包含流量平衡、水力特征分析和纵向弥散计算3部分。流量平衡示意图见图1。

图1 流量平衡示意图

图1中,Qin,i、Qout,i为点源污染和非点源污染径直流入和流出单元i的总流量,m3/s;Qi-1为单元i-1到单元i的入流流量,m3/s;Qi为单元i到单元i+1的出流流量,m3/s。

水位和流量关系表达式如下:

U=aQb,H=αQβ

(1)

式中:Q为流量,m3/s;H为水位高度,m;U为流速,m/s;a、b、α、β均为经验系数,无量纲。纵向弥散系数计算表达式如下:

(2)

式中:Ep,j为单元i和单元i+1间存在的纵向弥散系数,m2/s;Ui为水流速度,m/s;Si为河道坡度值,%。

引入纵向弥散系数意义在于模拟现实河道内污染成分随水流纵向产生的弥散作用。式(3)为物质平流扩散迁移方程,该方程是水质模拟关键方程。公式如下:

(3)

式中:C为污染物质浓度,mg/L;t为时间,d;Ax为河道断面面积,m2;DL为河道水流纵向弥散系数,m2/d;x为河道水流纵向坐标,m;U为河道水流平均流速,m/s;S为外部源以及外部汇,kg/d;V为计算单元体积大小,m3。

水质模拟包含氨氮、总磷等物质的计算,两者总量随着河道水域中有机氮的水解反应以及各种水生动植物的排泄或者死亡而增加。模型参数主要包含河道自然特征参数、水力参数以及水质参数3种。自然特征参数又包括复氧参数、河道底藻类覆盖率参数以及河道底沉积物覆盖度参数。其中,河流复氧参数可以通过模型自带的Owens-Gibbs公式或Tsivoglou and Neal公式进行计算;河道底藻类覆盖率则需要根据对应流域各河段植物占全段比例得来,经走访调研可知,研究所选徒骇河上游河段藻类覆盖率为30%～50%,下游河段为20%～30%;河道沉积物覆盖度为75%～90%。研究所选河流水力参数取值情况见表3。

表3 所选曲段河流水力参数取值情况

由表3可知,参数b为0.4～0.6,参数β为0.3～0.5,且两者之和必须满足小于或等于1。水质参数则与水解、沉降以及温度修正系数相关。

2 基于QUAL2K水质模型的河道多源污染负荷结果分析

模型参数验证是应用模型的重要步骤,因此需要事先将模型计算值和实际监测值进行率定,从而确保两者误差控制在合理范围内。将多源污染负荷作为模型输入数据,可以得到氨氮和总磷浓度数据的水质拟合结果,见图2。

图2 河道水质模拟结果

由图2可知,对于氨氮模拟曲线来说,其决定系数R2和纳什系数ENS为0.83和0.83;对于总磷模拟曲线而言,其决定系数为0.76,纳什系数为0.82。决定系数越接近于1,表明拟合效果越好;纳什系数高于0.65,表明模型拟合效果良好,因此经由QUAL2K模型后的水质数据拟合结果良好。3种污染组分水解、沉降、硝化系数的率定结果见表4。

表4 3种污染组分水质系数的率定结果

由表4可知,对于研究河道曲段Ⅰ、河道曲段Ⅱ,有机氮水解系数和沉降系数分别为0.3、0.25以及0.29、0.21,满足模型推荐取值范围0～5以内以及0～2以内。而氨氮硝化系数分别为0.28、0.22,满足模型推荐取值范围0～10以内。总磷水解系数和沉降系数分别为0.45、0.42以及0.30、0.31,满足模型推荐取值范围0～5和0～2以内。

在准备工作完成后,还需要考察点源污染及非点源污染对两个研究曲段在氨氮及总磷两种污染的负荷贡献率。图3为各种污染源对河段Ⅰ在氨氮及总磷负荷贡献率柱状图。

由图3(a)可知,针对各大污染源的贡献率分析是逐月计算的。对于河段Ⅰ氨氮贡献率上,工业污染最小值出现在8月份,为0.3%;最大值出现在3和11月份,为14.5%。农村日常生活污染最小值出现在5月份,为2.2%;最大值出现在4月份,为12.5%。畜禽养殖污染最小值出现在6月份,为12.6%;最大值出现在4和9月份,为73.1%。农业种植污染最小值出现在9月份,为5.7%;最大值出现在5月份,为78.6%。自然水土流失污染最小值出现在8月份,为0.4%;最大值出现在1月份,为5.5%。

由图3(b)可知,对于河段Ⅰ总磷贡献率上,工业污染数值范围在0.03%～1.10%;生活污染取值在0.12%～1.39%;畜禽养殖污染取值在1.61%～21.2%;农业种植污染在9.1%～83.7%;自然水土流失污染在0.4%～4.5%。

因此,从时间层面分析可知,工业污染在1-12月贡献率比率不高且变化起伏程度也较小,其原因在于工厂产生的废水总量相对固定,且多数经由固定管道流入河道,因此具有一定程度预先处理。生活污染在夏季存在明显增长,其原因是居民在夏季需水量激增,对应产生的污水量也增多。畜禽养殖和农业种植也存在夏季污染加重情况,原因在于夏季降雨增多,污水随之流入河道概率增加。

3 结 论

针对经济发展与生态保护如何做到协同平衡的问题,本文提出了一种基于QUAL2K水质模型的河道多源污染负荷计算分析模型,通过结果数据,在水河道保护上提供了参考性建议。结果显示,在针对点源污染、非点源污染的氨氮以及总磷负荷拟合上,得到了良好效果,两者纳什系数分别为0.83和0.82,均高于参考值0.65。在多源污染贡献率分析中发现,夏季因为降雨因素带来的雨水冲刷作用,使得畜禽养殖和农业种植带来的氨氮污染加剧变快,因此在夏季尤其需要加大治污力度。