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)測評價(jià)的基本方法。對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)測評價(jià)。上述的評價(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)動態(tài)監(jiān)測數(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)測評價(jià)工作實(shí)際工期的角度出發(fā)，對大多數(shù)河流開展長序列水質(zhì)監(jiān)測工作也是有一定難度的。
(2)在實(shí)際河流水質(zhì)預(yù)測評價(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)測期，僅使用預(yù)測期內(nèi)現(xiàn)狀監(jiān)測資料無法驗(yàn)證模型預(yù)測的準(zhǔn)確性，這就導(dǎo)致水質(zhì)預(yù)測評價(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)測期內(nèi)若在預(yù)測的影響范圍內(nèi)出現(xiàn)新的未知點(diǎn)源污染，就會導(dǎo)致模型預(yù)測的結(jié)果出現(xiàn)偏差，此時(shí)需對評價(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，這樣勢必會浪費(fèi)大量的人力物力，延長工作周期，降低工作效率。
對于評價(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，但使用這一方法會夸大擬建項(xiàng)目的環(huán)境效益，此外該方法的使用對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)附加影響評價(jià)方法，以解決缺乏長序列水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測資料的河流水質(zhì)預(yù)測評價(jià)工作中的相關(guān)問題，減小對水質(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)測評價(jià)計(jì)算中。
陶月贊、葉棟成等探討了地下水對河流補(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)算先后順序不會對模型最后的預(yù)測結(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、污染物對河流水質(zhì)的附加影響計(jì)算方法
在預(yù)測期內(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)算先后順序不會對模型最后的預(yù)測結(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：
對于需要進(jìn)行水質(zhì)評價(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)于對河道額外產(chǎn)生的影響，考慮到日常水質(zhì)評價(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)測評價(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)則需要對影響評價(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河流水質(zhì)的附加影響，對該污水處理廠退水進(jìn)行水質(zhì)影響評價(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)測量為0.15m3/s，對應(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)算污染物對河流水質(zhì)的附加影響，對擬建項(xiàng)目退水影響做出評價(jià)，可有效避免對河流多斷面水質(zhì)濃度背景值的影響，降低評價(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)，采用污染物對河流水質(zhì)的附加影響評價(jià)方法對擬建退水所形成的影響做出定性定量的評價(jià)，可直觀地呈現(xiàn)對河流水質(zhì)的影響程度。
(3)采用污染物對河流水質(zhì)的附加影響評價(jià)方法，可清晰表達(dá)入河排污口設(shè)置對水質(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)污染物對河流水質(zhì)的附加影響評價(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)測評價(jià)工作提供了一個(gè)新的思路。( >
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