汪 晶

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)以及物理模型為國內(nèi)外污染負(fù)荷計(jì)算的兩種主要模型。經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型主要采用流域地理特征和污染負(fù)荷之間的相關(guān)性，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行簡單經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，常用的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型采用輸入、輸出系數(shù)進(jìn)行污染負(fù)荷的輸出計(jì)算[1- 2]。這其中包括SCS降雨徑流模型[3- 4]、通用土壤侵蝕方程(USLE)[5- 6]以及國內(nèi)水環(huán)境容量計(jì)算相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中提出的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式等[7- 11]。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ托枰挠?jì)算數(shù)據(jù)量較少，且計(jì)算原理較為簡單，不需要對污染點(diǎn)源復(fù)雜的變化過程進(jìn)行過多分析，但是受到調(diào)查數(shù)據(jù)量、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)、降水量變化以及下墊面條件變化等多因素影響程度較高。物理模型通過對污染負(fù)荷影響因子進(jìn)行量化，對污染點(diǎn)源的發(fā)生變化過程進(jìn)行模擬。這類方法主要包含的模型有SWAT[8]、CREAMS[9]、AGNPS[10]、EPIC[11]、HSPF[12]等。物理模型對污染負(fù)荷的產(chǎn)生、遷移變化過程進(jìn)行充分考慮，對非點(diǎn)源污染負(fù)荷模擬更符合實(shí)際情況，且受到區(qū)域時(shí)空影響因素程度較低，但計(jì)算原理較為復(fù)雜，需要進(jìn)行較多參數(shù)的設(shè)置，對數(shù)據(jù)量要求標(biāo)準(zhǔn)較高且運(yùn)行工作量較大。本文分別采用概化模型法和產(chǎn)污系數(shù)法計(jì)算了遼河流域中下游平原區(qū)干流河道納污量。遼河流域中下游平原區(qū)干流河道概化模型法是根據(jù)河流不同河段污染源分布特點(diǎn)以及具體入河方式，通過實(shí)際監(jiān)測納污河流水體上下游控制斷面污染因子濃度變化，應(yīng)用二斷面法計(jì)算污染因子衰減系數(shù)，依據(jù)河流一維水質(zhì)計(jì)算公式推算入河污染負(fù)荷量。研究成果為遼河流域河道外源污染負(fù)荷推算提供了不同的參考方法。

1 概化模型計(jì)算污染負(fù)荷方法

首先對排污口位于河段內(nèi)的的污染負(fù)荷量進(jìn)行概化模型計(jì)算，計(jì)算方程為：

(1)

式中，X1—概化的排污口距離初設(shè)計(jì)算斷面的距離，km；X2—計(jì)算排污口和下一個(gè)計(jì)算斷面之間的間距,km；QP—斷面計(jì)算流量，m3/s；Qe—概化排污口排污量，m3/s；W—納污能力，kg/d；C0—初始斷面水質(zhì)濃度，mg/L；CS—水質(zhì)目標(biāo)濃度，mg/L；u—計(jì)算斷面流速均值，m/s；k—計(jì)算斷面污染負(fù)荷衰減系數(shù)綜合值，1/d，該系數(shù)主要受到水流條件的綜合影響。各河段綜合衰減系數(shù)采用二斷面方法進(jìn)行計(jì)算，該方法主要在恒定均勻河段進(jìn)行衰減系數(shù)的計(jì)算，通過對污染負(fù)荷量、水流速率以及河段長度進(jìn)行測定，并對綜合衰減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

k=86.4u×[ln(C1-C2)]/X

(2)

其次對排污口位于功能區(qū)上游初始斷面附近(或無排污口)的河段內(nèi)的的污染負(fù)荷量進(jìn)行概化模型計(jì)算，計(jì)算方程為：

(3)

變量同方程(1)含義。

2 遼河下游平原區(qū)河道污染負(fù)荷計(jì)算

2.1 遼河各河段污染因子綜合衰減系數(shù)率定

選定遼河石佛寺水庫等6個(gè)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)作為計(jì)算斷面。考慮各監(jiān)測點(diǎn)之間河段的自然功能，對不同河段的污染負(fù)荷的衰減系數(shù)進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，結(jié)合各水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)上下游斷面的水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)和納污實(shí)際變化進(jìn)行綜合分析。采用各監(jiān)測點(diǎn)2020年實(shí)際測定的氨氮和 COD負(fù)荷量，對不同河段之間各月份的COD以及氨氮的綜合衰減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1—2。

表1 遼河各河段COD綜合衰減系數(shù)月變化情況

由 COD 各月份衰減系數(shù)變化結(jié)果可以看出，遼河各水質(zhì)監(jiān)測斷面分別在除冬季外的三個(gè)季節(jié)出現(xiàn)綜合衰減系數(shù)的峰值，各河段衰減系數(shù)總體分布在0.01～0.0181 1/d之間，毓寶臺大橋-紅廟子大橋衰減系數(shù)變幅區(qū)間高于其他4個(gè)水質(zhì)斷面。遼河各計(jì)算河段中石佛寺水庫衰減系數(shù)變化幅度最小。不同與 COD污染負(fù)荷的衰減系數(shù)，各河段氨氮衰減系數(shù)總體呈現(xiàn)冬春和春夏交替變化，各河段衰減系數(shù)總體在0.025～0.70 1/d之間變化，其中馬虎山大橋-毓寶臺大橋氨氮綜合衰減系數(shù)變幅最大，石佛寺水庫在整個(gè)年份氨氮衰減系數(shù)變幅最小，相對變化較為穩(wěn)定。

表2 遼河各河段氨氮綜合衰減系數(shù)月變化情況

2.2 遼河各河段逐月COD納污量推算

結(jié)合概化模型方法對遼河下游平原河段選取4個(gè)河段作為逐月COD納污量進(jìn)行推算，各河段長度分別為6.1、32、59.3、79.9km。枯水期遼河流量Q≤150m3/s，根據(jù)各河段排污特點(diǎn)，應(yīng)用不同排污口概化模型進(jìn)行納污量計(jì)算，計(jì)算因子為河段考核重要指標(biāo)化學(xué)需氧量COD和氨氮。本次計(jì)算流量采用2020年馬虎山水文站、平安堡水文站、遼中水文站各月份實(shí)測水文數(shù)據(jù)。各河段逐月COD納污量推算結(jié)果見表3—6。

表3 2020年遼河石佛寺水庫各月份COD納污量推算結(jié)果

表4 2020年遼河石佛寺水庫至馬虎山大橋段各月份COD納污量推算結(jié)果

表5 2020年遼河馬虎山大橋至毓寶臺大橋段各月份COD納污量推算結(jié)果

從2020年遼河石佛寺水庫各月份COD納污推算結(jié)果可看出，各河段在2月份的納污量為全年最低值，達(dá)到27 t，而在9月份出現(xiàn)全年最高COD納污量。從9月份開始COD納污量逐步遞減變化。從2020年遼河石佛寺水庫至馬虎山大橋段各月份COD納污量推算結(jié)果可看出，相比于石佛寺水庫河段，石佛寺水庫至馬虎山大橋段的COD納污量最低值出現(xiàn)在3月份，最大COD納污量出現(xiàn)在6月份，從10月份開始呈現(xiàn)逐步遞減變化。從2020年遼河馬虎山大橋至毓寶臺大橋段各月份COD納污量變化分析可看出，該河段COD 納污量全年最低值出現(xiàn)在4月份，在最大COD納污量出現(xiàn)在11月份，從11月份開始COD 納污量呈現(xiàn)下降變化。毓寶臺大橋至紅廟子大橋河段在2月份出現(xiàn)最低的COD納污量，而最高值主要發(fā)生在9月份，從9月份開始，毓寶臺大橋至紅廟子大橋河段COD納污量呈現(xiàn)下降變化。5 月至10月為此區(qū)間 COD 污染負(fù)荷比較大的時(shí)間段，排放量 504～1504.2t。11 月份進(jìn)入冬季逐月減少。

表6 遼河毓寶臺大橋至紅廟子大橋各月份COD納污量推算結(jié)果

2.3 遼河各河段逐月氨氮納污量推算

根據(jù)各河段排污特點(diǎn)，應(yīng)用不同排污口概化模型進(jìn)行氨氮納污量計(jì)算，流量采用2020年馬虎山水文站、平安堡水文站、遼中水文站各月份實(shí)測水文數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果見表7—10。

表7 2020年遼河石佛寺水庫各月份氨氮納污量推算結(jié)果

表8 2020年遼河石佛寺水庫至馬虎山大橋段各月份氨氮納污量推算結(jié)果

表9 2020年遼河馬虎山大橋至毓寶臺大橋段各月份氨氮納污量推算結(jié)果

從2020年遼河石佛寺水庫各月份氨氮納污量推算結(jié)果可看出，石佛寺水庫段全年氨氮納污量最低值出現(xiàn)在12月份，僅為1.9t，而最高值出現(xiàn)在4月份，從9月份開始石佛寺水庫段氨氮納污量逐步遞減變化。遼河石佛寺水庫至馬虎山大橋氨氮最高納污量出現(xiàn)在1月份，可達(dá)到65.1t，最低值出現(xiàn)在7月份。該河段氨氮負(fù)荷主要來源于河口及支流市政排污影響較大。遼河馬虎山大橋至毓寶臺大橋河段氨氮全年最高納污量出現(xiàn)在3月份，最低值出現(xiàn)在11月份。11月份為污染負(fù)荷量最小，為0.1t。

表10 遼河毓寶臺大橋至紅廟子大橋各月份氨氮納污量推算結(jié)果

11月份進(jìn)入冬季逐月減少，氨氮排放量微弱。遼河毓寶臺大橋至紅廟子大橋段氨氮納污量全年最高值出現(xiàn)在5月份，最低值主要出現(xiàn)在12月份。10月份后進(jìn)入冬季氨氮納污量逐月減少。

2.4 遼河各河段不同時(shí)期納污量核算

分別對遼河各河段不同時(shí)期的納污量進(jìn)行核算，核算結(jié)果見表11—12。

表11 2020遼河各河段不同水期 COD 納污量核算

表12 2020遼河各河段不同水期氨氮納污量核算

從2020遼河各河段不同時(shí)期 COD 納污量核算結(jié)果可看出，汛期及非汛期石佛寺水庫進(jìn)入河道內(nèi)的COD納污量分別達(dá)到2871.4t和1920.9t，進(jìn)入河段內(nèi)的COD納污量全年總計(jì)為4792t。汛期及非汛期石佛寺水庫大壩至馬虎山大橋段入河道內(nèi)的COD納污量分別達(dá)到772.3t和1642.5t，進(jìn)入河段內(nèi)的COD納污量全年總計(jì)為2411.5t。汛期及非汛期馬虎山大橋至毓寶臺大橋段入河道內(nèi)的COD納污量分別達(dá)615.9t和1310.7t，進(jìn)入河段內(nèi)的COD 納污量全年總計(jì)為1928.3t。汛期及非汛期毓寶臺大橋至紅廟子大橋段入河道內(nèi)的COD納污量分別達(dá)到4030.7t和2616.9t，進(jìn)入河段內(nèi)的COD納污量全年總計(jì)為6647.7t。遼河沈陽段2020年全年化學(xué)需氧量污染負(fù)荷入河量為 15779.5t，汛期化學(xué)需氧量污染負(fù)荷入河量 8290.3t，非汛期化學(xué)需氧量污染負(fù)荷入河量7491t。從2020遼河各河段不同水期氨氮納污量核算可看出，汛期和非汛期石佛寺水庫的氨氮納污量分別達(dá)到43.5t和138.7t，進(jìn)入河段內(nèi)的氨氮納污量全年總計(jì)為182.2t。汛期和非汛期石佛寺水庫大壩至馬虎山大橋段氨氮納污量分別達(dá)到38.5t和135.3t，進(jìn)入河段內(nèi)的氨氮納污量全年總計(jì)為173.5t。汛期和非汛期石馬虎山大橋至毓寶臺大橋段氨氮納污量分別達(dá)到23.5t和86.2t，進(jìn)入河段內(nèi)的氨氮納污量全年總計(jì)為108.5t。汛期和非汛期石佛寺水庫大壩至馬虎山大橋段氨氮納污量分別達(dá)到61.8t和389.0t，進(jìn)入河段內(nèi)的氨氮納污量全年總計(jì)為450.7t。遼河沈陽段全年氨氮納污量總計(jì)為914.9t，2020年沈陽市汛期降雨量較少，汛期面源污染入河較弱。石佛寺水庫大壩到馬虎山大橋河段入河污染負(fù)荷主要來自于沈北新區(qū)長河和新城子左小河市政污水匯入影響明顯，其它河段污染負(fù)荷主要來自于面源。

3 結(jié)論

(1)遼河流域典型河段氨氮和化學(xué)需氧量納污量大大超出了理論納污能力。其中氨氮納污量超出納污能力 1.53 倍，化學(xué)需氧量納污量超出納污能力 3.45 倍。因此，氨氮和化學(xué)需氧量超載是遼河流域平原區(qū)典型河段非汛期水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的重要原因。

(2)石佛寺水庫大壩到馬虎山大橋河段入河污染負(fù)荷主要來自于沈北新區(qū)長河和新城子左小河市政污水匯入影響明顯，其它河段污染負(fù)荷主要來自于面源，其中氨氮和COD面源所占比例分別為14.5%和54.9%。

(3)本文未對面源污染來源進(jìn)行解析、存在不足，在后續(xù)研究中還應(yīng)對遼河下游平原區(qū)各河段的污染來源進(jìn)行深入分析。