汾河古交段水污染總量控制研究

張曉斌，張建國

汾河是山西省境內(nèi)最大的河流，縱貫省境中部，全長約694km，隸屬于黃河水系。汾河發(fā)源于寧武管涔山，經(jīng)靜樂、婁煩、古交進入太原盆地。汾河古交段是指由西向東貫穿古交市，自李扒溝至一步巖，全長約46km。其上游有山西省最大的水庫——汾河水庫，下游進入汾河二庫及上蘭村水源地，沿途有天池河、屯蘭河、原平河、長峪溝等支流匯入。特殊的地理位置和水文地質(zhì)條件使汾河古交段的水質(zhì)直接影響著其下游汾河二庫及上蘭村水源地水質(zhì)質(zhì)量，從而影響到太原市城區(qū)飲用水源地的水質(zhì)和太原市工業(yè)用水及其農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)。因此，有必要進一步研究探討汾河古交段污染物總量控制。

1 地表水環(huán)境現(xiàn)狀

汾河古交段污染物嚴(yán)重超標(biāo)，主要超標(biāo)污染物為油類、氨氮、揮發(fā)酚、化學(xué)耗氧量（COD）、硫酸鹽等，其中氨氮是影響汾河水質(zhì)的主要污染物，所有監(jiān)測斷面氨氮均超標(biāo)，屬嚴(yán)重污染，且水質(zhì)逐年惡化。據(jù)2006年對汾河古交段水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果可知，油類超標(biāo)最嚴(yán)重，超標(biāo)約53倍；其次為氨氮（NH3-N）、生化需氧量（BOD5）、揮發(fā)酚（Ar-OH）和化學(xué)需氧量（COD），超標(biāo)分別約8倍、3倍、2倍和1倍；懸浮物（SS）、COD，BOD5，NH3-N和石油類的超標(biāo)率達90%以上。NH3-N，Ar-OH和石油類的最大超標(biāo)倍數(shù)約為21倍、16倍和104倍。用熵權(quán)灰色局勢法對汾河古交段水質(zhì)評價，汾河古交段近年來污染程度均為中度污染。李扒溝、灘上橋、寨上站和一步巖4個斷面中，除李扒溝斷面屬清潔或輕污染外，其余3個斷面污染較重，污染程度多屬重污染或中污染。

李扒溝作為汾河古交段的起始斷面，其水質(zhì)相對其他斷面較好，基本處于Ⅰ～Ⅱ類水之間，但從水質(zhì)的年際變化曲線來看，水質(zhì)有變差趨勢。古交段上游的汾河水庫，近年來由于面源污染，水中的有機物含量逐年增多，有富營養(yǎng)化趨勢。到灘上橋斷面水質(zhì)發(fā)生突變，由Ⅰ～Ⅱ類水變?yōu)棰簟躅愃?，其原因是由于李扒溝至灘上橋之間礦場、焦化廠較多。長期以來，受技術(shù)水平和經(jīng)濟條件等方面的限制，大部分企業(yè)設(shè)備陳舊、效率不高，以原料采掘、初加工為主，對生產(chǎn)工藝中排放的污廢水無力進行處理回用，導(dǎo)致采礦廢水大量流入汾河，或排入汾河支流進而流入汾河。同時，生活污水排入導(dǎo)致水質(zhì)急劇下降，李扒溝與灘上橋之間水質(zhì)發(fā)生突變。到寨上站，水質(zhì)基本沒有變化。其間分布有中心污水廠、東曲污水廠等排污大戶。僅中心污水處理廠每年排放的等標(biāo)污染負荷高達2365.47萬t，占總等標(biāo)污染負荷的23.74%。因此，一步巖水質(zhì)最差，每年都為Ⅴ類。雖然寨上站到一步巖之間污染源相對較少，但由于距離較短，水體中的污染物無法在此區(qū)間內(nèi)被充分分解，因此一步巖斷面水質(zhì)每年均為Ⅴ類，且沒有好轉(zhuǎn)趨勢，嚴(yán)重影響下游汾河二庫及上蘭村水源地水質(zhì)。

2 水功能區(qū)劃分

水環(huán)境功能區(qū)劃分主要依據(jù)地面水的使用目的、保護目標(biāo)及承受能力來確定，可分為重點保護功能區(qū)和一般保護功能區(qū)。根據(jù)《山西省地表水功能區(qū)劃》，汾河古交段屬汾河一級防護區(qū)，主要功能為太原市飲用水源地的補給區(qū)，執(zhí)行《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)，但該河段水質(zhì)總體處于Ⅳ～Ⅴ級，河流污染嚴(yán)重。

3 水功能區(qū)納污能力計算

3.1 一維均勻河流水質(zhì)模型基本方程

水體納污能力計算選用一維水質(zhì)模型，其基本方程為：

式中：C（x）——計算斷面濃度，mg/L；

C0——水功能區(qū)上斷面污染物濃度，mg/L；

k——污染物的降解系數(shù)，1/d；

x——計算斷面至上斷面的距離，km；

u——水功能區(qū)設(shè)計流量下的斷面平均流速，m/s。

若某單一功能區(qū)長為L，設(shè)計流量為Q，入流斷面設(shè)計水質(zhì)為C0，降解系數(shù)為k，此功能區(qū)要求水質(zhì)目標(biāo)為Cs，通過推延得出納污能力的計算公式如下：

式中：W——水功能區(qū)納污能力，t/a；

Q——水功能區(qū)設(shè)計流量，m3/s；

q——水功能區(qū)入河污水量，m3/s；

Cs——水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，mg/L；

L——水功能區(qū)上斷面至下斷面的距離，km；

Li——水功能區(qū)排污口至計算斷面的距離，km。

3.2 水質(zhì)模型有關(guān)參數(shù)確定

3.2.1 設(shè)計流量

有長系列資料的河段設(shè)計流量按90%保證率最枯月平均流量確定；無長系列資料的河段選用近十年最小月平均流量作為設(shè)計流量。

3.2.2 降解系數(shù)

有機污染物進入河流在輸移過程中要發(fā)生濃度衰減，綜合降解系數(shù)反映了污染物在水體作用下的降解速度，是計算水環(huán)境容量、納污能力的重要參數(shù)，不僅與河流的水文條件（如流量、流速、河寬、水深、泥沙含量等）有關(guān)，還與河道的污染程度有關(guān)。污染物降解系數(shù)可用實測資料反推或水團追蹤法求取，亦可經(jīng)類比分析確定。

在缺乏實測資料的情況下，可根據(jù)經(jīng)驗公式反推確定：k=0.066+0.5×u，其中：u為設(shè)計流量下河段平均流速，m/s。

根據(jù)汾河古交段實際情況，COD的k值范圍在0.2～0.48（1/d）之間，平均值 0.34（1/d）；氨氮的 k 值范圍在 0.12～0.32（1/d）之間，平均值 0.22（l/d）。由于流量、水質(zhì)的差異，綜合降解系數(shù)會有所不同。

3.2.3 水質(zhì)目標(biāo)

水質(zhì)目標(biāo)按照《山西省水功能區(qū)劃》中規(guī)定的水質(zhì)目標(biāo)對照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)予以確定，以COD、氨氮為主要污染控制目標(biāo)。根據(jù)汾河古交段實際情況，COD控制不超過20mg/L，氨氮控制不超過1mg/L。

3.3 COD、氨氮納污能力

根據(jù)古交段一步巖斷面COD、氨氮濃度限值確定其水環(huán)境容量，河流流量采用多年枯水期平均值。汾河古交段COD的水環(huán)境容量為604.5t/a，氨氮的水環(huán)境容量為30.2t/a。

4 污染物總量控制

4.1 各斷面污染物濃度預(yù)測

根據(jù)相應(yīng)預(yù)測模型，對汾河古交段李扒溝等4個斷面2010—2015年的水質(zhì)進行預(yù)測，結(jié)果見表1。

表1 各斷面污染物濃度預(yù)測 單位：mg/L

4.2 各污染源排污量預(yù)測

通過整理歸納，得出古交市工業(yè)廢水、生活污水排放量預(yù)測結(jié)果見表2。

表2 各污染源排污量預(yù)測 單位：萬m3/a

4.3 COD、氨氮總量控制

以一步巖為控制斷面，表3列出了其斷面預(yù)測年濃度超標(biāo)量及總量超標(biāo)量。

表3 一步巖斷面預(yù)測年濃度及總量超標(biāo)量

表4 各污染源預(yù)測年污染物削減量 單位：t/a

根據(jù)一步巖斷面各污染源的濃度超標(biāo)量，可得出各預(yù)測年COD及氨氮的削減量，見表4。

5 結(jié)語

汾河古交段主要污染源為中心污水廠、原平河、屯蘭河、礬石溝、半溝及天池河，占總等標(biāo)污染負荷的80.1%。中心污水廠污水雖然排放濃度達標(biāo)，但由于排放量大，仍是污染源中對汾河污染最大的排污口。此外，原平河、屯蘭河等沿河工礦企業(yè)分布密集，也是對汾河造成污染的主要污染源。污染源中主要污染因子依次為SS，COD、石油類及氨氮，累計等標(biāo)污染負荷比達到93.46%。因支流兩岸分布的煤礦較多，礦井水中所含固體懸浮物較多，導(dǎo)致各支流污染源中SS所占比例較大，含量較多。

通過對各污染源削減量的預(yù)測可知，主要污染源COD的削減量占總削減量的70%以上，氨氮各年削減量占總削減量的90%以上。同時，像中心污水處理廠這樣的排污大戶，其COD削減量占到總削減量的26%～43%，氨氮削減量占到總削減量的60%以上。因此，控制汾河古交段水體污染應(yīng)對中心污水處理廠、原平河等主要納污河流沿岸廠礦及生活污染源的排污總量進行嚴(yán)格控制，切實落實對汾河古交段沿岸污染源及各支流削減量的分配工作。