环境污染与防治
ENVIRONMENTAL POLLUTION & CONTROL 
1999年 第21卷 第6期 Vol.21 No.6 1999



嘉兴市内河河网污染治理方案的比较分析
朱俊　吴晓卫　楼国敏
　　从宏观的角度出发，采用经简化后的箱子模型和混合单元系列模型，估算了嘉兴市内河河网区域水系的环境容量；分析了分散处理和集中处理两个治理方案在不同的截污率、降雨径流、外围来水等因素下对内河河网的治理效果和水质改善情况以及水质治理目标的可达性。
1　河网水质模型
1.1　箱子模型
　　把河网当作一个大的混合均匀的水箱，根据守恒原理得到以下关系式：

(1)
对流输入　输出 　 降雨 　 降解 　 储存量变化率
式中：C—系统混合均匀后的物质浓度；
　　　Cin—入流的物质浓度；
　　　Qin—入流流量(包括周边水域、本水域和区域内排污等)；
　　　Qout—流出流量(包括周边水域、本水域和降雨径流等)；
　　　V—总体河网容积(正常蓄水位下河网总容积)。
　　在稳定条件下，上式的解为：
　　
(2)
　　在非稳定条件下，上式的解为：

(3)
式中：称停留时间；
　　k为污水的衰减降解系数。
1.2　混合单元系列模型
　　把一条河流看作是一系列连续的体积相等的单元，而每一个小单元为完全混合均匀，从质量守恒原则可以得到如下方程：

(4)
储存质量　输入　　对流　因反应
变化率　　污水　　输入　引起损失
将代入上式，则：

式中=qici为输入的污染负荷。
　　经推导上式的解为：，C1为单元1的浓度，再向下传输，传到了第k个单元河道的浓度为：

(5)
　　由于方程(4)为线性微分方程，满足叠加原理，因此如果有n个污染源，qici(i=1,……n)则不同河段的水质浓度为：

(6)
　　产生Ck浓度值是这些污染负荷与本底浓度之和造成的，因此也可以得到：

(7)
　　对于不同的治理方案，处理前后其流量Q、河网容积V以及降解系数k、时间均未发生变化，则可以得到：

(8)
脚标1表示治理前的浓度，污染负荷量；
脚标2表示治理后的浓度，污染负荷量。
2　计算条件的确定
　　在应用模式时，要先确定内河河网的范围、水质现状、水质控制目标、水文条件、客水水量、水质、污染物源强、治理方案和截污率等因素。
3　实例分析
3.1　环境容量
　　河网的环境容量是总水量与水功能等级的允许浓度值与本底浓度值之差的乘积，即：
　　
(9)
　　嘉兴市内河河网水域的总水量为5.20亿 m3/a。对各内河水体中高锰酸盐指数的本底值，由于存在着非点源污染及人群居住等条件，最高只能为Ⅲ类水，故认为C0=5 mg/L；而近期治理达到Ⅳ类即C允=8 mg/L，ΔC近=3 mg/L；远期治理达到要求的Ⅲ类水，C允=6 mg/L，ΔC远=1 mg/L；现状水质已超过V类水，浓度超过Ⅳ类水质限值1.7 mg/L，故现有环境容量为负值(见表1)。由此可见，不同的治理目标和水质类别，其水环境容量相差甚远。
表1　嘉兴市水环境(CODMn)容量　　t/a

期限现状近期远期
环境容量-8841560520

3.2　箱子模型
3.2.1　短历时(30 d左右)环境容量饱和天数
　　当忽略降雨、相邻水流和污染物降解等因素时，不同方案治理前、后和水平年的环境容量饱和天数计算结果如表2所示。 
表2　不同治理方案水平年容量饱和天数

参数现状近期远期
环境容量(t)-8841560520
治理前负荷(t)112
天数(d)17.1
治理后分散负荷(t)71.3440
天数(d)21.813
集中负荷(t)553.5
天数(d)28.9148

　　注：污染物的去除率按80 %计 
　　由表2可知，采用分散治理方案，由于仍要向内河河网排放已达标的污水，近、远期环境容量饱和的天数为13～22 d，达不到30 d的要求；而采用集中处理方案，因不再向内河排放污水，近、远期环境容量饱和天数均接近或大于30 d。特别到远期(2020年)两个方案的差别愈来愈明显，分散方案始终不能达到内河治理目标，集中方案基本或完全可以达到治理目标。
3.2.2　长历时年平均状态的环境容量饱和天数
　　计算水域多年平均降雨(扣除入渗、蒸发)其径流量为15亿 m3/a，设CODMn为4 mg/L；相邻水域汇入流量为20 m3/a。设治理前CODMn为7 mg/L，治理后为4 mg/L。经验证污染物的降解系数k=0.01～0.10(1/d)；由(2)、(3)式可计算各个时期的稳定平衡浓度、达标时间、平衡时间(由本底值达到稳定浓度时间)，见表3。
表3　治理水域CODMn平衡浓度及平衡时间

参　　数现状近期远期
目标浓度(mg/L)＜9＜8＜6
治理前平衡浓度(mgL)　　
达标天数T1(d)48　
平衡时间T2(d)65　
治理后
水质状态分散平衡浓度7.86.5
T1(d)／60
T2(d)6885
集中平衡浓度7.05.5
T1(d)／／
T2(d)75110

　　注：T1、T2分别为从本底浓度到达标浓度和平衡浓度的时间(d)
　　在长历时中其浓度由本底值达到平衡浓度的过程如图1所示，由图1可知，在现状污染负荷条件下超Ⅳ类水标准约需25 d，与表2的17天相差不远(一个考虑降解，一个不考虑降解作用)，而对远期治理目标，分散方案经60 d后即超标，但集中方案总是不超标的。


图1　COD达到平衡浓度的过程曲线图
3.2.3　灵敏度分析
　　(1)客水水质
　　流入计算区域的客水有杭州、海宁、桐乡、湖州、江苏、上海等。客水的水质对区域内河水体的影响是不容忽视的。假设客水的CODMn分别为5、7、9 mg/L，按上述3种客水浓度、客水来水量为20 m3/s和两种方案截污率为54 %时，分别计算内排、外排情况下的平衡浓度，结果见表4。由表4可知，客水CODMn值增加2 mg/L时，嘉兴市内河河网CODMn的增量为0.4～0.35 mg/L，即为客水水质CODMn增量的1/5左右。
表4　客水水质(CODMn)的灵敏度分析　　mg/L

客水水质分散治理方案集中治理方案
5
7
98.6
9.0
9.357.50
7.89
8.20

　　(2)客水水量的比较
　　客水水量是一个不可知的因素。为此假设客水水量为10、20和30 m3/s 3种不同情况，水质CODMn=7 mg/L，两种方案截污率为54 %时，计算结果见表5。
　　由于客水水质优于内河河网的水质，因此客水来量愈大，则水质改善愈明显，大约每10 m3/s可以降低CODMn0.22～0.24 mg/L(内排)，而外排杭州湾后内河水质与客水水质比较接近一些，则每10 m3/s可以降低的内河水质CODMn的幅度为0.10～0.07 mg/L。 
表5　客水水量的灵敏度分析

客水水量
(m3／s)CODMn浓度(mg/L)
分散治理集中治理
10
20
309.24
9.04
8.807.99
7.89
7.82


3.2.4　截污效果(混合单元系列模型)
　　(1)按年平均浓度值计算截污效果
　　从表6可知，近期(2010年)的截污率为76 %，就可以基本上达到治理目标。其水质还略优于远期(2020年)分散治理效果，即它可以提前10年达到内河水质的目标，而且可以节省2010年至2020年截污管线、污水处理厂的投资和年运行费。
　　(2)按最大值分析截污效果
　　从表7可知，近期(2010年)集中治理方案可以初步实现内河河网的治理目标80 %以上，而分散治理方案则只能达到30 %。远期(2020年)分散治理根本不能实现达到Ⅲ类水质目标的要求，而集中治理排海完全可以达到Ⅲ类水的治理目标。这一结论也与其他方法、计算的结论是一致的。 
4　结论
　　(1)模型的计算忽略了底泥和相邻水域污染物输入的影响，另外在一定程度上对时间和空间都进行了平均化，故对一些特殊地点预测精度可能不够，有待进一步深入。
　　(2)计算表明，分散治理方案虽采取了截污和处理等措施，但近期只有30 %的内河能达到Ⅳ类水质的要求，远期则不能达到Ⅲ类水的控制目标，原因是内河河网的环境容量太小，截污并二级处理后达标的污水负荷仍然超过水网的环境容量。而集中处理方案，近期将有80 %达到Ⅲ类水质标准，远期则可以达到水网的治理目标(Ⅲ类水质)。因此从水环境改善的效果比较，以集中治理污水达标排海的方案为优。
表6　年平均值不同截污率状况下水质变化趋势表

河流名称CODMn(mg/L)截污率20 %截污率40 %截污率60 %截污率80 %截污率100
现状集中分散集中分散集中分散集中分散集中分散
运河嘉兴段8.818.058.207.297.596.526.985.766.375.005.76
东湖9.848.879.077.908.296.947.525.976.745.005.97
南湖7.426.947.036.456.655.976.265.485.875.005.48
平湖塘10.329.269.478.198.627.137.776.066.925.006.06
乍浦塘9.588.668.857.758.116.837.385.926.655.005.92
海盐塘7.57.007.106.506.706.006.305.505.905.005.50
盐平塘9.738.788.977.848.226.897.465.956.705.005.95
长水塘8.257.607.736.957.216.306.695.656.175.005.65
新塍塘7.557.047.146.536.736.026.335.515.925.005.51
陆斜塘7.877.307.416.726.956.156.495.576.035.005.57
嘉善塘10.929.749.978.559.037.378.086.187.135.006.18
平均值8.898.118.277.337.656.567.025.786.405.005.78
水质标准　　　　　　　　　　　　　　百分率(%)
＞Ⅴ类水18.20.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0
＞Ⅳ类水54.563.663.618.245.50.09.10.00.00.00.0
＞Ⅲ类水27.336.436.472.854.590.990.918.272.80.018.2
Ⅲ类水0.00.00.09.00.09.10.081.827.2100.081.8

表7　最大值不同截污率状况下水质变化趋势表

河流名称CODMn(mg/L)截污率20 %截污率40 %截污率60 %截污率80 %截污率100 %
最大值集中分散集中分散集中分散集中分散集中分散
运河嘉兴段11.119.8910.138.679.157.448.186.227.205.006.22
东湖10.469.379.598.288.717.187.846.096.975.006.09
南湖8.888.108.267.337.646.557.025.786.405.005.78
平湖塘12.0110.6110.899.219.777.808.656.407.525.006.40
乍浦塘11.149.9110.168.689.187.468.196.237.215.006.23
海盐塘7.837.267.386.706.926.136.475.576.025.005.57
盐平塘10.749.599.828.448.907.307.986.157.075.006.15
长水塘10.679.549.768.408.867.277.956.137.045.006.13
新塍塘10.869.699.928.528.987.348.056.177.115.006.17
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