石维， 刘德文， 郭丽峰

(1.水利部海河水利委员会 水资源保护科学研究所，天津 300170；2.生态环境部海河流域北海海域生态环境监督管理局 生态环境监测与科学研究中心，天津 300170)

《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》(中发〔2011〕1号)和《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》(国发〔2012〕3号)明确提出建立水功能区限制纳污制度，即确立水功能区限制纳污红线，从严核定水域纳污容量，严格控制入河湖排污总量。2015年国务院印发的《水污染防治行动计划》也明确要求“加强水功能区监督管理，从严核定水域纳污能力。”海河流域是我国政治、文化中心和经济发达地区,河流水质总体较差，水质劣于Ⅲ类的受污染河长占63%，主要污染项目为氨氮、COD、高锰酸盐指数等。核定海河流域河流纳污能力是制定河流限制排污总量、促进区域水环境质量改善的关键。

水体纳污能力是指在水体设计水文条件下，满足水功能区水质目标要求所能容纳的最大污染物量[1-2]。而科学地对水体纳污能力进行量化，模型参数是影响纳污能力计算结果的重要因素之一。在水质模型中，一般将污染物在水环境中的物理降解、化学降解和生物降解概化为污染物综合降解系数。污染物综合降解系数反映了污染物在水体作用下降解速度的快慢，是计算纳污能力的重要参数，与河流的水温、水文条件(如流量、流速、河宽、水深、泥沙含量)、污染物浓度梯度和河道状况等因素有关[3]。因此，确定污染物综合降解系数对计算水体纳污能力、预测污染物浓度、制定污染物控制方案等整个过程的准确性和合理性有较大影响。

河流综合降解系数的确定方法有很多，主要有现场监测法、室内模拟实验法、历史资料类比分析法、实测资料反推法、常规监测资料估算等[4-5]。张世坤等通过室内模拟实验对黄河花园口断面开展了污染物自净降解研究[6]。张亚丽等通过现场模拟法,采用一维稳态模型测算了淮河支流洪河五沟营—塔桥乡河段COD、氨氮和总磷在枯水期、平水期和丰水期的综合降解系数[7]。孙远军等以上海市的蒲汇塘河道为研究对象,通过环形水槽开展和塑料箱同步开展了河水的动态和静态降解实验[8]。吕宝阔和原晖等采用历史监测资料分别对蒲河和复州河计算分析了综合降解系数年变化趋势[9-10]。许钰沐采用2010—2013年分上、中、下旬计算了不同月份的污染物降解系数,并用2015年实测水质资料对分析结果进行了反算验证[11]。马雪鑫采用2017年4月至2018年1月连续9个月的水质监测数据,计算了乌梁素海的综合降解系数[12]。目前，国内大多数研究是以室内模拟实验法来计算水质降解系数。由于室内模拟计算属于静态实验，在模拟过程中无法体现河流的水文、水利、温度、河道特征、底泥性质、季节变化等诸多综合影响因素，其研究结果具有一定的局限性[13]。本文选择在试点河流开展污染物综合降解系数实测研究，同时也开展了室内模拟实验，并对结果进行了对比分析。

1 试点河流概况

为了尽可能保证实验的准确性和测定综合降解系数的代表性，所选河段一般要求比较顺直，河道较为规整，水流稳定，没有排污口和支流汇入，没有取水口等。另外，所选河段的长度要适当，不能过长，也不能过短，河段太短，污染物刚开始自净；河段太长，污染物已经完全自净。两种情况都不能准确地反映污染物自净过程[14]。

本文选取海河流域漳卫南运河水系的卫河元村—馆陶段(62 km)、卫运河馆陶—临清段(57 km)为实验河段，两河段均无入河排污口，无支流汇入，无闸坝拦河建筑物。

漳卫南运河是海河流域五大水系之一，由漳河、卫河、卫运河、漳卫新河和南运河组成，流经山西、河南、河北、山东4省及天津市入渤海，流域面积37 700 km2。该水系地处温带半干旱、半湿润季风气候区，多年平均气温14 ℃，多年平均降雨量608.4 mm，6—9月份降雨量占年降雨量的70%以上。多年平均水面蒸发量为1 100 mm(E601型蒸发皿观测值)，陆面蒸发量为487 mm。

漳卫南运河水系如图1所示。卫河和卫运河的污染物综合降解系数K值监测断面位置示意图如图2所示。

图1 漳卫南运河水系示意图

图2 卫河和卫运河K值监测断面位置示意图

2 实验方案设计及计算方法

2.1 方案设计

污染物综合降解系数K常采用的实测研究方法，主要包括二断面法和多断面法。根据试点河流的实际情况，本文采用二断面法率定K值。

分别在元村、馆陶、临清布设1个采样点，6、7、8、9、11月每月进行1次追踪监测，每次测定平均流速、水温、DO、CODcr、氨氮等参数。同时于6月份和9月份分别在元村、馆陶、临清取水样静置于室内，每天测定水温、CODcr、氨氮，连测7 d。

野外追踪实验中，元村、馆陶、临清3个断面采样时间间隔为同一水团到达下一断面的时间，现场测定断面平均流速，并通过实测流速推算确定下断面采样时间。如元村断面流量10 m3/s，从元村到馆陶、馆陶到临清，大约各需要2 d，因此元村、馆陶、临清3个断面现场实测流速和采样分别在第1、3、5天进行。

2.2 K值计算方法

卫河和卫运河属于典型的海河流域平原河流，河道主槽宽深比小，污染物在较短的河段内，能在断面内均匀混合，断面污染物质量浓度横向变化不大。一般采用一维水质模型计算纳污能力，污染物沿程质量浓度按下式计算：

式中：C为出流污染物质量浓度，mg/L；x为与起始断面间的距离，km；u为设计条件下河段平均流速，km/d；C0为起始断面污染物质量浓度，mg/L；K为污染物综合降解系数， d-1。

根据上式，可得：

3 实验结果与分析

3.1 野外监测实验

经5次实际取样监测，元村—馆陶段KCOD取值范围为0.05～0.11 d-1，平均值为0.08 d-1；K氨氮取值范围为0.25～0.94 d-1，平均值为0.46 d-1；KBOD5取值范围为0.01～0.37 d-1，平均值为0.16 d-1。馆陶—临清KCOD平均值为0.09 d-1；K氨氮取值范围为0.48～1.25 d-1，均值为0.73 d-1;KBOD5取值范围为0.08～0.55 d-1，平均值为0.24 d-1。详见表1。

表1 试点河流污染物综合衰减系数实测结果表

两个河段的COD和BOD5综合衰减系数都出现了负值，原因是下断面污染物浓度大于上断面浓度。这两个河段都是没有排污口的，且采样都是在晴天进行，因此可以排除点、面源等外源污染物的影响，污染是内源引起的。20世纪八、九十年代，随着沿河两岸经济的发展，卫河、卫运河水质污染严重，底泥由于吸附水体中的污染物质也受到严重污染。近年来,随着治理力度加大，河流水质明显改善，但底泥中的污染物质从未得到治理。因此在适宜的条件下，比如高温，底泥中的有机污染物有可能释放到水体中[15-18]。

在北运河的实测研究表明，COD衰减系数均值为0.13 d-1，与卫河、卫运河上的结果相近。但包括北运河在内的国内相关河流衰减系数的研究结论为COD衰减系数的取值略大于氨氮衰减系数的，而卫河、卫运河实测研究表明，COD衰减系数要小于氨氮衰减系数，利用馆陶至临清段的历史常规水量水质资料推求出来的COD衰减系数也小于氨氮衰减系数。这可能和河流自身条件和所处的自然环境有关，需要深入研究。

根据实测计算得到的COD综合衰减系数、河段平均流速以及河长等数据，反推两个河段的COD自净率，元村—馆陶段平均为6%，馆陶—临清段平均为8.5%，比较符合河流实际情况。

根据馆陶—临清段2009年历史同期水质水量资料，计算得COD综合衰减系数均值为0.079 d-1，与本实验结论基本一致。

综上说明，本文测得的COD综合衰减系数基本符合河流实际情况。

3.2 实验室衰减实验

根据室内实验数据，用指数函数拟合元村、馆陶、临清3个断面的污染物综合衰减系数，结果见表2和如图3所示。

表2 污染物综合衰减系数室内实测结果 单位： d-1

图3 元村、馆陶、临清综合衰减系数拟合曲线

由表2可知:元村、馆陶和临清的COD综合衰减系数分别为0.01、0.03、0.06 d-1；氨氮综合衰减系数分别为0.43、0.74、0.36 d-1；BOD5综合衰减系数分别为0.04、0.11、0.21 d-1。元村—馆陶段COD平均综合衰减系数为0.02 d-1；氨氮综合衰减系数平均值为0.58 d-1；BOD5综合衰减系数平均值为0.07 d-1。馆陶—临清段COD平均综合衰减系数为0.05 d-1；氨氮综合衰减系数平均值为0.55 d-1；BOD5综合衰减系数平均值为0.16 d-1。

4 结论与讨论

4.1 结论

野外监测实验结果表明：元村—馆陶段COD、氨氮和BOD5平均综合降解系数分别为0.08、0.46、0.16 d-1；馆陶—临清段COD、氨氮和BOD5平均综合降解系数分别为0.09、0.73、0.24 d-1。

室内实验结果表明：元村—馆陶段COD、氨氮和BOD5平均综合降解系数分别为0.02、0.58、0.07 d-1；馆陶—临清段COD、氨氮和BOD5平均综合降解系数分别为0.05、0.55、0.16 d-1。

4.2 讨论

对比室内和野外实验结果可以看出，氨氮综合衰减系数的室内和野外结果相差不大，而COD和BOD5综合衰减系数的室内结果均小于野外结果。出现这种结果的原因可能有以下两个方面：一是水样中氨氮质量浓度为4 mg/L(劣Ⅴ类)左右，比较高，因此容易降解，而COD和BOD5质量浓度在40 mg/L和15 mg/L左右(接近Ⅴ类)，本身COD和BOD5质量浓度相对于氨氮来说比较低，所以难降解；二是室内和野外自然环境条件存在差异。野外环境中水温较高，流速较大，污染物降解速度较快，因此野外污染物综合衰减系数比室内的大。

实验室模拟所求得的污染物综合降解系数是理想条件下的，它虽然反映了一定的物理、化学和生化特征，但无法反映出水文、气象等条件对污染物的影响。现场实测数据确定的水质参数是一个综合降解系数，它除了反映污染物本身的生化降解特性外，还反映了沉降、悬浮等水流综合效应[19-21]。实验室水样静置模拟7 d后比现场水样实测的降解系数明显减小，KCOD平均值减小0.08 d-1，K氨氮平均值减小0.30 d-1，说明流速对降解系数的影响明显。