多指数法计算城市污水排放量

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1、多指数法计算城市污水排放量 梁才贵 ( 广西水文水资源局南宁5 3 0 0 2 3 ) 一 ；= = “= = = = 2 = = = ：w w 【摘要】在城市水环境保护中，最难确定的是污水排放量。本文通过对污染物浓度指数和 污染物自净速率常数的不确定性对误差及水质监督评价影响的分析，提出了采用多污染指数 计算城市污水排放量和水环境容量允许排放量的方法。 【关词】多指数法计算排放量 1 问题的提出 监督城市污水排放情况是水环境保护工作中最为关键的一项工作。对城市污水排放进 行监督最为有效，也最为精确的方法就是对所有排污口及面源污染和线源污染进行监测，但 每个城市的排污口非常之多，要对每个污染源

2、进行直接监测，其工作量非常大，而且对面 源和线源污染的监测是非常困难的。因此，有必要寻求一种既能满足精度和水质监督评价 要求，又能比较容易获得监测结果的间接方法，来计算城市污水排放置和水环境容量允许 排放量。 本文通过对污染物浓度指数和污染物自净速率常数的不确定性对误差及水质I 监督评价 影响的分析，提出了采用多污染指数计算城市污水排放量和水环境容量允许排放量的方法。 2 城市污水排放量多指数计算方法 2 1 计算公式 在探讨计算公式之前，必须先对水体的自净作用有所了解。水体的自净作用是指进入 水体的污染物质浓度( 污染物指数) ，随时间和空间的变化而自然降低的现象。根据净化的 机制不同，水体

3、的自净作用可分为物理净化、化学净化和生物净化。物理净化只能降低水 体中污染物浓度，并不改变其总量；生物和化学净化能对水中有机物进行分解，并实现衰 减其总量。 污水在进入比较清洁的水体后，对于不能发生化学和生物分解的污染物，其净化只能 通过物理净化来完成，它包括稀释、扩散、挥发和沉淀等。如果污染物的物理净化只有稀 释、扩散和混合。而没有挥发和沉淀，则达到完全混合后的浓度等于 C 一C 飞o Q 下- F F C q ( 1 ) 式中：为均匀混合后河水中的污染物浓度，m g L ；C 。为河流中原有的污染物浓度，m g L ； 二、水资源水环境8 3 C 为污水排放的污染物浓度，m g L ；Q

4、为河流流量，m 3 s ；q 为污水流量，I T l 3 s 。 由于城市樗水中的污染物种类比较多，有不易分解的，也有易分解的，而且污染物在 天然河道里，随着水流在向下游传播时，还会不断地挥发和沉淀，因此，污染物的浓度在 向下游传播时是不断减少的。对于污染物在横断面分布比较均匀，且污水来源也是均匀稳 定的河流，污染物沿流程的自净变化方程可表示为 】- 瓦5 北- 7 ：E ，笔一K c ( 2 )“= E ，T 一 L( Z ) 式中：“为断面平均流速， ；为污_ 染_ m s C 物的平均浓度，m g L ；z 为沿程( 纵向) 距离，m ； E ，为纵向离散系数；K 为污染物自净速率常数。

5、 如果不考虑离散项，并根据鑫可以改写为壶，则式( 2 ) 可改写为 掌：K C ( 3 ) 矗。 L o 由积分得 C 。一C 。e K ( 4 ) 式中：C 。为初始浓度，m g L ；C l 为汇流时间t 时间后的污染物浓度，m g L 。 如果把式( 1 ) 中的河流原有污染物浓度作为城市上断面的污染物浓度，均匀混合后河 水中的污染物浓度作为城市下断面的污染物浓度，并考虑污染物在河流中的净化作用及污 水集中在上、下断面的中间排放，则式( 1 ) 变换为 ( - 。：C te - r Q + C s e - K 2 q ( 5 ) Q + g 、 式中：t 为上断面到下断面的传播时间。 经

6、变换，污水排放流量的计算公式为 q = 荨三器Q ( 6 ) 2 瓦i 砑瓦刨 妯 从式( 6 ) 可以看出，对水文而言，下断面污染物浓度C f 、上断面污染物浓度C - 和河 水流量Q 都是可测到的，要计算出城市污水排放量，关键是污水的污染物浓度和污染物的 自净速率常数如何确定。 对城市污水而言，在没有人工净化和降雨等外来因素影响的情况下，其污染物的组成 和浓度一般是比较稳定的，因此，C 圬可认为是一个常数，只要每年取样化验一次即可。污 染物的自净速率常数可通过在没有污染源加入的河段采样化验进行分析计算确定。 式( 6 ) 是对所有污染物的综合而言的，但污水中所包含的污染物种类繁多，不仅其浓

7、 度不一样，而且其自净速率也不一样，如果一次性直接用式( 6 ) 计算出污水排放量，就得 先计算出上、下断面及污水的综合浓度和污染物的综合自净速率常数，这样必然会增加分 析计算的复杂性。为简化分析计算，可先根据各种污染物进行单独计算，再计算污水排放 量的平均值。假设污水中共有N 种污染物，则污水排放量计算公式为 q = 南差岳杀笔Q 2 2 参与计算的污染物选择 式( 7 ) 是对所有污染物都进行分别计算，其分析计算的工作量会非常大，分析计算时。 8 4中国水利学会首届青年科技论坛论文集 可选择8 1 0 种具有代表性的污染物进行分析计算。在选择参与计算的污染物时，应遵循 下述原则： ( 1

8、) 代表性原则。所选污染物必须能代表分析城市的主要污染特征。既包括工业废水 污染特征，也包括生活废水污染特征。 ( 2 ) 高危害原则。有些污染物，如氰化物，对人体危害极大，在水环境保护中是要严 格控制的。为充分反映这些污染物对水环境的污染程度，应将它们列入重点选择对象。 ( 3 ) 高浓度原则。虽然有些污染物对人体危害不是很大，但浓度高了同样会对人体和 水环境产生危害。因此，对浓度高的污染物也要优先考虑。 ( 4 ) 稳定性原则。水体中发生的自净作用是一个非常复杂的过程，它不仅与污染物本 身的物理化学性质及浓度有关，还与气候及水体条件有关。污染物中有难予分解的物质，有 易受微生物分解的物质，

9、有易受化学分解的物质，有在好气条件下易分解的物质，也有在 嫌气条件下易分解的物质。为尽量减少污水排放量的计算误差，污染物的选择在满足代表 性、高危害和高浓度原则的前提下应尽量满足稳定性原则，尽量选择那些难于分解或其分 解受气候和水体环境影响较小的污染物。 ( 5 ) 上断面低浓度原则。从式( 7 ) 看，由于自净速率常数对计算公式分子、分母的影 响并不同向。因此，为尽量减少上断面污染物浓度对计算精度的影响，在污染物选择时，应 尽量选择在上断面浓度比较低的污染物。 ( 6 ) 均匀混合原则。污水的粘度比较大，各种污染物能基本均匀混合在污水中，但污 水进入比较洁净的水体后，由于粘度减少，一些不易与

10、水混合的污染物，如油类就会与 水发生分离，在低层或表层形成浓度相对较高的水域，其下断面污染物浓度的检测误差就 会增大，从而造成排污量计算误差增大。 2 。3 污水样本的选取和取样 由于每个城市的排污口都比较多，在水环境分析时不可能对每个排污口进行采样，同 时，污水中的污染物浓度还受降雨、城市内河水量等因素影响，因此，要使计算出来的污 水排放量能真正反映城市对水环境的污染，就必须进行污水样本选择。在进行污水样本选 择时，首先要对城市的排污口进行调查，弄清污染物分布规律，以便选择在具有代表性的 几个排污口采集污水样本分析各种污染物的含量；其次，为减少降雨、城市内河水量对计 算精度的影响，每年污水样

11、本的采集( 可以采集一次，也可以采集多次) 应尽量选择在非 常干旱的时候进行；第三，为能比较客观地反映一天各个时刻的污染物浓度，污水采样应 分别在同一天的清晨、早晨、上午、中午、下午及傍晚各进行一次，根据污水样本求出各 种污染物的平均浓度。 2 4 各种污染物自净速率常数的确定 前面已经讲过，污染物的自净速率常数可通过在没有污染源加入的河段采样化验进行 分析计算确定。但由于污染物的自净过程是一个非常复杂的过程，所受的影响因素非常多， 其中包括水温、流量、流速、含沙量、水生生物、大气环境、太阳辐射、底质及地质地貌 等。因此，在对参与计算的污染物的自净速率常数进行确定时，必须分析各种污染物自净 所

12、受影响的主要因素，建立污染物白净速率与主要因素之间的关系，对于次要因素在分析 计算污水排放量时可根据经验适当考虑。 二、水资源水环境8 5 2 5 误差及对水质监督评价影响的分析 由于对计算误差影响较大的是污水的污染物浓度和污染物自净速率常数，其误差不仅 包含检测误差，而且还包含各种环境因素造成的影响误差。因此，本次误差及对水质评价 影响的分析只针对污水的污染物浓度和污染物自净速率常数进行分析。 2 5 1污水的污染物浓度对误差及水质监督评价影响的分析 ( 1 ) 对污水排放量计算误差的影响。由于污水的污染物浓度检测受各种因素限制，不可 能每次在对上、下断面进行水质检测分析时都对污水进行采样检

13、测因此，在计算污水排 放量时只能使用最近的污水检测结果，这样，必然存在较大误差。 从式( 6 ) 看，在上、下断面条件不变的情况下，如果污水的污染物浓度低，其排放的 污水就多，相反，其排放的污水就少。由于污水的排放量不能反映其对水体所造成的影响， 必须与浓度相结合才能反映，因此，关键是要分析对污染物排放量( 污染物输送率) 的影 响。根据污染物总量计算公式 M = = V C 式中：肘为污染物总量，k g ；V 为污水量，1 T I3 ；C 为污染物浓度，m g I 。，可换算成k g m 3 。 可得污水中的污染物排放量为 G q c 搏= 舌主Q c 污= ；曼麓蕞Q c 8 ， 式中：G

14、 为污染物排放量，k g s ；其他符号的意义与前面相同。 假设污水的实际浓度是计算浓度的手倍，并假设上断面污染物浓度为零，由式( 8 ) 可 得污染物排放量误差为 A G 一孑系瞒_ 7 瓦Q 手疆历_ = = 丢 7 丽Q 一砑印墨C 岩筹高C Q 一( C 蔼e K 2 F ) ( 拿C 污e K 2 一F ) V 7 式( 9 ) 求得的是绝对误差，其相对误差为 耐G 实一蕞嘉 ( 1 。， 根据式( 1 ) 可以得到 C 一；哥_ e 丁- 一K t 一2 一坠羔( 1 1 ) 将式( 1 1 ) 代入式( 1 0 ) 得 A G G 实= 警等 ( 1 2 ) 从式( 12 ) 可

15、以看出，当上断面污染物浓度为零的情况下( 同样可以推导出不为零的 相对误差计算公式) ，污水的污染物浓度对污染物排放量计算误差的影响同河水流量和污水 流量有关，河水流量越大，相对误差越小，污水流量越大，相对误差越大。对位于流量比 较大的河流沿岸的城镇而言，其误差可忽略不计。同时，拿是多种污染物的综合反映，有的 计算浓度比实际大，有的比实际小在没有降雨等因素影响下，e 一般接近于1 ，因此，污 染物浓度对计算误差影响不大。 8 6中国水利学会首届青年科技论坛论文集 ( 2 ) 对水质监督评价的影响。水质监督评价主要是分析计算排污量是否超过水环境容 量的允许排污量。假设城市上、下断面按行政责任允许

16、的最高污染物浓度分别为C 。免和 C 下允，并假设C 上危为零。根据式( 9 ) 可得水环境容量污染物允许排放量的误差为 A G 铲净蔗专C s Q 一净是毒确丽Q = 酉习善嚣舞_ 丽Q c ，3 ， 2 面再磊矿i 鬲汉丽纂戈矿丽q q 引 其相对误差为 A G G 实= 糕 ( 1 4 ) 根据式( 1 2 ) 和式( 1 4 ) 得相对误差之差为 G G 蛮一A G G 允= 望蓦 ) 笋一锲一丧争三酱舌之；专Q c - s ， 从式( 1 5 ) 看，对位于流量比较大的河流沿岸的城镇而言，污水的排放浓度对水质监 督评价的影响不大。而且，污水排放量与水环境容量允许排放量越接近误差越小，说明 污染物浓度对判断污水排放量是否超过水环境容量的允许排放量没有影响。 2 5 2污染物自净速率常数对误差及水质监督评价影响的分析 由于污水排放量和水环境容量允许排放量都是根据多污染物指数计算的，对于各种