半干旱区自净能力研究——以阿尔及利亚北部瓦迪切里夫为例
Mokadem Maamar1*阿库尔·吉拉利2和谢里夫·艾尔·阿明1
1奥兰科技大学水力学系，阿尔及利亚奥兰市El-Mnaouer邮政信箱1505号，31000
2哈西巴·本·布阿里大学，阿尔及利亚克利夫海埃斯塞勒姆151号邮政信箱，02000
http://dx.doi.org/10.12944/CWE.9.3.05
本文的目的是研究和预测wadi chleff的自净能力(在Oum Drou -Chlef部分)。这项工作主要是通过测量切利夫河上一个预先选定的污染排放点下游的溶解氧(DO)，然后使用修改后的斯特里特-菲尔普斯方程进行预测。在切利夫河(Oum Drou - Chlef)约8.5公里的一段上选择了12个采样站，收集生化需氧量(BOD)、pH值、流速、河流深度和距离的数据。首先通过保留原始再曝气系数分量k来拟合预测的DO亏缺趋势线2的修正的Streeter-Phelps方程(美国地质调查局方程)，然后将其代入我们的再生系数模型。结果表明，后者具有较好的预测能力。结果还表明，河流的自净化能力已经受到相对较低的DO饱和水平的限制，并受到不同间隔排入的废物的进一步威胁。其中一些废物是不可生物降解的，这减慢了河流的自净化过程。为了保护该地区的地下土层，并确保灌溉用水的质量，切里夫河必须受到保护，不受任何污染。
地表水水质;污染;溶解氧;再充气系数;Wadi Cheliff
复制下面引用这篇文章:
张建军，张建军，张建军，等。半干旱区土壤自净能力的研究——以阿尔及利亚北部Wadi Cheliff地区为例。当代世界环境2014;9 (3)DOI:http://dx.doi.org/10.12944/CWE.9.3.05
复制以下内容引用此URL:
张建军，张建军，张建军，等。半干旱区土壤自净能力的研究——以阿尔及利亚北部Wadi Cheliff地区为例。当代世界环境，2014;9(3)。可以从://www.a-i-l-s-a.com/?p=7500
介绍
水质建模已被证明是战略性水质管理的有用工具(Fan et al. 2009)。文献中关于小河流水质建模的研究很少，已经发表的研究范围相当有限(Giorgio M.， Gaspare V. 2010)，特别是针对干旱和半干旱地区。
模型自净化的目的是在时空预报时，通过考虑有机物的特性和被截留物的特性，预测有机物截留物对接收介质溶解氧含量的影响。随着科学研究的不断进步，由于纳入了越来越多的因素，如稀释、沉降、吸附、分散、平流和大气再曝气，模型变得更加复杂(Fischer et al. 1979;Koussis 1983;Koussis et al. 1983,1990;麦克布莱德和卢瑟福1984)。与此同时，一方面增加了在实践中使用它们的难度(Snowling和Kramer 2001)，另一方面增加了模拟和模型总灵敏度之间的误差，因此最复杂的模型不一定是最“有用”的(Lindenschmidt 2006)。
可靠的模型校准需要大量的水质数据，这些数据通常是稀缺的，在经济和人力资源方面都是资源密集型的(Mannina和Viviani 2010)。
传统的水污染分析方法是基于Streeter-Phelps方程(Streeter and Phelps 1925, 1936;考克斯2003年;Lin and Lee 2007;Omole and long 2012;Omole et al. 2012)，该模型没有引入DBO的可调成分(Tyagi et al. 1999)。巴尔加瓦认为DBO包括/理解一个可分离的部分和另一个溶解的部分(巴尔加瓦1983;Velz和Gannon(1962)在DBO速率常数k中加入了一个因子1，一级动力学的指数形式，以解释沉降现象对DBO的减少。
Thomann和Mueller(1987)对Streeter和Phelps的模型进行了重要的修改，将DBO分离为两种含碳和含氮组分，因为这两种元素的脱氧和再氧化速率不同。无论氧如何溶解剩下的相同的一种，它都补充了对温度的依赖。
在阿尔及利亚，地表水资源非常有限，难以开发，这就是为什么任何污染或污染的风险都值得强调，提出和模拟。
瓦迪·切里夫河是阿尔及利亚最重要的河流之一，对地下水和灌溉造成了极大的污染。了解这种水的质量对这种资源及其环境的管理至关重要。
克利夫河是一个具体的例子，任何种类的污染的宽度，以了解物理，化学和细菌随着城市或工业性质的过度排斥，它接受了一年的长度，没有任何初步处理。在切里夫河流域建立了32个生产单位，产生了大约41万人口当量的污染(ABHCZ 2005)。
这里首次考虑的模型是对阿尔及利亚课程中溶解氧的模拟。该模型与Streeter和Phelps的线性模型将在Wadi Cheliff的一段进行比较。
研究区域
切利夫流域占地47.269公里2。它位于东经0°和3°30′之间，北纬34°和36°之间。它包括四个水下流域:布格古勒上游的切里夫，高和中切里夫，下切里夫，米娜和沿海。北部受地中海的限制，西部受奥拉纳斯流域的限制，南部受高平原的限制，东部受阿尔及尔流域的限制(图1)。
|
图1:切里夫河的分水岭 |
该地区的特点是半干旱气候，夏季非常炎热，冬季寒冷(Boulaine, 1957)。7月最高气温(29°C)和1月最低气温(11°C)之间的巨大差异(18°C)表明，尽管靠近海洋，但大陆性气候明显;事实上，Dahra山脉形成了一道屏障，将地中海对切利夫流域的调节影响隔离了70多公里(Bettahar et al. 2009)。
材料与方法
该模型应用于切里夫河长约8.5 km的一段，该段由上游至Oum Drou镇的水平段划定，直到该段吞没在切里夫镇中心的水平段。
在这一段的水平面上选择了12个采样站(图2)。与第一个站点(Oum Drou)相比，这些站点的距离定义在表1中。
在这些台站的水平上测量的数据是DBO5分析结果保存在温度控制在20°C的串联冷却培养箱中，用卷筒式流速仪测量水流速度，用便携式电导仪获取环境和水温数据，用手持式pH计获得水的pH值，用便携式O测定溶解氧2米。利用Garmin手持GPSMAP 78S获取采样段的总距离和各采样站的全局位置。
|
图2:采样和测量 |
理论
Streeter和Phelps(1926)针对俄亥俄河提出了溶解氧和BOD浓度在污染排放后向下游的时空演化模型:
式中，D =溶解氧赤字，b =排放点混合物的最终第一级BOD，单位为mg/l, k1=脱氧系数k2=再曝气系数，t =时间(d)， C = OD浓度，Cs = DO饱和浓度。
模型使用系数k1和k2哪个单独取决于废物特性，再曝气系数k2这取决于水温、流速和河流深度等因素。
积分后的方程1 (Waite et al. 1977;•吉利1998;Longe and Omole 2008)给出:
式中:D =时间t后预测DO赤字mg/l;L0 =混合物在排出点的最终一级BOD，单位为mg/l;D0 =混合物在混合点的初始DO亏缺，单位为mg/l;k1=出水脱氧系数;k2=流的再曝气系数;T =时间。
溶解氧亏缺D的变化用勺子形曲线(图3)来描述，可以解释为:在起点，污染排放前，水体富氧;溶解氧亏损低。引入废水后，根据公式N°1开始用溶解氧对废水进行生化分解。溶解氧赤字建立并逐渐增加。这种溶解氧的不足，至少可以通过气体输送的水再循环来填补。经过一定距离(时间)后，河流中的水，包括废水，再次饱和或几乎溶解氧，C≈Cs(曲线a)。曲线B表示污染导致河流变成化粪池(厌氧)的情况。
根据温度T计算水中氧c的饱和浓度，经验式(Fair et al. 1968;Bowie et al. 1985)
Cs = 14.64 - 0.41。T + 0.008。T2(Eq.5)
再循环系数k2是由以下关系决定的(Metcalf 1972)
式中，h =河流深度，单位为m, v =河流流速，单位为m/s， α， n, m =经验系数。
|
图3:氧沉降曲线 |
结果与讨论
在排出废水(S1)之前，该流域的水溶解氧含量丰富，其值为7.7 mg/l，非常接近饱和溶解氧，在一年中这一时期，在大约24°C的温度下，溶解氧含量为8.4 mg/l。该浓度是采样站测得的最高值，开始下降至最小值6.2 mg/l (S3)。在这个地方相对较高的速度(1.04米/秒)，以支持良好的再生，因此良好的自净化，OD值为7.5毫克/升(S4)。
S5 ~ S6段坡度较低(0.6 ~ 3‰)，流速较低(流速较长)，有利于细菌活性的耗氧。从7.1毫克/升开始增加到7.6毫克/升(S7)。在不处理Chega结块的情况下将废水排出，并重复生物分解过程的循环，即OD降低(S9站为6.7 mg/l)，然后增加(S10站为7.5 mg/l)，从而阻止了这种增加。另一种废水的排出(Chlef东部)停止，再次出现河沟chleff自净现象，OD下降至6.8 mg/l。
值得注意的是，切里夫河的水pH值为微酸性，中值为5.77，这是由于部分有机物在厌氧介质中特别是在旱季发生了生物降解。
从这个k开始2Wadi Cheliff的模型根据实验结果使用公式(7)进行计算。
在那里,维向上=上游初始DO赤字;Ddown=下游任意点DO亏缺;T =连续两点之间的移动时间。
|
表1:采样站及其对应 |
找出k的计算值之间的关系2水流流速和水流深度之间的关系可以用非线性回归分析得到常数，也称为回归系数β1,β2,β3.使用Eq. (8)
式中，V为水流速度，单位为米/秒;H为水力半径，单位为米。
k2在确定参数β的同时，建立了wadi Cheliff模型(Eq. 9)1,β2和β3.。这些参数是必须确定的函数的未知值。因为β2和β3.相对于所定义的关系处于非线性位置，进行非线性回归来确定参数。
对模型进行校正后，绘制出k的色散图2(测量)和k2(计算)，并使用Mathcad软件对数据进行非线性回归分析
经过非线性回归分析，模型输出通过如下统计量:误差平方和，SSE = 8.561;决定系数，R2 = 0.942;均方根误差，RMSE = 1.723。
Streeter等人(1936)提出的再曝气系数是这样定义的
将式9代入式3，得到图4所示的折痕曲线。然而，将式3与Streeter et al.(1936)提出的复氧系数(Eq. 10)结合使用时，得到的预测DO赤字曲线如图5所示。
|
图4:赤字趋势线是否与抽样相反 |
|
图5:抽样的DO赤字趋势线 |
此外，沿河道的DO曲线(图4)与预期的正常匙形DO曲线(图3)有明显差异。沿河道切里夫的DO曲线呈正弦趋势，这表明在剖面中，渐进式恢复过程在几个间隔被中断。
通过比较wadi Cheliff模型、Streeter-Phelps模型所模拟的溶解氧缺陷的结果和分析的测量结果，人们注意到:模型所建议的结果比Streeter-Phelps模型所提供的结果更接近测量结果。
结论
在这项研究之后;我们可以说，Wadi Cheliff具有正常但有限的能力来净化许多污染物，主要是家庭或工业废水(农业食品)的排斥，特别是在旱季;一方面流量小，产生低流速;另一方面，在一年中的这个时候，温度超过29°C，这降低了OD在水中的溶解度(有机物生物降解的关键因素)。沿着wadi Cheliff的DO曲线呈现正弦趋势，这表明wadi自净化过程在剖面上的几个间隔被中断。
进行了Cheliff模型的开发和验证;该模型被建议用于研究河溪水质及其自净能力，其应用只需要了解河溪的水力特性和水的物理化学特性，这是非常重要和有用的，特别是对于缺乏数据，手段和/或管理的发展中国家;这将被用作预测和协助管理的工具，例如指定灌溉取水区域和了解河段每一点的水质。这种预测使得每次都可以避免求助于昂贵的分析。因此，建议将切利夫模型应用于今后河滩切利夫的再生研究中。
为了保障公众健康和保护地下水不受切里夫河输送的污染，需要采取措施提高地下水的自我净化能力。其中，建设水边组团污水净化厂;激活“水警察”，尊重环境保护法规。
参考文献
2.贝塔哈尔，n.n;贝纳马拉，A.;Kettab, A.;亚硝酸钾的半亚硝酸钾污染风险分析:北阿尔格莱姆地区的污染风险分析。水科学，22(1)，69-78(2009)。
3.恒河和亚穆纳河中最快的生化需氧量同化。环境工程学报。第3期,109;174 - 187(1983)。
4.[j]《关于平原土壤的研究》;阿尔及尔大学法学院:阿尔及尔(1957)。
5.鲍威，G.等。利率。地表水质量模型中的常数和动力学公式。美国环境保护署。美国乔治亚州雅典(1985年)。
6.低地河流溶解氧模拟技术综述。科学。总环境(2003)。
7.公平、通用;J.C.迈耶;D.A.奥肯。供水和废水处理的要素，第二版;约翰威利和儿子:纽约(1971)。
8.沈伟，樊春华，春辉，等。一种基于Qual2K和HECRAS的河流水质模拟方法。环境管理学报(2009)。
9.费舍尔,h;列表,大肠;Koh, r;Imberger, j .;布鲁克斯，H.内陆和沿海水域的混合;学术出版社:纽约(1979)。
10.乔治·m·;[3]张志强，张志强。短期河流水质模型:模型开发与参数评估。水文学报，39(3)，186-196(2010)。
11.Kiely, G. Environmental Engineering;McGraw Hill(英国)有限公司(1998)。
12.洪水和污染路径的统一理论。水利学报，2009,32(3):559 - 563(1983)。
13.Koussis, a;Kokitkor p;用色散模拟流中的DO条件。环境工程学报，16(6)，616 - 614(1990)。
14.Koussis, a;) m;河流中的污染路径。水利学报，2009;1636 - 1651(1983)。
15.[3]林登华，王晓明。河流水质模型中参数敏感性和模型不确定性的影响。生态学杂志，2009;72 - 86(2006)。
16.污水处理技术是污水处理技术，污水处理技术是污水处理技术，污水处理技术是污水处理技术。麦格劳-希尔:纽约(1972)。
17.麦克布莱德,g;卢泽福，J.河流污染物运移的精确模拟。环境工程学报，2011;808 - 826(1984)。
18.Omole d;Adewumi i;再有,大肠;尼日利亚阿图瓦拉河自净能力研究。国际工程与技术杂志;2;229 - 235(2012)。
19.Omole d;再曝气系数模型:以尼日利亚阿图瓦拉河为例。应用科学，工程技术，4;1237 - 1243(2012)。
20.snowl,美国;评价模型选择的不确定性。生态模型;138(1)， 17-30(2001)。
21.斯特里特,h;一项关于俄亥俄河污染和自然净化的研究。美国公共卫生服务(1925年)。
22.Tyagi b;Gakkhar,美国;考虑可沉降BOD和周期性变化BOD源的河流DO-BOD数学建模。环境科学学报(自然科学版)，2004(1)。
23.Velz c;李建军，李建军。生物提取与积累在河流自净化中的应用。第一届国际水污染研究会议，(1962)。
24.韦特,t;环境过程的数学。列克星敦书店，伦敦。(1977)。
