渾太河流域動態(tài)水環(huán)境容量設計水文條件研究

張 劍，付意成，韓會玲

(1. 河北農業(yè)大學城鄉(xiāng)建設學院，河北保定071000；2.中國水利水電科學研究院，北京100038)

0 引 言

水體水文過程在地理、氣象自然因子的影響下顯現(xiàn)出動態(tài)變化特征，因此，水體水環(huán)境容量并非常數恒定不變。對基于過于保守或過于寬限的水文條件確定的水環(huán)境容量均具有局限性，難以反映水體水質隨時間和空間變化表現(xiàn)出的多變特性。河流的設計水文條件主要包括水位、流速和流量，湖庫的設計水文條件主要指水位、庫容和湖水流入流出量[1,2]。一般條件下，水文條件的年際、月際變化較大。本文按照流域綜合統(tǒng)籌的原則，針對多類型水文條件及控制性水工程調控情景，按照水體類型特點(河流、湖庫、河口等)，遵循流域水量過程和化學過程連續(xù)的基本要求，提出滿足不同水質達標管理要求的水環(huán)境容量計算水文條件設計方法。合理確定斷面的設計流量成為進行水環(huán)境容量計算的關鍵。對于斷面設計流速，可以采用實際測量數據，但需要轉化為設計條件下的流速。

流域的水環(huán)境容量一般指在給定流域范圍、水質目標及設計流量條件下，該流域的最大允許納污量[3-5]。單一設計水文條件下的水環(huán)境容量難以反映由于季節(jié)變化引起的時間動態(tài)特性。水環(huán)境容量的確定主要與設計水文條件相關。TMDL方案執(zhí)行過程中提出了設計水文條件的使用導則，我國也在20世紀80年代將設計水文條件作為容量計算風險的控制因素之一[6-8]。在設計水文條件的使用上，對于南方河流確定河流的設計保證率流量，往往為90%保證率的河流最枯流量時期內一定天數的平均值；對于北方山溪性河流，枯水期流量很小，會出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，豐水期水位暴漲暴落，這類河流一般設計流量按照75%保證率下的最枯月平均流量確定。但設計水文條件在使用過程中存在一定的盲目性，導致水環(huán)境容量計算結果受人為影響較大。利用合適尺度的水質模型，借助設計水文條件的變動特征進行動態(tài)水環(huán)境容量計算是實現(xiàn)流域水質目標管理的關鍵。

水環(huán)境容量的計算方法主要包括確定性和非確定性方法兩類，確定性方法以機理性水質模擬模型和物理驗證為主要手段，研究方法主要包括模型試錯法、數值解析法、模擬優(yōu)化法。非確定性方法主要通過引入限制性條件因素，定量計算安全系數及控制風險等指標，結果可靠性高[9,10]。隨著盲數理論和三角模糊技術等模糊判定及數字化分析技術的引入，水環(huán)境容量計算的思路和方法有所拓展，但由于大量實測數據獲取與變量參數求解過程復雜，難以大規(guī)模的應用鋪開[11-13]。但上述水環(huán)境容量的計算僅限于單一水文條件，對流域實際動態(tài)變化的水文條件難以滿足，如在容量總量控制應用的過程中，入河總污染物量達到容量要求，但局部斷面仍可出現(xiàn)水質超標的現(xiàn)象[14]。為此，動態(tài)水環(huán)境容量計算過程中應結合多種設計水文條件，合理確定關鍵水文參數，利用水質模擬模型動態(tài)確定，以反映水環(huán)境容量在不同水期的動態(tài)變化特征。

1 研究區(qū)概況

渾太河流域位于遼寧省東部地區(qū)，流域面積2.73 萬km2，由渾河、太子河、大遼河水系構成。渾太河流域行政區(qū)包括撫順市、沈陽市、本溪市、遼陽市、鞍山市、營口市、盤錦市大部分、鐵嶺市一部分以及丹東市的小部分，行政區(qū)面積占全省面積的18.7%，是遼寧省乃至東北地區(qū)重要的經濟中心。渾河全長415 km，太子河長413 km，兩者均發(fā)源于長白山脈，在三岔河附近匯合后稱大遼河，大遼河全長96 km，在遼寧省營口市入渤海。流域處于暖溫帶濕潤-半濕潤季風氣候，地形以丘陵為主，植被類型多為落葉闊葉林。流域多年平均最大徑流量為76.32 億m3，主要集中在汛期的6-9月。渾河、太子河流經我國東北老工業(yè)基地(撫順、沈陽、遼陽、鞍山、本溪等)，遭受工業(yè)點源污染較為嚴重。

由于點源污染不斷增加而廢污水達標和處理程度低，面源污染日漸嚴重而缺乏有效防控措施，進入水體的污染物不斷增加。加之渾太河流域的許多河流(段)污染物入河量遠超過河段的水環(huán)境容量，水環(huán)境污染問題較為嚴重。通過對流域水質現(xiàn)狀與污染變化趨勢進行分析可知，渾太河流域水污染以有機污染為主，尤其是含氮有機物污染。部分河段由于工業(yè)未達標廢水的排放，造成揮發(fā)性酚、硝基化合物等特征污染物超標嚴重。

2 水文條件設計方法

2.1 計算單元劃定

計算單元是水環(huán)境容量總量控制的基礎，它隱含了均勻性假定。一個或多個計算單元能夠組成完整的行政區(qū)和水資源分區(qū)，便于分類統(tǒng)計，同時要與水功能區(qū)劃相協(xié)調，盡量滿足排污減控與水質模擬分析計算要求。對于計算單元的劃分以遼河流域水資源綜合規(guī)劃、水資源分區(qū)、水功能區(qū)劃的基本要求為依據，在考慮行政區(qū)降水特性及流域/區(qū)域排水綜合管理要求基礎上，針對河流污染物整體削減的系統(tǒng)性，采用四級水資源分區(qū)套地市的方法將渾太河流域劃為29個計算單元(將水資源四級分區(qū)與對應的每個縣進行組合)，保證計算單元邊界與水資源分區(qū)邊界一致性，同時確保計算單元內污染物產生及入河過程與用水、降水過程的匹配性。計算單元具有點線面特征，將排污口-水功能區(qū)-區(qū)域產業(yè)結構布局緊密結合在一起，能夠為水環(huán)境容量計算結果的合理性及可行性判斷提供檢驗平臺。

2.2 設計流量

受河道徑流特性、社會經濟水平、污染程度差異的影響, 水環(huán)境容量測算時選取的設計流量條件應有所不同。通常情況下，90%保證率最枯月徑流量對應的單一水環(huán)境容量有限，為此，應綜合考慮徑流調節(jié)工程、調度運行方式對水環(huán)境容量計算過程的影響。河流徑流的豐枯變化決定了水環(huán)境容量隨時間具有動態(tài)變化特征。利用經驗適線法進行理論頻率曲線(皮爾遜III型曲線)配線，確定不同頻率對應的設計流量。采用不同方法確定設計流量時，控制點(兩功能區(qū)或干流與支流交匯斷面)的流量作為上一功能區(qū)設計流量，下一控制點流量作為下一功能區(qū)設計流量，以此類推；各功能區(qū)所在河道的徑流量上下一致，忽略支流對干流流量的影響。在污染物質濃度不超過一定限制的情況下，流域水環(huán)境容量和設計流量成正比，因此，設計流量的確定是進行河段水環(huán)境容量計算和分配的關鍵。

由于水文條件、水體化學物質的季節(jié)性變化，水環(huán)境容量具有隨時間動態(tài)變化特性，因此，在單一設計水文條件下單純計算靜態(tài)水環(huán)境容量稍顯欠缺。為避免全年采用單一水環(huán)境容量限制污染排放量造成的“豐欠枯超”現(xiàn)象，并為滿足北方河流的水環(huán)境管理需求，采用分期設計流量實現(xiàn)北方河流水環(huán)境容量季節(jié)多變這一目標。

2.2.1 典型年設計流量

典型年法主要適用于流量年內時段變化較大、影響因素眾多且相互關系復雜、流量推算難度較大的流域。渾太河流域河流具有受人為影響大、流量還原失真性大的特點。本文在站點徑流數據有限的情況下，選取90%保證率對應的枯水年流量為設計值，在盡量符合流域水文發(fā)展態(tài)勢的前提下確定典型年(同條件下優(yōu)先選擇近期水文年為典型年)，以此進行水文站點流量年內分配計算。

2.2.2 分期設計流量

當前對水環(huán)境容量的計算基本上以一定保證率下的枯水期流量為基礎。對于徑流量季節(jié)變化大、Cv值懸殊，枯水期流量低或斷流的河流，如果僅以最不利條件下的環(huán)境容量為基礎制定污染物總量控制方案，勢必會造成“豐水容量浪費、枯水容量不足”的現(xiàn)象，給區(qū)域水污染治理投入帶來很大壓力，無法促進社會、經濟、水環(huán)境閉合系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

單一設計水文條件通常以90%保證率月平均流量或近10 a最枯月平均流量作為設計流量。如果以單一設計流量條件下的水環(huán)境容量制約豐水期污染物排放量，造成水環(huán)境容量浪費，同時加大污水處理成本。流域水環(huán)境容量具有動態(tài)變化特征。因此，借鑒動態(tài)水環(huán)境容量計算相關規(guī)定，對于年內水文情勢變化較大流域宜采用選用枯水期、平水期、豐水期進行分期流量設計。

針對渾太河流域流量、水質參數受水期、溫度變化影響較大的現(xiàn)象，本文分豐(6-9月)平(3-5月、10月)枯(11-翌年2月)水期進行設計流量確定。研究中依據豐、平、枯3個水期內河流污染負荷的來源、降水強度及水質水量相關關系的差異，在劃分水期的基礎上，針對不同水期月份的徑流特點選擇典型流量作為分階段水環(huán)境容量的計算依據。

2.2.3 冰期非冰期設計流量

針對北方干旱區(qū)河流具有年內分配不均、年際變化大、冰凌期水量明顯減少的特點，為最大程度利用水體自凈能力對流域污染物的減控功效，考慮到不同時段水化學作用、物理消減程度強弱等的差異，按照凍期和非冰凍期兩個時段確定河流的設計流量[15]。冬季冰封下水流流量減少，速度變緩，污染物稀釋擴散活動減弱降低; 同時河面被冰層覆蓋，水體復氧能力降低；加之低溫條件下微生物的降解活性也降低，因此，水體自凈能力減弱，冰封期水環(huán)境容量小于非冰封期[16]。以渾太河沈陽段2005年的監(jiān)測數據為依據，冰凍期與非冰封期COD水環(huán)境容量的比值為38∶62，因此在確保安全余量留足的情況下，應充分利用非冰期水體的自凈作用，以求實現(xiàn)環(huán)境正效益和經濟正增長的雙贏。前人研究表明，非冰封期與冰封期COD、NH3-N的降解系數比值約為7∶3[17]。因此，溫度變化對水環(huán)境容量計算值影響較大。研究中選用長系列實測月平均流量作為設計流量的計算系列。采用水文頻率法對控制站點多年月平均流量以及冰封期(11月-次年3月)、非冰封期(4月-10月) 和各月平均流量進行分析。對于徑流資料系列缺少的控制斷面設計流量采用水文比擬法確定流量。

以全年90%保證率月平均流量計算值作為設計流量全年控制線；以非冰封期和冰封期90% 保證率月均流量作為設計流量分期控制線；以12 個月90% 保證率月平均流量作為設計流量分月控制線。以各月3 條控制線中最大值和最小值作為設計流量上、下控制線。設計流量控制外包線的時間動態(tài)特性體現(xiàn)出水環(huán)境容量具有動態(tài)變化性(非冰期值遠高于冰期水環(huán)境容量)。

2.2.4 設計方案確定

設計流量的確定對流速計算、水環(huán)境容量確定的影響較大。在設計方案確定中應充分利用水環(huán)境容量，合理進行污染物治理成本投入，在考慮天然、人為因素對水體改善、功能維持的影響下，給出設計流量確定方案，見表1。

表1 設計流量方案確定

對于高流量的中的極高值和低流量中的極低值，可作為特殊水文情勢下(如洪水過程或者極枯水文條件)的設計流量，以體現(xiàn)極端不利水文條件對河流水環(huán)境容量的影響。對于流域內陸的極端洪澇也可采用洪峰流量作為標準，將洪峰流量排頻，使用百分位值進行判定；對于入?？诘臉O端洪澇采用排頻水位的百分位值標示極端水位閾值。在資料充足的情況下，可將長系列日流量資料中高于90% 頻率的流量作為特枯流量，取各月特枯流量值的中值為典型特枯流量值；同時將流量值低于25%日流量頻率流量過程定義為高流量過程[18]。

3 水文條件設計

3.1 最小生態(tài)流量

為消除渾太河流域下游水庫回水對河道徑流造成的影響，本文選取流域代表性15個水文站(渾河流域：北口前、黃臘坨、邢家窩棚、沈陽、東洲；太子河流域：立山、橋頭、梨庇峪、郝家店、本溪、二道河子、南甸峪、小林子、海城、唐馬寨)1988-2008年的信息資料，采用水文學方法30Q10、7Q10以及生物學方法30B3、4B3進行設計流量的計算(表2)。渾太河流域15個水文站流量信息基本上能夠反映河流徑流的多年變化狀況，并且能夠滿足河流生態(tài)用水需求。

3.2 分水期設計流量

本文針對渾河水系5個水文測站、太子河水系10個水文測站依據90%保證率最枯月平均流量確定站點分期設計流量。計算中依據12個月90%保證率流量進行分期設計流量的確定。渾太河流域分期設計流量計算結果見表3。

3.3 分冰期設計流量

本文選擇渾河水系5個水文測站、太子河水系10個水文測站按照冰封期、非冰封期進行流量設計。計算給出12個月90%保證率流量，以對冰期、非冰期流量設計值的合理性進行驗證。渾太河流域分冰期設計流量見表4。

表2 渾太河流域最小生態(tài)流量計算結果

表3 渾太河流域斷面分期設計流量 m3/s

4 水環(huán)境容量計算

4.1 計算方法

本文結合動態(tài)設計水文條件，在確定流域典型污染物分期、分區(qū)參數的基礎上，借助解析公式法和優(yōu)化模擬算法，考慮到渾太河流域水文和水力學特征，針對不同排污口現(xiàn)狀采取不同的計算方法確定水環(huán)境容量。

4.1.1 零維水環(huán)境容量計算

借助水量水質模型，模擬計算河道中污染物的時空分布及功能區(qū)控制斷面污染物濃度，利用一維水環(huán)境容量模型進行分期設計水文條件下的水環(huán)境容量計算：

W=86.4×(Cs/α-Cc)×Q

(1)

式中：W為水功能區(qū)水環(huán)境容量，kg/d；α為稀釋流量比，α=Q/(Q+q)；Q為上游斷面設計流量，m3/s；q為區(qū)間旁側入流量，m3/s；Cs為功能區(qū)水質目標，mg/L；Cc為模擬計算得到的功能區(qū)下游斷面水質，mg/L。

表4 渾太河流域冰期非冰期設計流量 m3/s

4.1.2 一維水環(huán)境容量計算

針對渾太河流域水污染嚴重、水質差的現(xiàn)狀，為達到最嚴格水資源管理中的水功能區(qū)污染物入河量控制紅線要求，考慮到流域發(fā)展實際及污水處理水平，將規(guī)劃水平年的水環(huán)境容量在設計流量下定為同一值進行污染物排放總量控制。為確保水環(huán)境容量的準確性，以遼寧省水功能區(qū)劃對河流水環(huán)境容量的總體控制要求為基準，按照污染物在河段頂端、中間、均勻排放3種情形給出水環(huán)境容量的穩(wěn)態(tài)解析解。具體計算公式為：

(1)污染物頂端排放：

W=31.536×{[Cs-C0×exp(-k×l/u)]×

Q}/exp(-k×l/u)

(2)

(2)污染物中間排放：

W=31.536×{[Cs-C0×exp(-k×l/u)]×

Q}/exp(-k×l/2u)

(3)

(3)污染物均勻排放：

W=31.536×{[Cs-C0×exp(-k×l/u)]×

(Q×k×l)/u}/[1-exp(-k×l/u)]

(4)

式中：W為河流的水環(huán)境容量，t/a；Cs、C0分別為目標斷面、起始斷面水質濃度，mg/L；Q為斷面設計流量，m3/s；u為斷面設計流速，m/s；K為降解系數，L/d；l為水功能區(qū)長度，m。

為充分利用水體自凈消減能力，本文以分水期(封冰期、非封冰期、全年期)設計流量外包線為依據，以三者最大值作為設計流量控制線(上控制線)進行水環(huán)境容量計算；基于偏安全角度，采用三者最小值作為設計流量控制線(下控制線)確定水環(huán)境容量。

4.2 計算結果

本文借助渾太河流域水功能區(qū)劃定結果，考慮到分區(qū)、分期設計水文條件的差異，在確定差異參數的基礎上，分類給出流域水環(huán)境容量。計算中對于水功能區(qū)水質保護目標的取值采用GB3838-2002中水質類別的端點值；對于排污控制區(qū)水質目標一般取上一水功能區(qū)的水質控制目標；計算中為最大程度的利用河道水體的水環(huán)境容量，采用斷面末端控制；計算中將湖庫作為河流中的重要節(jié)點，依據河流水功能區(qū)的長度計算COD、氨氮對應的水環(huán)境容量。

水環(huán)境容量受水文條件、溫度、污染物特性的影響，不可能為一定制。本文在流域水文站點資料有限的情況下，分月計算最小生態(tài)流量、分期設計流量、冰期設計流量對應的水環(huán)境容量，借助水環(huán)境容量外包線確定不同情景下的動態(tài)水環(huán)境容量。渾太河流域COD水環(huán)境容量總量為144 626 t，枯水期、平水期、豐水期的水環(huán)境容量分別占總量的16.2%、35.4%、48.4%；氨氮水環(huán)境容量為9 776 t，枯水期、平水期、豐水期的水環(huán)境容量分別占總量的16.2%、35.4%、48.4%。渾河干流、太子河干流、大遼河干流、湯河水環(huán)境容量年內分配變化見圖1(以COD為例)。

本文為保證區(qū)域主要河流水質達標、嚴格控制污染物排放量，利用最小生態(tài)流量情境下的水環(huán)境容量作為限排控制底線，高線則根據實際情況另行確定。對于計算單元水環(huán)境容量計算結果反映了區(qū)域所在河流的承污染物，但并非為限定區(qū)域發(fā)展的唯一標準，區(qū)域內部存在排污權交易和基于經濟發(fā)展的內部交換，因此，在某些情況下陸域水環(huán)境容量的再分配也是促進區(qū)域排污格局發(fā)生變化的主要因素。

圖1 渾太河流域主要河流水環(huán)境容量年內分配

5 討 論

單一設計水文條件下的水環(huán)境容量難以反映由于季節(jié)變化引起的時間動態(tài)特性。本文利用合適尺度的水質模型，借助設計水文條件的動態(tài)特征進行水環(huán)境容量計算。動態(tài)水環(huán)境容量結合多種設計水文條件，利用水質模擬模型和水功能區(qū)水質目標要求，分時段計算水環(huán)境容量，以反映水環(huán)境容量在不同水期的動態(tài)變化。本文給出的分期設計水環(huán)境容量的計算結果體現(xiàn)出水環(huán)境容量的動態(tài)特性。但水環(huán)境容量計算過程中沒有完全給出動態(tài)水環(huán)境容量的確定方法，對長系列年水質達標控制與設計條件下水環(huán)境容量的有效銜接問題研究不足，達標后的水體如何更有效的滿足于動態(tài)的供水需求沒有涉及。針對水環(huán)境容量計算中背景濃度、面源負荷分配、不確定性因素的確定方法以及非常規(guī)或復合污染物的水環(huán)境容量計算缺少深入研究，影響了流域水環(huán)境容量的計算精度。

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