基于負(fù)荷歷時(shí)曲線法的永定河流域河北段磷納污能力研究

趙杰杰，雷坤，孫明東，徐香勤，程全國*

1.沈陽大學(xué)環(huán)境學(xué)院 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，許多區(qū)域水環(huán)境承受的壓力日益增大，水環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重。對(duì)河流污染負(fù)荷總量進(jìn)行規(guī)劃，提出有效的流域污染物總量控制方案對(duì)于改善河流水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。目前河流污染負(fù)荷總量控制規(guī)劃多采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析[2]，主要包括斯特里特-費(fèi)爾普斯(S-P)、QUAL、WASP、MIKE和環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)(EFDC)模型體系等[3]。模型的選擇取決于水域的流速、流量、寬深比、遷移擴(kuò)散速率、溫度等諸多因素，但由于我國水環(huán)境管理起步較晚，數(shù)學(xué)模型所需的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比國外較為匱乏，因此基于常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析方法更為適用[4]。常見的非模型方法包括負(fù)荷歷時(shí)曲線(load duration curve，LDC)法、質(zhì)量平衡法和還原法等[5]，LDC法于1959年由Searcy首次提出[6]，其對(duì)數(shù)據(jù)需求量小且操作簡(jiǎn)便，一直應(yīng)用于美國最大日負(fù)荷總量(TMDL)計(jì)劃制定中。LDC法在我國同樣被廣泛應(yīng)用，陶子夜[7]將LDC法應(yīng)用于通順河武漢段流域TMDL計(jì)劃制定中；王生愿等[8]將LDC法運(yùn)用到梁子湖流域容量總量控制中；近年來LDC法更多的與計(jì)算機(jī)模型相結(jié)合應(yīng)用于流域管理中；嵇靈燁等[9-11]將LDC法與WASP模型相結(jié)合應(yīng)用于東苕溪流域總量控制中；Kim等[12]研發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的LDC系統(tǒng)，將該系統(tǒng)與谷歌地圖相連接可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化，與其他模塊集成可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流域TMDL的自動(dòng)化計(jì)算與分析。筆者采用LDC法對(duì)永定河流域河北段總磷(TP)納污能力進(jìn)行研究，以期為實(shí)施有效的水環(huán)境管理方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)概況

永定河流域地跨內(nèi)蒙古、山西、河北、北京、天津5個(gè)省(區(qū)、市)，總面積為4.7萬km2。其上游有洋河、桑干河兩大主要匯水河[13]。洋河發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)興和縣和山西省楊高縣，于河北省張家口市懷安縣柴溝堡鎮(zhèn)匯合為洋河，流經(jīng)宣化、下花園等區(qū)縣后，與桑干河于張家口市懷來縣朱官屯匯合后稱永定河。洋河與桑干河匯合后流入官廳水庫，其匯入流量占官廳水庫入庫總流量的90%以上[14-16]。官廳水庫曾是北京市飲用水的重要供水水源之一，但由于水體受到污染，于1997年退出北京市飲用水供水系統(tǒng)，2007年恢復(fù)為北京市應(yīng)急備用水源地[17]。近年來國內(nèi)學(xué)者對(duì)官廳水庫及其入庫河流開展了大量的研究[18-21]，結(jié)果表明，入庫河流主要污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量(COD)、TP、總氮(TN)、氨氮等，庫區(qū)水體氮磷比為30∶1，磷是富營養(yǎng)化的限制因子。陳紅軍[22]研究發(fā)現(xiàn)，2004年7—11月官廳水庫TP輸入量為67.1 t，其中永定河輸入量占89.8%。趙建國等[17]研究發(fā)現(xiàn)，永定河懷來段TP濃度均值為0.64 mgL，氮磷比年均值為32.78，水體浮游植物總體處于磷限制狀態(tài)。永定河上游河流中磷污染物是官廳水庫主要磷源輸入[23-26]，河流中營養(yǎng)鹽的累積增加了河流富營養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)[27]，也給官廳水庫飲用水水源地功能恢復(fù)帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)。筆者選取老鴉莊斷面作為洋河支流清水河的代表控制斷面，石匣里斷面作為桑干河支流的代表控制斷面，洋河的左衛(wèi)斷面、響水堡斷面、八號(hào)橋斷面分別作為永定河流域河北段上游、中游和下游的代表控制斷面(圖1)。選取TP為控制目標(biāo)，利用LDC法探究永定河流域河北段納污能力。

圖1 研究區(qū)斷面和水文站分布Fig.1 Location of monitoring sites and hydrologic stations in research area

1.2 數(shù)據(jù)來源

從張家口市環(huán)境科學(xué)研究院收集了2010—2016年左衛(wèi)、響水堡、八號(hào)橋、石匣里、老鴉莊斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及2002—2016年柴溝堡東站、柴溝堡南二站、張家口二站、石匣里二站、響水堡水文站的逐日平均流量數(shù)據(jù)。以就近水文站流量作為對(duì)應(yīng)斷面流量，其中左衛(wèi)斷面流量為柴溝堡東站和柴溝堡南二站流量之和；八號(hào)橋斷面由于距上游水文站較遠(yuǎn)，其流量由石匣里二站和響水堡水文站流量經(jīng)ArcGIS水文分析模塊分析后，按匯水區(qū)面積比例計(jì)算得到。根據(jù)張家口市水環(huán)境功能區(qū)劃和考核斷面達(dá)標(biāo)整治目標(biāo)，到2020年，除老鴉莊斷面需達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[28]中Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，其他4個(gè)斷面均需達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，LDC繪制時(shí)各斷面水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)與整治目標(biāo)一致。

注：LDC對(duì)應(yīng)的Y值為TP允許負(fù)荷。圖2 5個(gè)斷面的LDC及2010—2016年TP實(shí)測(cè)負(fù)荷Fig.2 LDC and measured load from 2010 to 2016 at 5 monitoring sites

1.3 研究方法

LDC法是基于河流長(zhǎng)序列日均流量數(shù)據(jù)繪制流量歷時(shí)曲線(flow duration curve，F(xiàn)DC)后，結(jié)合實(shí)際水質(zhì)監(jiān)測(cè)的瞬時(shí)流量與污染物濃度，將流量與污染物允許負(fù)荷合理地聯(lián)系在一起，建立河道斷面水質(zhì)變化與流域潛在污染機(jī)制間的聯(lián)系。與模型法相比，LDC法更為簡(jiǎn)單易用，對(duì)歷史資料要求較低。LDC可以反映流域內(nèi)水質(zhì)現(xiàn)狀、允許負(fù)荷、現(xiàn)狀負(fù)荷、污染負(fù)荷類型等水環(huán)境信息，為總量控制方案提供合理依據(jù)[2,29-32]。LDC法納污能力計(jì)算的主要步驟[7-12,29-34]：1)將長(zhǎng)序列逐日平均流量進(jìn)行降序排列，計(jì)算累積頻率，以流量為Y軸，以保證率為X軸繪制FDC；2)明確流域水質(zhì)管理目標(biāo)，結(jié)合研究區(qū)的水環(huán)境功能區(qū)劃與相關(guān)水質(zhì)管理要求，確定水質(zhì)管理目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值；3)仍以保證率為X軸，將FDC中Y值與水質(zhì)管理目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值相乘后作為L(zhǎng)DC的Y值(通常選取對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸)，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)流量對(duì)應(yīng)的累積頻率，將實(shí)際監(jiān)測(cè)所得瞬時(shí)流量與水質(zhì)數(shù)據(jù)相乘得到的實(shí)測(cè)負(fù)荷以散點(diǎn)的形式繪制于LDC上。

2 結(jié)果與討論

2.1 TP納污能力空間變化特征

根據(jù)美國國家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)推薦，將LDC按保證率劃分為以下5個(gè)流量歷時(shí)區(qū)間(flow duration interval，F(xiàn)DI)：保證率為0%～10%的高流量區(qū)；保證率為10%～40%的豐水區(qū)；保證率為40%～60%的中流量區(qū)；保證率為60%～90%的枯水區(qū)；保證率為90%～100%的低流量區(qū)[35]。根據(jù)各水文站逐日平均流量、各斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)及水質(zhì)管理目標(biāo)，得到5個(gè)斷面的LDC及2010—2016年TP實(shí)測(cè)負(fù)荷，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，老鴉莊、左衛(wèi)和石匣里斷面均出現(xiàn)不同程度斷流現(xiàn)象，其中老鴉莊斷面斷流現(xiàn)象最為嚴(yán)重，全年有近20%的時(shí)間處于斷流狀態(tài)，左衛(wèi)和石匣里斷面約有5%的時(shí)間處于斷流狀態(tài)。由于老鴉莊斷面斷流時(shí)間較長(zhǎng)，按推薦方法劃分FDI無法滿足要求，結(jié)合永定河流域氣候、水文變化特征，將老鴉莊斷面保證率為0%～5%時(shí)劃分為高流量區(qū)，5%～30%時(shí)為豐水區(qū)，30%～50%時(shí)為中流量區(qū)，50%～70%時(shí)為枯水區(qū)，70%～80%時(shí)為低流量區(qū)。

由圖2可見，5個(gè)斷面LDC變化趨勢(shì)較為一致，均呈典型的S型。結(jié)合TP實(shí)測(cè)負(fù)荷分布可知，老鴉莊斷面水質(zhì)較好，2010—2016年全流量區(qū)間內(nèi)TP實(shí)測(cè)負(fù)荷基本未超過允許負(fù)荷；左衛(wèi)斷面TP負(fù)荷存在輕度超標(biāo)狀況，且主要出現(xiàn)在豐水區(qū)、中流量區(qū)和枯水區(qū)；石匣里斷面與左衛(wèi)斷面情況基本一致，超標(biāo)點(diǎn)也集中在豐水區(qū)、低流量區(qū)和枯水區(qū)；響水堡斷面超標(biāo)點(diǎn)主要集中在豐水區(qū)和中流量區(qū)；八號(hào)橋斷面超標(biāo)情況較為嚴(yán)重，全流量區(qū)間均存在超標(biāo)點(diǎn)且超標(biāo)頻率高。

根據(jù)超標(biāo)點(diǎn)所處的保證率區(qū)間，可以進(jìn)行點(diǎn)源與非點(diǎn)源負(fù)荷貢獻(xiàn)的判別[35]。對(duì)于河流水體，不同流量模式下流域污染源貢獻(xiàn)程度不同。一般認(rèn)為，超標(biāo)點(diǎn)保證率為85%～90%時(shí)，主要污染源貢獻(xiàn)為點(diǎn)源；10%～70%時(shí)，主要污染源貢獻(xiàn)為非點(diǎn)源；70%～85%時(shí)，則受點(diǎn)源和非點(diǎn)源的綜合影響；保證率小于10%和大于90%代表極端豐水和極端枯水的特殊情況，對(duì)應(yīng)非可行管理區(qū)和點(diǎn)源失控區(qū)，本研究暫不予考慮[35-39]。從圖2可知，老鴉莊、左衛(wèi)、響水堡和石匣里斷面的超標(biāo)點(diǎn)集中分布在保證率為10%～70%，表明其主要污染源貢獻(xiàn)為非點(diǎn)源；八號(hào)橋斷面在全流量區(qū)間均有超標(biāo)，大部分超標(biāo)點(diǎn)分布在保證率為10%～70%，少數(shù)分布在保證率為85%～99%，表明其主要受點(diǎn)源和非點(diǎn)源的綜合影響。污染源貢獻(xiàn)類型的不同與研究區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局有一定關(guān)聯(lián)，如清水河老鴉莊斷面、洋河左衛(wèi)斷面及桑干河石匣里斷面控制范圍內(nèi)人口稀少，主要以農(nóng)業(yè)為經(jīng)濟(jì)支柱，導(dǎo)致存在較高的非點(diǎn)源污染流失風(fēng)險(xiǎn)；洋河下游的八號(hào)橋斷面控制范圍內(nèi)人口密度較大，工業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，且部分河段兩岸種植業(yè)發(fā)達(dá)，河流水質(zhì)受點(diǎn)源和非點(diǎn)源的綜合影響。

排除極端豐水和極端枯水的特殊情況，以5個(gè)斷面豐水區(qū)、中流量區(qū)和枯水區(qū)的TP納污能力為研究重點(diǎn)，選取相應(yīng)區(qū)間中點(diǎn)保證率所對(duì)應(yīng)的最大日負(fù)荷作為各流量區(qū)的允許負(fù)荷[34]，結(jié)果如表1所示。由表1可知，5個(gè)斷面中老鴉莊斷面TP納污能力最弱，八號(hào)橋斷面最強(qiáng)，其TP允許負(fù)荷在豐水區(qū)、中流量區(qū)和枯水區(qū)分別為老鴉莊斷面的5.4倍、7.6倍和14.3倍；同一斷面不同流量模式下，老鴉莊斷面TP允許負(fù)荷變化最為劇烈，其豐水區(qū)和中流量區(qū)的允許負(fù)荷分別為枯水區(qū)的7.6倍和3.0倍?？梢?，斷面的空間分布差異與流量區(qū)間變化會(huì)導(dǎo)致TP允許負(fù)荷變化顯著。

表1 5個(gè)斷面不同流量區(qū)間TP允許負(fù)荷

Table 1 TP capacity in different flow intervals of 5 sections ta

表1 5個(gè)斷面不同流量區(qū)間TP允許負(fù)荷

斷面豐水區(qū)中流量區(qū)枯水區(qū)老鴉莊8.743.411.15左衛(wèi)10.995.802.95石匣里13.569.405.71響水堡20.699.213.08八號(hào)橋46.8125.8316.41

2.2 TP納污能力時(shí)間變化特征

根據(jù)各斷面LDC，以月份為時(shí)間尺度，得到5個(gè)斷面不同流量保證率下的TP允許負(fù)荷如圖3所示。由圖3可知，老鴉莊和左衛(wèi)斷面的納污能力峰值均出現(xiàn)在7月，之后呈遞減趨勢(shì)，其中老鴉莊斷面在3月、左衛(wèi)斷面在3—4月納污能力明顯增加；石匣里斷面納污能力峰值出現(xiàn)在10月，除11月納污能力顯著增加外，其余月份納污能力在小范圍內(nèi)波動(dòng)；響水堡斷面納污能力峰值出現(xiàn)在10月，其11月箱型圖形狀較為特殊，箱尾明顯增長(zhǎng)，流量波動(dòng)劇烈，且流量分布集中在大流量區(qū)；八號(hào)橋斷面納污能力峰值出現(xiàn)在10月，10—11月納污能力明顯增加，1—2月則明顯偏小，其余月份納污能力在小范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖3 5個(gè)斷面TP允許負(fù)荷月變化Fig.3 TP capacity variation of 5 monitoring sites in different months

根據(jù)永定河流域所屬區(qū)域氣候特點(diǎn)，以3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—翌年2月為冬季，基于各斷面LDC得到TP允許負(fù)荷季節(jié)變化，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，5個(gè)斷面各季節(jié)的日允許負(fù)荷平均值所在位置與對(duì)應(yīng)的50%累積頻率所處的相對(duì)位置均存在不同程度的偏移，這種偏移說明了納污能力的波動(dòng)，且偏離程度越大說明納污能力波動(dòng)越大。

圖4 5個(gè)斷面TP允許負(fù)荷季節(jié)變化Fig.4 TP capacity variation of 5 monitoring sites in different seasons

5個(gè)斷面不同季節(jié)TP允許負(fù)荷如表2所示。由表2可知，老鴉莊和左衛(wèi)斷面TP納污能力季節(jié)變化趨勢(shì)一致，表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季；石匣里、響水堡和八號(hào)橋斷面納污能力季節(jié)變化趨勢(shì)一致，表現(xiàn)為秋季>夏季>春季>冬季。結(jié)合圖4可知，TP納污能力強(qiáng)的季節(jié)，其日允許負(fù)荷平均值和50%累積頻率值所處的相對(duì)位置偏移程度也相對(duì)較大，5個(gè)斷面春季和冬季日允許負(fù)荷平均值點(diǎn)與50%累積頻率值所處相對(duì)位置最為接近，春季、夏季、秋季日允許負(fù)荷平均值點(diǎn)所處位置均高出50%累積頻率值所處位置，說明永定河流域河北段年內(nèi)大部分時(shí)間流量較小且波動(dòng)較大。

表2 5個(gè)斷面不同季節(jié)TP允許負(fù)荷

Table 2 TP capacity of 5 monitoring sites in different seasons t季

表2 5個(gè)斷面不同季節(jié)TP允許負(fù)荷

斷面春季夏季秋季冬季老鴉莊3.604.023.050.90左衛(wèi)7.0512.834.601.63石匣里5.075.2520.653.10響水堡6.677.3012.733.90八號(hào)橋14.5314.5543.279.00

永定河流域河北段建有大量的水利水電設(shè)施，其中友誼水庫位于左衛(wèi)斷面上游，冊(cè)田水庫和壺流河水庫位于石匣里斷面上游。2002—2016年友誼水庫、冊(cè)田水庫和壺流河水庫多年月均下泄流量如圖5所示。由圖5結(jié)合圖3可知，友誼水庫下泄時(shí)間集中在4月、7月和10月，而左衛(wèi)斷面3—4月納污能力顯著增強(qiáng)，該變化與春季冰層融化和友誼水庫下泄有顯著關(guān)系；左衛(wèi)斷面納污能力出現(xiàn)峰值的7月為汛期，此時(shí)降雨明顯增加，且上游水庫下泄流量較大。壺流河水庫下泄時(shí)間集中在4—10月，冊(cè)田水庫下泄時(shí)間集中在4月、7—11月，2個(gè)水庫10月下泄頻率較高且流量較大，其余月份也有一定的下泄流量，這與石匣里斷面納污能力在10月出現(xiàn)峰值，其余月份納污能力在小范圍內(nèi)波動(dòng)的規(guī)律基本吻合。綜上，由于天氣變化和流域內(nèi)工業(yè)、種植業(yè)需水量的變化，水利設(shè)施需在不同時(shí)段進(jìn)行水量調(diào)控，不定期、不定量的蓄水與下泄使各監(jiān)測(cè)斷面流量波動(dòng)變化，進(jìn)而使TP納污能力發(fā)生變化。

圖5 3座水庫多年月均下泄流量變化Fig.5 Monthly average discharge variation of three reservoirs for years

2.3 TP負(fù)荷應(yīng)削減量分析

根據(jù)TP實(shí)測(cè)負(fù)荷所在流量區(qū)間的分布，取各流量區(qū)間內(nèi)90%保證率所對(duì)應(yīng)TP實(shí)測(cè)負(fù)荷作為各流量區(qū)間的TP現(xiàn)狀負(fù)荷[35]。5個(gè)斷面不同流量區(qū)間TP現(xiàn)狀負(fù)荷如表3所示。

表3 5個(gè)斷面不同流量區(qū)間TP現(xiàn)狀負(fù)荷

Table 3 TP current load of 5 monitoring sites in different flow intervals ta

表3 5個(gè)斷面不同流量區(qū)間TP現(xiàn)狀負(fù)荷

斷面豐水區(qū)中流量區(qū)枯水區(qū)老鴉莊8.043.231.29左衛(wèi)23.567.943.74石匣里15.359.346.53響水堡23.2113.463.86八號(hào)橋75.8942.3823.46

用允許負(fù)荷減去現(xiàn)狀負(fù)荷可得各斷面應(yīng)削減負(fù)荷，若差值為負(fù)，表示現(xiàn)狀負(fù)荷已超過允許負(fù)荷；若差值為正，則表示未超過。用應(yīng)削減量表示為達(dá)到相應(yīng)水質(zhì)管理目標(biāo)需要削減的負(fù)荷量，應(yīng)削減率表示為達(dá)到相應(yīng)水質(zhì)管理目標(biāo)需要削減現(xiàn)狀負(fù)荷的百分比。對(duì)超標(biāo)斷面進(jìn)行應(yīng)削減量和應(yīng)削減率計(jì)算，結(jié)果如表4所示。由表4可知，老鴉莊斷面僅在枯水區(qū)需削減，在豐水區(qū)和中流量區(qū)無需削減，目前水質(zhì)狀況基本可以達(dá)到GB 3838—2002中Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；其余4個(gè)斷面污染狀況較為嚴(yán)重，在豐水區(qū)、中流量區(qū)和枯水區(qū)均需進(jìn)行不同程度的削減。由于在豐水區(qū)和中流量區(qū)的主要污染源貢獻(xiàn)為非點(diǎn)源，因此應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)流域內(nèi)種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等污染源的管控，同時(shí)減少磷肥的使用；在枯水區(qū)水質(zhì)受到點(diǎn)源和面源的綜合影響，在控制面源污染的同時(shí)，可以通過對(duì)工業(yè)企業(yè)和污水處理廠的提標(biāo)改造來削減現(xiàn)狀負(fù)荷。

表4 5個(gè)斷面不同流量區(qū)間TP負(fù)荷應(yīng)削減量和應(yīng)削減率

3 結(jié)論

(1)永定河流域河北段5個(gè)斷面的TP納污能力空間分布差異顯著：清水河老鴉莊斷面最弱，上游左衛(wèi)斷面、桑干河石匣里斷面次之，中游響水堡斷面較強(qiáng)，下游八號(hào)橋斷面最強(qiáng)。

(2)5個(gè)斷面的TP納污能力在不同時(shí)間尺度上波動(dòng)劇烈：老鴉莊、左衛(wèi)斷面的月納污能力峰值出現(xiàn)在7月，石匣里、響水堡、八號(hào)橋斷面峰值出現(xiàn)在10月；老鴨莊、左衛(wèi)斷面夏季納污能力最強(qiáng)，石匣里、響水堡和八號(hào)橋斷面秋季納污能力最強(qiáng)。流域內(nèi)建有的水利設(shè)施在不同時(shí)間段進(jìn)行水量調(diào)節(jié)是導(dǎo)致各斷面納污能力在不同時(shí)間尺度上波動(dòng)的主要原因。

(3)除老鴉莊斷面在豐水區(qū)和中流量區(qū)的TP現(xiàn)狀負(fù)荷未超過允許負(fù)荷外，其余4個(gè)斷面在豐水區(qū)、中流量區(qū)和枯水區(qū)現(xiàn)狀負(fù)荷均超過允許負(fù)荷，其中左衛(wèi)斷面在豐水區(qū)的負(fù)荷應(yīng)削減率為53%，八號(hào)橋斷面在豐水區(qū)、中流量區(qū)和枯水區(qū)的應(yīng)削減率均超過30%。永定河流域河北段TP現(xiàn)狀負(fù)荷超過允許負(fù)荷情況較嚴(yán)重，需制定不同時(shí)間尺度與不同流量模式下的污染物總量控制方案與政策。