水功能区水质达标压力特征参数选择与分析

李非

(辽宁省水文局，辽宁 沈阳110003）

1 概 况

为推进实行最严格水资源管理制度，确保实现水资源开发利用和节约保护的主要目标，国家出台“三条红线”达标考核制度和水生态文明城市试点建设项目。水功能区达标作为“三条红线”考核的主要抓手和水生态文明建设的核心内容，日益受到各级政府和水利部门的重视。

“三条红线”中水功能区水质达标率按个数达标率进行评价，全国2015年要达到60%，2020年要达到80%，且各省达标目标差距较大。为满足水功能区水质达标率考核，各省都对达标指标进行了市级行政区分解，目前基于实际达标率的指标分解虽然有其合理性，但体现不出各地区达标面临的实际压力。根据水功能区纳污能力和污染物预测值进行模型计算的达标压力，计算复杂且模型各参数率定误差较大；且计算结果是离散的每一个水功能区，对区域水功能区没有综合评价。为合理分解各行政区达标指标及快速评价水功能区达标压力大小，建立直观、简单的评价参数具有重要的应用价值。

2 特征参数

2.1 定义

达标压力特征参数是以区域为评价单元，能综合反映区域内水功能区水质达标压力大小和难易程度的属性参数，包括结构参数、河长参数、水文参数和污染参数。

根据水功能区水质达标压力特征参数评价的目标，特征参数选择的原则主要有5个方面。1）对水功能区水质达标影响大；2）指标的区分度大，灵敏性高；3）指标代表性强；4）方便计算与评价；5）各指标不重复，相对独立。

2.2 参数选择

2.2.1 结构特征

水功能区一级区划分为保护区、保留区、开发利用区、缓冲区及生态环境恢复区；将一级区划中的开发利用区再细划为饮用水源区、调输水区、工业用水区、农业用水区、渔业用水区、景观娱乐用水区、生态环境用水区、过渡区、排污控制区、航运用水区10个二级功能区。其中一级区划中除开发利用区外，其他4个区划都具体区域生态保护和恢复功能，为整个流域或区域生态保护和生态平衡做出水资源开发制约，需要进行生态补偿。一级水功能区水质达标标准高，一般为I或II类水质标准，达标难度较大，对区域经济发展制约性较大，所以一级区个数指标对评价生态功能具有指标意义。

1）结构系数K:是指不同地区水功能区中一级区划个数占总区划个数的百分比。计算公式：

其中：nⅠ为一级水功能区个数；nⅡ为二级水功能区个数；n为水功能区个数。

在二级区划中，存在同一功能区具有多种利用功能，这类功能区的水质达标标准就高确定，即饮用水源区的功能区水质达标标准都是II类水。考虑II类水的达标难度，以标准体系作为结构系数的补充。

2）标准系数K1：是指不同地区水功能区水质达标标准为I类和II类的个数与总区划个数的百分比。计算公式：

其中：n2为水功能区达标标准为I类和II类的个数。

流域面积大、河长长、支流多的河流，一般被划分为多个功能区，且各功能区水质标准不同。河流上功能区越多，水质控制越复杂，达标越困难。所以单位河流功能区个数是反映水功能区达标压力的特征指标。其中河流个数按水资源五级区进行统计，五级区内的河流数按独流入海河流数统计，包括干支流。

3）单位河流水功能区个数Kriver：是指不同地区平均一条河流的水功能区个数。计算公式：

其中：nriver为河流条数（不区分干支流）,条（个）。

2.2.2 河长特征

水功能区个数达标率和河长达标率多数不一致，一般个数达标率明显低于河长达标率。杜中等利用帕累托图分析认为主要原因是河长达到80%的水功能区个数占总功能区个数远小于80%，所以对河长特征进行评价具有重要意义。水功能区河段长短是制约断面水质代表性的主要因素之一,平均河长能反映水功能区水质断面代表性和个数达标率难易程度。

1）平均河长L：是指不同地区水功能区总长度与个数之比。计算公式：

其中：n为水功能区个数，个；Li为水功能区河长，km。

为评价个数达标率与河长达标率差距的大小，根据全国2020年80%达标的要求，确定80%帕累托河长的个数百分比。帕累托河长是按河长长度排序后，从大到小计算累计河长。帕累托河长的概念比数理统计中的方差、离差更能反映河长达标率与个数达标率之间的关系。

2）80%帕累托河长的个数百分比：PN是指不同地区水功能区在帕累托河长达到80%时，水功能区个数占总个数的百分比。计算公式：

其中：N为PL=80%时，按河长排序的顺序水功能区序数。N可按公式（6）反求之。

其中：PL为帕累托河长百分比；LI为按河长排序的顺序水功能区河长，km。

2.2.3 水文特征

地区水文特征包括流域面积、下垫面条件、降水量、径流模数、径流量、径流年内分布、丰枯平流量等。涉及到流量因素的都对水功能区达标有影响，所有上述水文特征都对水功能区达标有影响。根据参数选择原则，从污染物汇流、总径流量角度遴选特征参数。

流域面积、下垫面条件、降水量都是影响污染物汇流的因素，其中流域面积与下垫面条件可在污染负荷特征中考虑，故选择降水量作为特征参数。

水文周期丰枯平及年内分布不均是普遍存在的现象，对水功能区影响基本一致，故径流因素选择径流量作为特征参数。

如果区域或流域较大，多年平均降水量与径流量空间变化梯度较大，可以分区进行统计分析。

计算公式：

其中：N为统计年分数（一般应大于30年），年（个）；Pi为年降水量，mm。

计算公式：

其中：Ri为年径流量，mm。

2.2.4 污染特征

水功能区考核的根本任务就是污染物达标。污染特征是水功能区所在流域的污染物排放情况。流域污染物排污受点源、面源、线源、内源等影响，其中主要是点源和面源。污染物排放虽然与经济发展水平不是线性关系（受产业结构、节能减排、先进工艺及污水处理等影响），但在一定范围与一定时间段内，经济发展水平对污染物种类及排放量影响仍然是主要因素。经济模数即单位面积内经济总量，杜中等［7］对经济模数的定义及对防洪减灾的影响进行了分析，认为经济模数是影响区域污染物排放的主要因素。

1）经济模数M：是指不同地区单位面积上单位时间所产生的经济总量。计算公式：

其中：GDP为地区国民生产总值，万元；A为功能区所在流域面积，km2。

污染特征最直观的指标是年污染物排放量，即污染物年负荷，该数据可以从环境公报和水资源公报中查询。

2）污染负荷G：

计算公式：

其中：Q为污水流量，m3/s；c为污水中污染物浓度，mg/L；T为计算时间（此文为年且转算为s），s。

2.3 参数评价

此文对参数进行定性分析。

结构系数和标准系数越大，说明地区生态功能越强，区域开发受限；水功能区达标压力分2种情况：当地区原污染程度很大或功能区未达标时，未来水功能区达标压力大，反之，当原污染很小时，水功能区达标压力较小；此外，考虑地区生态功能，需要进行合理的生态补偿。

单位河流水功能区个数越多，则达标压力越大，且上下游水功能区水质标准不一致是，达标压力更大。

平均河长越长，水功能区达标压力越小。因为水功能区越长，合理布设排污口位置相对容易，而且在其他因素近似的情况下自净能力相对较大。

80%帕累托河长的个数百分比，反映的是个数达标率和河长达标率的差距。该值小于等于80%，当且仅当每个水功能区等长时，才等于80%。百分比越大，则达标相对容易。

多年平均降水量和多年平均径流量越大，水功能区达标压力越小。因为径流量越大，纳污能力越大，或污径比越小。但降雨量大也导致面源污染入河量大，但多局限于农业用水区。

经济模数和污染负荷越大，水功能区达标压力越大。

3 案例分析

以丹东地区水功能区为例进行评价。该地区共有46个功能区（不含部分界河功能区），其中一级区8个，二级区38个；达标标准为I类或II类水的43个。丹东地区水资源5级区划为8个，河流数为11条。丹东行政区划面积为14 973 km2，2013年GDP总量为1 107.3亿元，按2010年不变价计算为1 000亿元。2013年全市废水排放量11 683.91万t，其中工业废水排放量5 517.02万t，生活污水排放量6 160.8万t。污染物排放量化学需氧量12 019.07 t，氨氮628.34 t，其他为33.68 t，合计为12 681.09 t。

根据上述数据计算特征，参数值见表1。其中标准系数高达93.5%，说明丹东地区生态功能强，水质达标需要进行适当的生态补偿。单位河流水功能区个数为4.2，因标准系数高，上下游功能区水质标准一般相同且皆为I类或II类水，不存在缓冲河段，达标压力大。80%帕累托河长个数百分比为54.3%，说明依“三条红线”考核标准按个数达标率计算压力大。平均降水量和径流量都较大，且丹东地区植被覆盖率高，水功能区达标压力较小。经济模数和污染负荷相对较小，水功能区达标压力较小。

综上，丹东地区水功能区达标有利因素是水文特征和污染特征，不利因素是结构特征和河长特征。因丹东地区现状达标率较高，需要对丹东地区生态保护进行必要的补偿。

表1 丹东地区水功能区水质达标压力特征参数值统计表

4 结 语

此文建立水功能区特征体系包括结构、河长、水文、污染共四大类，其中前三类为自然指标，污染特征为社会指标。

在合计8个参数（其中标准系数是结构系数的补充）中，结构系数和标准系数与功能区达标压力呈现相反的2种情况，现状功能区未达标时，系数值越大则水功能区达标压力大，反之成反比；平均河长、80%帕累托河长的个数百分比、多年平均降水量、多年平均径流量4个参数与达标压力成反比；单位河流水功能区个数、经济模数、污染负荷3个参数与达标压力成正比。以丹东地区为例进行计算，水功能区达标有利因素是水文特征和污染特征，不利因素是结构特征和河长特征。

特征参数数据收集容易，计算简单，定性评价方便，为分析地区水功能区水质达标压力和确立考核指标逐级分解提高了技术依据，易在实践中推广应用。但本文只对各个参数进行定性分析，各参数对达标影响的权重及定量分析需要进一步深入研究。

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