通天河及长江源区纳污能力与限排总量控制研究

柴元冰，赵伟华，郭伟杰

(1.青海省水文水资源勘测局，西宁 810001；2.长江科学院 流域水环境研究所，武汉 430010)



通天河及长江源区纳污能力与限排总量控制研究

柴元冰1，赵伟华2，郭伟杰2

(1.青海省水文水资源勘测局，西宁 810001；2.长江科学院 流域水环境研究所，武汉 430010)

长江源区作为长江水文循环的起始地，具有重要的生态系统服务功能。源区的水质、水量变化将影响长江流域水资源的可持续利用。因此，研究源区水域的纳污能力、计算控制污染物排放量对源区水功能区管理具有重要意义。依据源区水功能区水质目标，结合实测水文、水环境监测资料，选取一维水质模型，对青海省境内通天河及长江源区的水域纳污能力和限制排污总量进行了研究。结果表明：现状年三江源保护区的CODCr和NH3-N的纳污能力远大于聂恰曲治多保留区等其他4个水功能区，规划年(2020年)聂恰曲治多保留区的CODCr和NH3-N纳污能力最大。而现状年和规划年聂恰曲治多保留区的CODCr和NH3-N总量控制指标均大于三江源保护区和称文细曲称多保留区。研究成果可为长江源区水功能区划与管理提供理论依据。

通天河；长江源区；纳污能力；限排总量；一维水质模型

1 研究背景

长江源区地处青藏高原腹地，是中国长江的发源地，源区生态系统具有十分重要的生态系统服务功能价值[1]。由于特殊的气候和生境条件，源区人类活动较弱，生态系统尚相对稳定。但近年来，特别是20世纪90年代以来，由于人口增长、全球气候变化，以及资源的不合理开发利用，长江源区生态环境受到了一定程度的干扰和破坏，且呈加快趋势。生态环境恶化造成大面积的草原退化，水土流失加剧，生物资源减少，人口、资源、环境和经济发展之间的矛盾日趋尖锐，并通过影响气候变化、能量交换、物质迁移、水量改变等对我国长江中下游地区水资源条件、生态安全及社会经济的可持续发展产生影响[2]。长江源区作为长江水文循环的起始地，其主要功能是保障长江的源远流长，并向下游输送优质水资源。源区的水量、水质变化和人类不合理活动对水环境的影响将波及下游地区，进而影响整个长江流域水资源的可持续利用[3]。长江源区特殊的高原大陆型气候特征致使其生态环境脆弱、敏感，生态系统的自我调节和修复能力差，极易受到外界干扰而迅速恶化[4]。计算水域纳污能力可以定量说明研究区域水体对污染物的承载能力，包括水体对污染物的稀释能力和自净能力，对水环境纳污能力的科学认识和充分合理利用对水环境保护工作具有重要意义。

通天河及长江源区各河流位于高寒地区，其水体纳污能力具有特殊性。首先，水体含氧量和温度较低，对污染物降解能力弱，水体自净能力差；其次，流域降水量和径流量较少，易受气温、蒸散量、气候变化等多种因素影响而发生改变；此外，不同河段的河型、河宽、流速、水深、流量存在差异。如黄茁等[5](2016年)研究表明，受水体含沙量和区域地质条件的影响，源区不同区域以及年际间的河流水质有一定差异。因此，在充分考虑源区水体自然特性、污染特性以及高原寒旱气候等基础上，针对不同控制河段选择合适的模型，确定自净河长、衰减系数等参数，进行不同水功能区纳污能力的计算显得尤为重要。而目前对长江流域纳污能力研究多集中在中下游河段，尤其是城市江段水环境容量评价与最大纳污量计算等方面[6-8]，鲜见关于长江源区纳污能力及总量控制的研究和报道。

本文基于实测水文及水环境监测资料，选取一维水质模型，对青海省境内通天河及长江源水功能区的纳污能力进行计算，得出了该区域水功能区合理的纳污能力，以期为源区水资源水功能区管理、生态功能区划及自然保护区管理提供相应的理论参考和科学依据。

2 研究区域概况与计算方法

2.1 研究区域自然地理概况

长江河源地区及通天河流域是指青海省南部巴塘河口以上长江干支流的集水区域。其中，自长江源头至楚玛尔河汇入口的集水区域为河源地区；楚玛尔河汇入口以下至玉树县巴塘河的集水区域为通天河流域。该区域北起昆仑山脉，南抵唐古拉山脉，西自乌兰乌拉山、祖尔肯乌拉山，东临巴颜喀拉山，其地理坐标为北纬32°26′～35°45′，东经90°33′～97°15′。自长江源头至巴塘河口止，集水面积约14万km2，占据了青藏高原中腹的广大地带。行政区划分属青海省玉树藏族自治州玉树县、杂多县、治多县、称多县、曲麻莱县和海西蒙古族藏族自治州格尔木市唐古拉乡。

长江源区主要由当曲(南源)、沱沱河(正源)和楚玛尔河(北源)组成；正源沱沱河与南源当曲汇合后称通天河，东南流至青海省玉树县附近，接纳巴塘河后始称金沙江，流域面积约10.87×104km2，平均海拔4 295 m。江源区属高寒半干旱与半湿润气候过渡带，气候寒冷、太阳辐射强、无霜期短，年均气温-5.5～-1.7℃[3,9]。源区的平均降水量和径流深分别为398 mm和113 mm，是长江流域降水量和径流量最少的地区，6—8月份为降水集中期，约占全年降水量的85%以上[4]。本文的研究范围为通天河及江源区干支流，包括沱沱河、当曲、楚玛尔河、通天河干流、莫曲、色吾曲等，流域总面积为14.2万km2，多年平均径流量为134.8亿m3(见图1)。

图1 通天河及江源区水系Fig.1 River system of Tongtian River and the source region of Yangtze River

2.2 研究区域水功能区划

水功能区是为满足水资源合理开发和有效保护的需求，根据水资源的自然条件、功能要求、开发利用现状，按照流域综合规划、水资源保护规划和经济社会发展要求，在相应水域按其主导功能划定并执行相应质量标准的特定区域。水功能区分为水功能一级区和水功能二级区。水功能一级区又分为保护区、缓冲区、开发利用区和保留区4区；水功能二级区在水功能一级区划定的开发利用区中进行划分，分为饮用水源区、工业用水区、农业用水区、渔业用水区、景观娱乐用水区、过渡区和排污控制区7个二级分区[10]。

根据国务院批复的《全国重要江河湖泊水功能区划(2011—2030年)》和青海省政府办公厅印发的《青海省水功能区划(2015—2020年)》，通天河及江源区共包括5个一级水功能区，其中保护区1个，保留区4个，总代表河长1 775 km，水质控制目标均为Ⅱ类(见表1和图2)。

表1 通天河及长江源区水功能区划一览表

图2 通天河及长江源区水功能区划Fig.2 Map of water function regionalization of Tongtian River and the source region of Yangtze River

2.3 计算方法

2.3.1 模型选取

根据《水域纳污能力计算规程》(GB/T25173—2010)中的一维水质模型，将计算河段内多个排污口概化为一个集中的排污口，概化排污口位于河段中部时，相当于一个集中点源，其实际自净长度为河段长的一半，设河段长度为L，则污染物自净长度为L/2[11-12]。计算公式如式(1)和式(2)。

污染物浓度为

(1)

相应的水域纳污能力计算如式(2)所示。

(2)

式中：M为计算单元的纳污能力(g/s)；Q为河段设计流量(m3/s)；Qp为废污水排放流量(m3/s)；Cs为计算单元水质目标值(mg/L)；C0为计算单元上断面污染物浓度(mg/L)；L为河段长度(m)；K为污染物综合降解系数(1/s)；u为设计流速(m/s)。

2.3.2 参数界定

2.3.2.1 控制指标

水污染物控制因子是水体纳污能力计算和污染物总量控制的直接对象。水体污染物种类繁多，影响机理复杂。根据现行水环境监测法规与研究区水污染现状，结合全国水资源综合规划的要求，本研究中通天河及长江源区水体纳污能力和限制排污总量的计算选取化学需氧量(CODCr)和氨氮(NH3-N)为控制指标，对水功能区的现状水质和水质目标进行达标分析。参照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，拟选取的主要参照水质因子及限值标准如表2所示。

表2 主要水质因子及限值标准

2.3.2.2 设计流量

为使纳污能力核定更符合当前河流实际情况，对有长系列水文资料的断面，采用水文站实测流量对历年最枯月流量进行统计，从大到小排列，将频率计算结果点绘成对数频率曲线，用p-Ⅲ型曲线与之适配，根据曲线90%保证率所得流量即为设计流量。对无水文资料的断面，根据适用条件采用水文比拟、降雨径流、相关分析等推求设计流量。考虑来水情况，设计流量采用最枯月90%保证率流量进行计算(表3)。2.3.2.3 控制断面浓度及衰减系数

鉴于通天河及江源区各河流属高寒地区，水中氧含量低，因此计算纳污能力时采用取值范围中的最小值。计算单元的控制断面浓度Cs原则上采用该单元所处功能区水质目标，对于初始断面背景浓度C0，原则上采用水质现状值(见表4)。通天河及江源区各河流纳污能力计算中的综合衰减系数主要采用资料借鉴法[13]，并结合江源区水体的特殊性，对不同河段的衰减系数进行了合理的修正。本文中CODCr和NH3-N的衰减系数取值范围如表5所示。

表3 不同保证率最枯月设计流量和流速成果

表4 水功能区CODCr和NH3-N的C0与Cs值

表5 河流CODCr及NH3-N衰减系数取值范围

3 计算结果与讨论

研究区域水功能区均为保护区、保留区，功能区水质目标均为Ⅱ类，根据水功能区监督管理要求，应严格限制水功能区污染物入河量。为满足水功能区监管要求，对长江三江源自然保护区、聂恰曲治多保留区、称文细曲称多保留区等水功能区的纳污能力及污染物总量控制进行分析。

3.1 现状年纳污能力分析

按照上述拟定的要求，以Ⅱ类水质目标为前提，设计流量采用最枯月90%保证率流量，对现状年通天河及长江源区的CODCr和NH3-N纳污能力进行计算。可知，现状年长江三江源自然保护区CODCr纳污能力为25 116.0 t/a，NH3-N纳污能力为991.0 t/a；布曲格尔木保留区CODCr纳污能力为1 945.0 t/a，NH3-N纳污能力为74.0 t/a；北麓河曲麻莱保留区CODCr纳污能力为155.0 t/a，NH3-N纳污能力为6.0 t/a；聂恰曲治多保留区CODCr纳污能力为158.0 t/a，NH3-N纳污能力为5.0 t/a；称文细曲称多保留区CODCr纳污能力为37.1 t/a，NH3-N纳污能力为3.8 t/a(表6)。

可见，通天河河段纳污能力明显大于正源沱沱河、北源楚玛尔河、南源当曲，而其他河流纳污能力则与实际来水量相符。

表6 纳污能力计算成果

注：除称文细曲采用2012年平均流量作为设计流量外，其余水功能区均采用2012年最枯月流量作为设计流量。

3.2 规划年纳污能力分析

以调查收集项目区城镇人口、工矿企业和第三产业产量产值为主，根据项目区城镇发展总体规划和水资源综合规划需水预测成果，估算规划年(2020年和2030年)废污水产生量和污染物排放量，并根据污染物入河系数估算入河量，确定水域纳污能力(表7)。结果如下：2020年长江三江源自然保护区CODCr纳污能力为38.8t/a，NH3-N纳污能力为5.7 t/a；聂恰曲治多保留区CODCr纳污能力为54.0 t/a，NH3-N纳污能力为6.5 t/a；称文细曲称多保留区CODCr污能力为25.2 t/a，NH3-N纳污能力为2.2 t/a。2030年长江三江源自然保护区CODCr纳污能力为43.8 t/a，NH3-N纳污能力为10.0 t/a；聂恰曲治多保留区CODCr纳污能力为60.9 t/a，NH3-N纳污能力为8.4 t/a；称文细曲称多保留区CODCr纳污能力为28.4 t/a，NH3-N为2.5 t/a。

表7 规划年(2020年和2030年)纳污能力估算成果

3.3 污染物总量控制计算

根据研究区域水功能区纳污能力的估算成果，以现状年和规划年污染物入河量作为总量控制指标，通天河及江源区污染物总量控制方案如表8所示。现状年长江三江源自然保护区CODCr总量控制指标为36.0 t/a，NH3-N总量控制指标为4.0 t/a；聂恰曲治多保留区CODCr总量控制指标为50.0 t/a，NH3-N总量控制指标5.6 t/a；称文细曲称多保留区CODCr总量控制指标为23.9 t/a，NH3-N总量控制指标为2.1 t/a。2020年长江三江源自然保护区CODCr总量控制指标为38.8 t/a，NH3-N总量控制指标为5.7 t/a；聂恰曲治多保留区CODCr总量控制指标为54.0 t/a，NH3-N总量控制指标为6.5 t/a；称文细曲称多保留区CODCr总量控制指标为25.2 t/a，NH3-N总量控制指标为2.2 t/a。2030年长江三江源自然保护区CODCr总量控制指标为43.9 t/a，NH3-N总量控制指标为10.0 t/a；聂恰曲治多保留区CODCr总量控制指标为60.9 t/a，NH3-N总量控制指标为8.4 t/a；称文细曲称多保留区CODCr总量控制指标为28.4 t/a，NH3-N总量控制指标为2.5 t/a。

表8 污染物总量控制方案

3.4 纳污能力计算方法探讨

水域纳污能力的大小与水体特征、水质目标及污染物特性等有关，在实际计算中受模型选取、污染源概化、设计流量和流速、上游污染物浓度以及污染物综合降解系数等设计条件和参数的影响[11]。

3.4.1 模型选取

对于中小型河段，污染物在排入水体后，可以在很短的距离内在河流横断面上混合均匀，适宜采用一维水质计算模型。通天河及江源区不同控制断面的河宽、流速、水深等不尽相同。例如通天河上段河谷开阔，低坡平缓，河槽宽而浅，水流散漫，流速较小，水动力不足，水体自净能力差，近似于平原河网的水环境特征，但受人类活动干扰强度相对较弱。而其下段河道比较顺直，河槽逐渐稳定，水流比降增大，水势汹涌，两岸山势增高，成为典型的峡谷河流。因此，污染物在水体中的平流输移、纵向离散和横向混合特征各不同，进而影响模型的选取。

3.4.2 衰减系数

污染物降解系数反映了污染物在水体中降解的快慢程度，是纳污能力计算中的一个关键参数，其准确性直接影响到纳污能力的计算结果[14]。通天河及江源区各河流位于高寒地区，水体自净能力差，因此，本文在计算纳污能力时采用了取值范围中的最小值。通过已知上、下2个监测断面污染物浓度的实测值，运用模型公式对污染物的降解系数进行反算和率定，并根据不同河段实际情况对降解系数进行修正，得到的纳污能力估算结果更为准确。本文中通天河及江源区各河流纳污能力计算中的综合衰减系数采用了资料借鉴法，可能存在一定的估算误差。

本文基于一维稳态条件下的水质模型，仅对通天河及江源区河流的纳污能力作了初步探讨。考虑到源区地理位置特殊，流域径流量易受气温、蒸散量、气候变化等多种因素影响而发生改变，且不同河段的河型及水文特征存在差异，在充分考虑源区河流的自然和污染特性以及高原寒旱气候特征等的基础上，如何针对不同控制河段选择合适的模型及确定自净河长、衰减系数进行不同水功能区纳污能力的计算，有待进一步研究。

4 结 语

本研究基于不同的设计水文条件，分析了通天河及长江源区各水功能区不同年份的纳污能力及污染物限制排放总量，为源区生态功能区划及生态环境保护和管理提供了重要依据。值得注意的是，虽然长江源区人类活动较弱，生态系统尚稳定，但源区自然生态系统极其敏感、生态环境脆弱，且流域降水量和径流量较少，易受气温、蒸散量、气候变化等多种因素影响而发生改变。因此，应提高源区的环境保护意识，加强源区不同水功能区生态环境的保护和管理，维持源区生态系统的稳定和可持续发展。

[1] 虞孝感. 长江流域生态安全问题及建议[J].自然资源学报, 2002, 17(3): 294-298.

[2] 王得祥, 李轶冰, 杨改河. 江河源区生态环境问题研究现状及进展[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2004, 32(1): 5-10.

[3] 燕华云, 杨贵林, 汪青春. 长江源区径流年内分配时程变化规律分析[J]. 冰川冻土, 2006, 28(4): 526-529.

[4] 陈 进. 长江源区水循环机理探讨[J]. 长江科学院院报, 2013, 30(4): 1-5.

[5] 黄 茁, 刘玥晓, 赵伟华, 等. 长江源区近年水质时空分布特征探析[J]. 长江科学院院报, 2016，33(7): 46-50.

[6]袁 洁. 长江南京夹江段纳污对水域功能影响调查[J]. 环境监测管理与技术, 2005, 17(3): 26-28.

[7] 傅慧源. 长江干流水域纳污能力及限制排污总量研究[J]. 人民长江, 2008, 39 (23): 40-42.

[8] 钱小娟, 陈 艳, 顾爱辉. 长江口北支段纳污能力分析[J]. 水资源保护, 2012, 28(3): 64-67.

[9] 姚玉璧, 杨金虎, 王润元, 等. 50 年长江源区域植被净初级生产力及其影响因素变化特征[J]. 生态环境学报, 2010, 19(11): 2521-2528.

[10]石秋池. 关于水功能区划[J]. 水资源保护, 2002，(3): 58-59.

[11]曾金凤. 东江源区重要江河湖泊水功能区纳污能力及限制排污研究[J]. 人民珠江, 2012, 33(5): 64-67.

[12]路 雨, 苏保林. 河流纳污能力计算方法比较[J]. 水资源保护, 2011, 27(4): 5-9.

[13]郭 儒,李宇斌, 富 国.河流中污染物衰减系数影响因素[J].气象与环境学报, 2008, 24(1): 56-59.

[14]张海欧, 闵 涛, 罗军刚, 等. 基于多模型的渭河陕西段纳污能力研究[J]. 水资源与水工程学报, 2012 (6): 89-93.

(编辑：姜小兰)

Water Environment Capacity and Limit Discharge of Pollutants inTongtian River Basin and the Source Region of Yangtze River

CHAI Yuan-bing1, ZHAO Wei-hua2, GUO Wei-jie2

(1.Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Qinghai Province, Xining 810001, China；2.Department of Basin Water Environment, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

As the origin of the Yangtze River hydrological cycle, the source region of Yangtze River has many important functions of ecosystem services. The changes of water quality and amount together with the unreasonable human activities in the source region have important effects on the sustainable utilization of the water resources in Yangtze River basin. Therefore, researches on the water functions, water environment capacity and control of sewage and pollutant emissions have vital significance for the management of water functional zone. In view of the water quality target of water function area and according to the monitoring data of hydrology and water quality, the pollutart carrying capacity and total limit discharge of pollutants in Tongtian River and the source region of Yangtze River in Qinghai province were studied with the aid of one-dimensional water quality model. Results show that firstly, the pollutant carrying capacity for CODCrand NH3-N of National Nature Reserve of Three Rivers Source was considerably higher than that of other four water function areas including the reserved area of Nieqiaquzhiduo in status year. The pollutant carrying capacity for CODCrand NH3-N of the reserved area of Nieqiaquzhiduo was the highest in planning year. However, the total control amounts for CODCrand NH3-N of the Nieqiaquzhiduo reserved area were higher than those of National Nature Reserve of Three Rivers Source and Chengwenxiqunchengduo reserved area in both status year and planning year. This study could provide theoretical basis for the management of water functional zone and the eco-functional regionalization of the source region of Yangtze River.

Tongtian River; the source region of Yangtze River; pollutant carrying capacity; total limit discharge of pollutants; one-dimensional water quality model

2015-10-21;

2015-12-21

发改委中国清洁发展机制基金赠款项目(2012044)

柴元冰(1979-)，男，浙江衢州人，工程师，主要从事水文水资源方面的研究，(电话)13519750925(电子信箱)57237865@qq.com。

10.11988/ckyyb.20150883

2016,33(10):6-11

X824

A

1001-5485(2016)10-0006-06