浑太河流域动态水环境容量设计水文条件研究

张 剑，付意成，韩会玲

(1. 河北农业大学城乡建设学院，河北保定071000；2.中国水利水电科学研究院，北京100038)

0 引 言

水体水文过程在地理、气象自然因子的影响下显现出动态变化特征，因此，水体水环境容量并非常数恒定不变。对基于过于保守或过于宽限的水文条件确定的水环境容量均具有局限性，难以反映水体水质随时间和空间变化表现出的多变特性。河流的设计水文条件主要包括水位、流速和流量，湖库的设计水文条件主要指水位、库容和湖水流入流出量[1,2]。一般条件下，水文条件的年际、月际变化较大。本文按照流域综合统筹的原则，针对多类型水文条件及控制性水工程调控情景，按照水体类型特点(河流、湖库、河口等)，遵循流域水量过程和化学过程连续的基本要求，提出满足不同水质达标管理要求的水环境容量计算水文条件设计方法。合理确定断面的设计流量成为进行水环境容量计算的关键。对于断面设计流速，可以采用实际测量数据，但需要转化为设计条件下的流速。

流域的水环境容量一般指在给定流域范围、水质目标及设计流量条件下，该流域的最大允许纳污量[3-5]。单一设计水文条件下的水环境容量难以反映由于季节变化引起的时间动态特性。水环境容量的确定主要与设计水文条件相关。TMDL方案执行过程中提出了设计水文条件的使用导则，我国也在20世纪80年代将设计水文条件作为容量计算风险的控制因素之一[6-8]。在设计水文条件的使用上，对于南方河流确定河流的设计保证率流量，往往为90%保证率的河流最枯流量时期内一定天数的平均值；对于北方山溪性河流，枯水期流量很小，会出现断流现象，丰水期水位暴涨暴落，这类河流一般设计流量按照75%保证率下的最枯月平均流量确定。但设计水文条件在使用过程中存在一定的盲目性，导致水环境容量计算结果受人为影响较大。利用合适尺度的水质模型，借助设计水文条件的变动特征进行动态水环境容量计算是实现流域水质目标管理的关键。

水环境容量的计算方法主要包括确定性和非确定性方法两类，确定性方法以机理性水质模拟模型和物理验证为主要手段，研究方法主要包括模型试错法、数值解析法、模拟优化法。非确定性方法主要通过引入限制性条件因素，定量计算安全系数及控制风险等指标，结果可靠性高[9,10]。随着盲数理论和三角模糊技术等模糊判定及数字化分析技术的引入，水环境容量计算的思路和方法有所拓展，但由于大量实测数据获取与变量参数求解过程复杂，难以大规模的应用铺开[11-13]。但上述水环境容量的计算仅限于单一水文条件，对流域实际动态变化的水文条件难以满足，如在容量总量控制应用的过程中，入河总污染物量达到容量要求，但局部断面仍可出现水质超标的现象[14]。为此，动态水环境容量计算过程中应结合多种设计水文条件，合理确定关键水文参数，利用水质模拟模型动态确定，以反映水环境容量在不同水期的动态变化特征。

1 研究区概况

浑太河流域位于辽宁省东部地区，流域面积2.73 万km2，由浑河、太子河、大辽河水系构成。浑太河流域行政区包括抚顺市、沈阳市、本溪市、辽阳市、鞍山市、营口市、盘锦市大部分、铁岭市一部分以及丹东市的小部分，行政区面积占全省面积的18.7%，是辽宁省乃至东北地区重要的经济中心。浑河全长415 km，太子河长413 km，两者均发源于长白山脉，在三岔河附近汇合后称大辽河，大辽河全长96 km，在辽宁省营口市入渤海。流域处于暖温带湿润-半湿润季风气候，地形以丘陵为主，植被类型多为落叶阔叶林。流域多年平均最大径流量为76.32 亿m3，主要集中在汛期的6-9月。浑河、太子河流经我国东北老工业基地(抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、本溪等)，遭受工业点源污染较为严重。

由于点源污染不断增加而废污水达标和处理程度低，面源污染日渐严重而缺乏有效防控措施，进入水体的污染物不断增加。加之浑太河流域的许多河流(段)污染物入河量远超过河段的水环境容量，水环境污染问题较为严重。通过对流域水质现状与污染变化趋势进行分析可知，浑太河流域水污染以有机污染为主，尤其是含氮有机物污染。部分河段由于工业未达标废水的排放，造成挥发性酚、硝基化合物等特征污染物超标严重。

2 水文条件设计方法

2.1 计算单元划定

计算单元是水环境容量总量控制的基础，它隐含了均匀性假定。一个或多个计算单元能够组成完整的行政区和水资源分区，便于分类统计，同时要与水功能区划相协调，尽量满足排污减控与水质模拟分析计算要求。对于计算单元的划分以辽河流域水资源综合规划、水资源分区、水功能区划的基本要求为依据，在考虑行政区降水特性及流域/区域排水综合管理要求基础上，针对河流污染物整体削减的系统性，采用四级水资源分区套地市的方法将浑太河流域划为29个计算单元(将水资源四级分区与对应的每个县进行组合)，保证计算单元边界与水资源分区边界一致性，同时确保计算单元内污染物产生及入河过程与用水、降水过程的匹配性。计算单元具有点线面特征，将排污口-水功能区-区域产业结构布局紧密结合在一起，能够为水环境容量计算结果的合理性及可行性判断提供检验平台。

2.2 设计流量

受河道径流特性、社会经济水平、污染程度差异的影响, 水环境容量测算时选取的设计流量条件应有所不同。通常情况下，90%保证率最枯月径流量对应的单一水环境容量有限，为此，应综合考虑径流调节工程、调度运行方式对水环境容量计算过程的影响。河流径流的丰枯变化决定了水环境容量随时间具有动态变化特征。利用经验适线法进行理论频率曲线(皮尔逊III型曲线)配线，确定不同频率对应的设计流量。采用不同方法确定设计流量时，控制点(两功能区或干流与支流交汇断面)的流量作为上一功能区设计流量，下一控制点流量作为下一功能区设计流量，以此类推；各功能区所在河道的径流量上下一致，忽略支流对干流流量的影响。在污染物质浓度不超过一定限制的情况下，流域水环境容量和设计流量成正比，因此，设计流量的确定是进行河段水环境容量计算和分配的关键。

由于水文条件、水体化学物质的季节性变化，水环境容量具有随时间动态变化特性，因此，在单一设计水文条件下单纯计算静态水环境容量稍显欠缺。为避免全年采用单一水环境容量限制污染排放量造成的“丰欠枯超”现象，并为满足北方河流的水环境管理需求，采用分期设计流量实现北方河流水环境容量季节多变这一目标。

2.2.1 典型年设计流量

典型年法主要适用于流量年内时段变化较大、影响因素众多且相互关系复杂、流量推算难度较大的流域。浑太河流域河流具有受人为影响大、流量还原失真性大的特点。本文在站点径流数据有限的情况下，选取90%保证率对应的枯水年流量为设计值，在尽量符合流域水文发展态势的前提下确定典型年(同条件下优先选择近期水文年为典型年)，以此进行水文站点流量年内分配计算。

2.2.2 分期设计流量

当前对水环境容量的计算基本上以一定保证率下的枯水期流量为基础。对于径流量季节变化大、Cv值悬殊，枯水期流量低或断流的河流，如果仅以最不利条件下的环境容量为基础制定污染物总量控制方案，势必会造成“丰水容量浪费、枯水容量不足”的现象，给区域水污染治理投入带来很大压力，无法促进社会、经济、水环境闭合系统的可持续发展。

单一设计水文条件通常以90%保证率月平均流量或近10 a最枯月平均流量作为设计流量。如果以单一设计流量条件下的水环境容量制约丰水期污染物排放量，造成水环境容量浪费，同时加大污水处理成本。流域水环境容量具有动态变化特征。因此，借鉴动态水环境容量计算相关规定，对于年内水文情势变化较大流域宜采用选用枯水期、平水期、丰水期进行分期流量设计。

针对浑太河流域流量、水质参数受水期、温度变化影响较大的现象，本文分丰(6-9月)平(3-5月、10月)枯(11-翌年2月)水期进行设计流量确定。研究中依据丰、平、枯3个水期内河流污染负荷的来源、降水强度及水质水量相关关系的差异，在划分水期的基础上，针对不同水期月份的径流特点选择典型流量作为分阶段水环境容量的计算依据。

2.2.3 冰期非冰期设计流量

针对北方干旱区河流具有年内分配不均、年际变化大、冰凌期水量明显减少的特点，为最大程度利用水体自净能力对流域污染物的减控功效，考虑到不同时段水化学作用、物理消减程度强弱等的差异，按照冻期和非冰冻期两个时段确定河流的设计流量[15]。冬季冰封下水流流量减少，速度变缓，污染物稀释扩散活动减弱降低; 同时河面被冰层覆盖，水体复氧能力降低；加之低温条件下微生物的降解活性也降低，因此，水体自净能力减弱，冰封期水环境容量小于非冰封期[16]。以浑太河沈阳段2005年的监测数据为依据，冰冻期与非冰封期COD水环境容量的比值为38∶62，因此在确保安全余量留足的情况下，应充分利用非冰期水体的自净作用，以求实现环境正效益和经济正增长的双赢。前人研究表明，非冰封期与冰封期COD、NH3-N的降解系数比值约为7∶3[17]。因此，温度变化对水环境容量计算值影响较大。研究中选用长系列实测月平均流量作为设计流量的计算系列。采用水文频率法对控制站点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) 和各月平均流量进行分析。对于径流资料系列缺少的控制断面设计流量采用水文比拟法确定流量。

以全年90%保证率月平均流量计算值作为设计流量全年控制线；以非冰封期和冰封期90% 保证率月均流量作为设计流量分期控制线；以12 个月90% 保证率月平均流量作为设计流量分月控制线。以各月3 条控制线中最大值和最小值作为设计流量上、下控制线。设计流量控制外包线的时间动态特性体现出水环境容量具有动态变化性(非冰期值远高于冰期水环境容量)。

2.2.4 设计方案确定

设计流量的确定对流速计算、水环境容量确定的影响较大。在设计方案确定中应充分利用水环境容量，合理进行污染物治理成本投入，在考虑天然、人为因素对水体改善、功能维持的影响下，给出设计流量确定方案，见表1。

表1 设计流量方案确定

对于高流量的中的极高值和低流量中的极低值，可作为特殊水文情势下(如洪水过程或者极枯水文条件)的设计流量，以体现极端不利水文条件对河流水环境容量的影响。对于流域内陆的极端洪涝也可采用洪峰流量作为标准，将洪峰流量排频，使用百分位值进行判定；对于入海口的极端洪涝采用排频水位的百分位值标示极端水位阈值。在资料充足的情况下，可将长系列日流量资料中高于90% 频率的流量作为特枯流量，取各月特枯流量值的中值为典型特枯流量值；同时将流量值低于25%日流量频率流量过程定义为高流量过程[18]。

3 水文条件设计

3.1 最小生态流量

为消除浑太河流域下游水库回水对河道径流造成的影响，本文选取流域代表性15个水文站(浑河流域：北口前、黄腊坨、邢家窝棚、沈阳、东洲；太子河流域：立山、桥头、梨庇峪、郝家店、本溪、二道河子、南甸峪、小林子、海城、唐马寨)1988-2008年的信息资料，采用水文学方法30Q10、7Q10以及生物学方法30B3、4B3进行设计流量的计算(表2)。浑太河流域15个水文站流量信息基本上能够反映河流径流的多年变化状况，并且能够满足河流生态用水需求。

3.2 分水期设计流量

本文针对浑河水系5个水文测站、太子河水系10个水文测站依据90%保证率最枯月平均流量确定站点分期设计流量。计算中依据12个月90%保证率流量进行分期设计流量的确定。浑太河流域分期设计流量计算结果见表3。

3.3 分冰期设计流量

本文选择浑河水系5个水文测站、太子河水系10个水文测站按照冰封期、非冰封期进行流量设计。计算给出12个月90%保证率流量，以对冰期、非冰期流量设计值的合理性进行验证。浑太河流域分冰期设计流量见表4。

表2 浑太河流域最小生态流量计算结果

表3 浑太河流域断面分期设计流量 m3/s

4 水环境容量计算

4.1 计算方法

本文结合动态设计水文条件，在确定流域典型污染物分期、分区参数的基础上，借助解析公式法和优化模拟算法，考虑到浑太河流域水文和水力学特征，针对不同排污口现状采取不同的计算方法确定水环境容量。

4.1.1 零维水环境容量计算

借助水量水质模型，模拟计算河道中污染物的时空分布及功能区控制断面污染物浓度，利用一维水环境容量模型进行分期设计水文条件下的水环境容量计算：

W=86.4×(Cs/α-Cc)×Q

(1)

式中：W为水功能区水环境容量，kg/d；α为稀释流量比，α=Q/(Q+q)；Q为上游断面设计流量，m3/s；q为区间旁侧入流量，m3/s；Cs为功能区水质目标，mg/L；Cc为模拟计算得到的功能区下游断面水质，mg/L。

表4 浑太河流域冰期非冰期设计流量 m3/s

4.1.2 一维水环境容量计算

针对浑太河流域水污染严重、水质差的现状，为达到最严格水资源管理中的水功能区污染物入河量控制红线要求，考虑到流域发展实际及污水处理水平，将规划水平年的水环境容量在设计流量下定为同一值进行污染物排放总量控制。为确保水环境容量的准确性，以辽宁省水功能区划对河流水环境容量的总体控制要求为基准，按照污染物在河段顶端、中间、均匀排放3种情形给出水环境容量的稳态解析解。具体计算公式为：

(1)污染物顶端排放：

W=31.536×{[Cs-C0×exp(-k×l/u)]×

Q}/exp(-k×l/u)

(2)

(2)污染物中间排放：

W=31.536×{[Cs-C0×exp(-k×l/u)]×

Q}/exp(-k×l/2u)

(3)

(3)污染物均匀排放：

W=31.536×{[Cs-C0×exp(-k×l/u)]×

(Q×k×l)/u}/[1-exp(-k×l/u)]

(4)

式中：W为河流的水环境容量，t/a；Cs、C0分别为目标断面、起始断面水质浓度，mg/L；Q为断面设计流量，m3/s；u为断面设计流速，m/s；K为降解系数，L/d；l为水功能区长度，m。

为充分利用水体自净消减能力，本文以分水期(封冰期、非封冰期、全年期)设计流量外包线为依据，以三者最大值作为设计流量控制线(上控制线)进行水环境容量计算；基于偏安全角度，采用三者最小值作为设计流量控制线(下控制线)确定水环境容量。

4.2 计算结果

本文借助浑太河流域水功能区划定结果，考虑到分区、分期设计水文条件的差异，在确定差异参数的基础上，分类给出流域水环境容量。计算中对于水功能区水质保护目标的取值采用GB3838-2002中水质类别的端点值；对于排污控制区水质目标一般取上一水功能区的水质控制目标；计算中为最大程度的利用河道水体的水环境容量，采用断面末端控制；计算中将湖库作为河流中的重要节点，依据河流水功能区的长度计算COD、氨氮对应的水环境容量。

水环境容量受水文条件、温度、污染物特性的影响，不可能为一定制。本文在流域水文站点资料有限的情况下，分月计算最小生态流量、分期设计流量、冰期设计流量对应的水环境容量，借助水环境容量外包线确定不同情景下的动态水环境容量。浑太河流域COD水环境容量总量为144 626 t，枯水期、平水期、丰水期的水环境容量分别占总量的16.2%、35.4%、48.4%；氨氮水环境容量为9 776 t，枯水期、平水期、丰水期的水环境容量分别占总量的16.2%、35.4%、48.4%。浑河干流、太子河干流、大辽河干流、汤河水环境容量年内分配变化见图1(以COD为例)。

本文为保证区域主要河流水质达标、严格控制污染物排放量，利用最小生态流量情境下的水环境容量作为限排控制底线，高线则根据实际情况另行确定。对于计算单元水环境容量计算结果反映了区域所在河流的承污染物，但并非为限定区域发展的唯一标准，区域内部存在排污权交易和基于经济发展的内部交换，因此，在某些情况下陆域水环境容量的再分配也是促进区域排污格局发生变化的主要因素。

图1 浑太河流域主要河流水环境容量年内分配

5 讨 论

单一设计水文条件下的水环境容量难以反映由于季节变化引起的时间动态特性。本文利用合适尺度的水质模型，借助设计水文条件的动态特征进行水环境容量计算。动态水环境容量结合多种设计水文条件，利用水质模拟模型和水功能区水质目标要求，分时段计算水环境容量，以反映水环境容量在不同水期的动态变化。本文给出的分期设计水环境容量的计算结果体现出水环境容量的动态特性。但水环境容量计算过程中没有完全给出动态水环境容量的确定方法，对长系列年水质达标控制与设计条件下水环境容量的有效衔接问题研究不足，达标后的水体如何更有效的满足于动态的供水需求没有涉及。针对水环境容量计算中背景浓度、面源负荷分配、不确定性因素的确定方法以及非常规或复合污染物的水环境容量计算缺少深入研究，影响了流域水环境容量的计算精度。

□

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