基于不同设计水文条件的铁岭水环境容量核算

彭嘉玉，雷坤，乔飞，周刚，张鑫,郝晨林，王淑一

1.北京师范大学水科学研究院，北京 100875 2.中国环境科学研究院国家环境保护河口与海岸带环境重点实验室，北京 100012 3.提赛环科仪器贸易(北京)有限公司，北京 100081



基于不同设计水文条件的铁岭水环境容量核算

彭嘉玉1,2，雷坤2，乔飞2，周刚2，张鑫3,郝晨林2，王淑一2

1.北京师范大学水科学研究院，北京 100875 2.中国环境科学研究院国家环境保护河口与海岸带环境重点实验室，北京 100012 3.提赛环科仪器贸易(北京)有限公司，北京 100081

水环境容量是污染物总量控制的重要理论基础，设计水文条件的选取是水环境容量核算的关键内容。建立了铁岭流域稳态水质模型，计算了在生物学方法(30B3、4B3)和水文学方法(7Q10、30Q10)条件下铁岭控制单元的水环境容量。结果表明：30B3和30Q10设计水文条件下COD水环境容量分别为8 048.74和9 658.49 t/a，氨氮水环境容量为549.15和658.97 t/a；4B3和7Q10设计水文条件下氨氮的水环境容量为439.33和494.26 t/a。传统水文学方法核定的水环境容量与生物学方法核定结果相近，但是其设计流量的保证率偏低，污染防控风险增加。水环境容量与入河污染负荷的核定结果表明，铁岭市经济社会的发展已经超过了其水环境承载力，需优化水库的调节能力，合理配置水资源，以增加河道纳污能力，实现污染防控目标。

水环境容量；设计水文条件；风险控制；水环境管理

自1938年P.E. Forest根据马尔萨斯的《人口论》提出环境容量的概念以来，环境容量逐渐成为污染物总量控制的理论基础[1]。水环境容量是与水生态环境和经济社会活动密切相关的度量尺度，学术界至今未对其概念达成共识。水环境容量的定义，一般是指水体环境在规定的环境目标下所能容纳的污染物数量，容量大小与水体特征、水质目标及污染物特性有关，同时还与污染物的排放方式及时空分布有密切关系[2]。随着中国水环境管理体系从浓度控制、目标总量控制向容量总量控制的转变，实现流域水质目标管理[3]与水功能区限制纳污红线管理[4]，水环境容量理论及计算方法研究的重要性更加凸显。科学计算污染物入河负荷量及水环境容量是水污染物总量控制的关键[5]，而设计水文条件是水环境容量计算风险的控制因素之一[6]，所以，合理确定流域设计水文条件成为水环境容量核算的重点。设计水文条件可以分为传统水文学方法和生物学方法2类，现国内较多采用传统水文学方法作为设计水文条件，特别是标准规范限定不同水体采用单一的水文条件，这一手段略显落后。有必要根据区域地理环境特征，探讨和分析不同设计水文条件下核算的水环境容量的适用性，以期为区域不同风险等级的污染物总量控制提供理论依据。

1 研究区域概况

选取辽宁省铁岭市为研究区域，该市位于辽河流域上游，辽河是其工农业生产及经济发展的命脉。辽河铁岭段全长170.1 km，流域面积13 000 km2，河网水系复杂，水资源丰富，铁岭控制单元水系见图1。辽河铁岭段沿途接纳各支流以及铁岭各县市的生活污水和工业废水，水体污染严重，此外，由于水资源的过度利用，冬季河道断流现象也较为明显，这不仅降低了流域水体的使用功能，还直接影响了辽河下游大中型城市的河流水质。对铁岭控制单元水环境容量进行核算，并进行污染物总量控制，对铁岭市经济社会可持续发展有重要的意义。

图1 铁岭控制单元水系Fig.1 The river system of Tieling control unit

2 研究方法

水环境容量的计算方法大致分为公式法[7]、模型试错法[8]、系统最优化法[9]、概率稀释模型法[10]和未确定数学法[11]等五大类[12]，本文采用系统最优化法。水环境容量计算采用的主要是线性规划和随机规划法，其基本思路：1)基于水动力水质模型，建立所有河段污染物排放量与控制断面水质标准浓度间的动态响应关系；2)以污染物最大允许排放量为目标函数，以各河段都满足规定水质目标为约束方程；3)运用最优化方法(如单纯形法、粒子群算法等)求解每一时段各污染物浓度满足给定水质目标的最大污染负荷；4)将所求区段内的各污染源允许排放负荷加和即得相应区段内的水环境容量。

2.1 控制单元划分和排污口概化

美国TMDL技术导则建议，对于遍布整个流域的问题水体，应该将整个流域划分为更小的控制单元进行研究，而不是将其视为一个集总的流域单元[13]。铁岭控制单元河网水系众多，本研究共模拟20条河流，包括辽河干流铁岭段，辽河一级支流9条，自北向南依次为招苏台河、亮子河、王河、清河、沙河、长发子河、柴河、凡河、万泉河；二级支流7条，分别为条子河、二道河、寇河、马仲河、苔碧河、碾盘河、阿拉河，其中条子河、二道河汇入招苏台河，其余5条汇入清河；三级支流2条，分别为大寇河、大妞河；四级支流2条，分别为小寇河、艾青河。根据一级支流流经区县以及各级河流所控制的子流域范围，将铁岭市划分为38个控制单元，研究区域控制单元划分及概化结果见图2。

图2 铁岭控制单元和水系概化Fig.2 The conceptual figure of control unit and river system

2.2 水质数学模型建立

数学模型的选取要考虑环境管理目标、研究区特征以及是否有足够多的数据等因素[14]。假定河流中的污染物在较短的时间内能够在断面内均匀混合，则在稳态或准稳态下，用稳态水质数学模型模拟河网中污染物排放和污染扩散关系。

c′=[c0Q0+W(或cqq)]/(Q0+q)

(1)

c(x)=c0exp(-kx/u)

(2)

式中：c′为支流或排污口等边界汇入后污染物稀释浓度，mg/L；c0为上游来水污染物浓度，mg/L；Q0为上游来水量，m3/s；W为支流或排污口等边界的污染物排放量，kg/d；cq为支流或排污口等边界汇入浓度，mg/L；q为支流或等边界汇入流量m3/s；c(x)为距离边界下游处控制断面的污染物浓度，mg/L；k为污染物衰减系数，d-1；x为控制断面距离支流或排污口等边界的距离m；u为流速m/s。

2.2.1 参数设定

(1)水动力参数。根据流域内12个大断面的水位流量、断面地形数据，依据河流断面河相关系率定了铁岭境内各河流的水力参数。对于缺乏大断面数据的河流，根据自然地理条件、河道形态等指标，选取相似河道的水力参数。对于水力参数设置不符合实际情况的河流，采用偏安全(偏大)的流速设计(低估可利用的自净容量)。

(2)污染物衰减系数(k)。水质模型中COD综合衰减系数为0.1 d-1，氨氮为0.05 d-1[15]。

2.2.2 模型输入设定

2.2.2.1 设计水文条件

美国国家环境保护局(US EPA)认为，设计流量的计算一般分为水文学方法(xQy)和生物学方法(xBy)，其中x代表允许平均期，指污染物毒性在水体中允许限制超标的幅度和时间，并且使污染物浓度降低到水质标准以下的时期，一般以d计；y代表重现期[16]，指在一定年代的水文要素记录资料统计期间内，大于或等于某强度的水文要素出现一次的平均间隔时间为该水文要素发生频率的倒数。二者差别在于，水文学方法是利用每年内一个极端水文条件进行跨年度的频率分析，按一定风险率来确定设计流量，间接作为毒性污染物负荷控制及总量分配的依据，没有考虑污染物毒性的影响，例如我国在水环境评价及规划时常采用90%保证率最枯月流量或近10年最枯月平均流量[17]；而生物学方法直接采用水生生物水质基准中的单一和综合污染物的特定平均周期和频率来确定设计流量，更接近毒理学的要求[18-19]。最小生态流量采用Tennant方法进行评估，即河道内的最小生态流量近似于多年平均流量的10%。

根据水文学方法、生物学方法的规定，以及最小生态流量的计算方法，利用铁岭控制单元16个水文站1988—2010年23年的水文数据，计算30B3、4B3、7Q10、30Q10的设计流量及河道最小生态流量(表1)，由表1可以看出：水文学方法中，30Q10>7Q10；生物学方法中，30B3>4B3；最小生态流量计算结果最大，为其他4种设计流量的8～300倍。由此可知河道内是极度缺水的状态，已经不能满足最小生态流量的要求，河道丧失生态功能，所以不再考虑用最小生态流量作为水环境容量计算的设计水文条件。

表1 铁岭控制单元水文站设计流量

Table 1 Design flow of hydrological station in Tieling control unit m3s

表1 铁岭控制单元水文站设计流量

设计水文条件福德店通江口铁岭王宝庆宝力镇八棵树清河水库清河水库(输水道)30B30.0100.1001.6540.1840.0100.0480.0100.0104B30.0080.0170.8830.0660.0080.0330.0080.0087Q100.0170.0470.9580.0740.0080.0320.0080.00830Q100.0180.1001.0780.2900.0150.0470.0100.010最小生态流量3.0674.5607.0830.3700.2900.8321.3180.918设计水文条件开原站耿王庄站松树站柴河站榛子岭水库站马虎山梨树站庆云堡站30B30.4050.0100.0100.0100.0101.4180.0100.0104B30.1690.0080.0080.0080.0081.1340.0080.0087Q100.1810.0130.0080.0170.0081.1360.0080.00830Q100.7190.0260.0100.0680.0101.4200.0100.010最小生态流量2.1410.2880.5820.7180.3248.2840.1460.100

根据表1数据建立了辽河流域多年平均流量与30B3、4B3、7Q10、30Q10方法下流量的关系曲线(图3)、辽河支流多年平均流量与集水面积关系曲线(图4)。没有水文站的河流，设计流量通过水文站

图3 辽河流域多年平均流量与设计流量关系Fig.3 Relationship between design flow and multi-annual average flow

图4 辽河支流集水面积与多年平均流量关系Fig.4 Relationship between catchment area and multi-annual average flow

上游集水面积带入图3和图4进行估算。在核定水环境容量时，对传统(耗氧)污染物适用的是30B3和30Q10。氨氮等传统污染物的水环境容量可以用30B3或30Q10作为设计水文条件；若流域污染物排放极不稳定(污水以不处理直接排放为主)，且保护目标是水生生物慢性毒性而不是窒息，也可以用4B3或7Q10作为设计水文条件。

2.2.2.2 污染物背景浓度设置

在选择水质目标时，兼顾各部门水质目标，采用最严格的标准。本研究依据《辽宁省地表水环境区划》以及《辽宁省水功能区划》确定铁岭控制单元地表水系的水质标准，假定汇入支流的水质优于受纳河流水质。

2.2.3 稳态水质模型运行

当模型的水力参数以及污染物衰减系数率定完毕，在最不利的稳态设计水文条件和上游污染物背景浓度条件下，利用式(1)、式(2)得到控制断面与污染物扩散之间的响应关系，继而运用线性规划方法，得到稳态设计水文条件下铁岭控制单元最优化的水环境容量。

3 水环境容量核算

以污染物入河排放量最大为目标函数，以保证所有控制断面30 d平均浓度3年重现期内超标次数不允许超过1次为约束条件，运用线性优化方法求解时段内最优解，目标函数的求解结果即为核定的水环境容量。

(3)

(4)

式中：决策变量xj为第j个污染源的排放量；aij为第j个源对控制断面i的响应系数，由稳态水质模拟计算得到；ci为控制断面i的水质控制浓度。

在不同设计水文条件下，铁岭市主要河流的水环境容量核定结果如表2所示。由表2可见：在30B3设计水文条件下，铁岭控制单元COD和氨氮水环境容量分别为8 048.74和549.15 t/a；30Q10设计水文条件下，铁岭控制单元COD和氨氮水环境容量分别为9 658.49和658.97 t/a；4B3和7Q10设计水文条件下，铁岭控制单元氨氮的水环境容量分别为439.33和494.26 t/a。

表2 不同设计水文条件下主要河流水环境容量核定

Table 2 The calculation of water environment capacity of main rivers under different design hydrological conditions ta

表2 不同设计水文条件下主要河流水环境容量核定

设计水文条件污染物辽河干流招苏台河亮子河王河清河沙河柴河长发子河凡河万泉河30B3COD5309.762040.00164.8350.01157.1931.5431.68172.4759.7231.54氨氮355.27135.2816.295.6910.961.772.8713.294.623.1130Q10COD6371.712448.00197.8060.01188.6337.8538.02206.9671.6637.85氨氮426.32162.3419.556.8313.152.123.4415.955.543.73设计水文条件污染物辽河干流招苏台河亮子河王河清河沙河柴河长发子河凡河万泉河4B3氨氮284.22108.2213.034.558.771.422.3010.633.702.497Q10氨氮319.75121.7514.665.129.871.602.5911.964.162.80

4 讨论

设计流量的大小、设计流量的保证率、污染物毒性以及水体特征是选择设计水文条件时需要综合考虑的因素。根据地区经济发展状况和污染防控目标，选择适宜的设计水文条件，制定合理的风险控制值，能够有效地保证地区的可持续性发展。

(1)设计流量

由表1可以看到，传统水文学方法与生物学方法设计流量存在一定的差别。由表2可见，传统水文学方法核定的水环境容量与生物学方法的核定结果相近，30Q10略大于30B3，7Q10略大于4B3，且设计流量与水环境容量呈正比。相对于4B3的计算结果7Q10的水环境容量偏高12%，相对于30B3的计算结果30Q10的水环境容量偏高20%。在北方地区，由于缺水和低温因素，河道经常会出现季节性断流的情形，所以在北方地区如果使用传统的水文学方法计算设计流量，虽然核定的水环境容量偏大，但会使得污染防控风险增加。

(2)设计流量的保证率

对福德店等10个水文站的日流量进行频率统计，得到设计流量对应的保证率(表3)。由表3可见，设计保证率为95.46%～99.89%，其中30B3保证率高于30Q10，4B3高于7Q10，可见由生物学方法的设计流量核定的水环境容量要比传统水文学方法偏安全。

表3 各水文站各设计水文条件对应日流量系列保证率

根据铁岭市环境统计数据和现场调研数据核算结果，2013年铁岭市主要污染物COD和氨氮的入河量分别为25 976.77和1 619.96 t，而由表2可以看出，4种设计水文条件核算的水环境容量数值都很小，水环境容量远不能满足当地的排污需求。铁岭市水环境容量偏低，可以归于2个原因：1)虽然铁岭地处辽河流域上游段，水资源量较流域内其他区域丰富，但由于水库不合理调蓄和水资源的不合理配置造成当地水资源年内分配不均，冬季河道甚至出现断流现象，河道丧失纳污功能；2)辽河流域水环境污染严重[20]，污染物背景浓度较高。计算不同设计水文条件下的铁岭控制单元的水环境容量，一方面，为当地水环境管理和污染防治提供多个备选方案；另一方面，偏小的水环境容量显示，水资源已经成为制约当地经济发展的瓶颈，如果要在短期内实现经济可持续发展，只有考虑调水工程，对被调水地区实施生态补偿，而要实现长期的区域经济可持续发展，则需要深入调整区域的用水结构，提高水资源的利用效率，使河道不再断流，污染物持续减排，才能确保经济社会环境的协调发展。

5 结论

(1)在30B3、30Q10设计水文条件下，铁岭控制单元COD的水环境容量分别为8 048.74和9 658.49 t/a，氨氮的水环境容量为549.15和658.97 t/a；在4B3、7Q10设计水文条件下铁岭控制单元氨氮的水环境容量为439.33和494.26 t/a。建议采用COD容量为8 048.74 t/a、氨氮容量为439.33 t/a作为当前水环境总量控制的依据。当城市生活污水处理率及污水厂污染物去除率达到80%时，COD容量可以采用9 658.49 t/a。

(2)传统水文学方法是生物学方法的近似估计，在河道水资源短缺时，传统水文学方法估算的水环境容量较生物学方法偏大近20%，会造成较大的污染防控风险，建议使用生物学方法作为核定水环境容量的设计水文条件。

(3)铁岭市经济社会的发展已经超过了其水环境承载力，建议在水资源允许的条件下，优化水库的调节能力，合理配置水资源，增加枯水期河道水量(调水)，增加河道纳污能力，实现区域阶段性经济发展和污染防控目标。

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Calculation of water environmental capacity in Tieling based on different design hydrological conditions

PENG Jiayu1,2, LEI Kun2, QIAO Fei2, ZHOU Gang2, ZHANG Xin3, HAO Chenlin2, WANG Shuyi2

1.College of Water Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Estuarine and Coastal Environment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.TSI Instrument Trading (Beijing) Co., Ltd, Beijing 100081, China

Water environment capacity (WEC) is an important theoretical basis of total pollutant control, and the selection of the design hydrological condition is the key step to calculate the WEC. A steady state model of water quality in Tieling section of the Liaohe River Basin was built, and the WEC of Tieling control unit was calculated under 30B3, 4B3, 7Q10, 30Q10 design hydrological conditions. Under the 30B3 and 30Q10 design hydrological conditions, the WEC of COD was 8 048.74 and 9 658.49 ta, respectively, while that of ammonia nitrogen was 549.15 and 658.97 ta, respectively. Under the 4B3 and 7Q10 design hydrological conditions, the WEC of ammonia nitrogen was 439.33 and 494.26 ta, respectively. The WEC calculated by traditional hydrological method is similar with the result of ecological security method, but the daily flow guarantee rate of traditional hydrological method is relative low, which leads to the increase of pollution prevention and control risk. According to the calculation result of WEC and pollution load discharge into the river, the development of Tieling City has exceeded the water environment carrying capacity. In order to increase the pollution carry capacity and achieve the pollution prevention objectives, it is imperative to optimize the adjustment capacity of the reservoirs and rationally allocate the water resources.

water environmental capacity(WEC); design hydrological condition; risk control; water environment management

2016-12-20

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07505-005，2013ZX07501005)

彭嘉玉(1985—)，女，博士，研究方向为水污染控制和治理，pengjiayu@craes.org.cn

X26

1674-991X(2017)04-0470-07

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.04.064

彭嘉玉，雷坤，乔飞,等.基于不同设计水文条件的铁岭水环境容量核算[J].环境工程技术学报,2017,7(4):470-476.

PENG J Y, LEI K, QIAO F, et al.Calculation of water environmental capacity in Tieling based on different design hydrological conditions[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(4):470-476.