基于负荷历时曲线法的东苕溪纳污能力研究

嵇灵烨，王飞儿*，俞洁，叶真男

（1.浙江大学环境与资源学院，杭州310058；2.浙江省环境监测中心，杭州310012）

人口急剧增长和经济快速发展使水环境承受的压力日益增大，流域水环境污染已成为影响区域发展的瓶颈。自20世纪80年代起，流域水质目标管理陆续成为发达国家水环境管理的主要模式，总量控制是流域水质目标管理的重要内容之一。我国自“九五”开始实施污染物总量控制政策，并相继在海河、淮河、辽河等流域开展实际应用[1]，在遏制水环境恶化方面起到了一定的作用。然而，我国污染物总量控制为浓度与目标总量控制相结合的模式，这种模式忽略了污染物控制总量与水质响应的关系，目标制定存在一定的主观性与盲目性。因此，基于水质响应关系的容量总量控制将是下阶段流域水质目标管理的核心，也是今后水环境管理的重要手段[2]。

容量总量控制以水质目标为依据进行水体纳污容量的计算，即受纳水体允许排放总量的计算，并将允许排放总量在区域间或污染源间进行合理分配，因此，水体环境容量（纳污能力）计算是容量总量控制的首要任务[3]。环境容量计算方法众多，包括水动力模型法[4]、流域负荷模型[5]、输出系数法[6]等，这些方法多以特定水文条件作为限制条件进行环境容量计算，很难快速反映出水环境容量实际变化规律[7]，同时，因为建模成本比较高，在实际应用过程中受到较大的限制。负荷历时曲线法将水质控制目标与实际流量相关联开展水体纳污能力计算，根据流量变化可直观了解环境容量的动态变化情况。

东苕溪流域位于浙江省北部，地跨杭州、湖州的4个县市区。东苕溪发源于浙江省境内天目山南麓，属于山溪性河流，上游由南苕溪、北苕溪、中苕溪汇流组成，源短流急，下游与杭嘉湖平原河网相连，流速缓慢。流域内社会经济发达，农业非点源污染为该区主要污染物。受水文及农业面源影响，东苕溪流域水质也呈现出季节性变化。本研究将负荷历时曲线应用于东苕溪容量总量控制，解析流域内纳污能力的时空变化规律，并结合水质现状，计算流域的剩余环境容量，为流域内环境资源合理配置与污染治理提供依据。

1 材料与方法

开展基于水质目标的污染物总量控制的前提是掌握流域水体纳污能力，即环境容量。在根据纳污能力确定区域污染物允许排放量后，与区域污染排放量进行对比，便可进行后续污染物削减与分配。本研究采用负荷历时曲线法解析流域水体纳污能力。

1.1 负荷历时曲线法

负荷历时曲线法于1959年由SEARCY[8]首次提出，是一种利用流量数据图解进行水体纳污能力计算分析的方法，在使用初期主要以流量历时曲线的形式阐述自然地理、气候对流域水文响应的影响。采用负荷历时曲线法开展纳污能力计算包含以下步骤[9]：

1）构建流量历时曲线，以y轴代表流量，x轴代表累积频率，将设计断面的流量值从大到小排序；

2）确定水体水质管理目标，根据研究区水功能区划和研究区水质管理要求明确研究水体主要功能，确定水质控制标准值[10]；

3）构建负荷历时曲线，将流量历时曲线与水质控制标准值相乘，即为负荷历时曲线。

同时，将实测水质数据与其对应监测时间流量相乘，获得监测时间对应的实际负荷。根据流量对应的累计频率将实际负荷以散点的形式绘于负荷历时曲线中进行比较：当该点高于负荷历时曲线时，则认为该时刻的负荷排放超过水体允许纳污量，需要进行负荷削减；当该点低于负荷历时曲线时，则认为该时刻负荷排放在水体允许纳污量范围内。

1.2 数据来源

为全面了解东苕溪流域纳污能力的时空变化，研究结合区域行政区划与水系分布情况，选取流域上游瓶窑（上游汇流点，控制临安区与余杭区除良渚镇、瓶窑镇外区域）、中游德清大闸（余杭与德清交界上部，控制临安区、余杭区及德清县三合乡）与洛舍闸（德清与吴兴交界，控制临安、余杭、德清3区县市）、下游吴沈门（东苕溪流域出口，控制东苕溪全流域）4个水文站点作为控制断面（图1）。以各站点2011—2014年日均实测流量数据为依据，建立流量历时曲线。通过前期水质分析，设定氨氮为控制指标。根据浙江省水环境功能区划，苕溪流域水体水质控制目标为地表水Ⅲ类，氨氮水质控制标准值为1 mg/L。

图1 研究区域各站点位置分布Fig.1 Site location of research area

为探讨环境剩余纳污能力的变化情况，选择水文站点附近设置水质监测断面，进行定期水质监测，以了解东苕溪流域排污状况。其中，瓶窑大桥对应瓶窑站点，奉口对应德清大闸站点，东升对应洛舍闸站点，鲍山对应吴沈门站点。水质监测频率除鲍山为两月一测外，均一月一测。

2 结果与分析

2.1 纳污能力空间变化特征

结合流量历时曲线与水质控制目标获得4个站点的负荷历时曲线（图2）。据水文特征条件将负荷历时曲线分为5个流量区间：累计频率在0%～10%的高流量区（HFI）；累计频率在10%～40%的丰水区（MCI）；累计频率在40%～60%的中流量区（MFI）；累计频率在60%～90%的枯水区（DCI）；累计频率在90%～100%的低流量区（LFI）。

由图2可知，4个站点的负荷历时曲线均呈“S”形分布。纳污能力较强的为下游吴沈门站点，该站点的纳污能力在80%的时间内大于其他3个站点；上游瓶窑站点高流量区间纳污能力在4个站点中最强，而在50%～100%累计频率中又是4个站点里纳污能力最弱的站点，纳污能力波动较大；中游德清大闸与洛舍闸站点负荷历时曲线相似度较高，洛舍闸站点纳污能力略强于德清大闸站点。以各历时区间中点对应的负荷历时曲线值作为各区间内氨氮纳污能力[11]，各流量区间内氨氮纳污能力见表1。从中可以看出，各计算结果与图2负荷历时曲线变化趋势基本一致，下游站点纳污能力大于上游，尤其是丰水区、中流量区、枯水区。其中，下游吴沈门站点枯水区纳污能力分别是上游瓶窑、中游德清大闸和洛舍闸站点的4.8倍、2.7倍、2.3倍，中流量区与丰水区吴沈门站点纳污能力也至少为上游站点的2倍及以上。此外，在低流量区间，还出现中游站点纳污能力大于下游站点的现象。综上所述，流域纳污能力在空间上随着河道的汇流逐渐增大，且上游站点的纳污能力波动性较大。

图2 各站点负荷历时曲线图Fig.2 Load duration curve of all sites

2.2 纳污能力时间变化特征

在各站点负荷历时曲线绘制与纳污能力计算基础上，以月份、季节、水期为研究尺度，探究纳污能力在时间上的变化规律。

根据各站点负荷历时曲线，以月为时间尺度，得到各月份不同流量保证率下的氨氮纳污能力。由图3可知：上游瓶窑站点与中游德清大闸、洛舍闸站点纳污能力年内变化趋势基本一致，峰值出现在6月，最小值出现在11月，且纳污能力在3月有明显增强，随后在4月回落；下游吴沈门站点与上游3个站点有明显差别，1—6月纳污能力平稳波动，7—9月纳污能力显著增大，10—12月逐渐减小并趋于平稳。

表1 各站点不同流量区间纳污能力Table 1 Assimilative capacity of different flow intervals in all sites t/d

在各月负荷历时曲线基础上，根据东苕溪流域所属地区常规季节划分，得到各季节不同流量保证率下氨氮纳污能力。东苕溪流域位于季风区，四季分明，因此纳污能力在季节尺度上有显著变化。由图3可知：4个站点均为夏季纳污能力较强；中游德清大闸、洛舍闸站点冬季纳污能力较弱，春秋2季纳污能力基本一致；下游吴沈门站，春冬2季纳污能力较弱，秋季纳污能力强于春冬2季；上游瓶窑站点则是秋季纳污能力最弱，冬季次之，春季纳污能力反而强于秋冬2季。

同时，在各月负荷历时曲线基础上，以每年6—9月为丰水期，3—5月、10月为平水期，11月至翌年2月为枯水期，构建各水期负荷历时曲线，得到各水期不同流量保证率下的氨氮纳污能力。由图3可知，4个站点各水期纳污能力变化情况一致，均为丰水期＞平水期＞枯水期。丰水期流域水体纳污能力分别是平水期的1.7倍、枯水期的2.4倍。

从图3中可以看出，中游2个站点在不同时间尺度下纳污能力变化趋势基本一致，相反，上下游站点纳污能力变化趋势各不同。此外，上游瓶窑站点表现出了极大波动性，站点纳污能力出现大于中游甚至下游站点的现象。图3中50%累积频率值与平均值点所处相对位置也能够说明这种波动性。中游吴沈门站点50%累积频率值与平均值点位置基本一致，其余3站点平均值点所处位置均高出50%累积频率值所处位置。

负荷历时曲线中纳污能力的计算以河道流量为依据。下游吴沈门站点位于靠近杭嘉湖平原地区，地势平缓、河网错综复杂，除东苕溪外，多条河道、溪流在此交错。相较上游与中游河道，下游河道具有更好的连通性。而较好的河网河道连通性有利于提高水资源的配置，抵御水旱灾害，维护河道健康[12]，因此，下游河道对流量的调节能力优于上游地区，下游流量的整体波动性较小，对应的各时间尺度内纳污能力统计值波动较小。反之，作为山溪性河流的中上游，河道调蓄能力差，受降雨的影响大，遇到降雨事件易出现水位暴涨、流量暴增的现象[13]，但旱季河道水量较小，因此，中上游地区河道的流量整体波动性较大，对应的各时间尺度内纳污能力统计值波动较大。

图3 各站点不同时间尺度纳污能力变化情况Fig.3 Assimilative capacity variation of all sites at different time scales

2.3 剩余纳污量变化特征

将水质数据与对应流量相乘，获得河流实际受纳负荷（包括本底负荷），并与负荷历时曲线进行比较。由图4可知，4个站点整体水质状况较好，但在不同时段仍有污染负荷超量排放的情况。上游瓶窑站点与中游德清大闸站点均在枯水区出现污染负荷排放超过允许排放量的现象，但出现频率较低。中游洛舍闸站点在高流量区、丰水区、中流量区出现污染负荷排放超过允许排放量的情况，且在丰水区、中流量区交界处出现频率较高。下游吴沈门站点污染负荷排放则在低流量区出现超过允许排放量的情况。

图4 各站点间负荷历时曲线与受纳负荷量Fig.4 Actual load and load duration curve in different flow intervals of all sites

取各站点各历时区间所含受纳负荷均值，与表1中允许排放量进行比较，获得各站点各历时区间剩余纳污量（图5）。从中可知，除洛舍闸站点外，其余3个站点不同历时区间剩余纳污能力均表现为高流量区＞丰水区＞中流量区＞枯水区＞低流量区，且剩余纳污量远大于实际负荷，说明目前该3站点水质相对稳定达标。洛舍闸站点虽然在高流量区存在剩余纳污能力，但实际输入负荷量较大，导致剩余纳污能力有限，仅占了纳污能力的16.6%，同样在丰水区，站点的实际负荷与剩余负荷大小基本一致。

不同站点的剩余纳污量在不同水期表现出不同的变化规律，这与地区产业结构布局有相当大的关系。中游地区与中上游交界地区是东苕溪流域主要的农业、养殖业产区，发达的农业、养殖业会带来较高的非点源污染流失风险[14]。高流量区、丰水区水流流量较大，水流对地表的冲刷使得农业、养殖业非点源污染大量释放从而进入水体，转化为污染负荷，因而剩余纳污量较少。此外，吴沈门低流量区站点实际负荷与剩余负荷大小也基本一致，而非其他站点表现出的剩余纳污量远大于实际负荷。低流量区流量较小、非点源污染较少，因此该时间段点源污染排放占主导地位。吴沈门站点位于流域出口，与湖州市下游平原河网相接，地区人口聚集度高，社会经济发展程度高，生活污水、企业污水等点源排放较多，所以剩余纳污量较少。

3 讨论

图5 各站点不同历时区间受纳负荷量与剩余纳污量Fig.5 Assimilative capacity and residual assimilative capacity in different flow intervals of all sites

本研究利用负荷历时曲线法估算流域水体纳污能力，该方法原理简单，计算过程简便，能较直观地反映流域水体纳污能力的时空变化。相对机制性水质模型而言，负荷历时曲线具有高效性、简便性等优势。但在应用中，我们也发现了该方法的一些局限性。首先，总量控制中的环境容量由稀释容量、自净容量、迁移容量3部分组成[15]，负荷历时曲线以流量为依据计算所得纳污能力仅为稀释容量，不包含自净容量、迁移容量；与纳入水动力模块、富营养化模块与泥沙模块的水质模型相比，该方法计算所得纳污量偏小。其次，负荷历时曲线以站点汇流总流量开展环境容量的计算，忽视了非站点上游各支流流量，导致计算结果与实际环境容量存在较大的误差。此外，负荷历时曲线法只考虑流量与水质目标，但在不同流量下，污染负荷输入变化也较大，因此很难采用负荷历时曲线法对不同污染源进行管控。在低流量区与枯水区，非点源污染入河量也随径流量减少而减少，这2个区间纳污能力基本上代表了点源最大允许排污量，因此计算结果对非点源的削控指导意义不大；在高流量区与丰水区，非点源污染随地表径流大量产生及排入，这2个区间纳污能力基本上代表了非点源与点源的允许最大排污量，因此，如何在保证效率的基础上对该方法进行优化改进十分必要。

此外，在结合实测水质探究区域污染排放现状过程中，由于现行环境监测体系不完整，水质监测站点与水量监测站点不完全配套，大部分站点未实现水质水量同步监测，再加上水质监测频率较低，导致研究结果具有一定的不确定性。

4 结论

本研究以东苕溪流域水文监测资料为依据，利用负荷历时曲线探究流域内水体纳污能力时空变化特征，计算各断面不同流量区间水体纳污能力及剩余纳污量的变化规律。研究结果表明，以山溪性河流为特征的流域纳污能力季节性变化幅度较大，丰水期的水体纳污能力远大于枯水期，这也对按季节进行总量控制提出了难点。同时，剩余纳污量结果显示，随着流量减少，剩余纳污量也逐渐减少，区域污染负荷控制压力不断增大。

本研究基于水文条件对环境容量的影响，采用负荷历时曲线计算水体纳污能力，并利用监测水质计算剩余纳污量。该方法虽然仍存在一定的局限性，但因计算过程简便、数据需求量少、模型应用成本较低，在我国由目标总量控制向容量总量控制的转变过程中，具有一定的应用优势。

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