基于负荷历时曲线法的永定河流域河北段磷纳污能力研究

赵杰杰，雷坤，孙明东，徐香勤，程全国*

1.沈阳大学环境学院 2.中国环境科学研究院

近年来，随着经济社会的快速发展，许多区域水环境承受的压力日益增大，水环境污染问题日趋严重。对河流污染负荷总量进行规划，提出有效的流域污染物总量控制方案对于改善河流水质，实现可持续发展具有重要意义[1]。目前河流污染负荷总量控制规划多采用数学模型进行分析[2]，主要包括斯特里特-费尔普斯(S-P)、QUAL、WASP、MIKE和环境流体动力学(EFDC)模型体系等[3]。模型的选择取决于水域的流速、流量、宽深比、迁移扩散速率、温度等诸多因素，但由于我国水环境管理起步较晚，数学模型所需的系统监测数据相比国外较为匮乏，因此基于常规监测数据的分析方法更为适用[4]。常见的非模型方法包括负荷历时曲线(load duration curve，LDC)法、质量平衡法和还原法等[5]，LDC法于1959年由Searcy首次提出[6]，其对数据需求量小且操作简便，一直应用于美国最大日负荷总量(TMDL)计划制定中。LDC法在我国同样被广泛应用，陶子夜[7]将LDC法应用于通顺河武汉段流域TMDL计划制定中；王生愿等[8]将LDC法运用到梁子湖流域容量总量控制中；近年来LDC法更多的与计算机模型相结合应用于流域管理中；嵇灵烨等[9-11]将LDC法与WASP模型相结合应用于东苕溪流域总量控制中；Kim等[12]研发了基于网络的LDC系统，将该系统与谷歌地图相连接可以实现监测数据的可视化，与其他模块集成可以实现对流域TMDL的自动化计算与分析。笔者采用LDC法对永定河流域河北段总磷(TP)纳污能力进行研究，以期为实施有效的水环境管理方案提供科学依据。

1 数据来源与方法

1.1 研究区概况

永定河流域地跨内蒙古、山西、河北、北京、天津5个省(区、市)，总面积为4.7万km2。其上游有洋河、桑干河两大主要汇水河[13]。洋河发源于内蒙古自治区兴和县和山西省杨高县，于河北省张家口市怀安县柴沟堡镇汇合为洋河，流经宣化、下花园等区县后，与桑干河于张家口市怀来县朱官屯汇合后称永定河。洋河与桑干河汇合后流入官厅水库，其汇入流量占官厅水库入库总流量的90%以上[14-16]。官厅水库曾是北京市饮用水的重要供水水源之一，但由于水体受到污染，于1997年退出北京市饮用水供水系统，2007年恢复为北京市应急备用水源地[17]。近年来国内学者对官厅水库及其入库河流开展了大量的研究[18-21]，结果表明，入库河流主要污染指标为化学需氧量(COD)、TP、总氮(TN)、氨氮等，库区水体氮磷比为30∶1，磷是富营养化的限制因子。陈红军[22]研究发现，2004年7—11月官厅水库TP输入量为67.1 t，其中永定河输入量占89.8%。赵建国等[17]研究发现，永定河怀来段TP浓度均值为0.64 mgL，氮磷比年均值为32.78，水体浮游植物总体处于磷限制状态。永定河上游河流中磷污染物是官厅水库主要磷源输入[23-26]，河流中营养盐的累积增加了河流富营养化的风险[27]，也给官厅水库饮用水水源地功能恢复带来潜在风险。笔者选取老鸦庄断面作为洋河支流清水河的代表控制断面，石匣里断面作为桑干河支流的代表控制断面，洋河的左卫断面、响水堡断面、八号桥断面分别作为永定河流域河北段上游、中游和下游的代表控制断面(图1)。选取TP为控制目标，利用LDC法探究永定河流域河北段纳污能力。

图1 研究区断面和水文站分布Fig.1 Location of monitoring sites and hydrologic stations in research area

1.2 数据来源

从张家口市环境科学研究院收集了2010—2016年左卫、响水堡、八号桥、石匣里、老鸦庄断面的水质监测数据以及2002—2016年柴沟堡东站、柴沟堡南二站、张家口二站、石匣里二站、响水堡水文站的逐日平均流量数据。以就近水文站流量作为对应断面流量，其中左卫断面流量为柴沟堡东站和柴沟堡南二站流量之和；八号桥断面由于距上游水文站较远，其流量由石匣里二站和响水堡水文站流量经ArcGIS水文分析模块分析后，按汇水区面积比例计算得到。根据张家口市水环境功能区划和考核断面达标整治目标，到2020年，除老鸦庄断面需达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[28]中Ⅳ类水质标准外，其他4个断面均需达到Ⅲ类水质标准，LDC绘制时各断面水质控制标准与整治目标一致。

注：LDC对应的Y值为TP允许负荷。图2 5个断面的LDC及2010—2016年TP实测负荷Fig.2 LDC and measured load from 2010 to 2016 at 5 monitoring sites

1.3 研究方法

LDC法是基于河流长序列日均流量数据绘制流量历时曲线(flow duration curve，FDC)后，结合实际水质监测的瞬时流量与污染物浓度，将流量与污染物允许负荷合理地联系在一起，建立河道断面水质变化与流域潜在污染机制间的联系。与模型法相比，LDC法更为简单易用，对历史资料要求较低。LDC可以反映流域内水质现状、允许负荷、现状负荷、污染负荷类型等水环境信息，为总量控制方案提供合理依据[2,29-32]。LDC法纳污能力计算的主要步骤[7-12,29-34]：1)将长序列逐日平均流量进行降序排列，计算累积频率，以流量为Y轴，以保证率为X轴绘制FDC；2)明确流域水质管理目标，结合研究区的水环境功能区划与相关水质管理要求，确定水质管理目标的标准值；3)仍以保证率为X轴，将FDC中Y值与水质管理目标标准值相乘后作为LDC的Y值(通常选取对数坐标轴)，同时根据监测时间内流量对应的累积频率，将实际监测所得瞬时流量与水质数据相乘得到的实测负荷以散点的形式绘制于LDC上。

2 结果与讨论

2.1 TP纳污能力空间变化特征

根据美国国家环境保护局(US EPA)推荐，将LDC按保证率划分为以下5个流量历时区间(flow duration interval，FDI)：保证率为0%～10%的高流量区；保证率为10%～40%的丰水区；保证率为40%～60%的中流量区；保证率为60%～90%的枯水区；保证率为90%～100%的低流量区[35]。根据各水文站逐日平均流量、各断面水质数据及水质管理目标，得到5个断面的LDC及2010—2016年TP实测负荷，结果如图2所示。

由图2可知，老鸦庄、左卫和石匣里断面均出现不同程度断流现象，其中老鸦庄断面断流现象最为严重，全年有近20%的时间处于断流状态，左卫和石匣里断面约有5%的时间处于断流状态。由于老鸦庄断面断流时间较长，按推荐方法划分FDI无法满足要求，结合永定河流域气候、水文变化特征，将老鸦庄断面保证率为0%～5%时划分为高流量区，5%～30%时为丰水区，30%～50%时为中流量区，50%～70%时为枯水区，70%～80%时为低流量区。

由图2可见，5个断面LDC变化趋势较为一致，均呈典型的S型。结合TP实测负荷分布可知，老鸦庄断面水质较好，2010—2016年全流量区间内TP实测负荷基本未超过允许负荷；左卫断面TP负荷存在轻度超标状况，且主要出现在丰水区、中流量区和枯水区；石匣里断面与左卫断面情况基本一致，超标点也集中在丰水区、低流量区和枯水区；响水堡断面超标点主要集中在丰水区和中流量区；八号桥断面超标情况较为严重，全流量区间均存在超标点且超标频率高。

根据超标点所处的保证率区间，可以进行点源与非点源负荷贡献的判别[35]。对于河流水体，不同流量模式下流域污染源贡献程度不同。一般认为，超标点保证率为85%～90%时，主要污染源贡献为点源；10%～70%时，主要污染源贡献为非点源；70%～85%时，则受点源和非点源的综合影响；保证率小于10%和大于90%代表极端丰水和极端枯水的特殊情况，对应非可行管理区和点源失控区，本研究暂不予考虑[35-39]。从图2可知，老鸦庄、左卫、响水堡和石匣里断面的超标点集中分布在保证率为10%～70%，表明其主要污染源贡献为非点源；八号桥断面在全流量区间均有超标，大部分超标点分布在保证率为10%～70%，少数分布在保证率为85%～99%，表明其主要受点源和非点源的综合影响。污染源贡献类型的不同与研究区产业结构布局有一定关联，如清水河老鸦庄断面、洋河左卫断面及桑干河石匣里断面控制范围内人口稀少，主要以农业为经济支柱，导致存在较高的非点源污染流失风险；洋河下游的八号桥断面控制范围内人口密度较大，工业与养殖业发达，且部分河段两岸种植业发达，河流水质受点源和非点源的综合影响。

排除极端丰水和极端枯水的特殊情况，以5个断面丰水区、中流量区和枯水区的TP纳污能力为研究重点，选取相应区间中点保证率所对应的最大日负荷作为各流量区的允许负荷[34]，结果如表1所示。由表1可知，5个断面中老鸦庄断面TP纳污能力最弱，八号桥断面最强，其TP允许负荷在丰水区、中流量区和枯水区分别为老鸦庄断面的5.4倍、7.6倍和14.3倍；同一断面不同流量模式下，老鸦庄断面TP允许负荷变化最为剧烈，其丰水区和中流量区的允许负荷分别为枯水区的7.6倍和3.0倍。可见，断面的空间分布差异与流量区间变化会导致TP允许负荷变化显著。

表1 5个断面不同流量区间TP允许负荷

Table 1 TP capacity in different flow intervals of 5 sections ta

表1 5个断面不同流量区间TP允许负荷

断面丰水区中流量区枯水区老鸦庄8.743.411.15左卫10.995.802.95石匣里13.569.405.71响水堡20.699.213.08八号桥46.8125.8316.41

2.2 TP纳污能力时间变化特征

根据各断面LDC，以月份为时间尺度，得到5个断面不同流量保证率下的TP允许负荷如图3所示。由图3可知，老鸦庄和左卫断面的纳污能力峰值均出现在7月，之后呈递减趋势，其中老鸦庄断面在3月、左卫断面在3—4月纳污能力明显增加；石匣里断面纳污能力峰值出现在10月，除11月纳污能力显著增加外，其余月份纳污能力在小范围内波动；响水堡断面纳污能力峰值出现在10月，其11月箱型图形状较为特殊，箱尾明显增长，流量波动剧烈，且流量分布集中在大流量区；八号桥断面纳污能力峰值出现在10月，10—11月纳污能力明显增加，1—2月则明显偏小，其余月份纳污能力在小范围内波动。

图3 5个断面TP允许负荷月变化Fig.3 TP capacity variation of 5 monitoring sites in different months

根据永定河流域所属区域气候特点，以3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月—翌年2月为冬季，基于各断面LDC得到TP允许负荷季节变化，结果如图4所示。由图4可知，5个断面各季节的日允许负荷平均值所在位置与对应的50%累积频率所处的相对位置均存在不同程度的偏移，这种偏移说明了纳污能力的波动，且偏离程度越大说明纳污能力波动越大。

图4 5个断面TP允许负荷季节变化Fig.4 TP capacity variation of 5 monitoring sites in different seasons

5个断面不同季节TP允许负荷如表2所示。由表2可知，老鸦庄和左卫断面TP纳污能力季节变化趋势一致，表现为夏季>春季>秋季>冬季；石匣里、响水堡和八号桥断面纳污能力季节变化趋势一致，表现为秋季>夏季>春季>冬季。结合图4可知，TP纳污能力强的季节，其日允许负荷平均值和50%累积频率值所处的相对位置偏移程度也相对较大，5个断面春季和冬季日允许负荷平均值点与50%累积频率值所处相对位置最为接近，春季、夏季、秋季日允许负荷平均值点所处位置均高出50%累积频率值所处位置，说明永定河流域河北段年内大部分时间流量较小且波动较大。

表2 5个断面不同季节TP允许负荷

Table 2 TP capacity of 5 monitoring sites in different seasons t季

表2 5个断面不同季节TP允许负荷

断面春季夏季秋季冬季老鸦庄3.604.023.050.90左卫7.0512.834.601.63石匣里5.075.2520.653.10响水堡6.677.3012.733.90八号桥14.5314.5543.279.00

永定河流域河北段建有大量的水利水电设施，其中友谊水库位于左卫断面上游，册田水库和壶流河水库位于石匣里断面上游。2002—2016年友谊水库、册田水库和壶流河水库多年月均下泄流量如图5所示。由图5结合图3可知，友谊水库下泄时间集中在4月、7月和10月，而左卫断面3—4月纳污能力显著增强，该变化与春季冰层融化和友谊水库下泄有显著关系；左卫断面纳污能力出现峰值的7月为汛期，此时降雨明显增加，且上游水库下泄流量较大。壶流河水库下泄时间集中在4—10月，册田水库下泄时间集中在4月、7—11月，2个水库10月下泄频率较高且流量较大，其余月份也有一定的下泄流量，这与石匣里断面纳污能力在10月出现峰值，其余月份纳污能力在小范围内波动的规律基本吻合。综上，由于天气变化和流域内工业、种植业需水量的变化，水利设施需在不同时段进行水量调控，不定期、不定量的蓄水与下泄使各监测断面流量波动变化，进而使TP纳污能力发生变化。

图5 3座水库多年月均下泄流量变化Fig.5 Monthly average discharge variation of three reservoirs for years

2.3 TP负荷应削减量分析

根据TP实测负荷所在流量区间的分布，取各流量区间内90%保证率所对应TP实测负荷作为各流量区间的TP现状负荷[35]。5个断面不同流量区间TP现状负荷如表3所示。

表3 5个断面不同流量区间TP现状负荷

Table 3 TP current load of 5 monitoring sites in different flow intervals ta

表3 5个断面不同流量区间TP现状负荷

断面丰水区中流量区枯水区老鸦庄8.043.231.29左卫23.567.943.74石匣里15.359.346.53响水堡23.2113.463.86八号桥75.8942.3823.46

用允许负荷减去现状负荷可得各断面应削减负荷，若差值为负，表示现状负荷已超过允许负荷；若差值为正，则表示未超过。用应削减量表示为达到相应水质管理目标需要削减的负荷量，应削减率表示为达到相应水质管理目标需要削减现状负荷的百分比。对超标断面进行应削减量和应削减率计算，结果如表4所示。由表4可知，老鸦庄断面仅在枯水区需削减，在丰水区和中流量区无需削减，目前水质状况基本可以达到GB 3838—2002中Ⅳ类水质标准；其余4个断面污染状况较为严重，在丰水区、中流量区和枯水区均需进行不同程度的削减。由于在丰水区和中流量区的主要污染源贡献为非点源，因此应重点加强流域内种植业、养殖业等污染源的管控，同时减少磷肥的使用；在枯水区水质受到点源和面源的综合影响，在控制面源污染的同时，可以通过对工业企业和污水处理厂的提标改造来削减现状负荷。

表4 5个断面不同流量区间TP负荷应削减量和应削减率

3 结论

(1)永定河流域河北段5个断面的TP纳污能力空间分布差异显著：清水河老鸦庄断面最弱，上游左卫断面、桑干河石匣里断面次之，中游响水堡断面较强，下游八号桥断面最强。

(2)5个断面的TP纳污能力在不同时间尺度上波动剧烈：老鸦庄、左卫断面的月纳污能力峰值出现在7月，石匣里、响水堡、八号桥断面峰值出现在10月；老鸭庄、左卫断面夏季纳污能力最强，石匣里、响水堡和八号桥断面秋季纳污能力最强。流域内建有的水利设施在不同时间段进行水量调节是导致各断面纳污能力在不同时间尺度上波动的主要原因。

(3)除老鸦庄断面在丰水区和中流量区的TP现状负荷未超过允许负荷外，其余4个断面在丰水区、中流量区和枯水区现状负荷均超过允许负荷，其中左卫断面在丰水区的负荷应削减率为53%，八号桥断面在丰水区、中流量区和枯水区的应削减率均超过30%。永定河流域河北段TP现状负荷超过允许负荷情况较严重，需制定不同时间尺度与不同流量模式下的污染物总量控制方案与政策。