不同设计水文条件下颍河水环境容量计算研究

焦丽宏 向 龙 穆小玲 樊洪波

(1.河海大学 水文水资源学院， 南京 210098；2.河南省郑州水文水资源勘测局， 郑州 450007)

水环境容量为针对某一确定水域范围，依据水体水质目标及入河排污口排污方式，在特定水文条件下所计算的单位时间内该水域的最大允许纳污量[1-4].确定水环境容量是保障水功能区水质达标的根本方法，同时可为实施水域水污染物总量控制提供科学的依据.

目前我国水环境容量的计算普遍选取特定的设计水文条件[5-6]，如北方河流多选取长序列75%保证率月平均流量或近10年最枯月平均流量作为设计流量条件[7].这种以单一设计水文条件计算的水环境容量全年为一定值.而通常情况下影响水环境容量大小的因素多随时间变化，如水域特征、水环境功能要求、污染物特性、排污方式等[8]具有明显的时间动态特性.因此，为充分利用河道自净能力，最大程度发挥水环境容量动态特性带来的环境效益，分析研究不同设计水文条件下的水环境容量具有重要的实际意义.

本文研究对象颍河(郑州段)河道水量年内分配极不均匀，各月水文条件不同，且枯水期存在断流现象，若全年均以单一的水环境容量作为标准对污染物入河量实施限制，则易导致丰水期水环境容量未充分利用，而枯水期入河污染物超标，难以实现颍河水环境的有效管理.因此，本研究基于颍河水文条件的时间动态特性，确定了3种设计水文条件，对颍河各水功能区在不同设计水文条件下的水环境容量进行计算和研究，为高效实施颍河(郑州段)污染物入河总量控制提供技术支撑.

1 计算原理及方法

本研究拟结合颍河(郑州段)各水功能区的实际水文水质资料，在3种设计水文条件下分别计算颍河的纳污能力.

目前计算水环境容量的方法主要有5大类，分别为公式法、模型试错法、系统最优化法、概率稀释模型法、未确知数学法[9-10].本研究采用我国当前水环境容量计算中应用最广泛的公式法，以断面水质是否达标为标准，综合考虑水环境容量的定义及水环境数学模型相应公式，明确在指定条件下的水环境容量计算公式，从而计算得到水环境容量.颖河(郑州段)水功能区长度都较大，且水面宽度在30～200m 之间，河段长宽比例较小，因此本研究中水功能区纳污能力计算拟采用一维控制断面达标法.

河流一维水质模型包括河段和节点两部分.节点指河道流量发生突变的点，如入河排污口、取水口、干支流汇合口等，考虑到节点处水体混合过程中物质变化的生物和化学影响可以忽略，因此水量与污染物在节点前后满足物质平衡规律.节点将河流分为若干段，即为河段，任一河段内水污染物的自净规律均符合一阶反应.

本研究河流水功能区水环境容量的计算采用功能区首断面排污、末端面达标考核、稀释容量与自净容量求和的方法进行计算，见公式(1)：

式中：W为入河排污口到控制断面之间河段的理想水环境容量(t/a)；Q0为上游来水设计水量(m3/s)；qw为节点处排入污水的流量(m3/s)；Cs为控制断面水质标准(mg/L)；C0为上游来水的质量浓度(取上游来水所在水功能区的目标水质)(mg/L)；u为河流断面平均流速(m/s)；x为入河排污口与控制断面之间的距离(km)；K为污染物综合衰减系数(1/d).

为保证水功能区纳污能力计算结果与河流实际不均匀现象相一致，在水功能区水环境容量计算过程中采用不均匀系数进行修正，不均匀系数取值介于0～1之间.

2 研究区概况

颍河(郑州段)发源于河南省登封市石道乡，自西向东流，于白沙水库以下出境入许昌市境.河道长57km，河床宽20～300m，流域面积1037.5km2，年径流量3723万m3，主要集中在汛期的6～9月.

2.1 水功能区划及水质目标

依据水域不同的自然条件、功能定位和开发利用现状，对河流水功能区进行划分，不同的功能区对应不同的水质管理目标[11-12].颍河(郑州段)共分为5个水功能区，分别为颍河登封源头水保护区、颍河登封工业用水区、颍河登封排污控制区、颍河登封过渡区和颍河白沙水库景观娱乐用水区，水质目标依次为Ⅲ类、Ⅲ类、Ⅴ类、Ⅲ类和Ⅱ类，当前水质仅源头水保护区达标，为Ⅲ类水，其余水功能区均不达标，其中白沙水库景观娱乐用水区水质为Ⅴ类水，剩余3个水功能区水质均为劣Ⅴ类水.

2.2 入河排污口概化

颍河(郑州段)主要支流有白坪河、少林河、石淙河，流域内入河排污口众多.河流概化时以造成河道流量发生突变的点作为节点，如取水口、入河排污口、干支流汇合口等，若多个入河排污口相隔距离较近时，可将多个入河排污口视作一个集中独立入河排污口，污染物排放流量和质量浓度经折算后确定.概化后的颍河入河排污口如图1所示.

图1 颖河水系计算区域内入河排污口概化图

2.3 设计水文条件

颍河属于北方河流，径流量季节变化大，枯水期流量低且存在断流现象，若全年仅以单一标准的设计水文条件下的水环境容量为依据制定水功能区纳污总量控制方案，必然导致污染物入河量“丰欠枯超”现象，不能充分合理地利用颍河的水环境容量.

本文选取多年平均流量、月平均流量和分水期(丰、平、枯)流量3种设计水文条件分别进行颍河水环境容量的计算.依据颍河告成水文站2007～2016年的水文资料，同时参考相关文献[13-15]，确定颍河丰水期为6～9月，平水期为3～5月、10月，枯水期为11月～翌年2月.选取告成水文站2007～2016年实测月平均流量作为设计流量的计算序列，采用水文频率分析法(P-Ⅲ型曲线)对水文站多年平均流量、月平均流量及各分水期流量进行分析.颍河告成水文站断面75%保证率下的3种设计水文条件见表1.

表1 颍河告成水文站断面3种设计水文条件

3 讨论与分析

根据上文选取的计算模型、设计水文条件和各项参数[16-18]，分别计算得到多年平均流量、月平均流量及分水期(丰、平、枯)流量下颍河计算河段理想水环境容量，并拟合出水环境容量的逐月变化趋势，见表2和图2.

表2 3种设计水文条件下颍河计算河段水环境容量(t/m)

图2 颖河(郑州段)逐月水环境容量变化趋势线

分析分水期流量计算条件下水环境容量变化趋势线可知，由于颍河流量丰水期＞平水期＞枯水期，且污染物综合降解系数也呈相同规律，因此水环境容量丰水期＞平水期＞枯水期.

分析月平均流量计算条件下水环境容量变化趋势线可以看出，3月水环境容量变化幅度较大，主要原因是北方3月冰雪消融，增加了河道流量，水环境容量也相应增大；6月的水环境容量要小于丰水期其他月份的水环境容量，主要原因是颍河(郑州段)流域为传统农业区，流域内以颍河作为取水水源大规模发展农田灌溉，导致颍河6月水环境容量小于丰水期其他月份.

4 结 论

1)常规水环境容量计算方法(多年平均流量)得出颍河(郑州段)COD 容量为328.56t/a，氨氮容量为17.64t/a；月平均流量计算条件下COD 容量为344.63t/a，氨氮容量为18.76t/a；分水期流量设计条件下COD 容量为352.02t/a，氨氮容量为19.36t/a.对比3种设计水文条件下的水环境容量可以发现：分水期设计条件较常规方法计算的COD 容量增加了7.15%，氨氮容量增加了9.75%；月平均流量计算条件较常规方法计算的COD 容量增加了4.89%，氨氮容量增加了6.35%；分水期设计条件与月平均流量计算条件所得水环境容量较接近，COD 和氨氮容量仅分别增加了2.14%和3.20%.

2)颍河(郑州段)水环境容量年内呈现丰水期＞平水期＞枯水期趋势，在7月份达到最大值，可见在考虑河道动态特性的设计水文条件下计算的水环境容量更能真实有效地反映河流水环境容量的实际变化规律，可以避免在单一设计水文条件下水环境容量的浪费或不足问题，从而更加充分有效地利用水环境容量，实现水环境容量的总量分配和季节性利用.