负荷历时曲线法在汉江中下游污染控制中的应用研究

赵 晨，陈燕飞，董玉茹，孙咏曦

(1.油气地球化学与环境湖北省重点实验室(长江大学资源与环境学院)，湖北 武汉 430100；2.湖北省宜昌市水文水资源勘测局，湖北 宜昌 443003)

中国自“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]，环境容量的计算方法有很多，比如建立水动力模型[2]，建立流域负荷模型等[3]，但这些方法存在一些不足之处，如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，不能很好地反映出水环境容量在实际中的变化规律[4]，同时由于各种模型的相关参数值不确定性很大，导致模拟结果偏差较大[5]，因而不能结合季节特点等情况做出最适合的污染物防治措施。为了得到较为科学准确的污染物负荷量来指导相应的政策制定，在污染物总量控制的规划中使用负荷历时曲线的方法[6]。

基于长序列的流量历时曲线(Flow Duration Curve，以下简称FDC)、负荷历时曲线(Load Duration Curve，以下简称LDC)法以流量资料与水质为基础，建立流量频率与水质负荷容量之间的关系。负荷历时曲线法最早是由Searcy在1959年提出，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[7]。陶子夜[8]将LDC法应用于通顺河武汉段流域TMDL计划制定中，使得水质资料匮乏或水质与水文不同步的流域也能准确计算TMDL；王生愿等[9]将LDC法运用到梁子湖流域容量总量控制中，分析了梁子湖流域的最大日负荷变化规律，随着计算机发展，部分研究者把LDC法与计算机模型相结并应用于流域治理当中，例如嵇灵烨等[10-12]将LDC法与WASP模型相结合应用于东苕溪流域总量控制中，以氨氮为控制指标，分析了流域内纳污能力的时空变化规律，Kim等[13]将LDC系统与谷歌地图相连接，以便实现监测数据的可视化。

从水体环境的长远角度以及湖北省生态环境厅的要求，为了达到地表水水质达标以及河流的健康可持续发展，本文将按照皇庄、仙桃断面Ⅱ类水质标准的要求处理。计算绘制FDC、LDC，分析污染物最大负荷的月度变化和污染物特征，绘制流量历时曲线和现状污染物散点图。分析污染物超标成因及提出相应防治意见。

1 研究区域概况

汉江是中国重要的优质水源地和湖北省重要的水资源主体之一，全长1 570 km，汉江中下游自丹江口至武汉长约652 km，其中丹江口至钟祥为中游，河谷较宽，沙滩多，长约270 km；钟祥至汉口为下游，长约382 km，流经江汉平原，河道婉蜒曲折逐步缩小，在武汉市汉口龙王庙汇入长江。本次研究范围为皇庄到仙桃段，研究区域范围见图1。

图1 研究区域范围及断面位置

汉江中下游区域降水主要来源于东南和西南两股暖湿气流。区域多年平均连续最大4个月径流占全年径流的60%～65%，出现时间由东向西推迟。大致在襄阳以下为4—7月或5—8月，襄阳以上为7—10月。汛期径流占年径流的72%～77%，径流的集中程度略次于降水。年径流变差系数Cv在0.3～0.6，其分布趋势由西向东递增。

汉江上游丹江口水库自2014年以来，每年需向河南、河北、北京及天津四省市调水90多亿m3，远期将增至130亿m3，引江济渭工程将从汉江上游调水15亿m3至陕西渭河，多个调水工程的建立和运转减少了下泄流量，降低了水位，改变了汉江干流的水文气象条件，增加了水体污染加重的可能性。为了保持现有水质的良好态势以及充分利用水资源，需要有一个较为精确的污染负荷量的研究。

2 研究方法

流量历时曲线(FDC)，将收集或推算的流量值从大到小排列，同时计算大于某一流量值的频率，根据流量值与频率构成得曲线，计算公式如下：

Pf=m/n

(1)

式中Pf——流量为f时所占比例;m——大于或等于流量f时的监测次数;n——流量监测总数。

负荷历时曲线(LDC)，将FDC中的某个流量数值与某项水质指标的环境目标值相乘，得到的结果与该流量数值对应的频率构成的曲线，计算公式如下：

L=QCK

(2)

式中L——不同流量占比下最大日负荷，t /d;Q——对应的流量值，m3/s;C——水质目标浓度值，mg /L；K——单位转换系数,其值为0.086 4。

为了更好地反映断面的水文特征，把流量资料分为5个流量历时区(FDI)，即高流量区(0%～10%)、丰水区(10%～40%)、中流量区(40%～60%)、枯水区(60%～90%) 和低流量区(90%～100%)[14]。

污染物现状负荷和最大负荷估算。利用水质监测数据及其对应的流量数据，可算出相应的现状负荷值，点绘到LDC上，计算不同FDI内对应的污染物现状负荷和最大负荷，且现状负荷为平均浓度0.9倍的计算值。具体计算如下:

(3)

(4)

最大负荷为不同FDI中点所对应的LDC值。

3 数据来源

流量、水质资料由相应地区水文站点提供，皇庄、仙桃断面要求为Ⅱ类水质标准，根据GB 3838—2002《生活饮用水卫生规范》对应的CODMn为4 mg/L；总磷浓度为0.1 mg/L；氨氮浓度为0.5 mg/L。流量数据由区域内水文站获取。通过使用Origin绘制箱型图，Excel绘制曲线图、散点图，分析污染物最大负荷月度变化及特征。

4 结果与分析

4.1 流量历时曲线

结合实际情况，本文将按照美国环保局推荐的流量历时区域(FDI)划分方法进行设计，即高流量区(0%～10%)、丰水区(10%～40%)、中流量区(40%～60%)、枯水区(60%～90%) 和低流量区(90%～100%)，并用式(1)进行计算，绘制FDC见图2。

图2 皇庄、仙桃流量历时曲线

4.2 污染物最大负荷量月度变化特征

汉江中下游区域流量的月度变化差异较大，应针对不同月份，制定不同的控制目标，本文将对2个监测点按不同月份计算其最大负荷量，其污染物最大负荷量的箱线图见图3。

由图3知，3个监测点都随月度的改变发生同样的变化，即汛期的最大负荷量高于非汛期的值，月度差异较为显著，尤其是在7、8、9月份，皇庄的CODMn最大负荷处于1 500 t/d左右，仙桃CODMn最大负荷处于1 250 t/d左右，高于其他月份约3倍，两地的NH3-N和TP也有同样规律在实际河流管理中，制定不同月份不同降水条件下的水质管理办法，可为相关管理部门适时作出符合时期特点的水质达标调整方案。

图3 皇庄和仙桃污染物最大负荷量月度分布

4.3 水体污染物特征分析

根据对应的流量历时曲线(FDC)，按照式(2)计算绘制负荷历时曲线(LDC)，并把现状负荷点绘于LDC，见图4、5。

图4 皇庄污染物负荷历时曲线和现状负荷散点

图5 仙桃污染物负荷历时曲线和现状负荷散点

续图5 仙桃污染物负荷历时曲线和现状负荷散点

以LDC为界，位于LDC以上侧的点，表明现状负荷超出允许负荷(最大负荷)需要削减;位于LDC以下的点，表明现状负荷在允许负荷范围内暂时不用采取削减措施。利用LDC还可以判断河流监测断面受点源和面源污染的影响程度，曲线左端小于10%保证率和右端大于99%保证率的部分反映的是洪水或干旱期时极端水文情况,对于这2种极端情况下,难以通过规划对流域污染负荷进行可行的控制和管理。对于污染是来自于点源还是非点源，在时间保证率85%～99%区间内,影响水质的主要是点源负荷;在保证率10%～70%主要反映非点源负荷的贡献[15]。

根据图4、5可知2006—2020年，皇庄及仙桃断面CODMn的实际日负荷量基本在日最大允许负荷量之下。其中，皇庄和仙桃断面分别有2、6个实测点在LDC曲线上方，超标占比分别为1.28%、3.77%。皇庄及仙桃断面NH3-N的实际日负荷量接近日最大允许负荷。部分实测值甚至超过了当日最大污染负荷，其中以仙桃断面超标数量最多，占总实测个数的5.66%。皇庄断面TP的实际日负荷量基本在日最大允许负荷量之下，分别有2、10个实测点在LDC曲线上方，超标占比分别为1.34%、7.87%。仙桃断面TP日最大负荷超标较多，占实测总数的47.13%。

4.4 污染物的负荷估算

应用式(3)、(4)计算不同FDI污染物现状负荷，并以FDI分别为5%、25%、50%、75%和95%所对应的LDC值计算最大负荷，获得不同FDI下CODMn、氨氮和总磷的现状负荷和最大负荷。在每个FDI的现状负荷和最大负荷确定后，就能确定不同FDI污染物的剩余负荷，剩余负荷为正表示符合水质要求不需要削减，剩余负荷为负表示需要削减，为科学控制污染物的总量提供技术支持。

由表1可知，在地表水Ⅱ类水质标准的要求下，不同FDI下的皇庄CODMn、氨氮和总磷三者的现状负荷均小于最大负荷，不需要采取削减措施。但在枯水区和低流量区剩余负荷较少，需引起排污部门的重视。在地表水Ⅱ类水质标准的要求下，不同FDI下的仙桃CODMn和氨氮的现状负荷均小于最大负荷，不需要采取削减措施；而总磷指标在高流量区和低流量区现状负荷超过了最大负荷，需要削减，其削减量分别为6.05、0.09 t/d，但丰水区，中流量区和枯水区的FDI中剩余负荷接近于0。从仙桃总磷负荷历时曲线和现状负荷散点图中可以看出，总磷在5个FDI区域内均有较为严重的超标，结合计算结果可以得出，在该河段的排污企业广泛存在偷排，违规排放的现象，政府部门在制定削减方案的同时，应该加强对排污企业的监管，尽量防止违规排放。

表1 皇庄和仙桃CODMn、氨氮和总磷污染负荷

对于仙桃总磷负荷在低流量区超标的原因，一方面是流量低导致最大污染负荷降低，使得排放污染物后更容易超过最大污染负荷，另一方面低流量区通常处于冬春季，气温相对较低，导致水体中微生物活性下降，分解污染物能力降低，从而导致污染负荷超标。对于高流量区，水位、流量的上涨让最大负荷增加，同时也允许排放更多污染物，有些排水管道受水位上升的影响处于较深位置，不易察觉，方便了企业进行偷排漏排的行为。从而导致污染负荷超标。争对不同流量区间应制定不同对策，如在高流量区加强企业排放监管等，在低流量区时段，可以优化污水处理工艺，增加出水除磷效率等方法。

5 结论与建议

a)相应地表水水质规定的的条件下，皇庄断面CODMn、氨氮和总磷指标均符合要求，且剩余负荷较大，无需进行削减措施。仙桃断面CODMn和氨氮负荷不需要削减，总磷负荷超标严重，尽管计算结果显示，只需要在高流量和低流量区域进行削减，其削减量分别为6.05、0.09 t/d。还要加强政府监管，加大偷排污水和违规排放的企业部门的惩罚力度，并针对剩余负荷存量很小的区域，制定适当的削减方案。

b)本文结合湖北省生态环境厅的要求，应用负荷历时曲线法分析河流水质变化和污染负荷的相关关系，以及出现污染物超标现象的可能原因，提出防治措施，能为有关部门决策提供技术支撑。本文存在一些不足，未考虑相关区域内人口经济发展的变化趋势等方面，在以后的研究中还需进一步探讨。