承德市滦河流域输入响应模型应用研究*

2016-03-13赵康平谢阳村戴文燕韦大明

环境污染与防治 2016年3期

赵康平陈岩谢阳村戴文燕韦大明白辉#

(1.环境保护部环境规划院，北京 100012；2.北京欣国环环境技术发展有限公司，北京 100044)

近年，随着人们生活和生产活动产生的大量生活污水和工业废水排入江河湖泊和海洋，水体受到严重污染，引起了水域生态系统一系列结构和功能变化。一系列《中国环境质量公报》公布的数据显示，全国地表水污染依然严重，七大水系水质总体为中度污染，湖泊、水库富营养化问题突出。我国自20世纪70年代起就开始进行水污染治理，经过多年的努力，我国流域污染治理已取得了一定成绩，逐步建立起流域水环境管理体系和水污染控制与治理体系，为实现节能减排目标和改善重点流域水环境质量提供了有力支撑[1-2]。但是，目前水环境精细化管理需求越来越高，对输入响应模型应用的需求越来越强烈，需要提出精准化的环境治理措施。

输入响应模型是指在明确的水环境管理需求条件下，给定水域及污染物排放条件下，能反映污染源排放的污染物的量，引起水域水质指标数值变化的模型。该模型模拟过程能利用污染源对环境目标影响的可叠加性，定量计算多污染源河段中各污染源对环境目标的影响程度，并提出水环境管理初始方案，为最终水环境管理方案的确定提供靶向性引导。

目前，承德市滦河流域总体水质稳中趋好，但是滦河干流游乌龙矶大桥断面2012年水质为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中劣Ⅴ类，其流域下游控制断面——大杖子(一)断面为滦河入蟠龙湖断面，同时也列为《重点流域水污染防治规划(2011—2015年)》的考核断面。2012年，大杖子(一)断面年均水质为GB 3838—2002中Ⅳ类，未达到Ⅲ类的规划目标要求。为了保证水质改善、达到考核要求，2013年承德市编制了《承德市滦河流域水污染防治规划》，其中伊逊河为滦河流域治理的重要支流之一，伊逊河水质基本为GB 3838—2002中Ⅲ～Ⅳ类，但是伊逊河区域工业企业分布较多，企业总体规模较小，治污设施不全，整体污染治理水平不高，生活污染较严重，部分工业企业治污设施运行不稳定，未能达标排放。规划目的是为了通过污染源治理来改善控制断面水质，达到考核要求。规划编制过程中需要定量分析污染治理项目对水环境质量的改善效果，分析污染源治理措施实施后是否能达到水质目标，以及规划应该优先实施哪类污染源的治理。

基于案例研究区域的实际需求，选择相应的水质模型进行输入响应分析，分析污染源治理对伊逊河出口断面水质改善的情况以及各治理项目的环境效益，合理安排治理项目的建设，为流域水质目标的可达性提供一定的科学依据。

1 流域基本概况

承德市滦河流域介于东经115°54′～118°56′，北纬40°11′～42°40′。滦河流域北接内蒙古高原，南邻华北平原，地势自北向南倾斜，地形复杂，山脉纵横，河流交错。地貌主要由中山、低山、丘陵和谷地构成，流域内沟谷多呈“V”字型，坡降较大，土壤抗蚀能力低，易造成水土流失。流域气候类型属于寒温带向暖温带过渡、半干旱向半湿润过渡的大陆性季风性山地气候，具有四季分明、干湿显著、雨热同季的特点。流域内盛行风向随季节变化差异较大，主导风向夏季偏南风、冬季偏北风。滦河发源于承德市丰宁县西北巴颜图古尔山麓，经承德市隆化县、滦平县、双桥区、双滦区、承德县、宽城县，注入蟠龙湖，滦河在承德市境内干流全长374 km。

滦河流域水系概况见图1。本案例研究区域为承德市滦河一级支流伊逊河流域，有两条支流——不澄河和蚁蚂吐河，伊逊河发源于围场县哈里哈乡，在双滦区西地乡汇入滦河，河长237 km，流域面积6 734 km2，2011年年径流量2×108m3。案例研究区域涉及隆化县、围场县和滦平县。

图1 滦河流域水系概况

2 分析方法

结合流域水污染防治方案，整理汇总流域主要污染治理项目(工业和生活污染治理，暂不考虑农业污染治理)，对污染源排放量进行解析，量化分析污染治理项目建设减少的污染物排放量，通过水质模型模拟，以控制断面水质为响应条件，分析各污染治理项目对流域控制断面水质改善情况，通过污染治理对流域控制断面水质浓度贡献分析评价各污染治理项目产生的环境效益，从单一水质改善贡献程度筛选污染治理项目建设优先顺序。具体技术路线见图2。

图2 技术路线示意图

3 输入响应分析

3.1 基础数据准备

流域基础数据包括水文、污染源负荷以及水质断面数据。其中，水文数据有水文站点的水位和流量、河道地形、流域数字高程模型(DEM)等；污染源负荷数据有工业企业和生活污水排放数据；水质断面数据包括河流上、下游断面和控制断面水质监测数据。

3.2 模型选择

MIKE11模型是一维河道、河网综合模拟软件，主要包括降雨径流、水动力、水质对流扩散和泥沙输移等模块，主要用于河口、河流、灌溉系统和其他内陆水域的水文学、水力学、水质和泥沙传输模拟，能较好地模拟污染物在水体中的迁移转化，在水质水量管理、水利工程规划设计论证、防汛洪水预报以及环境影响评价中均得到了广泛应用。MIKE11模型模拟需要的数据主要包括河道地形、水位流量、污染源负荷数据以及断面水质浓度等数据，MIKE11模型界面直观、操作简单，通过简单系统学习对其应用较容易掌握。基于案例研究区域的实际情况，选择MIKE11模型水动力、水质对流扩散模块对案例研究区域流域水文水质过程进行模拟分析。

3.3 模型建立和验证

3.3.1 主要模型参数

模型参数主要包括水动力模块中河道参数、水文参数，以及水质对流扩散模块中污染源参数、水质参数。河道参数主要为河底地形、河床糙率(曼宁系数表示)；水文参数主要为案例研究区域边界河流入口、出口水位和流量；污染源参数主要为污染源的排放流量和污染物浓度；水质参数主要为案例研究区域边界河流入口、出口水质浓度。河道、水文参数主要来自《水文年鉴》；污染源参数主要来自污染源普查数据；水质参数来自常规监测数据。水动力模块中河床糙率取0.026；水质对流扩散模块中COD降解系数取0.25 d-1，扩散系数取15 m2/s[3-5]。

3.3.2 水系概化

根据案例研究区域DEM数据提取案例研究区域河网数据，将其导入到MIKE11模型进行处理，生成模型能够使用的河网数据。模型处理的河流有干流伊逊河和支流蚁蚂吐河、不澄河，MIKE11模型处理后的案例研究区域水系概化示意图见图3。

图3 案例研究区域水系概化示意图

3.3.3 污染源概化

污染源概化主要针对工业污染源和生活污染源，主要概化流域内重点工业污染源和生活污染源。本研究将6个工业企业概化为6个点源，2个城镇生活污染源概化为2个点源，2个农村生活污染源概化为2个点源[6-7]。具体污染源及污染物排放情况见表1至表3。

表1 工业污染源及污染物排放情况

表2 城镇生活污染源及污染物排放情况

表3 农村生活污染源及污染物排放情况

3.3.4 控制断面水质浓度选择

伊逊河入流浓度为伊逊河上游围场断面年均浓度；蚁蚂吐河和不澄河入流浓度取《河北省地面水环境功能区划》中功能区划水质类别对应的水质浓度，为Ⅲ类水质标准浓度。选择下游出口李台断面为伊逊河控制断面，断面水质浓度取对应的水质考核浓度。

3.3.5 模型率定验证

模型中水位、流量和水质的率定验证是同时进行的。

选择干流宫庙水库断面的水位、流量进行率定验证，水位、流量验证结果见表4。由表4可见，水位的相对误差在1%内，流量的相对误差在10%内，能够满足水动力模拟的精度要求。

表4 水位、流量验证结果

选择伊逊河唐三营断面的水质浓度进行率定验证，结果见表5。由表5可见，水质的相对误差在10%内，模拟计算结果与实测结果吻合较好，满足精度要求。

表5 水质验证结果

3.4 结果和讨论

假设污染源治理情景为两个城镇污水处理厂扩容，将农村生活污染源排放纳入污水处理厂集中处理排放，全部工业企业废水经处理后按《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)中二级标准达标排放。对此假设情景进行项目环境效益分析，其中本研究项目环境效益分析只考虑污染源项目治理对下游控制断面水质改善情况，不考虑其他经济效益等。

3.4.1 总体环境效益

将10个污染源按要求全部治理后的排放结果输入模型，通过模型模拟分析，计算全部污染源治理后产生的环境效益。结果表明，10个污染源全部治理后，控制断面水质COD为9.66 mg/L，控制断面COD下降幅度为7.84 mg/L，水质由GB 3838—2002中Ⅲ类改善为Ⅱ类，污染源治理效果明显。

3.4.2 单个污染治理项目环境效益

分别将单个污染源治理后的排放结果和其他污染源排放量保持不变的结果输入模型，通过模型模拟分析，计算单一污染源治理后产生的环境效益。结果表明，单个污染源治理产生的环境效益各异，差别较大，具体见表6。从表6可以看出，就控制断面水质改善贡献来看，生活污染源治理产生的环境效益大于工业污染源的治理，其中隆化县生活污染源、围场县生活污染源和某酒业公司的工业污水治理产生的环境效益最大，分别能使控制断面COD下降3.97、2.19、1.48 mg/L，控制断面COD改善贡献率分别为50.6%、27.9%、18.9%。上游的某淀粉厂、1号食品公司、4号食品公司由于距离控制断面较远的原因，其污染治理对控制断面水质改善的效益很小，控制断面COD改善贡献率接近于零。