浑太河流域分期水环境容量计算

2016-04-01张运保张剑姜尚付意成

东北水利水电 2016年9期

关键词：环境容量功能区河流

张运保，张剑，姜尚，付意成

（1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东济南250000；2.河北农业大学城乡建设学院，河北保定

071000；3.山东省淮河流域水利管理局，山东济南250000；4.中国水利水电科学研究院，北京100038）

浑太河流域分期水环境容量计算

张运保1，张剑2，姜尚3，付意成4

（1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东济南250000；2.河北农业大学城乡建设学院，河北保定

071000；3.山东省淮河流域水利管理局，山东济南250000；4.中国水利水电科学研究院，北京100038）

在现状调查的基础上，针对设计水文条件，通过设计参数和模型概化，以COD和氨氮作为控制指标，对浑太河流域内河流采用一维水质模型、湖库采用均匀混合模型进行水环境容量计算。在确定流域典型污染物分期、分区参数的基础上，结合水环境容量包线特点，动态确定计算单元水环境容量。

水环境容量；分期；水文条件；浑太河

1 引言

水环境容量指在满足水环境目标时，水体所能容纳的最大污染物。水环境容量作为一个理论值，在现实条件下难以达到。目前，水环境容量的计算方法主要包括确定性和非确定性方法两类，确定性方法以机理性水质模拟模型和物理验证为主要手段，研究方法主要包括模型试错法、数值解析法、模拟优化法。非确定性方法主要通过引入限制性条件因素，定量计算安全系数及控制风险等指标，结果可靠性高。

确定性方法通常以概念性水质模型为基础，借助模型试错法、解析公式法、模拟优化法等优化方法进行数据处理和验证，将不确定性因素作为约束条件进行限制，计算结果以定值形式给出。模型试错法借助动态水质模型试算，计算精度虽高，但计算过程耗时冗长，计算效率不高。解析公式法以稳态水质模型为基础，应用广泛，但不足以计算动态水环境容量。优化模拟方法方法灵活，在提高效率和精度方面优势明显。不确定性方法着眼从不确定性层面分析和计算置信区间内（可信水平）的水环境容量，通常采用随机微分方程模型法、水质随机过程法、灰色理论将不确定过程显式化。随着盲数理论和三角模糊技术的引入，水环境容量计算的思路和方法有所拓展，但由于大量实测数据获取与变量参数求解过程复杂，难以大规模的应用铺开。

水环境容量作为水功能区水质目标管理的基本依据，是进行水资源保护规划、水污染物总量排放控制的基础。单一设计水文条件下的水环境容量难以反映由于季节变化引起的时间动态特性。利用合适尺度的水质模型，借助设计水文条件的动态特征进行水环境容量计算。动态水环境容量结合多种设计水文条件，设计相应水文参数，利用水质模拟模型和水功能区水质目标要求，分时段计算水环境容量，以反映水环境容量在不同水期的动态变化。

2 计算方法

结合动态设计水文条件，在确定流域典型污染物分期、分区参数的基础上，借助解析公式法和优化模拟算法，考虑到浑太河流域水文和水力学特征，针对不同排污口现状采取不同的计算方法确定水环境容量。

2.1 定点水环境容量计算

借助水量水质模型，模拟计算河道中污染物的时空分布及功能区控制断面污染物浓度，利用一维水环境容量模型进行分期设计水文条件下的水环境容量计算：

式中：M为水功能区水环境容量，kg/d；α为稀释流量比，α＝Q/（Q+q），Q为上游断面设计流量，m3/s；q为区间旁侧入流量，m3/s；Cs为功能区水质目标，mg/L；Cc为模拟计算得到的功能区下游断面水质，mg/L。

2.2 不定点水环境容量计算

针对浑河流域水污染严重、水质差的现状，为达到最严格水资源管理中的水功能区污染物入河量控制红线要求，考虑到流域发展实际及污水处理水平，将规划水平年的水环境容量在设计流量下定为同一值进行污染物排放总量控制。为确保水环境容量的准确性，以辽宁省水功能区划对河流水环境容量的总体控制要求为基准，按照污染物在河段顶端、中间、均匀排放3种情形给出纳污能力的稳态解析解。浑河流域水环境容量具体计算公式为：

1）顶端排放

3）均匀排放

式中：W为河流的水环境容量，t/a；Cs、C0分别为目标断面、起始断面水质浓度，mg/L；Q为断面设计流量，m3/s；u为断面设计流速，m/s；K为降解系数，d-1；l为水功能区长度，m。

2.3 分期设计水环境容量

分期设计水环境容量在年度设计值的基础上，乘上每个水期的时间占全年时间的比例得到在某个水期时间内的水环境容量，即：

式中：Wp为在某个水期时间内的水环境容量，t/a；A为某个水期所占月份数；Cs，C0分别为目标断面、起始断面水质浓度，mg/L；Q为水功能区设计流量，m3/s；L为水功能区长度，km；X为概化点距

2）中间排放控制断面的距离，km。

为充分利用水体自净消减能力，研究中以分水期（封冰期、非封冰期、全年期）设计流量外包线为依据，以三者最大值作为设计流量控制线（上控制线）进行水环境容量计算；基于偏安全角度，采用三者最小值作为设计流量控制线（下控制线）确定水环境容量。

2.4 湖库水环境容量计算

研究区中水库多为大型水库，或存水量不大的中小型水库，在水力及外界环境的影响下（入库水量和出库水量相等），污染物在水体中得到均匀混合，水环境容量计算：

式中：W为水体纳污能力，g；Cs为水质目标浓度，mg/L；C0为初始断面污染物浓度，mg/L；V为水库设计库容，m3。

3 设计水文条件

浑太河流域位于辽宁省东部地区，流域面积2.73万km2，由浑河、太子河、大辽河水系构成。浑太河流域行政区包括抚顺市、沈阳市、本溪市、辽阳市、鞍山市、营口市、盘锦市大部分、铁岭市一部分以及丹东市的小部分，行政区面积占全省面积的18.7%，是辽宁省乃至东北地区重要的经济中心。浑河全长415 km，太子河长413 km，两者均发源于长白山脉，在三岔河附近汇合后称大辽河，大辽河全长96 km，在辽宁省营口市入渤海。

结合浑太河流域的实际情况和研究目标，拟采用全国水资源综合规划选择的污染物总量控制因子。通过对流域水质现状与污染变化趋势进行分析可知，浑太河流域水污染以有机污染为主，尤其是含氮有机物污染。部分河段由于工业未达标废水的排放，造成挥发性酚、硝基化合物等特征污染物超标严重。学者对浑河流域水环境问题从不同层面进行了探索性研究，对造成水环境破坏的污染物主要聚焦在COD和NH3-N上。如毛光君借助分类综合污染评价法研究大辽河1995—2008年水质变化趋势，研究期内大辽河均为劣V类水质，且主要污染物为COD与NH3-N，水体中的COD与NH3-N主要来自于点源工业、面源农业。

3.1计算单元

计算单元是水环境容量总量控制的基础，它隐含了均匀性假定。一个或多个计算单元能够组成完整的行政区和水资源分区，便于分类统计，同时要与水功能区划相协调，尽量满足排污减控与水质模拟分析计算要求。对于计算单元的划分以辽河流域水资源综合规划、水资源分区、水功能区划的基本要求为依据，在考虑行政区降水特性及流域/区域排水综合管理要求基础上，针对河流污染物整体削减的系统性，采用四级水资源分区套地市的方法将浑太河流域划为29个计算单元（将水资源四级分区与对应的每个县进行组合），保证计算单元边界与水资源分区边界一致性，同时确保计算单元内污染物产生及入河过程与用水、降水过程的匹配性。计算单元具有点线面特征，将排污口-水功能区-区域产业结构布局紧密结合在一起，能够为水环境容量总量分配方法的合理性及可行性提供检验平台。计算单元控制节点的确定以流域水功能区控制断面或排水关键控制断面为主。结合流域水功能区控制断面分布，给出计算单元分布状况。

3.2 设计流量

对流域年内分丰（6—9月）平（3-5月、10月）枯（11至翌年2月）水期进行设计流量计算。研究中针对浑河水系8个水文测站、太子河水系13个水文测站依据90%保证率最枯月平均流量确定站点分期设计流量。

3.3 降解系数

研究中对于污染物降解系数取值的合理性较为重要，取值既能体现不同性质的污染物降解程度的差异性，又能根据污染物水体中含量的差异性进行综合取舍，以体现水质达标控制目标实施的可行性。对于该参数的敏感程度分析，由于涉及到非线性变化关系，并且影响因素众多，将在以后的研究中继续深化。浑太河流域全年气温变化较大，而降解系数对温度的反应比较敏感。研究中对冰封期1—3月、11月、12月以及非结冰期4—10月的降解系数进行调整，得到对应温度下的降解系数。研究中对浑太河流域降解系数取值情况见表1。

3.4 设计流速

浑太河流域河段大多处于丘陵平原地带，河流垂直坡降变化较小，河道较宽。因此，为研究方便起见，将河道简化为矩形河流（断面宽深比不小于20时，简化为矩形河段进行面积计算的误差在10%以内）进行流速的确定。为减少资料稀缺带来的不确定性，计算过程中对河流的宽深比均假定大于100，此时河流的水力半径可用平均水深代替。大辽河流域地势相对低平，水流速较小，并且可供验证的流量资料不足，因此，主要采用合成法进行流速的确定。

在河段坡降、河宽确定的基础上，对实际资料的计算结果进行修正，计算浑太河流域河段的平均水深与流速。

在对河流设计流速进行计算的过程中，假定河流的平均水深与河段对应的水力半径相同，此条件在天然状况下是难以实现的，但当河流的设计流量与平均水深较小（河段的宽深比一般大于100）时，用此条件进行计算得到的设计流量的计算误差仅为1.33%，因此，对于浑太河这种宽浅的丘陵—平原型河流，可以采用这种假定。

表1 浑太河流域降解系数取值情况

4 水环境容量计算

结合计算单元的水功能区、河段信息及跨界水功能区水质目标考核方法，在对河道分期水环境容量计算结果进行分类的基础上，给出浑太河流域计算单元包含的重要河流的水环境容量计算结果。计算结果为浑太河流域主要河流减排措施制定、重点行业产业结构调整、区域间及行业内排污权交易量确定提供依据。针对计算单元所在河流信息及排污口分布状况，水环境容量计算结果见表2。

5 结语

由于水文条件、水体化学物质的季节性变化，水环境容量具有随时间动态变化特性。因此，在单一设计水文条件下单纯计算静态水环境容量稍显欠缺。为避免全年采用单一水环境容量限制污染排放量造成的“丰欠枯超”现象，并为满足北方河流的水环境管理需求，采用分期设计流量实现北方河流水环境容量季节多变这一目标。

针对浑太河流域流量、水质参数受水期、温度变化影响较大的现象，分丰（6—9月）平（3—5月、10月）枯（11至翌年2月）水期进行设计流量确定。研究中依据丰、平、枯3个水期内河流污染负荷的来源、降水强度及水质水量相关关系的差异，在划分水期的基础上，针对不同水期月份的径流特点选择典型流量作为分阶段水环境容量的计算依据。浑太河流域COD水环境容量总量为144 626 t，枯水期、平水期、丰水期的水环境容量分别占总量的16.2%，35.4%，48.4%；氨氮水环境容量为9 776 t，枯水期、平水期、丰水期的水环境容量分别占总量的16.2%，35.4%，48.4%。分期设计水环境容量的计算结果体现出水环境容量的动态特性。

［1］周刚，雷坤，富国，等.河流水环境容量计算方法研究［J］.水利学报，2014，45（2）：227-233.

［2］李如忠，汪家权，王超，等.不确定性信息下的河流纳污能力计算初探［J］.水科学进展，2003，14（4）：459-463.