浑太河流域水环境容量计算设计流量研究

李景波，付意成，赵进勇

（1.新华水利控股集团公司，100053，北京；2.中国水利水电科学研究院，100038，北京）

浑太河流域水环境容量计算设计流量研究

李景波1，付意成2，赵进勇2

（1.新华水利控股集团公司，100053，北京；2.中国水利水电科学研究院，100038，北京）

水环境容量计算的影响因素主要包括设计水文条件、水功能区水质保护目标、污染物种类特性及排放方式，断面设计流量与流速、水位间具有相关性，合理确定断面的设计流量成为进行水环境容量计算的关键。为体现水环境容量的时间动态变化特性，提出分期设计流量的原则，以浑太河流域为典型区进行设计流量的确定，给出基于典型年设计流量、分期设计流量、冰期非冰期设计流量的集成方案。

水环境容量；分期设计流量；浑太河流域

受河道径流特性、社会经济水平、污染程度差异的影响,水环境容量测算时选取的设计流量条件应有所不同。通常情况下，90%保证率最枯月径流量对应的单一水环境容量有限，为此，应综合考虑径流调节工程、调度运行方式对水环境容量计算过程的影响。河流径流的丰枯变化决定了水环境容量随时间具有动态变化特征。在污染物质浓度不超过一定限制的情况下，流域水环境容量和设计流量成正比，因此，设计流量的确定是进行河段水环境容量计算的关键。通常利用经验适线法进行理论频率曲线（皮尔逊Ⅲ型曲线）配线，确定不同频率对应的设计流量。

浑太河由浑河、太子河两个独立水系构成，流域面积2.54万km2。浑河、太子河为大辽河流域独立水系，两者在三岔河附近汇合后称大辽河，其中，浑河全长415.4 km，年径流量24.04亿m3；太子河全长412.9 km，年径流量33.31亿m3。本文选取大辽河三岔河口以上河段所在流域为研究区，包括浑河干流及其支流、太子河干流及其支流。浑太河流域水资源贫乏，降水年内分配变化较大，7—9月降水量占全年的70%以上，加之沿河水库等大中小型蓄水工程的控制，导致河流非汛期流量较小，甚至出现断流。水环境容量的计算，需要在确定风险率的基础上进行，因此，在计算河流水环境容量时选择适宜的枯水设计流量，对枯水期、平水期水安全起到重要作用。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，并满足浑太河水系的水环境管理需求，采用分期设计流量实现浑太河水环境容量季节多变这一目标。

一、设计流量研究状况

1.国外经验

美国环保局 （EPA）颁布的各类TMDL（Total Maximum Daily Load）指南给出了制定TMDL方案时使用设计水文条件的技术导则。研究者从水环境污染风险最小化的层面考虑，曾将最小生态流量作为设计水文条件。

EPA推荐采用水文学方法（xQy）和生物学方法（xBy）两种设计流量计算方法。从污染物消减和水质安全层面而言，对传统污染物和毒性污染物存在的流域，xBy在设计流量确定方面相对于xQy更具合理性。两种方法均涉及允许平均期和重现期的概念。允许平均期根据水质指标的毒性特征确定，指必须能适当地限制超标幅度和时间，并且能提供浓度低于水质标准的恢复期，一般以天为时间尺度。重现期指在一定量级范围内，水文要素平均出现一次的间隔年数，常以多少年一遇表达，即为该水文要素在这一量级出现频率的倒数。根据污染物的风险特征或污染物受体、生物或人类的耐受性，重现期一般以年计。根据美国EPA的研究，水生生物安全一般取3a，人类健康安全根据污染物类型确定。

①在表达式xQy中，x为允许平均期（d），y为重现期（a），通常采用7Q10（90%保证率下最枯连续7 d的平均流量）、30Q10、1Q10进行设计流量的确定。水文学方法确定的设计流量是通过每年内一个极端水文条件进行跨年度的频率分析，按一定风险率来确定设计流量，作为毒性污染物负荷控制及总量分配的依据。研究中通常采用算术平均值、调和平均值和几何平均值进行设计流量的确定。

②在表达式xBy中，x为允许平均期（d），y为重现期（a）。

按水生生物安全要求重金属的允许平均期为4d、重现期3a或6a，通常采用4B3（重现期3 a，允许平均期4 d的河流稳态设计流量）或4B6的形式。

短期毒性污染物允许平均期30d，重现期为3 a，通常采用30B3的形式。对于致癌物质，通常取70 a作为允许平均期。

对于生态状况良好的河段，通常采用 P=50%频率下河道径流量的60%确定设计流量；对于生态状况一般的河段，通常采用P=50%频率下河道径流量的30%～60%确定设计流量；为满足生物最小生态需水量要求，一般采用P=90%频率下最枯连续7 d的平均水量作为河流最小流量设计值。

研究中对于生物大量存在的河段，一般采用几何平均法进行设计流量的确定。

其他国家在设计水文条件时，基本上停留在传统水文学的范畴内考虑枯水流量，并未满足生物安全的流量需求。

表1 河流设计流量计算方法及适用性分析

表2 浑太河流域生态需求流量设计值

2.国内规定

依据《制订地方水污染物排放标准的技术原则与方法》（GB3839—83）的规定：一般河流的设计流量采用近10 a最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量；对集中生活饮用水水源区，采用95%保证率最枯月平均流量；湖泊水库采用90%保证率最低月平均水位或近10 a最低月平均水位相应的蓄水量；有水利工程控制的河流采用最小泄流量（坝下保证流量）。在实际应用中，南方河流通常采用90%保证率下最枯n天流量的平均值作为设计保证率流量，北方则采用75%保证率下的最枯月平均流量作为设计流量。

依据《全国水环境容量核定技术指南》，流域一般采用30Q10（近10年最枯月平均流量）作为设计流量条件，湖库采用30V10（近10年最枯月平均库容）作为设计库容条件。

依据 《水域纳污能力计算规程》相关规定：在计算河流水域纳污能力时，采用90%保证率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量作为设计流量；季节性河流、冰封河流，宜选取不为零的最小月平均流量作为样本，采用90%保证率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量作为设计流量；流向不定的水网地区和潮汐河段，采用90%保证率流速为零时的低水位相应水量作为设计流量；有水利工程控制的河段，采用最小下泄流量或河道内生态基流作为设计流量；以岸边划分水功能区的河段，采用岸边水域的设计流量进行计算。

综上所述，我国在水环境评价及保护规划方面采用的设计水文条件基本沿用水文学方法，常用方法主要有3种：①近10年最枯月平均流量（GB3839—1983）；②90%保证率最枯月平均流量（GB3839—1983）；③借用美国环保局的7Q10及30Q10方法。在对长期和短期数据系列的处理方面，从水文学的观点看，方法②更合理，方法①在过丰或过枯的短期时段上进行频率分析时，存在数据缺乏代表性问题。从人类活动干扰的角度来看，方法①更具合理性，在流域耗水量增加造成河流径流量下降的情况下，因近远期水文数据缺乏一致性，因此，采用近期资料更趋于合理。方法②和30Q10法在概念的计算过程中具有相通性，所以方法②、③在概念上的差别不大，但③用年内最枯30天流量更合理一些。

表3 浑河流域断面典型年设计流量（m3/s）

表4 浑河流域断面分期设计流量（m3/s）

3.方法总结

在对国内外设计流量适用范围、计算方法可行性进行概述的基础上，结合生物生存状况及水体对污染的消减能力，进行河流设计流量计算指标选取与特征阐述，见表1。经验表明，水文学方法计算的大多数河流流量值大于允许出现的最低值，而生物学方法直接采用规定的破坏频率计算设计流量，结果更接近毒理控制的要求。

设计流量计算方法的选择与参数的取值主要与流域物种的生境多样性、生存状况有关。在研究区长系列水文资料缺少的情况下，通常选取最小生态流量Tennant法进行流量的确定。国内在分析设计水文条件时主要存在允许平均期选取混乱的问题，即在水质模拟、评价、保护规划等相关研究中，确定设计流量时基本没有考虑污染物的毒理性质、水体功能的特征，即便针对同一污染物，考虑到不同的区域经济社会发展目标和生态保护诉求，所选取的允许平均期不尽相同。

二、浑太河流域设计流量

1.最小生态流量

为消除浑太河流域下游水库回水对河道径流造成的影响，本文选取流域代表性15个水文站1988—2008年的信息资料，采用水文学方法30Q10、7Q10以及生物学方法 30B3、4B3进行设计流量计算，并将计算结果与最小生态流量（多年平均流量的10%）结果进行比较。

为避免采用最小生态流量作为河道下泄流量造成原有下游河道环境容量受损，研究中通过将30B3的计算结果与最小生态流量的结果进行比较，选取两者中较大值作为设计流量。浑太河流域满足生态需求下的流量设计值见表2。

通过数值比较分析来看，在某些情况下最小生态流量作为河道设计水文条件的参考值，可当作设计流量进行水环境容量计算，但对不同的河段，还要通过与水文学或生物学方法确定的设计流量进行对比，在考虑流域生态和环境保护目标的前提下进行综合确定。

表5 浑河流域冰期、非冰期设计流量（m3/s）

2.典型年设计流量

本文选择浑河水系8个水文测站、太子河水系13个水文测站依据90%多年平均流量确定设计年流量和典型年，在选取典型年的基础上进行年流量月分配。浑太河流域典型年流量设计结果见表3。

3.分期设计流量

本文对浑太河流域年内流量过程分丰水期（6—9月）、平水期（3—5月、10月）、枯水期（11—翌年2月）进行设计。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。浑太河流域分期设计流量计算结果见表4。

4.冰期、非冰期设计流量

本文选择浑河水系8个水文测站、太子河水系11个水文测站按照冰封期（1—3月、11—12月）、非冰封期（4—10月）进行流量设计。研究中以12个月90%保证率流量对冰期、非冰期流量设计值的合理性进行验证。浑太河流域冰期、非冰期设计流量见表5。

三、结 语

浑太河流域汛期非汛期、冰封期非冰封期流量变化较大，不能用流量均值进行设计流量的确定。根据河流分布区域的地貌、水文特征情况，确定河流较高保证率下的流量作为设计流量，以便于将河流的水环境容量限定在较低范围，严格控制污染物入河量，确保水功能区水环境保护目标的实现。结合浑太河流域的来水情况及资料获取的难易程度，本文采用流量分期设计理念，在综合均衡各方需求的基础上给出满足流域水质保护目标的流量设计值。

为体现水环境容量的动态变化特征，本文以分水期（封冰期、非封冰期、全年期）设计流量外包线为依据，为充分利用水体自净消减能力，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。

[1]USEPA.Water Quality Guidance for the Great Lakes System:Supplementary Information Document(SID)，Section VIII.C.Total Maximum Daily Loads[R].USEPA,1995．

[2]文毅,李宇斌,胡成.辽河流域水污染物总量控制管理技术研究[M].北京：中国环境科学出版社，2009.

[3]桑蓉，富国，雷坤，等.水环境容量计算中设计流量的选择与应用[J].人民长江，2013（5）.

[4]付意成.浑太河流域水环境容量总量控制研究[D].北京：中国水利水电科学研究院，2015.

责任编辑 张瑜洪

Study on design flow for calculation of water environment capacity in Huntai River Basin

Li Jingbo,Fu Yicheng,Zhao Jinyong

In calculation of water environment capacity,the influential factors mainly include hydrological conditions, objectives of water quality protection in water functions zones,types and features of pollutants and ways of pollution discharge,design flow and speed of sections as well as correlation between water levels,among which the key point is to define design flow of sections in a reasonable manner.In order to reflect the dynamic change of time,the principle of stage design flow is proposed and Huntai River Basin is employed as typical place for determination of design flow,so as to work out integration profile based on design flow of typical year,stage design flow and design flow in glacial period and non-glacial period.

water environment capacity;stage design flow;Huntai River Basin

TV123

B

1000-1123（2016）07-0037-04

2016-01-18

李景波，主任，高级工程师。

国家自然科学基金项目（51409269）。