北方季节性河流保障环境流量研究*

唐 敏 于鲁冀 梁亦欣 王惠英 吕晓燕 张 宽

(1.郑州大学环境技术咨询工程有限公司，河南 郑州 450002； 2.郑州大学环境政策规划评价研究中心，河南 郑州 450002；3.郑州大学水利与环境学院，河南 郑州 450001)

北方季节性河流保障环境流量研究*

唐 敏1，2于鲁冀3#梁亦欣1，2王惠英1，2吕晓燕1，2张 宽1，2

(1.郑州大学环境技术咨询工程有限公司，河南 郑州 450002； 2.郑州大学环境政策规划评价研究中心，河南 郑州 450002；3.郑州大学水利与环境学院，河南 郑州 450001)

针对北方季节性河流环境流量短缺和污染并存的现状，从二元水循环的角度，提出一种建立在河流或河段的水量水质平衡基础上的环境流量分析方法；以典型重污染河流——贾鲁河为例，基于河流径流和水质特征，以满足水质目标要求为前提，提出保障环境流量的对策建议。结果表明：为改善河流近期水质，在提标治理和进一步严格监管的同时，基于2013、2014年数据，需新增环境流量分别为1.55m3/s(折合0.49亿m3/a)和8.10m3/s(折合2.55亿m3/a)，其经济总成本分别为4.90亿、5.52亿元，占郑州市生产总值的0.08%，可依托现状引水工程进行保障环境流量水资源的调配，经济及水源途径可行。

季节性河流 环境流量 二元水循环 水量水质平衡模型 贾鲁河

季节性河流一般以雨水补给为主，枯水期流量小，洪水期流量大，水位变幅较大。目前，大多数北方季节性河流由于天然径流缺乏，而且受人类活动的强烈干扰，出现水污染严重、河流自净能力极弱或消失，甚至部分河流已出现断流，环境容量严重不足等问题。

贾鲁河是淮河流域沙颍河水系中一大支流，属于典型的北方季节性重污染河流。贾鲁河天然径流小，纳污量较大，河道自净能力差，水质污染严重。十余年来，经过提标治理、环境管理、生态调水等多方面的努力，贾鲁河水污染恶化趋势得到一定程度的遏制，但由于河流上游主要分布在社会经济较发达的郑州市，水资源开发利用强度较大，同时贾鲁河入河污染物总量远超出河流的自净能力，导致水质改善压力大。针对北方季节性河流日趋严峻的水环境问题，保障河流环境流量，是改善河流水质、逐步恢复河流环境功能与生态功能的有效及必要手段。张洪斌等[1]利用水质模型确定了最佳生态补水量。葛军[2]从水量维持和水质保障两方面对塘西河枯水期水资源短缺量进行预测，确定了塘西河生态补水量，但只侧重考虑水质计算方法。

环境流量计算方法对于实现流域水资源合理开发、配置及维持河流生态健康具有重要意义，其计算结果可为河流生态补水量的确定提供科学依据[3]。针对此方面从二元水循环的角度开展相关研究的学者较少。王西琴等[4-5]最早以辽河流域为例，开展了基于二元水循环的河流生态需水水量与水质综合评价方法研究。之后，张代青等[6]、张亮等[7]在此研究理论方法指导下进一步开展了环境流量相关研究。上述研究将河流作为一个整体来开展环境流量研究，且未考虑天然水循环过程对水质的影响。

本研究以重污染河流贾鲁河为例，从二元水循环的角度，考虑了自然和社会水循环中的水量水质变化，根据出境考核断面将贾鲁河分成不同河段，提出一种建立在河流或河段的水量水质平衡基础上的环境流量分析方法，以满足水质目标要求为前提，开展保障环境流量研究，为改善北方季节性河流近期水质提供参考。

1 环境流量计算方法

1.1 水量水质平衡模型

基于“降雨、取水、排水”二元水循环思想建立了水量水质平衡模型，考虑了河流降雨径流、蒸发耗水、自净削减等自然水循环中的水量水质变化，以及取水、工业/生活排水、生态调水等社会水循环中的水量水质变化。河段水量水质平衡见图1。

图1 河段水量水质平衡Fig.1 Water quality and quantity balance

河流各河段内的水量水质平衡主要包括两大部分：(1)水量平衡，即水量的输入和输出；(2)水质平衡，在水量平衡的基础上，分析单元内各输入和输出量对应的污染物的输入和输出量，同时分析由单元内自净作用削减的污染物量。

1.2 控制河段流量(水量)数据选取

1.2.1 输入量参数

河段上游来水量(Q1，m3/s)、支流汇入量(Q7，m3/s)采用水文站点流量数据。河段内的工业和生活排水汇入量(包括工业点源汇入量(Q2，m3/s)、生活污水处理厂汇入量(Q3，m3/s)和直排生活废水汇入量(Q4，m3/s))根据环境统计数据核算。河段内生态调入水量(Q5，m3/s)采用地市上报的各河段生态补水数据。河段内降雨产生的径流量(Q6，m3/s)采用径流系数法，利用年降雨量的平均值与径流系数推求年径流量(见式(1))。

W=1 000×C×P×F=1 000×(R/P)×P×F

(1)

式中：W为年径流量，m3；C为径流系数，与研究区域植被、地形、地质、主河道长度等因素有关；P为多年平均降雨量(1982—2012水文站点数据)，mm；F为控制河段流域面积，km2；R为多年平均径流深(1982—2012水文站点数据)，mm。

1.2.2 输出量参数

(1) 河段出水流量(Q8，m3/s)采用水文站点流量数据。

(2) 蒸发耗水量(Q耗，m3/s)为河道水面面积乘以蒸发量，采用《河南省水文水资源》中各地区蒸发量。

(3) 在上述各项水量参数确定的基础上，根据输入输出模型，核算单元的水量平衡，其中增加/损失的量作为取水和渗漏量(ΔQ，m3/s)。

(4) 自净削减量

首先确定综合削减系数(k)。根据《制定地方水污染物排放标准的技术原则和方法》(GB 3839—83)，当计算的河段内有污染源排入时，污染物沿水流方向的平衡方程式见式(2)。

(2)

式中：C1为上游流入的污染物质量浓度，mg/L；i为排污口或支流序号；n为排污口或支流总数；qi为排污口或支流的水量，m3/s；ci为排污口或支流的污染物质量浓度，mg/L；C8为河段出水的污染物质量浓度，mg/L。

在计算的河段内有污染源排入时，可由式(2)换算得到各区段的综合削减系数。在综合削减系数确定过程中，根据卢映东等[8]提出首断面节点平衡的观点，针对区段内水量不平衡，需要首先进行水量平衡，在水量平衡中以断面测验值为准，可增加平衡水量，其值等于上断面流量与区段内汇入水量和下断面流量之差。本研究中河段取水和渗漏量为平衡水量。因此，确定综合削减系数可变换为式(3)。然后，采用基准年每月断面流量和水质数据计算自净削减量。

(3)

式中：CΔ为取水和渗漏的污染物质量浓度，mg/L。

1.3 控制河段水质参数选取

断面水质数据：采用河南省政府责任目标断面水质监测数据。入河工业点源、污水处理厂采用环境统计数据，直排生活污水COD、氨氮分别取300、25 mg/L。生态调入水水质：已进行生态补水的河流补水水质根据现状补水水质，未有补水的取《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类限值(COD 20 mg/L，氨氮1 mg/L)。断面水质目标：采用各断面“十二五”河南省政府责任目标。

2 贾鲁河环境流量计算

2.1 流域基本情况

贾鲁河全长246 km，流域面积5 896 km2，其发源于新密市，向东北流经郑州市，至郑州市市区北郊折向东流经中牟、开封、尉氏、扶沟、西华等县，于周口市入沙颍河，最后汇入淮河。根据河南省水环境功能区划，贾鲁河水体功能区划为Ⅳ类水体，但实际水质严重劣于GB 3838—2002中Ⅴ类标准。

2.2 径流与水质特征

贾鲁河受自然因素所限，天然径流稀少，多年平均径流量4.518亿m3，多年平均流量14.6 m3/s，年最大径流量15.72亿m3，年最小径流量1.51亿m3，根据河南省地表水责任目标断面流量数据，贾鲁河丰水期为6—9月，平水期4—5、10月，枯水期1—3、11—12月。

贾鲁河河道补给水基本为郑州、开封市及下辖区县经过一定处理的城镇生活污水和工业废水，即使经过深度处理，入河水质COD和氨氮的浓度仍远高于GB 3838—2002中Ⅴ类标准。贾鲁河在入沙颍河前设置中牟陈桥(郑州段)、扶沟摆渡口(开封段)和西华大王庄(周口段)3个控制断面(见图2)。“十二五”河南省政府责任目标具体考核要求见表1。

采用单因子评价法，按照“十二五”河南省政府责任目标进行评价，贾鲁河从上游到下游污染程度逐步减轻，但各河段水质均为劣Ⅴ类，不能满足近期“十二五”河南省政府责任目标，远未达到水体功能区目标要求。

图2 贾鲁河控制断面示意图Fig.2 The controlled section of Jialu River

所属河流所在控制单元断面名称具体考核要求郑州中牟陈桥氨氮≤3.0mg/L,其余指标Ⅴ类贾鲁河开封扶沟摆渡口周口西华大王庄氨氮≤2.0mg/L,其余指标Ⅳ类

2.3 计算结果与分析

2.3.1 情景设定

针对贾鲁河流域污染状况，分别从现状排污和提标排污情景下计算贾鲁河不同河段所需环境流量。现状排污情景考虑河流上下游关系及协同管理，即上游断面(河段)补水水质达标后对下游河段水质的影响。从提标治理和严格监管要求的角度，考虑入河工业点源、集中污水处理厂按照提标要求排污后对河段水质的影响，结合现状监管条件下污染源90%达标率的排污状况，设定情景1为污染源提标排放、90%达标率；在进一步严格污染源排污监管条件下，设定情景2为污染源提标排放、100%达标率。

贾鲁河郑州市区和其他地区控制河段内，入河的所有工业点源和集中污水处理厂按照河南省《贾鲁河流域水污染排放标准》(DB 41/908—2014)达标排放测算：郑州市区COD≤40 mg/L、氨氮≤3 mg/L，其他地区COD≤50 mg/L、氨氮≤5 mg/L。

2.3.2 现状排污情景

现状排污情景下贾鲁河不同河段保障水质(COD和氨氮)达标所需环境流量见表2。现状排污情景下，从保障COD和氨氮达标环境流量结果来看，氨氮达标所需环境流量大于COD；从不同水期保障水质达标环境流量结果来看，呈现枯水期>平水期>丰水期，可见贾鲁河流域亟需保障枯水期所需环境流量；从河段所需环境流量来看，贾鲁河3个河段中需保障上游郑州段环境流量。

表2 现状排污情景下保障水质达标环境流量

图3 提标排污情景下保障水质达标环境流量结果Fig.3 Environmental flow of guarantee discharge up to COD and ammonia nitrogen standard under the scenario of strict pollution discharge

现状排污情景下，基于2013年数据计算，贾鲁河丰、平、枯水期保障水质达标环境流量分别为8.70 m3/s(折合0.92亿m3/a)、11.30 m3/s(折合0.90亿m3/a)、34.00 m3/s(折合4.44亿m3/a)，合计6.26亿m3/a；基于2014年数据计算，贾鲁河丰、平、枯水期障水质达标环境流量分别为10.50 m3/s(折合1.11亿m3/a)、29.60 m3/s(折合2.35亿m3/a)、48.40 m3/s(折合6.36亿m3/a)，合计9.82亿m3/a。可见，以2014年为基准年计算所需环境流量总体大于以2013年为基准年的环境流量，这是由于2014年贾鲁河水质恶化的结果。

2.3.3 提标排污情景

提标排污情景1、2条件下计算贾鲁河流域保障COD和氨氮达标所需环境流量见图3。提标排污情景1、2下，从保障COD和氨氮达标计算结果来看，氨氮达标所需环境流量总体大于COD；从河段所需环境流量来看，贾鲁河3个河段中需保障郑州段环境流量。

提标排污情景1下，基于2013、2014年数据计算，贾鲁河流域保障水质达标环境流量分别为1.55 m3/s(折合0.49亿m3/a)、10.50 m3/s(折合3.31亿m3/a)。提标排污情景2下，基于2013、2014年数据计算，贾鲁河流域保障水质达标环境流量为1.55 m3/s(折合0.49亿m3/a)和8.10 m3/s(折合2.55亿m3/a)。可见，提标排污情景下，以2014年为基准年计算所需环境流量均大于以2013年为基准年计算所需环境流量，这也是由于2014年贾鲁河水质恶化的结果。

综合而言，提标排污情景下保障水质达标所需环境流量较现状排污情景下减少。在提标治理和进一步严格环境执法监管的同时，基于2013、2014年数据计算，所需环境流量分别为1.55 m3/s(折合0.49亿m3/a)和8.10 m3/s(折合2.55亿m3/a)。

3 保障环境流量对策建议

鉴于河南省已实施国内较严的DB 41/908—2014，以最少的水资源量保障断面水质目标实现为目的，以用水控制总量为红线，按照“控源提标、节水优先”的原则，强化源头控制，严格环境监管。加大贾鲁河流域郑州市控源减排力度，减少污染物入河量，重点保障贾鲁河郑州段环境流量，近期(“十二五”期间)保障实现“十二五”河南省政府责任目标所需环境流量，增加水环境容量，提高水体自净能力，远期同时加大郑州市的节水力度和水资源优化配置，保障实现水环境功能区划水质目标需新增环境流量。

要满足“十二五”河南省政府责任考核目标要求，贾鲁河3个河段中需新增环境流量的河段为郑州段，经济总成本=生态补水成本+工业企业达标排放需增加的投资+污水处理厂达标排放需增加的投资。工业企业与污水处理厂达标排放需新增治理成本为4.75亿元，基于2013、2014年数据需新增环境流量水资源费用分别为0.15亿、0.77亿元，总经济成本分别为4.90亿、5.52亿元，均占郑州市生产总值的0.08%，从经济角度分析保障环境流量可行。

目前，现状已有保障环境流量(生态补水)工程，通过调黄河水生态补源来改善和恢复贾鲁河水环境质量，主要取水点为花园口东风渠和邙山水库。由于保障环境流量(生态补水)工程与河流需新增环境流量的河段完全对应，建议依托现状引水工程进行保障环境流量水资源的调配，通过中牟县三刘寨、杨桥和赵口引黄河干流入贾鲁河。

4 结论与讨论

(1) 针对北方季节性河流环境流量短缺和污染并存的现状，从二元水循环的角度，提出一种建立在河流或河段的水量水质平衡基础上的环境流量分析方法。

(2) 为满足“十二五”河南省政府责任考核目标要求，贾鲁河3个河段中需新增环境流量的河段为郑州段。在提标治理和进一步严格环境执法监管的同时，基于2013、2014年数据，需新增环境流量分别为1.55 m3/s(折合0.49亿m3/a)和8.10 m3/s(折合2.55亿m3/a)，其经济总成本分别为4.90亿、5.52亿元，均占郑州市生产总值的0.08%，从经济角度分析保障环境流量可行。

(3) 现状保障环境流量(生态补水)工程与河流需新增环境流量的河段完全对应，建议依托现状引水工程进行保障环境流量水资源的调配，通过中牟县三刘寨、杨桥和赵口引黄河干流入贾鲁河。

(4) 环境流量不是一个固定的数值，根据不同的环境目标要求可测算出不同的值，对于不同的年份，月份亦可测算出不同的值。本研究主要分析的是年平均值，在数据充足、条件允许的情况下，应分析月平均，甚至更短的周期，用来指导制定更加合理的水资源管理方案。

[1] 张洪斌，李兰，甘衍军，等.荆门市竹皮河的生态补水方案研究[J].人民长江，2010，41(10)：83-85.

[2] 葛军.合肥市塘西河综合整治中景观生态需水量计算[J].中国市政工程，2010(3)：32-35.

[3] 卿晓霞，郭庆辉，周健，等.小型季节性河流生态补水需水量及调度方案研究[J].长江流域资源与环境，2015，24(5)：876-881.

[4] 王西琴，张远.从水量与水质相结合的角度认识生态需水[J].环境保护，2006(4)：75-78.

[5] 王西琴，刘昌明，张远.基于二元水循环的河流生态需水水量与水质综合评价方法——以辽河流域为例[J].地理学报，2006，61(11)：1132-1140.

[6] 张代青，高军省.河道内生态环境需水量计算方法的研究现状及其改进探讨[J].水资源与水工程学报，2006，17(4)：68-73.

[7] 张亮，何新林，赵琪，等.基于二元水循环的河流生态需水综合评价[J].武汉大学学报(工学版)，2009，42(5)：669-672.

[8] 卢映东，赵志群，徐晓娟.嫩江水环境总量控制输入响应关系的应用[J].黑龙江环境通报，2000，24(2)：117-119.

Studyofsafeguardenvironmentalflowfornorthernseasonalrivers

TANGMin1，2，YULuji3，LIANGYixin1，2，WANGHuiying1，2，LYUXiaoyan1，2，ZHANGKuan1，2.

(1.EnvironmentalTechnologyConsultingandEngineeringCo.，Ltd.，ZhengzhouUniversity，ZhengzhouHenan450002；2.ResearchCenterforEnvironmentalPolicyPlanningandAssessment，ZhengzhouUniversity，ZhengzhouHenan450002；3.CollegeofWaterConservancy&EnvironmentalEngineering，ZhengzhouUniversity，ZhengzhouHenan450001)

According to the present situation of the coexistence of environmental flow shortage and pollution for northern seasonal rivers，from the perspective of dualistic water cycle，a analysis method of environmental flow was proposed that based on water quality and quantity balance of river or rivers. In the case of Jialu River，typical heavily polluted rivers，based on river runoff and water quality characteristics，in order to meet the objectives and requirements of the premise，the safeguard countermeasures and suggestions of environmental flow were put forward. The results showed that：in order to improve the recent water quality，in stricter governance and supervision，based on 2013 and 2014 data，the environmental flow should be newly increased with 1.55 m3/s (49 million m3/a) and 8.10 m3/s (255 million m3/a) separately. Its total economic cost were 490 million yuan and 552 million yuan respectively，and were 0.08% of GDP in Zhengzhou. The allocation of environmental flow could rely on diversion projects，and its economy and water way were feasible.

seasonal rivers; environmental flow; dualistic water cycle； water quality and quantity balance model; Jialu River

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.04.022

2016-03-25)

唐 敏，女，1984年生，硕士研究生，研究方向为水污染控制技术。#

。

*国家水体污染控制与治理科技重大专项(No.2015ZX07204-002)。