基于控制单元的流域水环境问题诊断方法研究

陶亚， 程亮， 赵喜亮， 王梓赫

(1.生态环境部环境规划院，北京 100012; 2.中国环境科学研究院，北京 100012; 3.中国矿业大学，北京 100083)

沿江地区由于具备丰富的资源和便利的交通条件，往往是人口聚集、社会经济发展较快的主要区域。但在过去的40年内，由于社会经济的粗放型快速发展，沿江地区的生态环境受到极大损坏，特别是主要江河的干支流沿途接纳了大量的城镇污水、工业废水以及农村非点源污染，部分河段长期处于劣Ⅴ类水体。当前，部分穿越城区的河段面临着久治难清、黑臭河段治理反复的困局，是我国当前打赢水污染防治攻坚战的重要难点之一。

流域水环境管理工作的第一步就是通过流域水环境的野外调研及监测，对流域主要水体进行环境问题诊断[1-2]，分析流域的污染特征，评价河流的生态健康状况，识别流域内各控制单元水生态环境受损情况。目前，常用的水质评价方法有：分类单指标判断法[3-4]、综合污染指数法[5-6]以及内梅罗综合污染指数法[7-8]等。主要是采用流域内各水质监测断面的水质监测成果进行水质现状评价，针对重点断面进行水质指标变化趋势分析，确定超标污染物的种类、超标时段；或进一步对特征污染物进行污染类型变化趋势分析，确定受损单元的受损类别、受损时段和受损程度。

当前，基于控制单元的流域环境管理研究多专注于流域水环境容量核算与污染负荷分配研究[9-13]，对于流域水文过程的成果应用[14]，往往集中在流域非点源污染负荷估算[15]上。本文在当前生态环境空间管控的理念下，结合流域控制单元的划分[16]，提出一种结合流域水文过程的水环境问题诊断方法——基于等标负荷历时曲线法的流域水质问题诊断，以期为流域水环境管理中污染问题的识别提供一种视角。

1 基于控制单元的流域环境质量评价

1.1 流域控制单元划分

通过划分控制单元的方式可以将一个复杂的流域划分为数个既相互独立、又相互联系的空间单元，有利于进行水环境污染负荷总量的精细管理。通过解决控制单元内水环境问题和处理好单元间的关系，实现各控制单元的水质目标和流域整体水质目标，达到保护流域水生态功能的目的，便于进行流域的系统管理，实施流域水质目标管理的方案。

基于某流域DEM、土地利用类型等信息，采用ArcGIS水文分析的方法，将流域划分为30个相对独立的汇水区域。结合流域内各乡镇行政区划以及流域内污染源的空间分布特点，从环境管理可执行性的角度出发，确定了该流域四大控制单元：水系源头区控制单元、上游农业区控制单元、中游城镇区控制单元、下游河口区控制单元。该流域控制单元划分结果如图1所示，控制单元基本信息见表1。

图1 某流域控制单元划分成果图

表1 某流域控制单元信息统计表

控制单元沿岸1 km内人口/(万人)水系长度/km单元面积/km2控制单元主要功能目标水系源头区2.00211.501 146以水资源调蓄、水源地涵养为主要目标,以满足农业与林业种植为主上游农业区1.66132.60568以水源调蓄为主要目标,以满足农业生产生活为主中游城镇区10.75376.261 178以满足工业生产、农业灌溉以及景观用水为主

续表

1.2 流域环境质量评价

根据流域内主要干流的功能目标定位，结合控制单元划分，可以将4个控制单元划分为两部分：①水环境功能区划为Ⅱ类的是水系源头区控制单元、上游农业区控制单元；②水环境功能区划为Ⅳ类的是中游城镇区控制单元、下游河口区控制单元。各控制单元内化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)的历年各月浓度变化过程如图2—4所示。

图2 流域水系2011—2015年COD浓度变化过程

图3 流域水系2011—2015年NH3-N浓度变化过程

图4 流域水系2011—2015年TP浓度变化过程

从流域不同控制单元内河段的水质指标监测数据(图2—4)可得到如下结论：

1)2011—2015年,下游河口区控制单元内水质断面的水质持续劣于Ⅴ类。按照国家有关黑臭水体治理要求，该断面NH3-N年均浓度应控制在3.5 mg/L以下，并逐步(2018年底前)达到Ⅴ类水体；但近3年监测结果显示，该断面水质类别为劣Ⅴ类，其中NH3-N浓度均值为5.848 mg/L(图3)，超Ⅴ类标准1.92倍，区域黑臭水体治理任务艰巨。

2)中游城镇区控制单元内的水质为Ⅲ～Ⅳ类，NH3-N浓度波动下降，COD浓度波动上升。水系源头区控制单元内的水质为Ⅱ～Ⅲ类，NH3-N浓度呈缓慢下降趋势，COD浓度呈波动下降趋势。

3)从流域整体来看，流域内水质总体状况为轻度污染。按年均值评价，流域水系源头区与上游农业区控制单元内的断面基本可以稳定达到Ⅲ类水质，中游城镇区控制单元内的河段水质可满足Ⅳ类水质要求，下游河口区控制单元内的断面水质多处于Ⅴ类和劣于Ⅴ类水平。分析流域内全部监测断面可知，流域内Ⅲ类断面比例为37.5%、Ⅳ类为25%、Ⅴ类为25%、劣Ⅴ类为12.5%。对于流域水系的功能目标而言，仅在中游城镇区控制单元内可以达到水体功能区规划目标，其他控制单元均未能达到功能目标，流域内主要污染指标为NH3-N、COD。

2 基于等标负荷历时曲线法的流域水质问题诊断

2.1 等标负荷历时曲线法

在水环境问题诊断中，仅以水质指标浓度进行分析不足以评估流域上、下游水体所承受污染负荷的大小及其来源的时空变化情况，难以科学、精确地进行水环境问题识别。而通过将断面水文过程与水质相结合的研究方法，则可以避免基于单纯水质变化的环境诊断的不足。

历时曲线是指特定参数系列中大于等于某一给定参数值的频率曲线，是将参数系列值按照由大到小的顺序排列后，以不小于具体参数值的其他参数量占总数的百分比作为横坐标，对应参数值作为纵坐标(多采用对数坐标)后建立的曲线。当参数为流量系列时，即为流量历时曲线；将流量系列乘以特定污染物标准得到的负荷通量作为新参数系列建立的历时曲线，即为该指标的负荷历时曲线。分析步骤如下：

1)基于水质断面的日流量数据，建立流量历时曲线。

2)确定实测断面水质目标(不同污染物允许浓度)。

3)将水质断面的流量历时曲线数据乘以水质目标得到允许负荷历时曲线，绘制允许负荷历时曲线图。污染负荷历时曲线(Load Duration Curve,LDC)是在流量历时曲线(Flow Duration Curve,FDC)的基础上乘以特定水质目标的标准限值后得到的曲线，曲线上各点代表不同流量保证率下的污染物负荷容量。LDC能够直观地反映水流和水质受损程度之间的关系，不存在参数值不确定性因素。

4)将实测水质乘以当日流量转换到实际负荷，

L=CijQj。

(1)

式中：L为断面水质指标i在j时刻的负荷；Cij为水质指标i在j时刻的污染浓度；Qj为j时刻的流量。

5)将日流量乘以水质样品浓度得到一个监测断面日负荷，再将负荷点绘到负荷历时曲线图上。位于曲线上面的点，表示对允许负荷的偏离；位于曲线下面的点，表示符合标准，即实测的水质符合给定的使用功能。

6)根据超标的点数确定超标重现期。

采用负荷历时曲线，可以识别出以下几个方面的控制单元水质特征：识别水质超标现象；区分点源和非点源问题；确定污染控制期；确定超标重现率、超标频率；确定污染物达标所需的削减率。

受损控制单元解析：受损水体的超标重现期小于3 a，未受损水体的超标重现期大于3 a。

7)水污染负荷贡献类型评估。基于水污染负荷贡献类型评估方法，识别流域内不同控制单元的主要污染负荷来源。具体判别指标见表2。

表2 水污染负荷类型分析表

利用LDC能够清楚地表示水质受损时的流量区间，进而判断出断面水质受点源和非点源的影响程度。将断面某水质指标实际监测浓度与对应流量换算后点绘于负荷历时曲线上，统计每个流量历时区域内污染物的日负荷。若超标点多发生于低流量段，表明点源的污染贡献量较大；若发生于高流量段，表明面源的污染贡献量较大。

为将同一断面不同水质指标的超标情况进行直观比较，本文在污染负荷历时曲线法的基础上进一步提出了等标负荷历时曲线法(Equivalent pollution Load Duration Curve method,ELDC)。该方法是将LDC法和等标污染负荷法相结合，在断面流量历时曲线的基础上，将断面水质指标浓度与水质目标限值浓度进行比较，绘制等标负荷历时曲线。

(2)

式中Cis为水质指标的目标限值。

ELDC法可以在较少数据信息条件下，合理分析各类水环境问题，从而为流域水环境管理提供可靠的决策依据。此方法可以对流域内各河段多水质指标进行快速对比分析，判断在特定水环境功能目标要求下，各断面污染超标情况及主要污染因子；便于从空间上识别主要超标因子与超标时段，进而在一张图上快速、直观地判断出污染负荷来源。

2.2 流域水质问题诊断

基于流域内主要干支流流量过程的模拟结果[10]，结合流域内不同监测断面的水质监测数据，采用ELDC法，从河流断面污染负荷通量的角度，对流域干流水质问题进行识别。流域内不同控制单元内河段污染负荷历时曲线如图5—8所示。

图5 水系源头区等标污染负荷历时曲线

图6 上游农业区等标污染负荷历时曲线

图7 中游城镇区等标污染负荷历时曲线

图8 下游河口区等标污染负荷历时曲线

分析图5—8不同控制单元中不同水质指标的等标污染负荷历时，结果表明：该流域上游以上水系(图5)，水体超标时段主要发生在大流量区间，水系源头区控制单元主要超标污染物为TP，表明该单元内的污染问题主要在农业源上；流域上游农业区控制单元内河段污染物通量基本未超各自河段水质目标(图6)，仅在部分大流量时期NH3-N污染通量略有超标；流域中下游控制单元内河段(图7)、特别是河口区域(图8)，污染物通量超标严重，无论是在大流量时期或中小流量时期，主要的超标污染物是NH3-N、COD与TP，其中NH3-N超标问题最为严重，表明相对于流域内其他控制单元，该区域内点源污染对水体水质的影响较大。特别是NH3-N的超标问题，需要地方管理部门在流域的下游河口区控制单元进一步开展源解析工作，从而确定其具体的污染负荷来源途径，以便在河口河段黑臭水体治理中实施针对性的措施。

3 结语

基于控制单元开展区域水环境管理是当前环境管理的重大转向。基于某流域自然地理条件与行政区划，采用ArcGIS水文分析与空间融合的方法，对该流域自河源至河口划分了4个控制单元：以水资源调蓄与水源涵养为主要功能的水系源头区控制单元、以农业生产生活为主要功能的上游农业区控制单元、以工农业生产生活以及景观用水为主要功能的中游城镇区控制单元和下游河口区控制单元。

基于控制单元对流域水环境问题进行了精细化分析与识别，根据流域内干支流在实际气象条件下的流量过程的计算成果，结合各控制单元内水质监测断面的实测数据，采用ELDC法，从河流断面污染负荷通量的角度，对流域内干流水质问题进行了判别。结果表明：流域上游以上水系，水体超标时段主要发生在大流量区间；流域中下游河段、特别是河口区域污染物通量超标严重，无论在大流量时期或中小流量时期均出现水质超标，主要超标污染物是NH3-N、COD与TP。应用该方法，可以快速、准确地识别出流域不同空间内的主要污染因子及污染负荷来源。