跨界河流水功能区水质达标率计算方法研究

曾宪忠，郝守宁

▪水土资源与环境▪

跨界河流水功能区水质达标率计算方法研究

曾宪忠1，郝守宁2*

（1.贵州省松柏山水库管理处，贵阳 550025；2.西藏农牧学院，西藏 林芝 860000）

跨界河流涉及上下游多个行政区域，其水功能区水质达标率计算是跨界河流水功能区限制纳污红线管理的重点和难点。【】计算扣除上游入境来水影响后的跨界河流水功能区水质达标率。通过构建水质数学模型提出了定量化的跨界河流水功能区水质达标率计算方法，以辽河流域的招苏台河为典型案例验证了该计算方法。①2017年招苏台河吉辽缓冲区、招苏台河黑岗农业用水区、招苏台河黄酒馆农业用水区、条子河吉辽缓冲区和条子河林家农业用水区的水质达标率分别为100.0%、33.3%、33.3%、100.0%、91.7%。②该方法有效扣除了上游入境来水对下游水功能区水质的影响，计算得到的水功能区水质达标率高于常规计算方法。该计算方法比常规计算方法更为合理，可为跨界河流水功能区管理和水资源保护提供科学支撑。

水功能区；水质达标率；跨界河流；水质模型

0 引言

【研究意义】近年来，虽然我国水环境治理力度不断加强，但随着社会经济的快速发展，江河湖泊水污染防治形势依然严峻[1-4]。为促进社会经济和生态环境的协调发展，2011年中央一号文件明确提出实行最严格水资源管理制度，而水功能区限制纳污红线是最严格水资源管理制度的3条红线之一[5]。【研究进展】水功能区限制纳污红线为水功能区监督管理提供了有力抓手[6]，学者们围绕水功能区水质现状评价[7-9]、水质达标率评价[10-12]、纳污能力计算[13-16]等方面开展了大量研究，取得了一系列成果。其中，水功能区水质达标率考核是水功能区限制纳污红线管理的核心内容，水质达标率往往采用年度频次法计算。对于一般的江河湖泊，若某月实测水质满足水功能区水质目标要求则认为该月水质达标，水质达标月份个数除以评价月份总数即为年度达标率，年度达标率大于等于80%的水功能区为年度达标水功能区。但不同于一般的江河湖泊的计算，当河流跨界涉及上下游多个行政区域时，其下游水功能区水质质量浓度除了受到下游行政区域内污染负荷输入的影响，还明显受到上游入境来水水质的影响，其水功能区水质达标率计算方法相比一般的江河湖泊更为复杂[17-18]。

当前跨界河流水功能区水质达标率往往采用常规计算方法，即直接采用水功能区控制断面的实测水质质量浓度进行达标评价，国内学者采用该方法从跨省界、跨市区界等层面分析评价了我国跨界河流水功能区水质状况[10-12]。但该方法将跨界河流当作一般河流处理，未能考虑跨界河流的特点。目前缺少适用于跨界河流的水功能区水质达标率计算方法。【切入点】当上游入境来水水质超过跨界河流省界水质断面控制目标时，若在分析下游水功能区某月水质是否达标时仍采用常规计算方法，则会掩盖上游水质超标对下游水功能区水质造成的影响，无法合理计算下游水功能区水质达标率。

【拟解决的关键问题】针对当前跨界河流水功能区水质达标率常规计算方法存在的不足，提出基于水质数学模型的跨界河流水功能区水质达标率计算方法，扣除上游入境来水对下游水功能区水质质量浓度的影响，并以吉林省和辽宁省之间的跨界河流——招苏台河为典型案例，验证方法的适用性。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

招苏台河是辽河的主要支流之一，是吉林省和辽宁省之间的跨省界河流。招苏台河发源于吉林省四平市，招苏台河干流及其支流条子河由四平市流入辽宁省昌图县，最后在昌图县通江口镇汇入辽河干流。昭苏台河干线总长213 km，流域面积4 583 km2，昌图县境内干线长度为158 km，流域面积为3 004 km2。招苏台河流域年均降雨量为601 mm，年均气温为7.3 ℃。

招苏台河昌图县境内一级水功能区有4个，分别为招苏台河吉辽缓冲区、招苏台河昌图开发利用区、条子河昌图开发利用区，其中招苏台河昌图开发利用区有招苏台河黑岗农业用水区和招苏台河黄酒馆农业用水区2个二级水功能区，条子河昌图开发利用区的二级水功能区为条子河林家农业用水区。招苏台河水功能区划情况见表1和图1。

表1 招苏台河水功能区划情况

图1 招苏台河昌图县境内水功能区划示意图

1.2 研究方法

若上游入境来水水质质量浓度满足省界断面水质控制目标，则评价下游水功能区控制断面是否达标时可直接采用控制断面的实测水质指标质量浓度。反之，则应扣除上游水质超标部分对下游水功能区水质造成的影响，而如何定量化计算此影响是跨界河流水功能区水质达标率计算方法的核心。水质数学模型作为水体污染物输移扩散过程的数学化表达，可定量模拟污染物在河道中的质量浓度变化过程。据此，论文提出了基于水质数学模型的跨界河流水功能区水质达标率计算方法，主要步骤如下：

1）计算上游入境来水的超标水质质量浓度。上游入境来水的实测水质质量浓度减去省界断面水质目标质量浓度，即为上游入境来水的超标水质质量浓度，计算式为：

上游超标水质上游实测水质上游目标水质，（1）

式中：上游超标水质表示上游入境来水的超标水质质量浓度（mg/L）；上游实测水质表示上游入境来水的实测质量浓度（mg/L）；上游目标水质表示省界断面水质目标质量浓度（mg/L）。

2）构建跨界河流水质数学模型。收集跨界河流的河道大断面以及水文水质等实测数据，构建跨界河流水质数学模型，对河道糙率和污染物综合降解系数进行率定。

3）模拟上游超标水质质量浓度在下游水功能区控制断面产生的质量浓度。采用构建的跨界河流水质数学模型，以上游超标水质质量浓度为模型上边界质量浓度，假定上下游断面之间的污染负荷为0，模拟计算下游水功能区控制断面处的质量浓度，该质量浓度即为上游超标水质质量浓度在下游水功能区控制断面产生的质量浓度。

4）计算扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面质量浓度。下游水功能区控制断面水质质量浓度减去上游超标水质质量浓度在下游水功能区控制断面产生的质量浓度，即为扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面质量浓度，计算式为：

扣除上游影响后的下游质量浓度下游实测水质质量浓度-

上游超标水质产生的质量浓度， （2）

式中：扣除上游影响后的下游质量浓度表示扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面质量浓度（mg/L）；下游实测水质质量浓度表示下游水功能区控制断面的实测水质质量浓度（mg/L）；上游超标水质产生的质量浓度表示上游超标水质质量浓度在下游水功能区控制断面产生的质量浓度（mg/L）。

5）评价下游水功能区是否达标。若扣除上游影响后的下游质量浓度≤下游目标水质质量浓度，  则水功能区水质达标；若扣除上游影响后的下游质量浓度>下游目标水质质量浓度，  则水功能区水质不达标。

6）计算下游水功能区水质达标率。根据逐月水质是否达标评价结果，采用频次法计算下游水功能区水质达标率，计算式为：

100%， （3）

式中：表示下游水功能区水质达标率；表示水质达标月份个数；表示评价月份总数。

2 结果与分析

2.1 水质数学模型构建

为准确模拟招苏台河污染物迁移转化过程，识别上游超标水质质量浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度，论文构建了基于HEC-RAS模型的招苏台河水质数学模型。HEC-RAS是一款主要用于河流一维恒定流和非恒定流模拟的水动力与水质模拟软件，已成功应用于国内外很多河流的水动力和水质模拟研究[19-20]。该模型的控制方程为：

式中：为河流过水断面面积（m2）；为过水断面流量（m3/s）；L为侧向入流（m3/s）；为过水断面流速（m/s）；g为重力加速度（m/s2）；为水位（m）；为水力半径（m）；为河道糙率，无量纲；为污染物浓度（mg/L）；为扩散系数（m2/s）；为污染物综合降解系数（1 d-1）；为时间（s）；为横坐标（m）。

模型构建步骤如下：1）边界条件和污染源概化。模型的上边界位置为招苏台河干流和支流条子河进入昌图县时的省界断面，分别为张家桥断面和东义和屯断面，上边界条件为省界断面的逐日流量和逐月水质实测数据。模型的下边界位置为招苏台河入辽河干流断面，下边界条件为断面处的逐日实测水位数据。根据招苏台河昌图县境内的入河排污口和支流等污染负荷数据，将污染负荷概化为6个入河位置，这些位置的边界条件为实测流量和水质数据。

2）水质模拟指标选取。水功能区水质双因子考核时的水质指标为COD和NH3-N，因此选取COD和NH3-N作为水质模型模拟指标。

3）模型参数率定验证。根据实测数据情况，选取2017年1—6月作为模型率定期，7—12月作为模型验证期。需率定验证的参数主要有河道糙率和污染物综合降解系数。率定验证的断面为各个水功能区控制断面，即老曲家店、七家子、大四家子、林家、陈家屯。通过对比河道水位的模拟值和实测值，最终确定河道主槽的糙率为0.027，河道滩地的糙率为0.018。根据控制断面水质实测质量浓度和模拟质量浓度对比情况，最终确定COD和NH3-N的综合降解系数分别为0.17 d-1和0.13 d-1。

各控制断面在模型率定验证期内COD、NH3-N模拟值与实测值对比情况见图2和图3。各个断面的COD模拟相对误差为8%～16%，NH3-N模拟相对误差为9%～18%。由此可见，招苏台河水质数学模型的COD、NH3-N模拟值与实测值拟合良好，模型准确反映了COD和NH3-N在河流中的迁移转化过程。

图3 各控制断面NH3-N质量浓度模拟值与实测值对比

2.2 水质达标率计算

1）上游入境来水的超标水质质量浓度。招苏台河入境省界断面张家桥、支流条子河入境省界断面东义和屯的水质目标均为Ⅳ类，取Ⅳ类水质的上限值作为水质目标质量浓度（COD为30 mg/L，NH3-N为1.5 mg/L）。根据式（1）计算2017年上游入境来水的超标水质质量浓度，结果见图4和图5。由图4可知，条子河的东义和屯断面NH3-N浓度全年12个月均超标，COD质量浓度大部分月份也存在超标；招苏台河干流的张家桥断面COD和NH3-N分别有4个月和6个月超标。招苏台河干流和条子河入境水质均存在超标现象，其中条子河NH3-N超标现象最为严重。

图4 上游入境来水的COD超标水质质量浓度

图5 上游入境来水的NH3-N超标水质质量浓度

2）上游超标水质产生的质量浓度和扣除上游影响后的水质质量浓度。采用构建的招苏台河水质数学模型，以图5和图6中的上游超标水质质量浓度为模型上边界质量浓度，并且假定下游污染负荷为0，模拟计算上游超标水质质量浓度在下游水功能区控制断面产生的质量浓度，然后按照式（2）计算扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面质量浓度。以1月为例，结果见表2。

表2 招苏台河2017年1月各控制断面水质

3）水功能区水质达标率。按照式（3）计算得到2017年招苏台河吉辽缓冲区、招苏台河黑岗农业用水区、招苏台河黄酒馆农业用水区、条子河吉辽缓冲区和条子河林家农业用水区的水质达标率分别为100.0%、33.3%、33.3%、100.0%、91.7%。若采用常规计算方法，则水质达标率分别为50.0%、33.3%、33.3%、0.0%、8.3%。

与常规计算方法相比，论文提出的计算方法得到的招苏台河吉辽缓冲区、条子河吉辽缓冲区、条子河林家农业用水区的达标率有所提高，见表3。其中，条子河吉辽缓冲区受上游入境来水影响严重，每月实测水质质量浓度均超标，若采用常规计算方法则达标率为0.0%；若采用论文提出的计算方法，扣除上游入境来水后的每月水质质量浓度均达标，水质达标率达到100%。

表3 不同计算方法下的招苏台河2017年水功能区水质达标率对比

3 讨论

为提高污染治理成效，跨界河流协同治污越来越受到重视[21-22]。跨界河流水功能区水质达标率是当前跨界河流水功能区监督管理的关键考核指标，其计算方法直接影响上下游行政区域水污染责任划分，是跨界河流协同治污的重要支撑技术。如何定量化计算上游超标水质在下游控制断面引起的水质质量浓度是合理计算跨界河流水功能区水质达标率的关键。上游超标水质随着水流输移到下游控制断面，要经过复杂的对流扩散、生化降解等迁移转化过程，传统的水质解析解公式无法准确刻画该过程。水质数学模型作为模拟水质迁移转化的定量化手段，近年来在水环境治理领域越来越受到重视[23-24]。本文以水质数学模型为基础，提出了可剔除上游超标水质影响的水功能区水质达标率计算方法。构建准确可靠的水质数学模型是该方法的重点，其他跨界河流在应用该方法时应重点关注污染物综合降解系数和河道糙率等模型关键参数的率定和验证。

通过对比本文计算方法和常规计算方法得到的水功能区水质达标评价结果，发现当上游来水不超标时，两种计算方法得到的达标评价结果一致；当上游来水超标时，则达标评价结果可能从常规计算方法的不达标变为达标。本文计算方法得到的水功能区水质达标率往往要高于常规计算方法，其弥补了常规计算方法未扣除上游入境来水影响的不足，有利于合理划分上下游行政区域水污染责任。

未来随着人们对河湖水环境质量要求的不断提高，跨界河流水污染联防联治、生态补偿等亟须深入研究，如何以跨界河流水功能区水质达标率计算方法为基础，定量化认定上下游行政区域水污染责任、合理制定上下游生态补偿方案等是未来值得进一步深入研究的方向[25]。

4 结论

1）基于水质数学模型的跨界河流水功能区水质达标率计算方法包括计算上游入境来水的超标水质质量浓度、构建跨界河流水质数学模型、模拟上游超标水质质量浓度在下游水功能区控制断面产生的质量浓度、计算扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面质量浓度、评价下游水功能区是否达标、计算下游水功能区水质达标率等6个关键步骤，有效扣除了上游入境超标水质对下游水功能区水质质量浓度的影响。

2）采用论文提出的达标率计算方法，剔除了上游吉林省入境超标水质对下游辽宁省水功能区水质达标率的影响，可为2省关于招苏台河开展生态补偿、联防联治等水资源保护工作提供科学支撑。

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Study on Calculation Method of Water Quality Compliance Rate in Water Function Zone of Transboundary River

ZENG Xianzhong1, HAO Shouning2*

(1. Songbaishan Reservoir Management Office, Guizhou 550025, China;2. Tibet Agriculture and Animal Husbandry University, Nyingchi 860000, China)

The transboundary river involves many administrative regions in the upstream and downstream. The calculation of the water quality compliance rate in the water functional zone is the key and difficult point of the management of the red line of the wastewater receiving in the functional zone of the transboundary river. 【】The water quality compliance rate of the functional zone of transboundary river after deducting the influence of the inflow water from upstream is calculated. 【】The quantitative calculation method of water quality compliance rate in the functional zone of cross-border river is proposed by constructing the water quality mathematical model. The calculation method is verified by taking Zhaosutai River in Liaohe River Basin as a typical case. 【】①The water quality compliance rates of Jiliao buffer zone, Heigang agricultural water zone, Zhaosutai Huangjiuguan agricultural water zone, Tiaozihe Jiliao buffer zone and Tiaozihe Jian agricultural water use zone in 2017 are 100.0%, 33.3%, 33.3%, 100.0% and 91.7% respectively. ②This method effectively deducted the influence of upstream incoming water on the water quality concentration of downstream water function zone, and reasonably calculated the water quality compliance rate of downstream water function zone. ③The results of the calculation of the water quality compliance rate in the water functional zone are higher than that of the conventional calculation method. 【】The calculation method is more reasonable than the conventional calculation method, which can provide scientific support for the management and protection of the functional zone of cross-border river flow.

water function zone; water quality compliance rate; transboundary river; water quality model

X522

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021165

1672 – 3317（2021）08 - 0099 - 07

曾宪忠, 郝守宁. 跨界河流水功能区水质达标率计算方法研究[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(8): 99-105.

ZENG Xianzhong, HAO Shouning. Study on Calculation Method of Water Quality Compliance Rate in Water Function Area Zone of Transboundary River[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(8): 99-105.

2021-04-20

西藏自治区自然科学基金项目（XZ202001ZR0021G）

曾宪忠（1976-），男。工程师，研究方向为流域水资源管理与保护研究。E-mail: 378486561@qq.com

郝守宁（1986-），男。讲师，研究方向为流域水资源管理与保护研究。E-mail: 645427848@qq.com

责任编辑：赵宇龙