永定河水系张家口区段水功能区及官厅水库水环境容量现状分析及对策建议＊

徐剑 潘民强 王彦峰 陈聪 王海潇 石树正

（1.河北省张家口生态环境监测中心，河北张家口 075000；2.张家口市环境监测站，河北张家口 075000；3.河北建筑工程学院机械工程学院，河北张家口 075000）

水环境容量是指在满足水环境质量的要求下，水体容污染物的最大负荷量，其变化主要受水体特征、水质目标和污染物特征3个因素的影响。水环境容量研究是实施环境管理目标、水环境规划、污染物总量控制的重要基础，具有一定的前瞻性，可以为环境管理的科学施策提供理论依据和技术支持，更好地服务于经济社会发展[1-2]。

本文对永定河水系张家口区段的洋河张家口开发利用区和洋河张家口缓冲区水环境容量现状进行分析[3]，选取的河段为东、南洋河汇合处～响水铺（长度78km）与响水铺～官厅水库入库口（长度41km），水功能区划见表1。根据水质综合污染指数法对永定河水系张家口区段洋河的左卫断面、响水铺断面、鸡鸣驿断面，清水河的老鸦庄断面，桑干河的温泉屯断面，永定河的八号桥断面2016―2020年水质监测数据进行评价，定量分析出化学需氧量（COD）和氨氮（NH3-N）为常规污染指标中污染较严重、敏感指标较大的污染物，水质监测断面布设见图1。因此，本文选取COD和NH3-N作为水环境容量计算的污染因子。

图1 永定河水系张家口区段水质监测断面布设

表1 张家口开发利用区和洋河张家口缓冲区水功能区划

1.水功能区水环境容量计算

1.1 建立计算模型

永定河水系张家口区段河流属于中小河流，且同时满足以下条件[4]：（1）宽深比较小；（2）污染物在较短的时间内基本能混合均匀；（3）污染物浓度在断面横向方向变化不大，所以可假设污染物浓度只是沿程变化，而不在同一断面上发生变化，横向和垂向的污染物浓度梯度可以忽略[5]；（4）假设单个点源排放连续均匀，强度保持不变。因此研究流域内混合输移过程可以由一维稳态水质模型— 托马斯（Thomas）模型[6]进行描述（忽略弥散）：

式中：kd―衰减系数（1/d）；

ks―沉淀系数（1/d）；

在c（0）=c0的初始条件下积分，一维稳态模型解析解为：

式中：u―为河流断面平均流速（m/s）；

x―为沿河段的纵向距离（m）；

cx―为流经 距离后的污染物浓度（mg/L）；

K―为污染物综合衰减系数（1/d）；

c0―为上游断面的污染物浓度（mg/L）。

本文选取的两个水功能区，即：东、南洋河汇合处～响水铺与响水铺～官厅水库入库口两段研究河段上存在多处污染物排放点位。为了解决河段内排污口分布的不规律为河段内水环境容量计算带来的复杂性，本文将两个功能区内的多个排污口概化成一个污染物集中排放口[7]，概化排污口位置位于河段中间点。概化后的污染物浓度计算公式为：

当功能区河流的下断面水质目标为cs时，依据上式可推导出水环境容量的计算公式为：

式中：cx=l―河段下断面污染物浓度（mg/L）；

l―功能区河段长度（m）；

m―污染物入河速率（g/s）；

Q―河道断面设计流量（m3/s）；

M―水环境容量（g/s）；

cs―为功能区河段下断面水质目标浓度值（mg/L）。

1.2 设计河流径流量

永定河水系张家口区段的洋河、桑干河两大支流丰枯季节变化明显，水量的变化较大，要较为全面的计算其水环境容量的大小就必须对不同频率条件下的水功能区水环境容量进行分析和研究。本文利用2011―2020年间永定河水系张家口区段6个监测断面最枯月流量进行统计分析，设计流量采用90%的保证率。各监测断面流量统计详见表2。

表2 各监测断面2011―2020年最枯月份实测流量记录表

1.3 水环境容量计算

永定河水系张家口区段河流水系主要处于山区和平原河网间的过渡区，根据2011―2020年河流流速的监测结果显示，洋河张家口开发利用区和洋河张家口缓冲区的河流断面年平均流速在0.37m/s～0.71m/s之间。本文为保守计算研究河段的水环境容量，河流断面的年平均流速选取最小值，计算取值u为0.37m/s，以流速值为0.37m/s所计算的水环境容量是水功能区的最不利纳污量，当沿河流域污染物排放量小于0.37m/s所计算的水环境容量时，河流水质能够充分保证不被污染。

设计流量采用90%的保证率，河道断面设计流量选取洋河响水铺断面近10年最枯月平均流量0.584m3/s[8]。

洋河张家口开发利用区和洋河张家口缓冲区的水环境容量所需赋值包括河流综合消减系数KCOD、KNH3-N和功能区河段长度l1、l2在内的参数取值可以从水文资料中获取，详见表3。

表3 水功能区水环境容量主要参数表

将相关数据及参数带入公式（4），计算得到永定河水系张家口区段东、南洋河汇合处―响水铺与响水铺―官厅水库入库口，即：洋河张家口开发利用区与洋河张家口缓冲区的水环境容量，结果详见表4。

表4 水功能区水环境容量计算结果

1.4 结论分析

通过河流一维稳态水质模型计算出永定河水系张家口区段洋河干流水环境总容量COD为586.9t/a，NH3-N为34.54t/a。其中洋河张家口开发利用区，即东、南洋河汇合处―响水铺河段的COD水环境容量为440.37t/a，NH3-N水环境容量为18.36t/a；洋河张家口缓冲区，即响水铺―官厅水库入库口河段的COD水环境容量为146.53t/a，NH3-N的水环境容量为16.18t/a。洋河张家口开发利用区河段全长78km，河段COD环境容量占洋河干流COD总环境容量的75.0%，河段NH3-N环境容量占洋河干流NH3-N总环境容量的53.2%。由此可知，两个水功能区同处相同流域，水环境容量的大小存在差异性。通过对比两个水功能区水环境容量，水质目标相同，水文条件相同，由于洋河张家口开发利用区河段长于洋河张家口缓冲区河段，因此前者水环境容量高于后者，综上所述，水功能区河段越长，水质目标越低，水环境容量越大。考虑不同水功能区水环境容量差异，根据水环境容量合理排放污染负荷，可以有效率有针对性地治理水环境污染。

2.官厅水库水环境容量计算

2.1 水环境容量计算

根据官厅水库近几年水质监测结果显示，其水质空间分布比较均匀，宜采用均匀混合模型计算库区水环境容量[9]，根据物料衡算方程，得到官厅水库的水环境容量计算公式为：

式中：W―为水环境容量；

W1，W2，W3―分别代表稀释容量、降解容量和输移容量；

cs―为目标水质值（mg/L）；

c0―为库区水质现值（mg/L）；

v0―为现库容，亿m3；

qin―为入库水量，万m3；

K―为污染物综合降解系数（1/d）。

官厅水库水环境容量计算主要参数选取见表5。

表5 官厅水库水环境容量主要参数表

将相关数据及参数带入公式（5）中，对官厅水库库区水环境容量的计算结果详见表6。

表6 官厅水库水环境容量计算结果

2.2 结论分析

作为官厅水库重要的汇入河流，洋河、桑干河水质直接影响着官厅水库入库水质，官厅水库的目标水质为Ⅲ类水质，2018―2020年现状水质均为Ⅳ类水质。八号桥断面为洋河和桑干河汇合永定河入官厅水库的国控断面。因此，可假设为每年通过八号桥断面的污染物量可近似为官厅水库污染负荷量。经计算，官厅水库污染负荷中COD为2752.14t/a，NH3-N为85.26t/a。官厅水库水环境容量在Ⅱ类水质标准下的水环境容量COD为285.37t/a，NH3-N为-36.85t/a；在Ⅲ水质标准下的水环境容量COD为1806.53t/a，NH3-N为75.19t/a。官厅水库水环境容量与污染负荷比较如图2所示。

图2 官厅水库水环境容量与污染负荷比较

由此可知，官厅水库COD和NH3-N的污染负荷均大于其水环境容量，COD的污染负荷分别是Ⅱ类和Ⅲ类水标准下环境容量的9.64倍和1.52倍；NH3-N污染负荷在Ⅱ类水质标准下已无环境容量，是Ⅲ类水质标准下环境容量的1.13倍。

3.影响流域内水环境容量的原因分析

3.1 自然因素的影响

张家口市属干旱半干旱地区，年降水量小、蒸发量大，外来补给水源匮乏。

3.2 水利设施调节的影响

流域内水利设施调蓄能力不足，为了地区水资源利用保护，分流了河流水源，阻断了河流水体流动的连续性，导致河流水量减少，降低了水功能区的水环境容量。近几年桑干河上游河段除调水外，基本处于常年断流状态。

3.3 水资源利用效率的影响

农业灌溉技术落后，农业基础设施不完善，尽管张家口已实施了农业节水工程，但地表水平均渠系水利用系数在0.4左右，加之人们灌溉节水意识欠缺，这些因素都降低了农业水资源的利用效率，提高了农业灌溉用水量，导致河流水量减少，也影响了流域内水环境容量。

4.流域内水环境污染负荷较大的原因分析

4.1 工业污染源影响

官厅水库上游的洋河、桑干河流域为张家口市经济发展的主要区域，流域内分布了全市主要工业企业。根据对2020年张家口市工业废水排放量统计结果显示，洋河、桑干河流域COD排放量394.24t，占全市工业废水COD排放总量的43.7%；NH3-N排放量17.53t；占全市工业废水NH3-N排放总量的35.3%。流域水环境污染负荷在全市工业废水中占比较高。

4.2 城镇生活废水影响

洋河、桑干河流经我市11个县区，沿途接纳了大量城镇污水处理厂排入的生活废水。2016―2019年张家口市城镇生活废水排放量基本保持稳定，但生活废水中的COD、NH3-N排放量却呈总体上升趋势，2019年全市城镇污水处理厂废水排放量9609.55万t，其中COD排放量19156.03t，NH3-N排放量2801.46t，城镇生活污水已成为流域内水环境最主要污染负荷来源。

4.3 农业污染源影响

在农业生产活动中使用的杀虫剂、农药、化肥等随农田排水和雨期地表径流进入河流水体，一定程度影响了河流水质。农村生活污水集中处理设施覆盖率较低，且利用效率不高。另外，近几年张家口大力发展规模化的畜禽养殖业，但是相应的污水集中处理设施建设相对滞后，2016―2019年张家口市畜禽养殖废水中COD、NH3-N排放量呈明显上升趋势。2019年全市畜禽养殖废水中COD排放量203.47t、NH3-N排放量4.94t。这些农业污染源也成为流域内水环境污染负荷的重要来源之一。

5.对策及建议

综上所述，为了使流域内水环境容量大于污染负荷，同时满足水质目标要求，需要从两点出发：一是要增大流域内河流水量，提高水环境容量；二是采取有效的污染物削减措施，降低流入河流水体的污染负荷。本文给出以下几点建议[10]：

（1）与上游地区进行水权交易，利用市场化经济手段创新运行机制，建立有效的技术支撑平台，对流域内水利设施进行优化合理利用，实现水资源的优化配置。

（2）构建水生态修复保护体系，改善水文条件、调节径流、提升水土保持和水源涵养能力。

（3）大力发展节水型农业，提高农用灌溉水利用系数，改变高耗水农业灌溉方式。

（4）在官厅水库上游流域增加人工湿地项目，利用自然生态系统中物理、生物、化学的作用来净化河流水体水质。

（5）开展流域产业结构调整，降低污染负荷，淘汰高耗水、重污染工业企业；进一步实施污水处理厂扩容提标改造，加强再生水的循环利用，推进雨污分流管网建设；继续推进农业污染源治理，加强规模化畜禽养殖的污染控制；加快农村生活环境综合整治，提高农村生活污水处理设施利用效率；大力实施化肥、农药控减计划，减少农作物种植造成的氮磷污染。

（6）根据水环境容量的差异性，新增企业应建立在水环境容量较大的功能区内，环境容量较小的功能区应减少或禁止新建排污企业。工业源污染物排放应参考流域内各水功能区水质目标和环境容量，执行更加严格的排放标准。流域内严格实行污染物总量控制，将所有排污企业纳入总量控制范围，以水功能区水环境容量为基础，将污染物排放量进行科学分配，优化排污权交易。

这些措施将增加流域内河流水量和减少污染物排放量，从而提高永定河水系张家口区段水功能区水环境容量和水环境质量，为官厅水库的水资源可供利用给予有力保障。