面向水环境改善的城市河网动态水环境容量

2022-01-26张万顺张紫倩

水资源保护 2022年1期

张万顺，李琳，彭虹，张潇，夏函，张紫倩

(1.武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉 430072；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉 430072；3.武汉大学中国发展战略与规划研究院，湖北武汉 430072； 4.武汉大学水利水电学院，湖北武汉 430072)

城市是人类活动和自然水循环相互耦合最剧烈的区域[1-2]，城市河网人工化程度高、水力结构复杂、水资源开发强度大、污染负荷重、水质性缺水问题显著，成为河流生态系统服务功能变差或丧失的突出区域[3-5]。河流生态系统服务功能的良性发挥与流域水资源环境承载能力密切相关，科学度量以水环境容量为目标的承载能力的空间异质性[6]，明确容量不足的重点时段，可为保障流域水生态环境质量、恢复河流生态系统服务功能提供科学管控方向，对城市河网水生态环境综合治理与修复工程实施具有指导意义。

针对流域水环境容量不足的问题，众多学者主要在水文条件、来流水质、水利水电设施及引水工程等[7-10]影响因素和容量合理分配[11]方面开展了大量的研究，但研究区多集中在大中型流域或河段。复杂城市河网具有集水面积小、水力结构复杂、社会分异特征明显等特点，亟须建立考虑流域系统性特征、精准反映水质时空分异性的动态水环境容量核算方法。通过模型模拟流域动态水质状况来计算水环境容量是当下研究的主流方法之一[7-13]。耦合陆面单元、一维河网的“空-地-水”一体化模型体系能够精准模拟预测降雨、陆面、水体全要素和多过程的水动力水质变化[14-16]，并在不同尺度流域得到了广泛应用[16-19]，可作为核算城市河网动态水环境容量的模型基础。考虑污染源分布及上下游关系，采用基于贡献率的水体混合区控制达标法[20]，可解决当下环境管理核算容量仅在设计流量下关注目标水质断面，对水环境容量动态性和流域整体性考虑不足的局限[21]。

位于粤港澳大湾区的惠州市金山湖流域是我国长期高速粗放的发展方式导致生态环境与经济发展不协调的典型复杂城市河网流域[22]。本文基于“空-地-水”一体化模型体系，构建城市河网动态水环境容量计算模型，定量核算金山湖流域容量变化规律，以期为强人类活动影响下的复杂城市河网开展精细化环境管控，推动经济、环境协同高质量发展提供借鉴。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

金山湖流域位于粤港澳大湾区东部的惠州市惠城区，东江流域中下游，西枝江左岸，入湖河涌包括金山河、河桥水、冷水坑和莲塘布，水系如图1所示，集水面积约63.7 km2。根据水质监测数据，金山河上游激流坑水库和河桥水上游山坪塘水质优于Ⅲ类，莲塘布水库水质为Ⅴ类；金山河、河桥水、冷水坑和莲塘布整体均为轻度黑臭，COD和TP为主要污染物。

1.2 数据来源

基于30 m分辨率的数字高程模型数据和金山湖流域2017年土地利用数据，得到各子流域汇水关系、面积、不透水面积占比、流域宽度、平均坡度等确定性参数。选用惠阳国家气象站(23°05′N,114°25′E)2017年逐日气温、降雨、相对湿度和蒸发等数据作为输入气象条件。

图1 金山湖流域水系及验证断面分布Fig.1 Distribution of river system and verificationsections in the Jinshan Lake Basin

2 研究方法

基于“空-地-水”一体化模型体系等前期研究成果[14-16]，构建金山湖流域动态水环境容量模型。“空-地-水”一体化模型体系是一套应用于流域水动力、水质、水生态模拟的模型体系，综合考虑了多种因素影响下，水和污染物在流域气象、陆面、水体3种要素内的全流程迁移转化。本文应用该模型体系，将逐日降水数据作为边界条件输入暴雨洪水管理模型(storm water management model， SWMM)，进一步集成至一维河网水动力水质模型。金山湖流域共划分为153个子流域，95个出水口；基于金山河、莲塘布、河桥水、冷水坑河道地形资料，4条河涌共划分为20条河段，75个计算断面。

2.1 动态水环境容量模型

构建的金山湖流域“空-地-水”一体化的动态水环境容量模型包括水动力学模型和污染物的对流扩散模型。污染物迁移扩散模型方程为

(1)

式中：ρ为污染物质量浓度，mg/L；t为时间，s;u为x方向的流速，m/s；Ex为纵向弥散系数，m2/s；Sd为污染物输移的源漏项，源项包括点面源污染物的负荷输入，漏项包括需水量的输出；k为污染物的衰减率，d-1。

水环境容量核算原理如图2所示。各类源排放负荷对水质呈线性影响，满足迭加原理，在每一个混合区下游控制断面上，点源和背景浓度(由来流背景浓度和面源污染共同影响)产生水质响应关系为

ρ(i,t)=ρi(t)+ρ0i(t)

(2)

式中：ρ(i,t)为第i个混合区下游断面在t时刻的污染物质量浓度，mg/L；ρi为第i个混合区t时刻中点源排放产生的质量浓度，mg/L；ρ0i为第i个混合区t时刻的背景质量浓度，mg/L。

图2 水环境容量核算原理示意图Fig.2 Schematic diagram of water environmentcapacity accounting principle

当第i个混合区中第j个污染源排放废水量恒定，排放污染物为单位负荷时，混合区下游边界浓度变化值与废水浓度关系见式(3)，在第i个混合区中第j个污染源的分担率见式(4)：

(3)

(4)

式中：αij为第i个混合区中第j个污染源的污染物贡献系数；ρij为第i个混合区中第j个污染源的排放质量浓度，mg/L；Δρij为第j个污染源排放浓度为ρij时第i个混合区下游质量浓度变化值，mg/L；rij为第j个污染源对第i个混合区断面的分担率。

排污口边界条件为

(5)

式中qij为第i个混合区中第j个污染源排放的废水量，m3/s。

当该混合区下游断面的水质目标浓度为ρb，某一时段内河流的水环境容量W为

(6)

2.2 率定与验证

参考相关研究文献得到金山湖流域不同地表类型污染物累积和冲刷参数取值范围[18-19,23-24]，对比面源模型水量验证断面(图1)和实测汇水水量，结果如图3(a)所示，各验证断面水量误差范围为 -4.02%～3.00%，可见，SWMM模型能满足模拟金山湖流域降雨径流过程需求。

(a) 水量

(b) COD

根据2018年12月和2017年8月遥感影像水质反演结果，对金山湖流域河网水动力水质参数进行率定。金山河、河桥水、冷水坑和莲塘布的糙率取值分别为0.05～0.055、0.035～0.055、0.05～0.055和0.045～0.055；各河涌的COD降解系数为 0.01～0.4 d-1，TP的降解系数为0.02～0.5 d-1。根据2019年1月水质监测实测数据，选择各河涌和湖区模型计算断面和水质实测点位吻合的断面(图1)进行验证，结果如图3(b)和3(c)所示，COD、TP质量浓度模拟值与实测值相对误差范围为-12.20%～14.04%和-10.48%～13.37%。表明模型模拟值与实测值吻合较好，能够满足本文的要求。

2.3 边界条件确定

2.3.1水文条件

一般水环境容量计算按照GB 25173—2010《水域纳污能力计算规程》中规定，以90%保证率最枯月平均流量作为水文条件，但城市河网地区闸坝等水利设施众多、生态基流不足、雨源特征明显，降雨是造成面源污染的主要因素，且丰水期降雨对面源污染影响尤为突出。因此，为准确掌握城市河网水环境容量动态变化过程，选择典型丰水年2017年为研究时段，以实际产汇流作为水文条件。

2.3.2水质目标

依照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》和《惠州市人民政府关于印发惠州市水污染防治工作方案的通知(惠府函〔2015〕476号)》，根据金山湖流域实际情况，流域水体拟实现功能为娱乐和景观用水，因此以Ⅳ类水质标准为金山湖流域水环境目标。根据GB 25173—2010《水域纳污能力计算规程》，金山湖流域各河涌为小型河流，排污口混合区长度为1 km。

2.3.3污染物排放

各河涌点源及断面分布如图4所示，断面汇入点源的流量及负荷如表1所示。金山河流域共9个点源，COD和TP入河负荷量分别为256.58 kg/d和5.47 kg/d；河桥水流域共30个点源，COD和TP入河负荷量分别为462.15 kg/d和11.14 kg/d；冷水坑流域共36个点源，COD和TP入河负荷量分别为380.15 kg/d和5.65 kg/d；莲塘布流域共有23个点源，COD和TP入河负荷量分别为533.78 kg/d和3.44 kg/d。

表1 金山湖流域各河涌点源负荷Table 1 Point source load of rivers in the Jinshan Lake Basin

2.3.4污染源贡献系数

本文根据2017年全年逐日动态水文过程计算水环境容量，并非恒定的设计水文条件。水文过程不同导致河道内水动力条件不同以及污染源对混合区下游断面的贡献系数不同。因此，以2017年1月1日为例，各污染源的贡献系数如表2所示。

表2 2017年1月1日各计算断面污染源贡献系数Table 2 Contribution coefficient of pollutionsource of each caculated section of 1st January, 2017

3 结果与分析

3.1 水环境容量时空分布特征

基于构建的动态水环境容量计算模型，在气象、排污口分布及排放负荷条件下，定量核算金山湖流域COD和TP的动态水环境容量，如图5所示，COD和TP全年水环境容量分别为611.93 t/a和4.13 t/a。从时间尺度上看，各河涌逐日水环境容量呈现先上升后下降的动态变化特征，4条河涌COD逐日容量之和在238.55～3 027.49 kg/d范围波动，TP逐日容量之和在3.73～58.02 kg/d范围波动。总体而言，枯水期水环境容量小于丰水期。以2月为枯水期典型月，金山湖流域COD平均容量为1 602.97 kg/d，TP平均容量为9.80 kg/d，均低于2017年点源负荷量，这主要是由于金山湖流域为典型雨源型河流流域，枯水期流量较小，导致各河涌水动力条件弱，污染物稀释扩散过程缓慢、容量不足。从空间尺度上看，各河涌水环境容量呈现明显差别，对于COD而言，各河涌的水环境容量从大到小排序为：河桥水、冷水坑、莲塘布、金山河；河桥水COD质量浓度低于其他3条河涌，点源排放污水量为各河涌中最大且排放平均浓度最低，故河桥水COD容量最高。此外，莲塘布COD容量与点源负荷比值为各河涌中最小，主要是由于莲塘布COD污染负荷重且点源分布集中，表明水环境容量受点源分布影响较为明显。对于TP而言，各河涌的容量从大到小排序为：金山河、莲塘布、河桥水、冷水坑；金山河年径流量为 1 402.35万m3/a，是各河涌中最大值，水体的自净稀释能力和污染物受纳能力较强。

(a) COD (b) TP图5 各河涌逐日动态水环境容量Fig.5 Daily dynamic environmental capacity of each river

3.2 不同雨型对水环境容量的影响

选取2017年6—7月作为丰水期典型时段，2—3月作为枯水期典型时段，各河涌水环境容量与面源负荷量如图6所示。分析COD和TP逐日水环境容量与降水量、面源负荷量的相关关系，Pearson相关系数如表3所示，其中枯水期仅发生2次大雨或暴雨降雨过程，无法进行相关性分析。

丰水期典型时段内，共发生34次中小雨(日降水量小于25 mm)和11次大雨或暴雨降雨过程(日降水量大于25 mm)。在中小雨降雨过程中，COD水环境容量与降水量呈负相关关系，TP与之相反，主要原因是各河涌面源污染负荷随降水量的增大而增大且滞后1 d；当降水量小于1 mm时，降雨冲刷能力不足，几乎不产生面源污染。COD水环境容量与面源负荷量呈显著负相关关系，表明金山湖流域中随着降水量增大，COD面源负荷增大，且成为流域内COD的主要来源。TP水环境容量与面源负荷量呈正相关关系，表明点源为金山湖流域内TP的主要来源。根据监测资料可知，金山湖流域各河涌TP超标严重，尤其在莲塘布和冷水坑下游回水区。虽然降雨过程导致面源负荷增大，但降雨径流中TP平均质量浓度莲塘布最高，为0.29 mg/L，仍比河道内水体低。

在大雨或暴雨降雨过程中，COD和TP水环境容量与降水量均呈正相关关系。在此期间两种污染物面源负荷量有所增加，但其水环境容量均明显增大。对于COD而言，丰水期降雨天数相对较多，在大雨或暴雨过程前通常已有降雨过程，且冲刷之后的地表COD污染物累积量较少，虽有较大的降雨过程但面源负荷量并不完全随降水量的增加而增大；对于TP而言，金山湖流域TP浓度地表本底值较高，负荷量的增加会导致容量降低。总体而言，水动力条件改变对水环境容量的正向作用大于水体受纳面源负荷量增加造成的负向作用，表现为随着降水量的增加水环境容量增大。对比COD和TP的水环境容量变化规律可知，金山湖流域COD面源负荷对水环境影响较大，TP点源负荷对水环境影响较大。

(a) COD丰水期 (b) COD枯水期

(c) TP丰水期 (d) TP枯水期图6 典型枯水、丰水期水环境容量与面源负荷Fig.6 Environmental capacity and non-point source load in typical dry season and wet season

表3 降水量、面源负荷量和水环境容量的Pearson相关系数Table 3 Pearson correlation coefficient of rainfall, non-point source load and water environmental capacity

枯水期典型时段内，共发生21次中小雨和2次大雨或暴雨降雨过程，在所有的降雨天数内降水量与后一天各河涌的面源负荷呈显著的正相关关系，面源负荷量与水环境容量呈负相关关系。2月22日降水量达到最大，为33.9 mm，金山湖流域COD和TP面源负荷分别为38 423.04 kg/d和255.31 kg/d，水环境容量分别为238.55 kg/d和3.73 kg/d，远小于当日点源负荷量，且河桥水的COD和TP水环境容量均为0。由于枯水期降雨较少，流域内陆面单元污染物存在累积效应，当发生降雨时地表冲刷作用产生的面源负荷较大，污染物从地表进入河道后水质变差甚至超标，导致流域水环境容量急剧减小。

3.3 生态补水对水环境容量的影响

金山湖流域不包括生态敏感区，因此参考水文学Tennant法[25]，确定不同比例的生态流量，核算金山湖流域全年动态水环境容量，结果如图7所示。金山湖流域内无水文监测站，流域多年平均径流深为966 mm[26]，金山河、河桥水、冷水坑和莲塘布4条河涌的多年平均径流分别为1 970万m3、948万m3、508万m3和2 210万m3。根据流域特征和水期不同，生态基流一般为多年平均径流的10%～30%，因此本文设置5%、10%、20%、30%和50%共5种不同生态流量保障情景。

(a) COD

(b) TP图7 各河涌增加生态基流后水环境容量变化Fig.7 Capacity change of each river afteradding ecological base flow

由图7可见，各河涌COD和TP水环境容量变化趋势相似，均随补充生态流量的增加而增大，且增大的速率逐渐变缓。说明金山湖流域各河涌2017年流量小于河涌所需生态流量，保障生态基流可显著提高流域水环境容量。各河涌之间水环境容量提升效果也存在明显差异性：在50%生态流量保障情境中，除冷水坑的COD和TP、河桥水的TP水环境容量仅提高26.08%、25.94%和31.79%以外，其余3条河涌容量与负荷量的比值均提高45%以上。冷水坑由于集水面积在各河涌中最小，多年平均径流量较小，受河桥水汇入、点源负荷重的影响，有接近50%长度的河道由于下游金山湖顶托作用处于回水区，水动力条件较弱，仅靠保障生态流量难以改善水环境质量，需实施负荷量削减措施进行治理。各河涌中河桥水TP点源负荷最大，因此需要削减负荷量以改善河桥水水质。

为保障流域水环境容量充足和水质达标，以金山河为例探究在2017年基础上需补充生态流量的动态过程，结合水文Tennant法将补充生态流量限制在30%的多年平均径流量内，结果如图8所示。总体而言，枯水期所需补充的生态流量约为多年平均径流的22%，小于丰水期所需补充的生态流量。6月由于降水量较大，河道本底流量相对充足，需补充的生态流量最少约为13%。若控制补充的总水量不变，将补水过程均化，则逐日补充的生态流量为多年平均径流的20.43%。

图8 金山河补充生态流量动态及平均过程Fig.8 Dynamics and average process of supplementaryecological flow in Jinshan River

以金山河所有断面为对象，分别统计以动态过程补充生态流量、总水量不变情况下平均补充生态流量和未补充条件下COD和TP水质达标率。未补充条件下，金山河COD和TP水质达标率仅为10.14%和2.47%，以动态过程进行补水时金山河COD和TP水质达标率分别显著提升至92.05%和96.71%，平均补水的情况下，COD和TP水质达标率分别提升至91.78%和80.82%。平均补水过程虽能提高金山河水质达标率，但相同的补水量下达标率提升效果不如动态过程。若保障平均补水过程达标率不低于动态补水过程，则补水量需在动态补水过程基础上增加10.64%。表明在水环境综合治理与修复工作中，需明确流域本底水文和水质变化规律，以动态过程补充生态流量，保障所需生态基流，才能在满足水环境容量充足且水质达标要求下，工程效益最大化。