承德市灤河流域輸入響應模型應用研究*

趙康平 陳 巖 謝陽村 戴文燕 韋大明 白 輝#

(1.環境保護部環境規劃院，北京 100012；2.北京欣國環環境技術發展有限公司，北京 100044)

近年，隨著人們生活和生產活動產生的大量生活污水和工業廢水排入江河湖泊和海洋，水體受到嚴重污染，引起了水域生態系統一系列結構和功能變化。一系列《中國環境質量公報》公布的數據顯示，全國地表水污染依然嚴重，七大水系水質總體為中度污染，湖泊、水庫富營養化問題突出。我國自20世紀70年代起就開始進行水污染治理，經過多年的努力，我國流域污染治理已取得了一定成績，逐步建立起流域水環境管理體系和水污染控制與治理體系，為實現節能減排目標和改善重點流域水環境質量提供了有力支撐[1-2]。但是，目前水環境精細化管理需求越來越高，對輸入響應模型應用的需求越來越強烈，需要提出精準化的環境治理措施。

輸入響應模型是指在明確的水環境管理需求條件下，給定水域及污染物排放條件下，能反映污染源排放的污染物的量，引起水域水質指標數值變化的模型。該模型模擬過程能利用污染源對環境目標影響的可疊加性，定量計算多污染源河段中各污染源對環境目標的影響程度，并提出水環境管理初始方案，為最終水環境管理方案的確定提供靶向性引導。

目前，承德市灤河流域總體水質穩中趨好，但是灤河干流游烏龍磯大橋斷面2012年水質為《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中劣Ⅴ類，其流域下游控制斷面——大杖子(一)斷面為灤河入蟠龍湖斷面，同時也列為《重點流域水污染防治規劃(2011—2015年)》的考核斷面。2012年，大杖子(一)斷面年均水質為GB 3838—2002中Ⅳ類，未達到Ⅲ類的規劃目標要求。為了保證水質改善、達到考核要求，2013年承德市編制了《承德市灤河流域水污染防治規劃》，其中伊遜河為灤河流域治理的重要支流之一，伊遜河水質基本為GB 3838—2002中Ⅲ～Ⅳ類，但是伊遜河區域工業企業分布較多，企業總體規模較小，治污設施不全，整體污染治理水平不高，生活污染較嚴重，部分工業企業治污設施運行不穩定，未能達標排放。規劃目的是為了通過污染源治理來改善控制斷面水質，達到考核要求。規劃編制過程中需要定量分析污染治理項目對水環境質量的改善效果，分析污染源治理措施實施后是否能達到水質目標，以及規劃應該優先實施哪類污染源的治理。

基于案例研究區域的實際需求，選擇相應的水質模型進行輸入響應分析，分析污染源治理對伊遜河出口斷面水質改善的情況以及各治理項目的環境效益，合理安排治理項目的建設，為流域水質目標的可達性提供一定的科學依據。

1 流域基本概況

承德市灤河流域介于東經115°54′～118°56′，北緯40°11′～42°40′。灤河流域北接內蒙古高原，南鄰華北平原，地勢自北向南傾斜，地形復雜，山脈縱橫，河流交錯。地貌主要由中山、低山、丘陵和谷地構成，流域內溝谷多呈“V”字型，坡降較大，土壤抗蝕能力低，易造成水土流失。流域氣候類型屬于寒溫帶向暖溫帶過渡、半干旱向半濕潤過渡的大陸性季風性山地氣候，具有四季分明、干濕顯著、雨熱同季的特點。流域內盛行風向隨季節變化差異較大，主導風向夏季偏南風、冬季偏北風。灤河發源于承德市豐寧縣西北巴顏圖古爾山麓，經承德市隆化縣、灤平縣、雙橋區、雙灤區、承德縣、寬城縣，注入蟠龍湖，灤河在承德市境內干流全長374 km。

灤河流域水系概況見圖1。本案例研究區域為承德市灤河一級支流伊遜河流域，有兩條支流——不澄河和蟻螞吐河，伊遜河發源于圍場縣哈里哈鄉，在雙灤區西地鄉匯入灤河，河長237 km，流域面積6 734 km2，2011年年徑流量2×108m3。案例研究區域涉及隆化縣、圍場縣和灤平縣。

圖1 灤河流域水系概況

2 分析方法

結合流域水污染防治方案，整理匯總流域主要污染治理項目(工業和生活污染治理，暫不考慮農業污染治理)，對污染源排放量進行解析，量化分析污染治理項目建設減少的污染物排放量，通過水質模型模擬，以控制斷面水質為響應條件，分析各污染治理項目對流域控制斷面水質改善情況，通過污染治理對流域控制斷面水質濃度貢獻分析評價各污染治理項目產生的環境效益，從單一水質改善貢獻程度篩選污染治理項目建設優先順序。具體技術路線見圖2。

圖2 技術路線示意圖

3 輸入響應分析

3.1 基礎數據準備

流域基礎數據包括水文、污染源負荷以及水質斷面數據。其中，水文數據有水文站點的水位和流量、河道地形、流域數字高程模型(DEM)等；污染源負荷數據有工業企業和生活污水排放數據；水質斷面數據包括河流上、下游斷面和控制斷面水質監測數據。

3.2 模型選擇

MIKE11模型是一維河道、河網綜合模擬軟件，主要包括降雨徑流、水動力、水質對流擴散和泥沙輸移等模塊，主要用于河口、河流、灌溉系統和其他內陸水域的水文學、水力學、水質和泥沙傳輸模擬，能較好地模擬污染物在水體中的遷移轉化，在水質水量管理、水利工程規劃設計論證、防汛洪水預報以及環境影響評價中均得到了廣泛應用。MIKE11模型模擬需要的數據主要包括河道地形、水位流量、污染源負荷數據以及斷面水質濃度等數據，MIKE11模型界面直觀、操作簡單，通過簡單系統學習對其應用較容易掌握?；诎咐芯繀^域的實際情況，選擇MIKE11模型水動力、水質對流擴散模塊對案例研究區域流域水文水質過程進行模擬分析。

3.3 模型建立和驗證

3.3.1 主要模型參數

模型參數主要包括水動力模塊中河道參數、水文參數，以及水質對流擴散模塊中污染源參數、水質參數。河道參數主要為河底地形、河床糙率(曼寧系數表示)；水文參數主要為案例研究區域邊界河流入口、出口水位和流量；污染源參數主要為污染源的排放流量和污染物濃度；水質參數主要為案例研究區域邊界河流入口、出口水質濃度。河道、水文參數主要來自《水文年鑒》；污染源參數主要來自污染源普查數據；水質參數來自常規監測數據。水動力模塊中河床糙率取0.026；水質對流擴散模塊中COD降解系數取0.25 d-1，擴散系數取15 m2/s[3-5]。

3.3.2 水系概化

根據案例研究區域DEM數據提取案例研究區域河網數據，將其導入到MIKE11模型進行處理，生成模型能夠使用的河網數據。模型處理的河流有干流伊遜河和支流蟻螞吐河、不澄河，MIKE11模型處理后的案例研究區域水系概化示意圖見圖3。

圖3 案例研究區域水系概化示意圖

3.3.3 污染源概化

污染源概化主要針對工業污染源和生活污染源，主要概化流域內重點工業污染源和生活污染源。本研究將6個工業企業概化為6個點源，2個城鎮生活污染源概化為2個點源，2個農村生活污染源概化為2個點源[6-7]。具體污染源及污染物排放情況見表1至表3。

表1 工業污染源及污染物排放情況

表2 城鎮生活污染源及污染物排放情況

表3 農村生活污染源及污染物排放情況

3.3.4 控制斷面水質濃度選擇

伊遜河入流濃度為伊遜河上游圍場斷面年均濃度；蟻螞吐河和不澄河入流濃度取《河北省地面水環境功能區劃》中功能區劃水質類別對應的水質濃度，為Ⅲ類水質標準濃度。選擇下游出口李臺斷面為伊遜河控制斷面，斷面水質濃度取對應的水質考核濃度。

3.3.5 模型率定驗證

模型中水位、流量和水質的率定驗證是同時進行的。

選擇干流宮廟水庫斷面的水位、流量進行率定驗證，水位、流量驗證結果見表4。由表4可見，水位的相對誤差在1%內，流量的相對誤差在10%內，能夠滿足水動力模擬的精度要求。

表4 水位、流量驗證結果

選擇伊遜河唐三營斷面的水質濃度進行率定驗證，結果見表5。由表5可見，水質的相對誤差在10%內，模擬計算結果與實測結果吻合較好，滿足精度要求。

表5 水質驗證結果

3.4 結果和討論

假設污染源治理情景為兩個城鎮污水處理廠擴容，將農村生活污染源排放納入污水處理廠集中處理排放，全部工業企業廢水經處理后按《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)中二級標準達標排放。對此假設情景進行項目環境效益分析，其中本研究項目環境效益分析只考慮污染源項目治理對下游控制斷面水質改善情況，不考慮其他經濟效益等。

3.4.1 總體環境效益

將10個污染源按要求全部治理后的排放結果輸入模型，通過模型模擬分析，計算全部污染源治理后產生的環境效益。結果表明，10個污染源全部治理后，控制斷面水質COD為9.66 mg/L，控制斷面COD下降幅度為7.84 mg/L，水質由GB 3838—2002中Ⅲ類改善為Ⅱ類，污染源治理效果明顯。

3.4.2 單個污染治理項目環境效益

分別將單個污染源治理后的排放結果和其他污染源排放量保持不變的結果輸入模型，通過模型模擬分析，計算單一污染源治理后產生的環境效益。結果表明，單個污染源治理產生的環境效益各異，差別較大，具體見表6。從表6可以看出，就控制斷面水質改善貢獻來看，生活污染源治理產生的環境效益大于工業污染源的治理，其中隆化縣生活污染源、圍場縣生活污染源和某酒業公司的工業污水治理產生的環境效益最大，分別能使控制斷面COD下降3.97、2.19、1.48 mg/L，控制斷面COD改善貢獻率分別為50.6%、27.9%、18.9%。上游的某淀粉廠、1號食品公司、4號食品公司由于距離控制斷面較遠的原因，其污染治理對控制斷面水質改善的效益很小，控制斷面COD改善貢獻率接近于零。

表6 各污染源治理措施對控制斷面COD改善情況

注：1)包括2個城鎮生活污染源和2個農村生活污染源。

4 結 語

通過輸入響應分析，對流域污染治理方案中污染治理項目對水質改善的效益進行了分析，解決了實際過程中污染源的治理能產生多大的效益以及通過污染源的治理能否帶來水環境質量的改善等問題的置疑，為污染源治理項目的建設提供一定的科學依據。

本研究以我國水環境管理技術需求為主線，提出了項目環境效益解析方案，研究結果對水環境管理提供了一定技術支持。然而，研究中發現，存在一些基礎性支撐研究缺失的情況，因此在現有研究基礎上仍有一定的研究拓展必要性。

[1] 李紅祥，王金南，葛察忠.中國“十一五”期間污染減排費用—效益分析[J].環境科學學報，2013，33(8)：2270-2276.

[2] 于雷，吳舜澤，馬寅，等.基于二分類Logistic回歸模型的COD總量減排措施的績效分離評估[J].水資源保護，2013，29(6)：75-79.

[3] 中國環境規劃院.全國水環境容量核定技術指南[R].北京：中國環境規劃院，2003.

[4] 河北省環境保護局.河北省地表水水環境容量核定技術報告[R].石家莊：河北省環境保護局，2004.

[5] 白輝，趙翠平，陳巖，等.承德市武烈河水環境容量核算與減排效益評估研究[J].環境污染與防治，2015，37(3)：31-34.

[6] 承德市環境保護局.2012年承德市環境統計年鑒[Z].承德：承德市環境保護局，2012.

[7] 環境保護部.“十二五”主要污染物總量減排核算細則[A].北京：環境保護部，2011.