基于不同設計水文條件的鐵嶺水環境容量核算

彭嘉玉，雷坤，喬飛，周剛，張鑫,郝晨林，王淑一

1.北京師范大學水科學研究院，北京 100875 2.中國環境科學研究院國家環境保護河口與海岸帶環境重點實驗室，北京 100012 3.提賽環科儀器貿易(北京)有限公司，北京 100081

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基于不同設計水文條件的鐵嶺水環境容量核算

彭嘉玉1,2，雷坤2，喬飛2，周剛2，張鑫3,郝晨林2，王淑一2

1.北京師范大學水科學研究院，北京 100875 2.中國環境科學研究院國家環境保護河口與海岸帶環境重點實驗室，北京 100012 3.提賽環科儀器貿易(北京)有限公司，北京 100081

水環境容量是污染物總量控制的重要理論基礎，設計水文條件的選取是水環境容量核算的關鍵內容。建立了鐵嶺流域穩態水質模型，計算了在生物學方法(30B3、4B3)和水文學方法(7Q10、30Q10)條件下鐵嶺控制單元的水環境容量。結果表明：30B3和30Q10設計水文條件下COD水環境容量分別為8 048.74和9 658.49 t/a，氨氮水環境容量為549.15和658.97 t/a；4B3和7Q10設計水文條件下氨氮的水環境容量為439.33和494.26 t/a。傳統水文學方法核定的水環境容量與生物學方法核定結果相近，但是其設計流量的保證率偏低，污染防控風險增加。水環境容量與入河污染負荷的核定結果表明，鐵嶺市經濟社會的發展已經超過了其水環境承載力，需優化水庫的調節能力，合理配置水資源，以增加河道納污能力，實現污染防控目標。

水環境容量；設計水文條件；風險控制；水環境管理

自1938年P.E. Forest根據馬爾薩斯的《人口論》提出環境容量的概念以來，環境容量逐漸成為污染物總量控制的理論基礎[1]。水環境容量是與水生態環境和經濟社會活動密切相關的度量尺度，學術界至今未對其概念達成共識。水環境容量的定義，一般是指水體環境在規定的環境目標下所能容納的污染物數量，容量大小與水體特征、水質目標及污染物特性有關，同時還與污染物的排放方式及時空分布有密切關系[2]。隨著中國水環境管理體系從濃度控制、目標總量控制向容量總量控制的轉變，實現流域水質目標管理[3]與水功能區限制納污紅線管理[4]，水環境容量理論及計算方法研究的重要性更加凸顯。科學計算污染物入河負荷量及水環境容量是水污染物總量控制的關鍵[5]，而設計水文條件是水環境容量計算風險的控制因素之一[6]，所以，合理確定流域設計水文條件成為水環境容量核算的重點。設計水文條件可以分為傳統水文學方法和生物學方法2類，現國內較多采用傳統水文學方法作為設計水文條件，特別是標準規范限定不同水體采用單一的水文條件，這一手段略顯落后。有必要根據區域地理環境特征，探討和分析不同設計水文條件下核算的水環境容量的適用性，以期為區域不同風險等級的污染物總量控制提供理論依據。

1 研究區域概況

選取遼寧省鐵嶺市為研究區域，該市位于遼河流域上游，遼河是其工農業生產及經濟發展的命脈。遼河鐵嶺段全長170.1 km，流域面積13 000 km2，河網水系復雜，水資源豐富，鐵嶺控制單元水系見圖1。遼河鐵嶺段沿途接納各支流以及鐵嶺各縣市的生活污水和工業廢水，水體污染嚴重，此外，由于水資源的過度利用，冬季河道斷流現象也較為明顯，這不僅降低了流域水體的使用功能，還直接影響了遼河下游大中型城市的河流水質。對鐵嶺控制單元水環境容量進行核算，并進行污染物總量控制，對鐵嶺市經濟社會可持續發展有重要的意義。

圖1 鐵嶺控制單元水系Fig.1 The river system of Tieling control unit

2 研究方法

水環境容量的計算方法大致分為公式法[7]、模型試錯法[8]、系統最優化法[9]、概率稀釋模型法[10]和未確定數學法[11]等五大類[12]，本文采用系統最優化法。水環境容量計算采用的主要是線性規劃和隨機規劃法，其基本思路：1)基于水動力水質模型，建立所有河段污染物排放量與控制斷面水質標準濃度間的動態響應關系；2)以污染物最大允許排放量為目標函數，以各河段都滿足規定水質目標為約束方程；3)運用最優化方法(如單純形法、粒子群算法等)求解每一時段各污染物濃度滿足給定水質目標的最大污染負荷；4)將所求區段內的各污染源允許排放負荷加和即得相應區段內的水環境容量。

2.1 控制單元劃分和排污口概化

美國TMDL技術導則建議，對于遍布整個流域的問題水體，應該將整個流域劃分為更小的控制單元進行研究，而不是將其視為一個集總的流域單元[13]。鐵嶺控制單元河網水系眾多，本研究共模擬20條河流，包括遼河干流鐵嶺段，遼河一級支流9條，自北向南依次為招蘇臺河、亮子河、王河、清河、沙河、長發子河、柴河、凡河、萬泉河；二級支流7條，分別為條子河、二道河、寇河、馬仲河、苔碧河、碾盤河、阿拉河，其中條子河、二道河匯入招蘇臺河，其余5條匯入清河；三級支流2條，分別為大寇河、大妞河；四級支流2條，分別為小寇河、艾青河。根據一級支流流經區縣以及各級河流所控制的子流域范圍，將鐵嶺市劃分為38個控制單元，研究區域控制單元劃分及概化結果見圖2。

圖2 鐵嶺控制單元和水系概化Fig.2 The conceptual figure of control unit and river system

2.2 水質數學模型建立

數學模型的選取要考慮環境管理目標、研究區特征以及是否有足夠多的數據等因素[14]。假定河流中的污染物在較短的時間內能夠在斷面內均勻混合，則在穩態或準穩態下，用穩態水質數學模型模擬河網中污染物排放和污染擴散關系。

c′=[c0Q0+W(或cqq)]/(Q0+q)

(1)

c(x)=c0exp(-kx/u)

(2)

式中：c′為支流或排污口等邊界匯入后污染物稀釋濃度，mg/L；c0為上游來水污染物濃度，mg/L；Q0為上游來水量，m3/s；W為支流或排污口等邊界的污染物排放量，kg/d；cq為支流或排污口等邊界匯入濃度，mg/L；q為支流或等邊界匯入流量m3/s；c(x)為距離邊界下游處控制斷面的污染物濃度，mg/L；k為污染物衰減系數，d-1；x為控制斷面距離支流或排污口等邊界的距離m；u為流速m/s。

2.2.1 參數設定

(1)水動力參數。根據流域內12個大斷面的水位流量、斷面地形數據，依據河流斷面河相關系率定了鐵嶺境內各河流的水力參數。對于缺乏大斷面數據的河流，根據自然地理條件、河道形態等指標，選取相似河道的水力參數。對于水力參數設置不符合實際情況的河流，采用偏安全(偏大)的流速設計(低估可利用的自凈容量)。

(2)污染物衰減系數(k)。水質模型中COD綜合衰減系數為0.1 d-1，氨氮為0.05 d-1[15]。

2.2.2 模型輸入設定

2.2.2.1 設計水文條件

美國國家環境保護局(US EPA)認為，設計流量的計算一般分為水文學方法(xQy)和生物學方法(xBy)，其中x代表允許平均期，指污染物毒性在水體中允許限制超標的幅度和時間，并且使污染物濃度降低到水質標準以下的時期，一般以d計；y代表重現期[16]，指在一定年代的水文要素記錄資料統計期間內，大于或等于某強度的水文要素出現一次的平均間隔時間為該水文要素發生頻率的倒數。二者差別在于，水文學方法是利用每年內一個極端水文條件進行跨年度的頻率分析，按一定風險率來確定設計流量，間接作為毒性污染物負荷控制及總量分配的依據，沒有考慮污染物毒性的影響，例如我國在水環境評價及規劃時常采用90%保證率最枯月流量或近10年最枯月平均流量[17]；而生物學方法直接采用水生生物水質基準中的單一和綜合污染物的特定平均周期和頻率來確定設計流量，更接近毒理學的要求[18-19]。最小生態流量采用Tennant方法進行評估，即河道內的最小生態流量近似于多年平均流量的10%。

根據水文學方法、生物學方法的規定，以及最小生態流量的計算方法，利用鐵嶺控制單元16個水文站1988—2010年23年的水文數據，計算30B3、4B3、7Q10、30Q10的設計流量及河道最小生態流量(表1)，由表1可以看出：水文學方法中，30Q10>7Q10；生物學方法中，30B3>4B3；最小生態流量計算結果最大，為其他4種設計流量的8～300倍。由此可知河道內是極度缺水的狀態，已經不能滿足最小生態流量的要求，河道喪失生態功能，所以不再考慮用最小生態流量作為水環境容量計算的設計水文條件。

表1 鐵嶺控制單元水文站設計流量

Table 1 Design flow of hydrological station in Tieling control unit m3s

表1 鐵嶺控制單元水文站設計流量

設計水文條件福德店通江口鐵嶺王寶慶寶力鎮八棵樹清河水庫清河水庫(輸水道)30B30.0100.1001.6540.1840.0100.0480.0100.0104B30.0080.0170.8830.0660.0080.0330.0080.0087Q100.0170.0470.9580.0740.0080.0320.0080.00830Q100.0180.1001.0780.2900.0150.0470.0100.010最小生態流量3.0674.5607.0830.3700.2900.8321.3180.918設計水文條件開原站耿王莊站松樹站柴河站榛子嶺水庫站馬虎山梨樹站慶云堡站30B30.4050.0100.0100.0100.0101.4180.0100.0104B30.1690.0080.0080.0080.0081.1340.0080.0087Q100.1810.0130.0080.0170.0081.1360.0080.00830Q100.7190.0260.0100.0680.0101.4200.0100.010最小生態流量2.1410.2880.5820.7180.3248.2840.1460.100

根據表1數據建立了遼河流域多年平均流量與30B3、4B3、7Q10、30Q10方法下流量的關系曲線(圖3)、遼河支流多年平均流量與集水面積關系曲線(圖4)。沒有水文站的河流，設計流量通過水文站

圖3 遼河流域多年平均流量與設計流量關系Fig.3 Relationship between design flow and multi-annual average flow

圖4 遼河支流集水面積與多年平均流量關系Fig.4 Relationship between catchment area and multi-annual average flow

上游集水面積帶入圖3和圖4進行估算。在核定水環境容量時，對傳統(耗氧)污染物適用的是30B3和30Q10。氨氮等傳統污染物的水環境容量可以用30B3或30Q10作為設計水文條件；若流域污染物排放極不穩定(污水以不處理直接排放為主)，且保護目標是水生生物慢性毒性而不是窒息，也可以用4B3或7Q10作為設計水文條件。

2.2.2.2 污染物背景濃度設置

在選擇水質目標時，兼顧各部門水質目標，采用最嚴格的標準。本研究依據《遼寧省地表水環境區劃》以及《遼寧省水功能區劃》確定鐵嶺控制單元地表水系的水質標準，假定匯入支流的水質優于受納河流水質。

2.2.3 穩態水質模型運行

當模型的水力參數以及污染物衰減系數率定完畢，在最不利的穩態設計水文條件和上游污染物背景濃度條件下，利用式(1)、式(2)得到控制斷面與污染物擴散之間的響應關系，繼而運用線性規劃方法，得到穩態設計水文條件下鐵嶺控制單元最優化的水環境容量。

3 水環境容量核算

以污染物入河排放量最大為目標函數，以保證所有控制斷面30 d平均濃度3年重現期內超標次數不允許超過1次為約束條件，運用線性優化方法求解時段內最優解，目標函數的求解結果即為核定的水環境容量。

(3)

(4)

式中：決策變量xj為第j個污染源的排放量；aij為第j個源對控制斷面i的響應系數，由穩態水質模擬計算得到；ci為控制斷面i的水質控制濃度。

在不同設計水文條件下，鐵嶺市主要河流的水環境容量核定結果如表2所示。由表2可見：在30B3設計水文條件下，鐵嶺控制單元COD和氨氮水環境容量分別為8 048.74和549.15 t/a；30Q10設計水文條件下，鐵嶺控制單元COD和氨氮水環境容量分別為9 658.49和658.97 t/a；4B3和7Q10設計水文條件下，鐵嶺控制單元氨氮的水環境容量分別為439.33和494.26 t/a。

表2 不同設計水文條件下主要河流水環境容量核定

Table 2 The calculation of water environment capacity of main rivers under different design hydrological conditions ta

表2 不同設計水文條件下主要河流水環境容量核定

設計水文條件污染物遼河干流招蘇臺河亮子河王河清河沙河柴河長發子河凡河萬泉河30B3COD5309.762040.00164.8350.01157.1931.5431.68172.4759.7231.54氨氮355.27135.2816.295.6910.961.772.8713.294.623.1130Q10COD6371.712448.00197.8060.01188.6337.8538.02206.9671.6637.85氨氮426.32162.3419.556.8313.152.123.4415.955.543.73設計水文條件污染物遼河干流招蘇臺河亮子河王河清河沙河柴河長發子河凡河萬泉河4B3氨氮284.22108.2213.034.558.771.422.3010.633.702.497Q10氨氮319.75121.7514.665.129.871.602.5911.964.162.80

4 討論

設計流量的大小、設計流量的保證率、污染物毒性以及水體特征是選擇設計水文條件時需要綜合考慮的因素。根據地區經濟發展狀況和污染防控目標，選擇適宜的設計水文條件，制定合理的風險控制值，能夠有效地保證地區的可持續性發展。

(1)設計流量

由表1可以看到，傳統水文學方法與生物學方法設計流量存在一定的差別。由表2可見，傳統水文學方法核定的水環境容量與生物學方法的核定結果相近，30Q10略大于30B3，7Q10略大于4B3，且設計流量與水環境容量呈正比。相對于4B3的計算結果7Q10的水環境容量偏高12%，相對于30B3的計算結果30Q10的水環境容量偏高20%。在北方地區，由于缺水和低溫因素，河道經常會出現季節性斷流的情形，所以在北方地區如果使用傳統的水文學方法計算設計流量，雖然核定的水環境容量偏大，但會使得污染防控風險增加。

(2)設計流量的保證率

對福德店等10個水文站的日流量進行頻率統計，得到設計流量對應的保證率(表3)。由表3可見，設計保證率為95.46%～99.89%，其中30B3保證率高于30Q10，4B3高于7Q10，可見由生物學方法的設計流量核定的水環境容量要比傳統水文學方法偏安全。

表3 各水文站各設計水文條件對應日流量系列保證率

根據鐵嶺市環境統計數據和現場調研數據核算結果，2013年鐵嶺市主要污染物COD和氨氮的入河量分別為25 976.77和1 619.96 t，而由表2可以看出，4種設計水文條件核算的水環境容量數值都很小，水環境容量遠不能滿足當地的排污需求。鐵嶺市水環境容量偏低，可以歸于2個原因：1)雖然鐵嶺地處遼河流域上游段，水資源量較流域內其他區域豐富，但由于水庫不合理調蓄和水資源的不合理配置造成當地水資源年內分配不均，冬季河道甚至出現斷流現象，河道喪失納污功能；2)遼河流域水環境污染嚴重[20]，污染物背景濃度較高。計算不同設計水文條件下的鐵嶺控制單元的水環境容量，一方面，為當地水環境管理和污染防治提供多個備選方案；另一方面，偏小的水環境容量顯示，水資源已經成為制約當地經濟發展的瓶頸，如果要在短期內實現經濟可持續發展，只有考慮調水工程，對被調水地區實施生態補償，而要實現長期的區域經濟可持續發展，則需要深入調整區域的用水結構，提高水資源的利用效率，使河道不再斷流，污染物持續減排，才能確保經濟社會環境的協調發展。

5 結論

(1)在30B3、30Q10設計水文條件下，鐵嶺控制單元COD的水環境容量分別為8 048.74和9 658.49 t/a，氨氮的水環境容量為549.15和658.97 t/a；在4B3、7Q10設計水文條件下鐵嶺控制單元氨氮的水環境容量為439.33和494.26 t/a。建議采用COD容量為8 048.74 t/a、氨氮容量為439.33 t/a作為當前水環境總量控制的依據。當城市生活污水處理率及污水廠污染物去除率達到80%時，COD容量可以采用9 658.49 t/a。

(2)傳統水文學方法是生物學方法的近似估計，在河道水資源短缺時，傳統水文學方法估算的水環境容量較生物學方法偏大近20%，會造成較大的污染防控風險，建議使用生物學方法作為核定水環境容量的設計水文條件。

(3)鐵嶺市經濟社會的發展已經超過了其水環境承載力，建議在水資源允許的條件下，優化水庫的調節能力，合理配置水資源，增加枯水期河道水量(調水)，增加河道納污能力，實現區域階段性經濟發展和污染防控目標。

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Calculation of water environmental capacity in Tieling based on different design hydrological conditions

PENG Jiayu1,2, LEI Kun2, QIAO Fei2, ZHOU Gang2, ZHANG Xin3, HAO Chenlin2, WANG Shuyi2

1.College of Water Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Estuarine and Coastal Environment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.TSI Instrument Trading (Beijing) Co., Ltd, Beijing 100081, China

Water environment capacity (WEC) is an important theoretical basis of total pollutant control, and the selection of the design hydrological condition is the key step to calculate the WEC. A steady state model of water quality in Tieling section of the Liaohe River Basin was built, and the WEC of Tieling control unit was calculated under 30B3, 4B3, 7Q10, 30Q10 design hydrological conditions. Under the 30B3 and 30Q10 design hydrological conditions, the WEC of COD was 8 048.74 and 9 658.49 ta, respectively, while that of ammonia nitrogen was 549.15 and 658.97 ta, respectively. Under the 4B3 and 7Q10 design hydrological conditions, the WEC of ammonia nitrogen was 439.33 and 494.26 ta, respectively. The WEC calculated by traditional hydrological method is similar with the result of ecological security method, but the daily flow guarantee rate of traditional hydrological method is relative low, which leads to the increase of pollution prevention and control risk. According to the calculation result of WEC and pollution load discharge into the river, the development of Tieling City has exceeded the water environment carrying capacity. In order to increase the pollution carry capacity and achieve the pollution prevention objectives, it is imperative to optimize the adjustment capacity of the reservoirs and rationally allocate the water resources.

water environmental capacity(WEC); design hydrological condition; risk control; water environment management

2016-12-20

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07505-005，2013ZX07501005)

彭嘉玉(1985—)，女，博士，研究方向為水污染控制和治理，pengjiayu@craes.org.cn

X26

1674-991X(2017)04-0470-07

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.04.064

彭嘉玉，雷坤，喬飛,等.基于不同設計水文條件的鐵嶺水環境容量核算[J].環境工程技術學報,2017,7(4):470-476.

PENG J Y, LEI K, QIAO F, et al.Calculation of water environmental capacity in Tieling based on different design hydrological conditions[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(4):470-476.