北方季節性河流保障環境流量研究*

唐 敏 于魯冀 梁亦欣 王惠英 呂曉燕 張 寬

(1.鄭州大學環境技術咨詢工程有限公司，河南 鄭州 450002； 2.鄭州大學環境政策規劃評價研究中心，河南 鄭州 450002；3.鄭州大學水利與環境學院，河南 鄭州 450001)

北方季節性河流保障環境流量研究*

唐 敏1，2于魯冀3#梁亦欣1，2王惠英1，2呂曉燕1，2張 寬1，2

(1.鄭州大學環境技術咨詢工程有限公司，河南 鄭州 450002； 2.鄭州大學環境政策規劃評價研究中心，河南 鄭州 450002；3.鄭州大學水利與環境學院，河南 鄭州 450001)

針對北方季節性河流環境流量短缺和污染并存的現狀，從二元水循環的角度，提出一種建立在河流或河段的水量水質平衡基礎上的環境流量分析方法；以典型重污染河流——賈魯河為例，基于河流徑流和水質特征，以滿足水質目標要求為前提，提出保障環境流量的對策建議。結果表明：為改善河流近期水質，在提標治理和進一步嚴格監管的同時，基于2013、2014年數據，需新增環境流量分別為1.55m3/s(折合0.49億m3/a)和8.10m3/s(折合2.55億m3/a)，其經濟總成本分別為4.90億、5.52億元，占鄭州市生產總值的0.08%，可依托現狀引水工程進行保障環境流量水資源的調配，經濟及水源途徑可行。

季節性河流 環境流量 二元水循環 水量水質平衡模型 賈魯河

季節性河流一般以雨水補給為主，枯水期流量小，洪水期流量大，水位變幅較大。目前，大多數北方季節性河流由于天然徑流缺乏，而且受人類活動的強烈干擾，出現水污染嚴重、河流自凈能力極弱或消失，甚至部分河流已出現斷流，環境容量嚴重不足等問題。

賈魯河是淮河流域沙潁河水系中一大支流，屬于典型的北方季節性重污染河流。賈魯河天然徑流小，納污量較大，河道自凈能力差，水質污染嚴重。十余年來，經過提標治理、環境管理、生態調水等多方面的努力，賈魯河水污染惡化趨勢得到一定程度的遏制，但由于河流上游主要分布在社會經濟較發達的鄭州市，水資源開發利用強度較大，同時賈魯河入河污染物總量遠超出河流的自凈能力，導致水質改善壓力大。針對北方季節性河流日趨嚴峻的水環境問題，保障河流環境流量，是改善河流水質、逐步恢復河流環境功能與生態功能的有效及必要手段。張洪斌等[1]利用水質模型確定了最佳生態補水量。葛軍[2]從水量維持和水質保障兩方面對塘西河枯水期水資源短缺量進行預測，確定了塘西河生態補水量，但只側重考慮水質計算方法。

環境流量計算方法對于實現流域水資源合理開發、配置及維持河流生態健康具有重要意義，其計算結果可為河流生態補水量的確定提供科學依據[3]。針對此方面從二元水循環的角度開展相關研究的學者較少。王西琴等[4-5]最早以遼河流域為例，開展了基于二元水循環的河流生態需水水量與水質綜合評價方法研究。之后，張代青等[6]、張亮等[7]在此研究理論方法指導下進一步開展了環境流量相關研究。上述研究將河流作為一個整體來開展環境流量研究，且未考慮天然水循環過程對水質的影響。

本研究以重污染河流賈魯河為例，從二元水循環的角度，考慮了自然和社會水循環中的水量水質變化，根據出境考核斷面將賈魯河分成不同河段，提出一種建立在河流或河段的水量水質平衡基礎上的環境流量分析方法，以滿足水質目標要求為前提，開展保障環境流量研究，為改善北方季節性河流近期水質提供參考。

1 環境流量計算方法

1.1 水量水質平衡模型

基于“降雨、取水、排水”二元水循環思想建立了水量水質平衡模型，考慮了河流降雨徑流、蒸發耗水、自凈削減等自然水循環中的水量水質變化，以及取水、工業/生活排水、生態調水等社會水循環中的水量水質變化。河段水量水質平衡見圖1。

圖1 河段水量水質平衡Fig.1 Water quality and quantity balance

河流各河段內的水量水質平衡主要包括兩大部分：(1)水量平衡，即水量的輸入和輸出；(2)水質平衡，在水量平衡的基礎上，分析單元內各輸入和輸出量對應的污染物的輸入和輸出量，同時分析由單元內自凈作用削減的污染物量。

1.2 控制河段流量(水量)數據選取

1.2.1 輸入量參數

河段上游來水量(Q1，m3/s)、支流匯入量(Q7，m3/s)采用水文站點流量數據。河段內的工業和生活排水匯入量(包括工業點源匯入量(Q2，m3/s)、生活污水處理廠匯入量(Q3，m3/s)和直排生活廢水匯入量(Q4，m3/s))根據環境統計數據核算。河段內生態調入水量(Q5，m3/s)采用地市上報的各河段生態補水數據。河段內降雨產生的徑流量(Q6，m3/s)采用徑流系數法，利用年降雨量的平均值與徑流系數推求年徑流量(見式(1))。

W=1 000×C×P×F=1 000×(R/P)×P×F

(1)

式中：W為年徑流量，m3；C為徑流系數，與研究區域植被、地形、地質、主河道長度等因素有關；P為多年平均降雨量(1982—2012水文站點數據)，mm；F為控制河段流域面積，km2；R為多年平均徑流深(1982—2012水文站點數據)，mm。

1.2.2 輸出量參數

(1) 河段出水流量(Q8，m3/s)采用水文站點流量數據。

(2) 蒸發耗水量(Q耗，m3/s)為河道水面面積乘以蒸發量，采用《河南省水文水資源》中各地區蒸發量。

(3) 在上述各項水量參數確定的基礎上，根據輸入輸出模型，核算單元的水量平衡，其中增加/損失的量作為取水和滲漏量(ΔQ，m3/s)。

(4) 自凈削減量

首先確定綜合削減系數(k)。根據《制定地方水污染物排放標準的技術原則和方法》(GB 3839—83)，當計算的河段內有污染源排入時，污染物沿水流方向的平衡方程式見式(2)。

(2)

式中：C1為上游流入的污染物質量濃度，mg/L；i為排污口或支流序號；n為排污口或支流總數；qi為排污口或支流的水量，m3/s；ci為排污口或支流的污染物質量濃度，mg/L；C8為河段出水的污染物質量濃度，mg/L。

在計算的河段內有污染源排入時，可由式(2)換算得到各區段的綜合削減系數。在綜合削減系數確定過程中，根據盧映東等[8]提出首斷面節點平衡的觀點，針對區段內水量不平衡，需要首先進行水量平衡，在水量平衡中以斷面測驗值為準，可增加平衡水量，其值等于上斷面流量與區段內匯入水量和下斷面流量之差。本研究中河段取水和滲漏量為平衡水量。因此，確定綜合削減系數可變換為式(3)。然后，采用基準年每月斷面流量和水質數據計算自凈削減量。

(3)

式中：CΔ為取水和滲漏的污染物質量濃度，mg/L。

1.3 控制河段水質參數選取

斷面水質數據：采用河南省政府責任目標斷面水質監測數據。入河工業點源、污水處理廠采用環境統計數據，直排生活污水COD、氨氮分別取300、25 mg/L。生態調入水水質：已進行生態補水的河流補水水質根據現狀補水水質，未有補水的取《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類限值(COD 20 mg/L，氨氮1 mg/L)。斷面水質目標：采用各斷面“十二五”河南省政府責任目標。

2 賈魯河環境流量計算

2.1 流域基本情況

賈魯河全長246 km，流域面積5 896 km2，其發源于新密市，向東北流經鄭州市，至鄭州市市區北郊折向東流經中牟、開封、尉氏、扶溝、西華等縣，于周口市入沙潁河，最后匯入淮河。根據河南省水環境功能區劃，賈魯河水體功能區劃為Ⅳ類水體，但實際水質嚴重劣于GB 3838—2002中Ⅴ類標準。

2.2 徑流與水質特征

賈魯河受自然因素所限，天然徑流稀少，多年平均徑流量4.518億m3，多年平均流量14.6 m3/s，年最大徑流量15.72億m3，年最小徑流量1.51億m3，根據河南省地表水責任目標斷面流量數據，賈魯河豐水期為6—9月，平水期4—5、10月，枯水期1—3、11—12月。

賈魯河河道補給水基本為鄭州、開封市及下轄區縣經過一定處理的城鎮生活污水和工業廢水，即使經過深度處理，入河水質COD和氨氮的濃度仍遠高于GB 3838—2002中Ⅴ類標準。賈魯河在入沙潁河前設置中牟陳橋(鄭州段)、扶溝擺渡口(開封段)和西華大王莊(周口段)3個控制斷面(見圖2)。“十二五”河南省政府責任目標具體考核要求見表1。

采用單因子評價法，按照“十二五”河南省政府責任目標進行評價，賈魯河從上游到下游污染程度逐步減輕，但各河段水質均為劣Ⅴ類，不能滿足近期“十二五”河南省政府責任目標，遠未達到水體功能區目標要求。

圖2 賈魯河控制斷面示意圖Fig.2 The controlled section of Jialu River

所屬河流所在控制單元斷面名稱具體考核要求鄭州中牟陳橋氨氮≤3.0mg/L,其余指標Ⅴ類賈魯河開封扶溝擺渡口周口西華大王莊氨氮≤2.0mg/L,其余指標Ⅳ類

2.3 計算結果與分析

2.3.1 情景設定

針對賈魯河流域污染狀況，分別從現狀排污和提標排污情景下計算賈魯河不同河段所需環境流量。現狀排污情景考慮河流上下游關系及協同管理，即上游斷面(河段)補水水質達標后對下游河段水質的影響。從提標治理和嚴格監管要求的角度，考慮入河工業點源、集中污水處理廠按照提標要求排污后對河段水質的影響，結合現狀監管條件下污染源90%達標率的排污狀況，設定情景1為污染源提標排放、90%達標率；在進一步嚴格污染源排污監管條件下，設定情景2為污染源提標排放、100%達標率。

賈魯河鄭州市區和其他地區控制河段內，入河的所有工業點源和集中污水處理廠按照河南省《賈魯河流域水污染排放標準》(DB 41/908—2014)達標排放測算：鄭州市區COD≤40 mg/L、氨氮≤3 mg/L，其他地區COD≤50 mg/L、氨氮≤5 mg/L。

2.3.2 現狀排污情景

現狀排污情景下賈魯河不同河段保障水質(COD和氨氮)達標所需環境流量見表2。現狀排污情景下，從保障COD和氨氮達標環境流量結果來看，氨氮達標所需環境流量大于COD；從不同水期保障水質達標環境流量結果來看，呈現枯水期>平水期>豐水期，可見賈魯河流域亟需保障枯水期所需環境流量；從河段所需環境流量來看，賈魯河3個河段中需保障上游鄭州段環境流量。

表2 現狀排污情景下保障水質達標環境流量

圖3 提標排污情景下保障水質達標環境流量結果Fig.3 Environmental flow of guarantee discharge up to COD and ammonia nitrogen standard under the scenario of strict pollution discharge

現狀排污情景下，基于2013年數據計算，賈魯河豐、平、枯水期保障水質達標環境流量分別為8.70 m3/s(折合0.92億m3/a)、11.30 m3/s(折合0.90億m3/a)、34.00 m3/s(折合4.44億m3/a)，合計6.26億m3/a；基于2014年數據計算，賈魯河豐、平、枯水期障水質達標環境流量分別為10.50 m3/s(折合1.11億m3/a)、29.60 m3/s(折合2.35億m3/a)、48.40 m3/s(折合6.36億m3/a)，合計9.82億m3/a?？梢姡?014年為基準年計算所需環境流量總體大于以2013年為基準年的環境流量，這是由于2014年賈魯河水質惡化的結果。

2.3.3 提標排污情景

提標排污情景1、2條件下計算賈魯河流域保障COD和氨氮達標所需環境流量見圖3。提標排污情景1、2下，從保障COD和氨氮達標計算結果來看，氨氮達標所需環境流量總體大于COD；從河段所需環境流量來看，賈魯河3個河段中需保障鄭州段環境流量。

提標排污情景1下，基于2013、2014年數據計算，賈魯河流域保障水質達標環境流量分別為1.55 m3/s(折合0.49億m3/a)、10.50 m3/s(折合3.31億m3/a)。提標排污情景2下，基于2013、2014年數據計算，賈魯河流域保障水質達標環境流量為1.55 m3/s(折合0.49億m3/a)和8.10 m3/s(折合2.55億m3/a)?？梢?，提標排污情景下，以2014年為基準年計算所需環境流量均大于以2013年為基準年計算所需環境流量，這也是由于2014年賈魯河水質惡化的結果。

綜合而言，提標排污情景下保障水質達標所需環境流量較現狀排污情景下減少。在提標治理和進一步嚴格環境執法監管的同時，基于2013、2014年數據計算，所需環境流量分別為1.55 m3/s(折合0.49億m3/a)和8.10 m3/s(折合2.55億m3/a)。

3 保障環境流量對策建議

鑒于河南省已實施國內較嚴的DB 41/908—2014，以最少的水資源量保障斷面水質目標實現為目的，以用水控制總量為紅線，按照“控源提標、節水優先”的原則，強化源頭控制，嚴格環境監管。加大賈魯河流域鄭州市控源減排力度，減少污染物入河量，重點保障賈魯河鄭州段環境流量，近期(“十二五”期間)保障實現“十二五”河南省政府責任目標所需環境流量，增加水環境容量，提高水體自凈能力，遠期同時加大鄭州市的節水力度和水資源優化配置，保障實現水環境功能區劃水質目標需新增環境流量。

要滿足“十二五”河南省政府責任考核目標要求，賈魯河3個河段中需新增環境流量的河段為鄭州段，經濟總成本=生態補水成本+工業企業達標排放需增加的投資+污水處理廠達標排放需增加的投資。工業企業與污水處理廠達標排放需新增治理成本為4.75億元，基于2013、2014年數據需新增環境流量水資源費用分別為0.15億、0.77億元，總經濟成本分別為4.90億、5.52億元，均占鄭州市生產總值的0.08%，從經濟角度分析保障環境流量可行。

目前，現狀已有保障環境流量(生態補水)工程，通過調黃河水生態補源來改善和恢復賈魯河水環境質量，主要取水點為花園口東風渠和邙山水庫。由于保障環境流量(生態補水)工程與河流需新增環境流量的河段完全對應，建議依托現狀引水工程進行保障環境流量水資源的調配，通過中牟縣三劉寨、楊橋和趙口引黃河干流入賈魯河。

4 結論與討論

(1) 針對北方季節性河流環境流量短缺和污染并存的現狀，從二元水循環的角度，提出一種建立在河流或河段的水量水質平衡基礎上的環境流量分析方法。

(2) 為滿足“十二五”河南省政府責任考核目標要求，賈魯河3個河段中需新增環境流量的河段為鄭州段。在提標治理和進一步嚴格環境執法監管的同時，基于2013、2014年數據，需新增環境流量分別為1.55 m3/s(折合0.49億m3/a)和8.10 m3/s(折合2.55億m3/a)，其經濟總成本分別為4.90億、5.52億元，均占鄭州市生產總值的0.08%，從經濟角度分析保障環境流量可行。

(3) 現狀保障環境流量(生態補水)工程與河流需新增環境流量的河段完全對應，建議依托現狀引水工程進行保障環境流量水資源的調配，通過中牟縣三劉寨、楊橋和趙口引黃河干流入賈魯河。

(4) 環境流量不是一個固定的數值，根據不同的環境目標要求可測算出不同的值，對于不同的年份，月份亦可測算出不同的值。本研究主要分析的是年平均值，在數據充足、條件允許的情況下，應分析月平均，甚至更短的周期，用來指導制定更加合理的水資源管理方案。

[1] 張洪斌，李蘭，甘衍軍，等.荊門市竹皮河的生態補水方案研究[J].人民長江，2010，41(10)：83-85.

[2] 葛軍.合肥市塘西河綜合整治中景觀生態需水量計算[J].中國市政工程，2010(3)：32-35.

[3] 卿曉霞，郭慶輝，周健，等.小型季節性河流生態補水需水量及調度方案研究[J].長江流域資源與環境，2015，24(5)：876-881.

[4] 王西琴，張遠.從水量與水質相結合的角度認識生態需水[J].環境保護，2006(4)：75-78.

[5] 王西琴，劉昌明，張遠.基于二元水循環的河流生態需水水量與水質綜合評價方法——以遼河流域為例[J].地理學報，2006，61(11)：1132-1140.

[6] 張代青，高軍省.河道內生態環境需水量計算方法的研究現狀及其改進探討[J].水資源與水工程學報，2006，17(4)：68-73.

[7] 張亮，何新林，趙琪，等.基于二元水循環的河流生態需水綜合評價[J].武漢大學學報(工學版)，2009，42(5)：669-672.

[8] 盧映東，趙志群，徐曉娟.嫩江水環境總量控制輸入響應關系的應用[J].黑龍江環境通報，2000，24(2)：117-119.

Studyofsafeguardenvironmentalflowfornorthernseasonalrivers

TANGMin1，2，YULuji3，LIANGYixin1，2，WANGHuiying1，2，LYUXiaoyan1，2，ZHANGKuan1，2.

(1.EnvironmentalTechnologyConsultingandEngineeringCo.，Ltd.，ZhengzhouUniversity，ZhengzhouHenan450002；2.ResearchCenterforEnvironmentalPolicyPlanningandAssessment，ZhengzhouUniversity，ZhengzhouHenan450002；3.CollegeofWaterConservancy&EnvironmentalEngineering，ZhengzhouUniversity，ZhengzhouHenan450001)

According to the present situation of the coexistence of environmental flow shortage and pollution for northern seasonal rivers，from the perspective of dualistic water cycle，a analysis method of environmental flow was proposed that based on water quality and quantity balance of river or rivers. In the case of Jialu River，typical heavily polluted rivers，based on river runoff and water quality characteristics，in order to meet the objectives and requirements of the premise，the safeguard countermeasures and suggestions of environmental flow were put forward. The results showed that：in order to improve the recent water quality，in stricter governance and supervision，based on 2013 and 2014 data，the environmental flow should be newly increased with 1.55 m3/s (49 million m3/a) and 8.10 m3/s (255 million m3/a) separately. Its total economic cost were 490 million yuan and 552 million yuan respectively，and were 0.08% of GDP in Zhengzhou. The allocation of environmental flow could rely on diversion projects，and its economy and water way were feasible.

seasonal rivers; environmental flow; dualistic water cycle； water quality and quantity balance model; Jialu River

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.04.022

2016-03-25)

唐 敏，女，1984年生，碩士研究生，研究方向為水污染控制技術。#

。

*國家水體污染控制與治理科技重大專項(No.2015ZX07204-002)。