負荷歷時曲線法在清潩河流域水質目標管理中的應用

趙雪霞，于魯冀，王燕鵬

(1. 鄭州大學水利與環境學院，鄭州 450001；2. 鄭州大學環境政策規劃評價研究中心，鄭州 450002)

點源和面源污染的綜合影響導致流域生態系統不斷遭到破壞，研究表明，確定流域污染負荷和主要污染源，并有針對性地實施管理可以使河流生態系統得到修復[1]。河流流量直接影響流域污染負荷，一般通過建立水質模型模擬的方法獲得研究水體污染負荷，實現污染源與水質之間的響應，但各種水質模型參數值的不確定性因素較多，導致估算出的污染負荷值偏差較大，不能得到較為準確一致的結果[2,3]。TMDL計劃指將面源污染考慮在內，在實施了防止點源污染的策略但仍不達標的情況下，確定污染水域的優先次序并制定最大日負荷總量(TMDL)計劃。歷時曲線法是美國環保署制定TMDL計劃[4,5]所廣泛采用的一項成熟的技術，它反映了在不同的流量條件下水體允許的污染物最大負荷量，主要包括流量歷時曲線(Flow Duration Curve，FDC)和負荷歷時曲線(Load Duration Curve，LDC)。LDC法以具體地點水質目標和完整流量系列為基礎，建立河道斷面水質變化與流域潛在污染的聯系[6,7]，可以體現允許納污量的動態變化，并很好地應用于污染物容量總量控制[8]，許多國家已開始應用LDC法作為設置TMDL目標的可靠方法[9]。

LDC法一般選取流域出水口斷面作為目標斷面，為了滿足不同研究區域的管理規劃需求，本文分別將清潩河流域(許昌段)和清潩河流域作為研究區域，選取清潩河干流臨潁高村橋和鄢陵陶城閘兩個省控監測斷面作為目標斷面，其中高村橋斷面為清潩河流域(許昌段)出境斷面，陶城閘斷面為清潩河流域出水口斷面，結合設計水質目標和實際監測流量數據，應用LDC法開展水體納污量計算并解析流域水體納污能力，以期為相關管理人員提供有效的技術支撐。

1 研究區域概況及研究方法

1.1 研究區域概況

清潩河屬淮河流域沙潁河水系，是沙潁河流域兩條最主要的污染河流之一，發源于新鄭市溝草原，于長葛市官亭鄉進入許昌境，流經長葛市、建安區、魏都區(許昌市區)、鄢陵縣和漯河市臨潁縣，于鄢陵縣陶城閘下游匯入潁河，全長149 km，流域面積2 362 km2，其中許昌段流域面積1 585 km2[10]。許昌段主要一級支流有石梁河、小洪河、小泥河，漯河段主要一級支流有新溝河、黃龍渠以及雞爪溝。清潩河天然徑流匱乏，流域平均年降水量671.1～736.0 mm，人工干擾嚴重，受工業化、城鎮化帶來的點源污染排放和集約化農業面源污染雙重影響，流域COD和氨氮超標嚴重。

1.2 研究方法

基于對應的流量歷時曲線，負荷歷時曲線法以河流監測斷面水質目標和完整流量系列為基礎，建立河道斷面流量與污染負荷之間的聯系[11,12]。

(1)流量歷時曲線(FDC)。一般情況下，將日監測流量數據按從大到小的順序排列，計算河流監測斷面某個時段內大于和等于某一流量所占比例，根據流量和對應所占比例關系，建立連線圖，即為FDC。具體計算如下：

Pf=m/n

(1)

式中：Pf為流量f時所占比例；m為大于或等于流量f時的監測次數；n為流量監測總數。

FDC可反映河道監測斷面的水文特征，美國環保署[13]推薦將其劃分為5個流量歷時區域(Flow Duration Intervals，FDI)，分別為高流量區(0%～10%)、豐水區(10%～40%)、中流量區(40%～60%)、枯水區(60%～90%)和低流量區(90%～100%)，實際應用中可根據研究區域特征作出一定的調整。

(2)負荷歷時曲線(LDC)。LDC即為FDC與水質目標值的乘積，曲線上各點代表不同流量占比下污染物最大負荷量。LDC的計算公式為：

L=QCK

(2)

式中：L為不同流量占比下最大日負荷，t/d；Q為對應的流量值，m3/s；C為水質目標濃度值，mg/L；K為單位轉換系數，0.086 4。

(3)水質目標設計。美國根據EPA提供的水質基準，結合水體具體功能制定各州和流域的水質標準，而目前國內尚未建立統一的水質基準，水質目標一般根據環境管理需求而定。從河流健康發展的長遠目標考慮，課題組開展了清潔河流[14,15]研究，建立了清潔河流評價指標體系與分級標準，共有5個等級，主要適用于地表水環境質量Ⅲ-Ⅴ類水體標準，其中1級最優，5級最差。從地表水水質達標和河流健康發展兩方面綜合考慮，本文分別以2018年河南省水污染防治攻堅目標和清潔河流2級標準目標作為設計水質目標。

(4)污染物現狀負荷和最大負荷估算。利用所監測到的水質及其對應的流量數據，可算出相應的現狀負荷值，然后點繪到LDC上，計算不同FDI內對應的污染物現狀負荷和最大負荷，且現狀負荷為90%保證率下計算值(即高于此值的負荷只占10%)[16]。具體計算如下：

(3)

(4)

2 數據來源

(1)水質目標。分別以2018年水污染防治攻堅戰地表水環境質量目標和清潔河流2級標準目標作為設計水質目標，其中高村橋和陶城閘監測斷面水污染防治攻堅水質目標分別為地表水環境質量Ⅴ類和Ⅳ類水質標準，對應的COD和氨氮濃度分別為40 mg/L和2 mg/L，30 mg/L以及1.5 mg/L。清潔河流2級標準水質目標中，COD和氨氮的水質標準濃度范圍分別為(20-25]和(0.7-1]，單位為mg/L，本文COD取值為25 mg/L，氨氮取值為1 mg/L。

(2)水質數據。清潩河流域主要支流匯入口均無流量和水質數據，僅可獲得清潩河干流臨潁高村橋和鄢陵陶城閘斷面2012-2015年河南省環保廳水質周報數據[17]，配套水文數據為河南省生態補償數據，由河南省環保局提供，監測周期為每周一次，本文在周均流量的基礎上，繪制FDC和LDC。

3 結果與分析

3.1 允許納污量季節性變化特征

本文在參考美國環保局推薦FDI劃分的基礎上，結合清潩河流域氣候、水文變化特征，將FDI劃分為3個，分別為高流量區(0%～10%)、中流量區(10%～60%)和低流量區(60%～100%)。將周均流量數據按照從大到小的順序排列，并應用公式(1)進行計算，繪制FDC，如圖1所示。

從圖1可以看出，高村橋和陶城閘兩個監測斷面FDC變化趨勢較為一致，近似呈典型“S”型曲線分布，可初步說明周均流量數據可反映日均流量數據分布情況。在高流量區，曲線近似呈直線下降趨勢，流量變化幅度較大；在中流量區，流量變化趨勢微小；在低流量區，曲線幾乎呈直線分布，流量不變。總體來說，清潩河流域符合北方平原區域河流流量普遍偏小的特征。

美國《清潔水法》第303條指出，流量的季節性變化是TMDL發展的關鍵內容，應有針對性地制定不同時期的水質控制目標，同時對水質不達標的區域制定TMDL計劃[9]。按照常規季節劃分方式，3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12～2月為冬季，繪制允許納污量(最大負荷量)季節分布圖，如圖2所示。

圖1 高村橋和陶城閘斷面流量歷時曲線Fig.1 FDC of Gaocun bridge and Taocheng gate sections

圖2 高村橋和陶城閘斷面允許負荷季節分布圖Fig.2 Seasonal distribution of allowable loads of Gaocun bridge and Taocheng gate sections

圖2為不同季節的主要污染物允許納污量，箱形圖表征不同季節最大日負荷量的分布特征。高村橋斷面不同季節最大日負荷量均值大小為春季>冬季>夏季>秋季，陶城閘斷面不同季節最大日負荷量均值大小為冬季>春季>夏季>秋季。兩個監測斷面不同季節最大日負荷量均值近似呈現一致的變化規律，且季節性差異較為顯著，在實際流域管理中，需要制定季節性水質管理辦法，便于相關管理部門適時作出季節性水質達標調整方案。

3.2 水體水質特征分析

參照對應的FDC，應用公式(2)進行計算，繪制LDC，并將現狀負荷點繪于LDC，如圖3、4所示。

圖3 高村橋斷面COD、氨氮負荷歷時曲線和現狀負荷散點圖Fig.3 LDC and the actual daily load of COD and NH3-N of Gaocun bridge section

圖4 陶城閘斷面COD、氨氮負荷歷時曲線和現狀負荷散點圖Fig.4 LDC and the actual daily Load of COD and NH3-N of Taocheng gate section

以LDC為界，位于LDC以上的點，表明現狀負荷超出允許負荷(最大負荷)，水體水質超標；位于LDC以下的點，表明現狀負荷在允許負荷范圍內，水體水質達標。利用LDC還可以判斷河流監測斷面受點源和面源污染的影響程度，在85%～99%FDI內，基本不產生地表徑流，點源為主要污染源；10%～70%FDI內，面源為主導污染源[18,19]。

由圖3可以看出，在地表水Ⅴ類水質目標下，高村橋斷面10%～60%FDI內，COD現狀負荷絕大多數超出允許負荷，說明面源污染超標嚴重；整個FDI內，氨氮基本不超標。在清潔河流2級標準水質目標下，高村橋斷面整個FDI內，COD現狀負荷均超出允許負荷，水體水質嚴重超標；10%～60%FDI內，氨氮現狀負荷多數超出允許負荷，面源污染超標嚴重，主要受到高村橋斷面上游及主要匯入支流周邊農村生活、農業和畜禽養殖面源污染的影響。

由圖4可以看出，在地表水Ⅳ類水質目標下，陶城閘斷面COD和氨氮基本不超標。在清潔河流2級標準水質目標下，陶城閘斷面整個FDI內，COD現狀負荷幾乎全部超出允許負荷，水體水質嚴重超標；氨氮負荷基本不超標。

由圖3和圖4可知，在水污染防治攻堅水質目標下，高村橋斷面COD嚴重超標，主要超標污染源為面源，氨氮基本不超標；陶城閘斷面COD和氨氮基本不超標。在清潔河流2級標準水質目標下，高村橋斷面COD全部超標，氨氮嚴重超標，且主要由面源污染導致；陶城閘斷面COD嚴重超標，氨氮基本不超標。在不同的水質目標下，實際管理中需要著重控制COD和氨氮污染排放，尤其是面源產生的污染物排放。

3.3 主要污染物負荷估算

應用公式(3)和(4)計算不同FDI污染物現狀負荷，并以FDI分別為5%、35%、80%所對應的LDC值計算最大負荷(允許負荷)，獲得不同FDI下COD、氨氮的現狀負荷和允許負荷，進而將污染物的總量控制工作細分到不同的FDI，在每個FDI的現狀負荷和允許負荷確定后，即可確定不同FDI污染物的剩余負荷。高村橋斷面污染負荷具體計算結果如表1、2所示。

表1 高村橋斷面COD污染負荷Tab.1 COD pollution loads of Gaocun bridge section

表2 高村橋斷面氨氮污染負荷Tab.2 NH3-N pollution loads of Gaocun bridge section

由表1、2可知，在地表水Ⅴ類水質目標下，高村橋斷面不同FDI下對應的COD剩余負荷在高流量區和中流量區均為負值，需要的削減量分別為5.47、0.45 t/d，低流量區不需要削減；整個FDI內，氨氮允許負荷均大于現狀負荷，不需要進行削減。在清潔河流2級標準水質目標下，高村橋斷面不同FDI下對應的COD剩余負荷均為負值，需要的削減量分別為17.85、5.10和1.60 t/d；不同FDI下對應的氨氮剩余負荷同樣均為負值，需要的削減量分別為0.52、0.27和0.07 t/d。

陶城閘斷面污染負荷具體計算結果如表3、4所示。

表3 陶城閘斷面COD污染負荷Tab.3 COD pollution loads of Taocheng gate section

表4 陶城閘斷面氨氮污染負荷Tab.4 NH3-N pollution loads of Taocheng gate section

由表3、4可知，在地表水Ⅳ類水質目標下，陶城閘斷面在整個FDI內，COD和氨氮允許負荷均大于現狀負荷，不需要削減。在清潔河流2級標準水質目標下，陶城閘斷面不同FDI下對應的COD剩余負荷均為負值，需要的削減量分別為2.21、0.81和0.32 t/d；氨氮剩余負荷在高流量區為負值，需要的削減量為0.25 t/d，中流量區和低流量區允許負荷均大于現狀負荷，不需要削減。

4 結 語

(1)高村橋和陶城閘兩個監測斷面不同季節最大日負荷量均值近似呈現一致的變化規律，且季節性差異較為顯著。在水污染防治攻堅水質目標下，高村橋斷面COD嚴重超標，氨氮基本不超標；陶城閘斷面COD和氨氮基本不超標。在清潔河流2級標準水質目標下，高村橋斷面COD全部超標，氨氮嚴重超標；陶城閘斷面COD嚴重超標，氨氮基本不超標。

(2)從水質達標的目標考慮，高村橋斷面高流量區、中流量區COD削減量分別為5.47、0.45 t/d，低流量區不需要削減，氨氮無需削減；陶城閘斷面均不需要對COD和氨氮進行削減。從河流健康發展的目標考慮，高村橋斷面高、中、低流量區COD削減量分別為17.85、5.10和1.60 t/d，氨氮為0.52、0.27和0.07 t/d；陶城閘斷面需要的COD削減量分別為2.21、0.81和0.32 t/d，高流量區氨氮削減量為0.25 t/d，中、低流量區均不需要對氨氮進行削減，且主要超標污染源均為面源。

(3)本文結合水污染防治攻堅水質目標和清潔河流2級標準水質目標，應用負荷歷時曲線法解析流域水質變化和污染負荷的響應關系，可為相關管理部門提供一定的技術支撐，同時能夠為我國的流域管理提供一定的借鑒和參考。然而，本文也存在一定的不足，未結合研究區域經濟社會和人口發展狀況，核算未來污染物增加量，在以后的研究中還需要進一步完善。

□