寇河水質時空變化分析及達標水環境容量計算

胡秀芳，袁 信，鄧仁貴，龍俞辰

（1.湖南南方水利水電勘測設計院有限公司，湖南長沙410007；2.湖南省水利水電科學研究院，湖南長沙410007；3.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州510230）

目前我國的水資源狀況非常嚴峻，水資源短缺且分布不均，水污染水環境惡化持續不斷，尤其是北方一些河流，在特殊年份出現部分河段斷流、干涸現象，由于水資源短缺，無法納污自凈，導致部分河段水質變差[1，2]。寇河屬遼河二級支流，全長118 km，流域面積為1 238 km2。近幾年，寇河干流出境斷面松樹水文站水質差于上游斷面誠信水庫水質，沿河有大量的畜禽養殖專業戶的面源污染匯入，還有生活污水處理廠和一些規模化畜禽養殖場的點源污染匯入。從2016—2019年，河流水質逐年變差，表現在COD指標上，寇河水質目標為Ⅲ類水，2016年石油類超Ⅲ類水質標準0.6倍，2017—2018年水質符合Ⅲ類標準，2019年水質最差，符合Ⅳ類標準，COD超Ⅲ類水質標準0.065倍。為了加強水污染綜合防治，進一步改善水環境質量，保障人民群眾身體健康，結合寇河松樹水文站監測斷面上游實際情況，開展寇河水質時空變化分析及達標水環境容量計算，為實現寇河水質考核目標提供技術支撐。

1 水質時空變化

根據遼河主要支流考核斷面2017年和2018年松樹水文站斷面的監測數據，以及誠信水庫斷面的監測數據，得出了氨氮、高錳酸鹽指數變化趨勢，見圖1。

由圖1顯示：誠信水庫，除2017年9月份氨氮超Ⅴ類水質標準0.03倍之外，其他月份和2018年全年都符合Ⅲ類水質標準；松樹水文站，2017年9月高錳酸鹽指數超Ⅲ類水質標準0.1倍，2018年3月高錳酸鹽指數超Ⅲ類水質標準0.08倍，2017年5月氨氮超Ⅲ類水質標準0.2倍，2018年2月和3月氨氮超Ⅲ類水質標準0.1倍和0.03倍；2017年年均值，高錳酸鹽指數松樹水文站劣于誠信水庫32.6%，氨氮松樹水文站優于誠信水庫39.2%；2018年年均值，高錳酸鹽指數松樹水文站劣于誠信水庫22%，氨氮松樹水文站劣于誠信水庫41.8%。總之，松樹水文站水質劣于誠信水庫的水質。

2 污染排放與水質的響應分析

2.1 水質模型

目標河流屬于遼河二級支流，劃分后的各個河段長度較短，選取河流一維穩態水質模型模擬河流水質變化[3]，污染物在河流橫向方向上混合均勻。

圖1 寇河干流上游誠信水庫與下游松樹水文站水質監測對比圖

式中：C′為支流或排污口等邊界匯入后稀釋濃度，mg/L；C0為上游來水濃度，mg/L；Q0為上游來水流量，m3/s；W為納污能力，g/s；q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；C為距離邊界下游x處斷面的濃度，mg/L；K為降解系數，1/d；x為控制斷面距離支流或排污口等邊界的距離，m；u為河段的流速，m/s。

2.2 降解系數

水質模型中的參數選定是預測的關鍵，根據《全國地表水環境容量核定》、已有研究成果、水文年鑒等確定了目標區域COD和氨氮的綜合降解系數取值范圍，并通過模型的調試驗證確定了COD和氨氮的綜合降解系數分別取0.1/d和0.05/d。

2.3 控制單元劃分

寇河流域的污染源排放口共有5個：烏魯河匯入口、石銀溝河匯入口、西豐縣中心、艾青河匯入口、郜家店鎮中心。根據匯水區的行政區劃和污染源的分布情況，誠信水庫作為水源地，水質情況較好，且上游振興鎮污染源較少，更重要的是誠信水庫有水質監測數據，便于模型分析，此方案將誠信水庫大壩至松樹水文站之間匯水區沿寇河河流流向依次分為3個控制單元，見圖2。

圖2 控制單元區劃圖

2.4 水環境現狀模擬結果

由于斷面流量數據僅有4月到12月，因此模擬了2019年4月到12月的COD和氨氮水質情況，見圖3。可以看出，寇河松樹斷面2019年COD超標月份為5，6，8，9月，氨氮不超標。松樹斷面由于11和12月的流量較小，導致模擬COD值偏高，其他月份的模擬值均低于監測數據。氨氮模擬數據除4月以外，其他月份的模擬數據均高于監測數據。通過數據分析可以看出，模擬結果主要受流量影響，流量較小的5，6，11和12月的模擬值高出監測值較多。

圖3 COD與氨氮現狀模擬結果趨勢

2.5 污染源影響分析

分析各控制單元對河流水質（COD和氨氮）的影響比重，見圖4。可以看出，COD的主要污染來源是控制單元①和②，而氨氮的污染源主要來自控制單元②。

2.6 環境容量

寇河的水文條件有限，起始點無流量數據，考核斷面（松樹）僅有2016—2019年的流量數據，并且個別月份數據缺失。在現有數據的基礎上，采用90%最枯流量，并通過流量查出相應流速。水質目標為Ⅲ類水體，COD目標值為20 mg/L，氨氮目標值為1 mg/L，對應的COD環境容量為297 t/a，氨氮環境容量為24 t/a。

圖4 污染源影響分析結果圖

3 許可排放量分配

排放量的分配主要取決于環境容量和各控制單元內污染源的分布狀況。①段內污染源包括安民、金星、更刻、陶然4個鄉鎮的養殖戶、養殖場的畜禽糞便和生活污水污染，除此之外，安民鎮還有一部份工業污染源。②段是污染強度最大的一個控制單元，大部分污染來自德興、釣魚和西豐鎮的養殖污染，需采取有效措施予以控制，同時對于工業和城鎮生活污染，也應積極地進行污水處理廠的提標改造工程，減小排放量。③段的排污量較少，但離考核斷面距離最近，對考核斷面水質的影響也最大，對區內明德和郜家店的畜禽污染同樣應引起高度的重視，采取必要的措施。從經濟效益、環境效益和社會效益等多方面綜合考慮，將環境容量合理地分配到各控制單元，見表1。

表1 許可排放量分配表t/a

根據表1可知，3個控制單元中，控制單元②的減排任務最重。而從不同污染源分析，散戶養殖污染的減排任務最重。

4 結論

通過對寇河水質時空變化分析及達標水環境容量計算，水質變化、水環境容量及許可排放量預測與實際情況基本相符合，能夠指導寇河水質考核目標達標。但前提是采取治理措施后才能達標，因此需要各部門聯合行動，通過對流域內點源污染和面源污染的有效控制，結合全面的管理措施，使斷面水質考核達標，實現流域內的水生態環境質量明顯改善。