跨界河流水功能區水質達標率計算方法研究

曾憲忠，郝守寧

?水土資源與環境?

跨界河流水功能區水質達標率計算方法研究

曾憲忠1，郝守寧2*

（1.貴州省松柏山水庫管理處，貴陽 550025；2.西藏農牧學院，西藏 林芝 860000）

跨界河流涉及上下游多個行政區域，其水功能區水質達標率計算是跨界河流水功能區限制納污紅線管理的重點和難點。【】計算扣除上游入境來水影響后的跨界河流水功能區水質達標率。通過構建水質數學模型提出了定量化的跨界河流水功能區水質達標率計算方法，以遼河流域的招蘇臺河為典型案例驗證了該計算方法。①2017年招蘇臺河吉遼緩沖區、招蘇臺河黑崗農業用水區、招蘇臺河黃酒館農業用水區、條子河吉遼緩沖區和條子河林家農業用水區的水質達標率分別為100.0%、33.3%、33.3%、100.0%、91.7%。②該方法有效扣除了上游入境來水對下游水功能區水質的影響，計算得到的水功能區水質達標率高于常規計算方法。該計算方法比常規計算方法更為合理，可為跨界河流水功能區管理和水資源保護提供科學支撐。

水功能區；水質達標率；跨界河流；水質模型

0 引言

【研究意義】近年來，雖然我國水環境治理力度不斷加強，但隨著社會經濟的快速發展，江河湖泊水污染防治形勢依然嚴峻[1-4]。為促進社會經濟和生態環境的協調發展，2011年中央一號文件明確提出實行最嚴格水資源管理制度，而水功能區限制納污紅線是最嚴格水資源管理制度的3條紅線之一[5]。【研究進展】水功能區限制納污紅線為水功能區監督管理提供了有力抓手[6]，學者們圍繞水功能區水質現狀評價[7-9]、水質達標率評價[10-12]、納污能力計算[13-16]等方面開展了大量研究，取得了一系列成果。其中，水功能區水質達標率考核是水功能區限制納污紅線管理的核心內容，水質達標率往往采用年度頻次法計算。對于一般的江河湖泊，若某月實測水質滿足水功能區水質目標要求則認為該月水質達標，水質達標月份個數除以評價月份總數即為年度達標率，年度達標率大于等于80%的水功能區為年度達標水功能區。但不同于一般的江河湖泊的計算，當河流跨界涉及上下游多個行政區域時，其下游水功能區水質質量濃度除了受到下游行政區域內污染負荷輸入的影響，還明顯受到上游入境來水水質的影響，其水功能區水質達標率計算方法相比一般的江河湖泊更為復雜[17-18]。

當前跨界河流水功能區水質達標率往往采用常規計算方法，即直接采用水功能區控制斷面的實測水質質量濃度進行達標評價，國內學者采用該方法從跨省界、跨市區界等層面分析評價了我國跨界河流水功能區水質狀況[10-12]。但該方法將跨界河流當作一般河流處理，未能考慮跨界河流的特點。目前缺少適用于跨界河流的水功能區水質達標率計算方法。【切入點】當上游入境來水水質超過跨界河流省界水質斷面控制目標時，若在分析下游水功能區某月水質是否達標時仍采用常規計算方法，則會掩蓋上游水質超標對下游水功能區水質造成的影響，無法合理計算下游水功能區水質達標率。

【擬解決的關鍵問題】針對當前跨界河流水功能區水質達標率常規計算方法存在的不足，提出基于水質數學模型的跨界河流水功能區水質達標率計算方法，扣除上游入境來水對下游水功能區水質質量濃度的影響，并以吉林省和遼寧省之間的跨界河流——招蘇臺河為典型案例，驗證方法的適用性。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

招蘇臺河是遼河的主要支流之一，是吉林省和遼寧省之間的跨省界河流。招蘇臺河發源于吉林省四平市，招蘇臺河干流及其支流條子河由四平市流入遼寧省昌圖縣，最后在昌圖縣通江口鎮匯入遼河干流。昭蘇臺河干線總長213 km，流域面積4 583 km2，昌圖縣境內干線長度為158 km，流域面積為3 004 km2。招蘇臺河流域年均降雨量為601 mm，年均氣溫為7.3 ℃。

招蘇臺河昌圖縣境內一級水功能區有4個，分別為招蘇臺河吉遼緩沖區、招蘇臺河昌圖開發利用區、條子河昌圖開發利用區，其中招蘇臺河昌圖開發利用區有招蘇臺河黑崗農業用水區和招蘇臺河黃酒館農業用水區2個二級水功能區，條子河昌圖開發利用區的二級水功能區為條子河林家農業用水區。招蘇臺河水功能區劃情況見表1和圖1。

表1 招蘇臺河水功能區劃情況

圖1 招蘇臺河昌圖縣境內水功能區劃示意圖

1.2 研究方法

若上游入境來水水質質量濃度滿足省界斷面水質控制目標，則評價下游水功能區控制斷面是否達標時可直接采用控制斷面的實測水質指標質量濃度。反之，則應扣除上游水質超標部分對下游水功能區水質造成的影響，而如何定量化計算此影響是跨界河流水功能區水質達標率計算方法的核心。水質數學模型作為水體污染物輸移擴散過程的數學化表達，可定量模擬污染物在河道中的質量濃度變化過程。據此，論文提出了基于水質數學模型的跨界河流水功能區水質達標率計算方法，主要步驟如下：

1）計算上游入境來水的超標水質質量濃度。上游入境來水的實測水質質量濃度減去省界斷面水質目標質量濃度，即為上游入境來水的超標水質質量濃度，計算式為：

上游超標水質上游實測水質上游目標水質，（1）

式中：上游超標水質表示上游入境來水的超標水質質量濃度（mg/L）；上游實測水質表示上游入境來水的實測質量濃度（mg/L）；上游目標水質表示省界斷面水質目標質量濃度（mg/L）。

2）構建跨界河流水質數學模型。收集跨界河流的河道大斷面以及水文水質等實測數據，構建跨界河流水質數學模型，對河道糙率和污染物綜合降解系數進行率定。

3）模擬上游超標水質質量濃度在下游水功能區控制斷面產生的質量濃度。采用構建的跨界河流水質數學模型，以上游超標水質質量濃度為模型上邊界質量濃度，假定上下游斷面之間的污染負荷為0，模擬計算下游水功能區控制斷面處的質量濃度，該質量濃度即為上游超標水質質量濃度在下游水功能區控制斷面產生的質量濃度。

4）計算扣除上游超標水質影響后的下游水功能區控制斷面質量濃度。下游水功能區控制斷面水質質量濃度減去上游超標水質質量濃度在下游水功能區控制斷面產生的質量濃度，即為扣除上游超標水質影響后的下游水功能區控制斷面質量濃度，計算式為：

扣除上游影響后的下游質量濃度下游實測水質質量濃度-

上游超標水質產生的質量濃度， （2）

式中：扣除上游影響后的下游質量濃度表示扣除上游超標水質影響后的下游水功能區控制斷面質量濃度（mg/L）；下游實測水質質量濃度表示下游水功能區控制斷面的實測水質質量濃度（mg/L）；上游超標水質產生的質量濃度表示上游超標水質質量濃度在下游水功能區控制斷面產生的質量濃度（mg/L）。

5）評價下游水功能區是否達標。若扣除上游影響后的下游質量濃度≤下游目標水質質量濃度，??則水功能區水質達標；若扣除上游影響后的下游質量濃度>下游目標水質質量濃度，??則水功能區水質不達標。

6）計算下游水功能區水質達標率。根據逐月水質是否達標評價結果，采用頻次法計算下游水功能區水質達標率，計算式為：

100%， （3）

式中：表示下游水功能區水質達標率；表示水質達標月份個數；表示評價月份總數。

2 結果與分析

2.1 水質數學模型構建

為準確模擬招蘇臺河污染物遷移轉化過程，識別上游超標水質質量濃度在下游水功能區控制斷面產生的濃度，論文構建了基于HEC-RAS模型的招蘇臺河水質數學模型。HEC-RAS是一款主要用于河流一維恒定流和非恒定流模擬的水動力與水質模擬軟件，已成功應用于國內外很多河流的水動力和水質模擬研究[19-20]。該模型的控制方程為：

式中：為河流過水斷面面積（m2）；為過水斷面流量（m3/s）；L為側向入流（m3/s）；為過水斷面流速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）；為水位（m）；為水力半徑（m）；為河道糙率，無量綱；為污染物濃度（mg/L）；為擴散系數（m2/s）；為污染物綜合降解系數（1 d-1）；為時間（s）；為橫坐標（m）。

模型構建步驟如下：1）邊界條件和污染源概化。模型的上邊界位置為招蘇臺河干流和支流條子河進入昌圖縣時的省界斷面，分別為張家橋斷面和東義和屯斷面，上邊界條件為省界斷面的逐日流量和逐月水質實測數據。模型的下邊界位置為招蘇臺河入遼河干流斷面，下邊界條件為斷面處的逐日實測水位數據。根據招蘇臺河昌圖縣境內的入河排污口和支流等污染負荷數據，將污染負荷概化為6個入河位置，這些位置的邊界條件為實測流量和水質數據。

2）水質模擬指標選取。水功能區水質雙因子考核時的水質指標為COD和NH3-N，因此選取COD和NH3-N作為水質模型模擬指標。

3）模型參數率定驗證。根據實測數據情況，選取2017年1—6月作為模型率定期，7—12月作為模型驗證期。需率定驗證的參數主要有河道糙率和污染物綜合降解系數。率定驗證的斷面為各個水功能區控制斷面，即老曲家店、七家子、大四家子、林家、陳家屯。通過對比河道水位的模擬值和實測值，最終確定河道主槽的糙率為0.027，河道灘地的糙率為0.018。根據控制斷面水質實測質量濃度和模擬質量濃度對比情況，最終確定COD和NH3-N的綜合降解系數分別為0.17 d-1和0.13 d-1。

各控制斷面在模型率定驗證期內COD、NH3-N模擬值與實測值對比情況見圖2和圖3。各個斷面的COD模擬相對誤差為8%～16%，NH3-N模擬相對誤差為9%～18%。由此可見，招蘇臺河水質數學模型的COD、NH3-N模擬值與實測值擬合良好，模型準確反映了COD和NH3-N在河流中的遷移轉化過程。

圖3 各控制斷面NH3-N質量濃度模擬值與實測值對比

2.2 水質達標率計算

1）上游入境來水的超標水質質量濃度。招蘇臺河入境省界斷面張家橋、支流條子河入境省界斷面東義和屯的水質目標均為Ⅳ類，取Ⅳ類水質的上限值作為水質目標質量濃度（COD為30 mg/L，NH3-N為1.5 mg/L）。根據式（1）計算2017年上游入境來水的超標水質質量濃度，結果見圖4和圖5。由圖4可知，條子河的東義和屯斷面NH3-N濃度全年12個月均超標，COD質量濃度大部分月份也存在超標；招蘇臺河干流的張家橋斷面COD和NH3-N分別有4個月和6個月超標。招蘇臺河干流和條子河入境水質均存在超標現象，其中條子河NH3-N超標現象最為嚴重。

圖4 上游入境來水的COD超標水質質量濃度

圖5 上游入境來水的NH3-N超標水質質量濃度

2）上游超標水質產生的質量濃度和扣除上游影響后的水質質量濃度。采用構建的招蘇臺河水質數學模型，以圖5和圖6中的上游超標水質質量濃度為模型上邊界質量濃度，并且假定下游污染負荷為0，模擬計算上游超標水質質量濃度在下游水功能區控制斷面產生的質量濃度，然后按照式（2）計算扣除上游超標水質影響后的下游水功能區控制斷面質量濃度。以1月為例，結果見表2。

表2 招蘇臺河2017年1月各控制斷面水質

3）水功能區水質達標率。按照式（3）計算得到2017年招蘇臺河吉遼緩沖區、招蘇臺河黑崗農業用水區、招蘇臺河黃酒館農業用水區、條子河吉遼緩沖區和條子河林家農業用水區的水質達標率分別為100.0%、33.3%、33.3%、100.0%、91.7%。若采用常規計算方法，則水質達標率分別為50.0%、33.3%、33.3%、0.0%、8.3%。

與常規計算方法相比，論文提出的計算方法得到的招蘇臺河吉遼緩沖區、條子河吉遼緩沖區、條子河林家農業用水區的達標率有所提高，見表3。其中，條子河吉遼緩沖區受上游入境來水影響嚴重，每月實測水質質量濃度均超標，若采用常規計算方法則達標率為0.0%；若采用論文提出的計算方法，扣除上游入境來水后的每月水質質量濃度均達標，水質達標率達到100%。

表3 不同計算方法下的招蘇臺河2017年水功能區水質達標率對比

3 討論

為提高污染治理成效，跨界河流協同治污越來越受到重視[21-22]。跨界河流水功能區水質達標率是當前跨界河流水功能區監督管理的關鍵考核指標，其計算方法直接影響上下游行政區域水污染責任劃分，是跨界河流協同治污的重要支撐技術。如何定量化計算上游超標水質在下游控制斷面引起的水質質量濃度是合理計算跨界河流水功能區水質達標率的關鍵。上游超標水質隨著水流輸移到下游控制斷面，要經過復雜的對流擴散、生化降解等遷移轉化過程，傳統的水質解析解公式無法準確刻畫該過程。水質數學模型作為模擬水質遷移轉化的定量化手段，近年來在水環境治理領域越來越受到重視[23-24]。本文以水質數學模型為基礎，提出了可剔除上游超標水質影響的水功能區水質達標率計算方法。構建準確可靠的水質數學模型是該方法的重點，其他跨界河流在應用該方法時應重點關注污染物綜合降解系數和河道糙率等模型關鍵參數的率定和驗證。

通過對比本文計算方法和常規計算方法得到的水功能區水質達標評價結果，發現當上游來水不超標時，兩種計算方法得到的達標評價結果一致；當上游來水超標時，則達標評價結果可能從常規計算方法的不達標變為達標。本文計算方法得到的水功能區水質達標率往往要高于常規計算方法，其彌補了常規計算方法未扣除上游入境來水影響的不足，有利于合理劃分上下游行政區域水污染責任。

未來隨著人們對河湖水環境質量要求的不斷提高，跨界河流水污染聯防聯治、生態補償等亟須深入研究，如何以跨界河流水功能區水質達標率計算方法為基礎，定量化認定上下游行政區域水污染責任、合理制定上下游生態補償方案等是未來值得進一步深入研究的方向[25]。

4 結論

1）基于水質數學模型的跨界河流水功能區水質達標率計算方法包括計算上游入境來水的超標水質質量濃度、構建跨界河流水質數學模型、模擬上游超標水質質量濃度在下游水功能區控制斷面產生的質量濃度、計算扣除上游超標水質影響后的下游水功能區控制斷面質量濃度、評價下游水功能區是否達標、計算下游水功能區水質達標率等6個關鍵步驟，有效扣除了上游入境超標水質對下游水功能區水質質量濃度的影響。

2）采用論文提出的達標率計算方法，剔除了上游吉林省入境超標水質對下游遼寧省水功能區水質達標率的影響，可為2省關于招蘇臺河開展生態補償、聯防聯治等水資源保護工作提供科學支撐。

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Study on Calculation Method of Water Quality Compliance Rate in Water Function Zone of Transboundary River

ZENG Xianzhong1, HAO Shouning2*

(1. Songbaishan Reservoir Management Office, Guizhou 550025, China;2. Tibet Agriculture and Animal Husbandry University, Nyingchi 860000, China)

The transboundary river involves many administrative regions in the upstream and downstream. The calculation of the water quality compliance rate in the water functional zone is the key and difficult point of the management of the red line of the wastewater receiving in the functional zone of the transboundary river. 【】The water quality compliance rate of the functional zone of transboundary river after deducting the influence of the inflow water from upstream is calculated. 【】The quantitative calculation method of water quality compliance rate in the functional zone of cross-border river is proposed by constructing the water quality mathematical model. The calculation method is verified by taking Zhaosutai River in Liaohe River Basin as a typical case. 【】①The water quality compliance rates of Jiliao buffer zone, Heigang agricultural water zone, Zhaosutai Huangjiuguan agricultural water zone, Tiaozihe Jiliao buffer zone and Tiaozihe Jian agricultural water use zone in 2017 are 100.0%, 33.3%, 33.3%, 100.0% and 91.7% respectively. ②This method effectively deducted the influence of upstream incoming water on the water quality concentration of downstream water function zone, and reasonably calculated the water quality compliance rate of downstream water function zone. ③The results of the calculation of the water quality compliance rate in the water functional zone are higher than that of the conventional calculation method. 【】The calculation method is more reasonable than the conventional calculation method, which can provide scientific support for the management and protection of the functional zone of cross-border river flow.

water function zone; water quality compliance rate; transboundary river; water quality model

X522

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021165

1672 – 3317（2021）08 - 0099 - 07

曾憲忠, 郝守寧. 跨界河流水功能區水質達標率計算方法研究[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(8): 99-105.

ZENG Xianzhong, HAO Shouning. Study on Calculation Method of Water Quality Compliance Rate in Water Function Area Zone of Transboundary River[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(8): 99-105.

2021-04-20

西藏自治區自然科學基金項目（XZ202001ZR0021G）

曾憲忠（1976-），男。工程師，研究方向為流域水資源管理與保護研究。E-mail: 378486561@qq.com

郝守寧（1986-），男。講師，研究方向為流域水資源管理與保護研究。E-mail: 645427848@qq.com

責任編輯：趙宇龍