動態水環境容量研究
——以瀟河流域為例

張秀菊，王寶斌，徐小溪，李秀平，王靈生

（1.河海大學，南京210098；2.晉中市水利局，山西晉中030600）

0 引言

水環境容量即水體在符合水質規定級別下單位時間內所能容納的污染物總量，是不影響水體正常功能時的最大納污能力，也是環境部門用于確定某特定水域允許排入污染物的依據［1］。水環境容量計算量化了水域污染最大排放量，是經濟發展與水質保護的紐帶［2］，故成為相關部門制定水環境管理目標的基本依據，也是污染物總量控制的關鍵參數［3，4］，其大小與河道水文條件、目標水質、入河污染物有關［5］。現行的水環境容量計算方法通常以90%保證率下的設計枯水流量為計算條件［6］，采用一維或二維水質模型計算，其計算結果為某唯一數值，在管理控制上體現為河段年污染物排放量不超此計算結果。此種計算方法無法客觀反映河段水環境容量隨水文條件（如流量、流速等）而變化的規律，導致水環境管理中存在管控指標與污染實際不相符、管理工作不精細等問題。因此，現行水環境容量核算方法存在對水環境變化與水文過程變化內在聯系機理剖析不足，對水文過程動態變化考慮不全的問題。

隨著對水環境容量研究的不斷深入，國內外學者積極嘗試探索動態水環境容量的計算方法，近年來先后提出了線性規劃模型［7］、QUAL2K模型［8］、非均勻分布系數法［9］、水量水質模型模擬水體污染擴散場等方法［10，11］。Deng等［7］在建立水質與污染物響應方程的基礎上，利用線性規劃方法計算了長江口及近海區域CODMn和氨氮的水環境容量，由于考慮的約束條件有限，常出現與實際情況不吻合或不可行等問題。楊玉麟等［12］基于SMS水質模型以蘑菇湖水庫為例進行水質模擬并計算水環境容量，針對性地提出了改善水庫水質的污染控制方案。王衛平等［13］基于QUAL2K 模型，采用模型試錯法計算了九龍江北溪和西溪在年內不同時期來水條件下不同河段的水環境容量，制定水污染物總量控制方案。李喬臻等［14］以邕江河段為例建立水環境容量數學模型，分析水環境容量與流量呈正相關、與上游來水中污染物濃度呈負相關，并提出保證水體功能前提下污染物排放總量的控制方案。張劍等［15］以渾太河流域為例對水環境容量進行分期設計，反映其在不同時段的動態變化，但水環境容量計算過程中沒有深入考慮背景濃度以及面源分配，降低了計算結果的精度。杜慧玲等［16］采用二維岸邊排放水質模型，指出松花江干流哈爾濱段水環境容量在時間和空間尺度上分布不均勻。熊鴻斌等［17］以引江濟淮渦河段為例，采用基于水動力水質模型的稀釋比法計算了動態水環境容量。

目前，我國學者廣泛使用MIKE11 進行水動力與水質耦合模擬［18，19］，而動態水環境容量是水文要素與水質時空變化過程的耦合結果，故本研究計算確定瀟河不同水功能區的逐月動態水環境容量，運用MIKE11 模型構建晉中市瀟河松塔水文站至瀟河大壩的水動力-水質模型，計算滿足水質目標的逐月入河污染動態控制方案，以期為流域水環境保護與管理提供新的思路與方法。

1 研究區域概況

本文研究對象為瀟河流域晉中段，綜合考慮流域中水文測站位置及計算邊界確定等因素，研究河段為松塔水文站至瀟河大壩。河段長59.5 km，在松塔鎮里思村附近有木瓜河匯入，蘆家莊村附近有白馬河匯入，下至南合流村北附近有涂河匯入。將研究河段劃分為兩個水功能區，其位置見圖1，上游瀟河壽陽飲用農業用水區（文中稱水功能區A）自松塔水庫至趙金莊，目標水質為Ⅲ類；下游瀟河壽陽榆次農業用水區（文中稱水功能區B）自趙金莊至東趙水質斷面，目標水質為Ⅳ類，具體見表1。瀟河流域松曲河段附近水質類別（年均值）為Ⅱ類，總體水質優良。但部分河段，例如白馬河與瀟河干流交匯點附近河段單因子水質評價結果為Ⅳ或Ⅴ類，部分月份水質較差，東趙河段處的水質評價（年均值）結果為Ⅲ類，采用單因子評價法時，其1、2月份水質分別為Ⅴ類和劣Ⅴ類。超標因子主要為COD 及氨氮。因此，有必要研究水環境容量在年內各月的變化，以期為水環境保護及污染物控制提供依據。

圖1 研究區域概化圖Fig.1 Generalized map of the study area

表1 瀟河各計算區域的現狀水質及目標水質情況表Tab.1 Current water quality and target water quality of the water function zone

2 研究原理與方法

2.1 一維水質模型

傳統一維水質模型以確定的設計流量、設計流速、綜合衰減系數進行計算，通過頻率適線法選取90%頻率對應的月平均流量作為設計流量，根據控制斷面的實測流量和面積計算設計流速。

水體具有自凈作用，在無入河污染物的情況下，河道中污染物濃度隨距離而不斷衰減，其計算見公式（1），其對應的水環境容量計算見公式（2）。

式中：C1為水功能區上斷面河道水體的污染物濃度，mg/L；C2為距離上邊界L距離（正向）的水體污染物濃度，mg/L；L為沿河道的縱向距離，m；u為設計流量下河道斷面的平均流速，m/s；K為該污染物綜合衰減系數，1/d；Wi為水功能區水環境容量，t；Q為水功能區設計枯水流量，m3/s；q為水功能區中入河污水量，m3/s；Cs為水功能區水質目標，mg/L。

水功能區中的河道流量、污水排放量、水體濃度等水文水質條件是隨季節、隨空間位置而變化的，故而水環境容量亦應是隨外部條件變化，逐月各不相同，例如汛期河道水量多、水位高，當月水環境容量通常會高于枯季。一維水質模型計算的水環境容量為對應于90%設計枯水流量下的固定數值，其計算結果與實際污染情況不符，導致管控指標“不細致”、污染管控“不靈活”。在水環境保護與經濟發展存在競爭的情況下，管理部門可以根據其實際情況計算逐月的動態水環境容量，依據河道水質實際對污水排放控制進行靈活管理［20］。

2.2 動態水環境容量

水體污染物的演變及運移與水文過程密切相關。河道流量、流速等水文條件在年內各月均有不同，同時，水功能區中不同位置的點源輸入、時段降雨帶入的面源污染負荷都具有空間變化特性［21］，導致水環境容量在時間與空間上呈現動態性變化。因此，在動態水環境容量計算中，（2）式中的河道流量、入河污水量、水質斷面污染物濃度等均應取動態數值。

在式（1）中，綜合衰減系數K可依據下式進行計算。

式中：K為污染物綜合衰減系數，1/d；C1為河段上斷面水體污染物濃度，mg/L；C2為河段下斷面水體污染物濃度，mg/L；L為河段計算河長，km；u為河段平均流速，km/d。

根據式（3），綜合衰減系數K是河道水文要素及水體本底濃度的函數，隨河道流量、污染物濃度而變化。在河道流速變化不大的情況下，可將其視為一常數。

水環境容量計算時需考慮入河污水與河道水體的混合稀釋作用，其混合濃度為：

式中：Q為水功能區上邊界來水流量，m3/s；q為水功能區的污水排放量，m3/s；C1為水功能區上斷面水體中污染物的濃度，mg/L；CS為水功能區污染物水質目標濃度，mg/L；Cw為入河污水中污染物的濃度，mg/L；Wi為水功能區水環境容量，t。

動態水環境容量Wi公式可由（2）和（4）推導出：

式中：C2、Q2為計算區域下斷面實測的污染物濃度和河道流量。計算時，以目標水質的上、下限濃度計算對應的動態水環境容量。

2.3 入河污染物動態管控

依據水環境容量動態計算公式，部分月份，例如非汛期，由于河道流量小，水動力條件缺乏，污染物的稀釋擴散緩慢、自凈能力弱，計算得到的水環境容量會比較小甚至可能為負值，河道水質劣于水功能區水質目標，須對時段入河污染物進行控制［22］。入河污染物控制包括總量及排放強度兩個方面［23］，具體包括對面源、點源及其入河位置等時空分布進行管控，以期使逐月的河段水質滿足目標要求。

確定入河污染負荷允許值可以采用試算方法。由于研究范圍內面源入河量及沿程分布系根據MIKE11 模型計算，不易調控，故試算時假設面源不變，僅對沿程的點源進行調整。具體如下。①根據河道當月平均流量、現狀污染物入河量、水體本底濃度等模擬計算下斷面水體的污染物濃度；②若下斷面水體的污染物濃度大于目標水質對應的濃度，逐步減少入河污染負荷，并重新計算下斷面水體的污染物濃度，直至下斷面濃度達到或低于目標水質濃度，此時對應的污染負荷量即為滿足水功能區水質目標條件下的允許的最大入河負荷量；③若①計算的下斷面水體污染物濃度小于目標濃度，則逐步增加入河污染負荷，得到滿足水功能區水質目標條件下的允許排放負荷。其計算流程見圖2。

圖2 允許入河污染負荷量試算過程Fig.2 The calculation process of the dynamic pollutant load in the river

根據計算的允許入河負荷及現狀實際入河量，可以得到滿足目標水質的剩余水環境容量或須削減的負荷量。剩余容量或削減量計算公式如下。

式中：qmax、qmin分別為水功能區下斷面水體污染物濃度等于目標水質的濃度上限、下限時模型試算的入河污水量，m3/s；Cw為污水中的污染物濃度，mg/L；本文依據目標水質指標濃度的上限與下限對排入的污染物進行控制，當W余max＜0時，須削減入河污染負荷；當W余min＞0 時，該月有余量，可適當放寬管理，當W余min＜0且W余max＞0時，維持現狀入河污染負荷。

3 計算結果

3.1 MIKE11參數率定與水質模擬

3.1.1 模型構建

MIKE11 模型通過構建水功能區的水動力-水質模型來模擬水量水質的時空變化過程。水動力模塊是MIKE11模型的核心模塊［24］，采用圣維南方程組對河道（明渠）非恒定流進行模擬；水質模塊采用基于質量守恒定律的對流擴散方程對水流中污染物的遷移轉化進行模擬。

MIKE11 模型以沿程斷面的起始距和實測河床高程等為基礎，根據流域水系對河網進行概化。河網上邊界設在松塔水文站處，采用2019年逐月平均流量～時間序列數據；下邊界設在瀟河大壩處，為2019年逐月平均水位～時間序列數據。內部邊界包括沿線的污水量及污染物濃度等數據，由于上斷面松塔水文站處無水質監測資料，距離最近（6 km）的松曲水質斷面與松塔水文站屬于同一個水功能區，且兩斷面間無支流、污水匯入，故上斷面水質資料采用松曲斷面。根據晉中市瀟河流域環保部門統計數據，現狀年研究河段排入工業污水量約1 228.08 萬t，其中COD 237.2 t、氨氮11.56 t。沿線有5 個生活污水排放口，位置分布具體見圖1，2019年生活污水排放情況見表2。農業面源污染主要是由于施用化肥農藥、畜禽養殖等造成的［25，26］，由于缺少詳細資料，本文根據MIKE11 的NAM 模塊進行率定，經計算，本河段隨降雨徑流攜帶的面源污染負荷為COD 630.74 t和氨氮145.91 t。

表2 2019瀟河沿線生活污水排放情況Tab.2 Domestic sewage discharge along the Xiaohe River in 2019

3.1.2 參數率定及水質模擬結果

以2019年河道逐月平均流量及入河污染負荷為已知條件，利用模型進行河段模擬，并根據實測的水文、水質資料對水動力-水質模型參數進行率定。兩水功能區的水質監測斷面分別為趙金莊、東趙斷面，兩斷面水質模擬結果見圖3 與圖4。河床粗糙度（曼寧系數）、擴散系數、衰減系數等參數率定結果見表3。

表3 水動力-水質耦合模型參數率定Tab.3 Calibration parameter value of water quantity and water quality coupling model

根據圖3、圖4，2019年趙金莊斷面COD、氨氮模擬值與實測值的相對誤差分別為16%和24%；東趙斷面COD、氨氮模擬值與實測值的相對誤差分別為12%和16%；總體誤差均未超25%，模擬結果與實測數據較吻合，總體上模擬效果較好。除個別月份COD、氨氮指標模擬值與實測值偏差較大，大多數月份的模擬值與實測值較為接近，模擬出了水質的實際變化規律，故本模型中率定的參數較為合理，構建的一維水動力水質耦合模型模擬結果可信。

圖3 趙金莊斷面2019年化學需氧量、氨氮模擬值與實測值比較Fig.3 The comparison between the observed and simulated values of COD and NH3-N at Zhaojinzhuang cross section in 2019

圖4 東趙斷面2019年化學需氧量、氨氮模擬值與實測值比較Fig.4 The comparison between the observed and simulated values of COD and NH3-N at Dongzhao cross section in 2019

3.2 動態水環境容量結果

根據2019年逐月流量與現狀水質資料，采用公式（5）計算兩水功能區滿足水質目標的動態水環境容量及水環境容量閾值區間。水功能區A 的COD、氨氮目標水質濃度區間分別為（15，20］mg/L 和（0.5，1］mg/L；水功能區B 的COD、氨氮目標水質濃度區間分別為（20，30］mg/L 和（1，1.5］mg/L，計算結果見表4、5。

表4 2019年水功能區A逐月水環境容量Tab.4 Monthly dynamic water environment capacity of water function area A in 2019

根據表4、5和圖5的計算結果：

圖5 研究河段水功能區2019年水環境容量區間計算結果Fig.5 Calculation results of the water environment capacity interval of different water function zones in the study area in 2019

（1）總體上說，水功能區B 的COD 及氨氮指標的水環境容量均大于水功能區A的容量，其主要原因為，水功能區A的河段長度為12.4 km，小于水功能區B的河段長度（21 km），且水功能區A的水質目標為Ⅲ類，較水功能區B的目標水質嚴格，故水功能區B的水環境容量大于水功能區A的容量。

表5 2019年水功能區B逐月水環境容量 tTab.5 Monthly dynamic water environment capacity of water function area B in 2019

（2）水功能區A 在7-10月的水環境容量略大，占全年容量的一半以上；水功能區B 在5-8月份的水環境容量小于其他月份。其主要原因為，水功能區A 河段沿程入河污染負荷較少，且無支流匯入，水質類別基本處于Ⅱ類，故汛期來水多時水環境容量相應增加。水功能區B 中沿程的污染源排放較多，尤其是汛期時在白馬河與瀟河干流交匯點處匯入大量污水，導致水功能區B汛期水環境容量減小，水質變差。

（3）按照目標水質濃度上限計算，水功能區A 的逐月COD及氨氮指標水環境容量均為正值；按照目標水質濃度下限計算，在11月份COD 水環境容量結果為負值。因此，需要嚴格控制11月份的入河污染負荷，不應超過現狀負荷。其余月份還有剩余容量，除現狀入河污水外，還有一定的承納負荷能力。水功能區B 中COD 按上限、下限濃度計算，各月均有一定的余量；水功能區B 在1月份、2月份時氨氮指標的上、下限計算結果均小于零，說明該月現狀氨氮入河量超過目標水質承載能力，須削減氨氮入河量以滿足水功能區水質目標要求，其他月份氨氮的上、下限計算結果均大于零，表明還余有一定的納污能力。

3.3 入河污染動態管控

綜合考慮水環境保護與經濟發展兩方面的需求，需要對入河污染負荷量進行動態管控。以河道目標水質的濃度作為控制，假設現狀面源入河量不變的情況下，僅對點源進行調控，利用MIKE11 水質模型模擬試算出允許的點源污染負荷量，結合現狀生活污水實際排放量及目標水質指標的上、下限濃度，計算得到逐月地削減/放寬污染負荷。不同水功能區的入河污染動態管控量的試算結果見表6、7。

依據表6、7的計算結果，得到：

表6 2019年水功能區A入河動態管控結果Tab.6 Dynamic management and control of pollutants entering water function zone A in 2019

（1）除11月份外，水功能區A 逐月允許的入河污染負荷均大于現狀實際入河量，因此，該水功能區11月份應控制管理，排污量不應超過當前實際入河量。在其他月份，尤其是汛期，除現狀入河負荷外，河段水體還有一定的承納入河污染負荷的余量。

表7 2019年水功能區B入河動態管控結果Tab.7 Dynamic management and control of pollutants entering water function zone B in 2019

（2）水功能區B 在1、2月份須減少0.002、0.006 m3/s 的污水入河流量，削減氨氮入河負荷0.003、0.086 t，削減COD入河負荷0.05、0.143 t。其他月份河段仍有一定的環境余量，尤其是4-7月份，在滿足目標水質的前提下可允許適當放寬入河污染負荷量。

4 結論及討論

本文以瀟河流域松塔水文站至瀟河大壩河段為例，計算了兩水功能區逐月的水環境容量動態變化，運用MIKE11 水質模型試算得到了滿足目標水質的入河污染物動態管控量。研究表明：

（1）2019年水功能區A 汛期的水環境容量略大于其他月份，其COD 和氨氮水環境容量閾值區間分別為138.37～216.54和6.38～14.19 t；水功能區B在5-8月份的水環境容量小于其他月份，其COD 和氨氮水環境容量閾值區間分別為417.67～821.05 和9.32～29.49 t，與傳統一維模型相比，本文計算結果更符合水體實際。

（2）在滿足水功能區目標水質前提下，2019年水功能區A逐月允許的入河污染負荷均大于現狀實際入河量，COD 和氨氮可放寬負荷總量分別為51.39、8.22 t，其中11月應加強污水管控，控制入河負荷量不超現狀；水功能區B 在1、2月氨氮應分別削減0.003、0.086 t，COD 應削減0.05、0.143 t，其他月份，尤其是4-7月份，在滿足目標水質的前提下可允許適當放寬入河污染負荷量。

（3）水功能區的入河污染有多個來源，既包括了水體自身攜帶的污染物，亦有河段范圍內各排污口的點源與農業面源污染。各類污染源的排放位置、排放強度及總量、入河時間等均會影響下游控制斷面的實測濃度。因此，在計算水功能區允許入河污染量及測算減排量時，應結合實際情況，考慮面源污染控制［26］及點源減排不同組合方案下的水體水質變化，提出切實可行的管控措施。由于本文采用MIKE11模型模擬計算得到水功能區的面源入河污染，且缺少水功能區沿線的農業種植、化肥使用、畜禽養殖等詳細資料，故在試算入河污染負荷量時，將面源污染固定不變，未有考慮對其在時間與空間進行調整。同時，在對排污口入河污染進行管控時，忽略了其空間分布及排污量對水環境容量的影響，在污染減排管控時，僅對其減排總量進行了計算。因此，在今后的研究中，應在污染源的空間管控、減排方案組合等方面進行深入研究。□