負荷歷時曲線法在漢江中下游污染控制中的應用研究

趙 晨，陳燕飛，董玉茹，孫詠曦

(1.油氣地球化學與環境湖北省重點實驗室(長江大學資源與環境學院)，湖北 武漢 430100；2.湖北省宜昌市水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443003)

中國自“九五”開始實施污染物總量控制政策,并相繼在海河、淮河、遼河等流域開展實際應用[1]，環境容量的計算方法有很多，比如建立水動力模型[2]，建立流域負荷模型等[3]，但這些方法存在一些不足之處，如這些方法多以特定水文條件作為限制條件進行環境容量計算，不能很好地反映出水環境容量在實際中的變化規律[4]，同時由于各種模型的相關參數值不確定性很大，導致模擬結果偏差較大[5]，因而不能結合季節特點等情況做出最適合的污染物防治措施。為了得到較為科學準確的污染物負荷量來指導相應的政策制定，在污染物總量控制的規劃中使用負荷歷時曲線的方法[6]。

基于長序列的流量歷時曲線(Flow Duration Curve，以下簡稱FDC)、負荷歷時曲線(Load Duration Curve，以下簡稱LDC)法以流量資料與水質為基礎，建立流量頻率與水質負荷容量之間的關系。負荷歷時曲線法最早是由Searcy在1959年提出，其對數據需求量小且操作簡便，一直應用于美國最大日負荷總量(TMDL)計劃制定中[7]。陶子夜[8]將LDC法應用于通順河武漢段流域TMDL計劃制定中，使得水質資料匱乏或水質與水文不同步的流域也能準確計算TMDL；王生愿等[9]將LDC法運用到梁子湖流域容量總量控制中，分析了梁子湖流域的最大日負荷變化規律，隨著計算機發展，部分研究者把LDC法與計算機模型相結并應用于流域治理當中，例如嵇靈燁等[10-12]將LDC法與WASP模型相結合應用于東苕溪流域總量控制中，以氨氮為控制指標，分析了流域內納污能力的時空變化規律，Kim等[13]將LDC系統與谷歌地圖相連接，以便實現監測數據的可視化。

從水體環境的長遠角度以及湖北省生態環境廳的要求，為了達到地表水水質達標以及河流的健康可持續發展，本文將按照皇莊、仙桃斷面Ⅱ類水質標準的要求處理。計算繪制FDC、LDC，分析污染物最大負荷的月度變化和污染物特征，繪制流量歷時曲線和現狀污染物散點圖。分析污染物超標成因及提出相應防治意見。

1 研究區域概況

漢江是中國重要的優質水源地和湖北省重要的水資源主體之一，全長1 570 km，漢江中下游自丹江口至武漢長約652 km，其中丹江口至鐘祥為中游，河谷較寬，沙灘多，長約270 km；鐘祥至漢口為下游，長約382 km，流經江漢平原，河道婉蜒曲折逐步縮小，在武漢市漢口龍王廟匯入長江。本次研究范圍為皇莊到仙桃段，研究區域范圍見圖1。

圖1 研究區域范圍及斷面位置

漢江中下游區域降水主要來源于東南和西南兩股暖濕氣流。區域多年平均連續最大4個月徑流占全年徑流的60%～65%，出現時間由東向西推遲。大致在襄陽以下為4—7月或5—8月，襄陽以上為7—10月。汛期徑流占年徑流的72%～77%，徑流的集中程度略次于降水。年徑流變差系數Cv在0.3～0.6，其分布趨勢由西向東遞增。

漢江上游丹江口水庫自2014年以來，每年需向河南、河北、北京及天津四省市調水90多億m3，遠期將增至130億m3，引江濟渭工程將從漢江上游調水15億m3至陜西渭河，多個調水工程的建立和運轉減少了下泄流量，降低了水位，改變了漢江干流的水文氣象條件，增加了水體污染加重的可能性。為了保持現有水質的良好態勢以及充分利用水資源，需要有一個較為精確的污染負荷量的研究。

2 研究方法

流量歷時曲線(FDC)，將收集或推算的流量值從大到小排列，同時計算大于某一流量值的頻率，根據流量值與頻率構成得曲線，計算公式如下：

Pf=m/n

(1)

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

負荷歷時曲線(LDC)，將FDC中的某個流量數值與某項水質指標的環境目標值相乘，得到的結果與該流量數值對應的頻率構成的曲線，計算公式如下：

L=QCK

(2)

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

為了更好地反映斷面的水文特征，把流量資料分為5個流量歷時區(FDI)，即高流量區(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%)[14]。

污染物現狀負荷和最大負荷估算。利用水質監測數據及其對應的流量數據，可算出相應的現狀負荷值，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，且現狀負荷為平均濃度0.9倍的計算值。具體計算如下:

(3)

(4)

最大負荷為不同FDI中點所對應的LDC值。

3 數據來源

流量、水質資料由相應地區水文站點提供，皇莊、仙桃斷面要求為Ⅱ類水質標準，根據GB 3838—2002《生活飲用水衛生規范》對應的CODMn為4 mg/L；總磷濃度為0.1 mg/L；氨氮濃度為0.5 mg/L。流量數據由區域內水文站獲取。通過使用Origin繪制箱型圖，Excel繪制曲線圖、散點圖，分析污染物最大負荷月度變化及特征。

4 結果與分析

4.1 流量歷時曲線

結合實際情況，本文將按照美國環保局推薦的流量歷時區域(FDI)劃分方法進行設計，即高流量區(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%)，并用式(1)進行計算，繪制FDC見圖2。

圖2 皇莊、仙桃流量歷時曲線

4.2 污染物最大負荷量月度變化特征

漢江中下游區域流量的月度變化差異較大，應針對不同月份，制定不同的控制目標，本文將對2個監測點按不同月份計算其最大負荷量，其污染物最大負荷量的箱線圖見圖3。

由圖3知，3個監測點都隨月度的改變發生同樣的變化，即汛期的最大負荷量高于非汛期的值，月度差異較為顯著，尤其是在7、8、9月份，皇莊的CODMn最大負荷處于1 500 t/d左右，仙桃CODMn最大負荷處于1 250 t/d左右，高于其他月份約3倍，兩地的NH3-N和TP也有同樣規律在實際河流管理中，制定不同月份不同降水條件下的水質管理辦法，可為相關管理部門適時作出符合時期特點的水質達標調整方案。

圖3 皇莊和仙桃污染物最大負荷量月度分布

4.3 水體污染物特征分析

根據對應的流量歷時曲線(FDC)，按照式(2)計算繪制負荷歷時曲線(LDC)，并把現狀負荷點繪于LDC，見圖4、5。

圖4 皇莊污染物負荷歷時曲線和現狀負荷散點

圖5 仙桃污染物負荷歷時曲線和現狀負荷散點

續圖5 仙桃污染物負荷歷時曲線和現狀負荷散點

以LDC為界，位于LDC以上側的點，表明現狀負荷超出允許負荷(最大負荷)需要削減;位于LDC以下的點，表明現狀負荷在允許負荷范圍內暫時不用采取削減措施。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，曲線左端小于10%保證率和右端大于99%保證率的部分反映的是洪水或干旱期時極端水文情況,對于這2種極端情況下,難以通過規劃對流域污染負荷進行可行的控制和管理。對于污染是來自于點源還是非點源，在時間保證率85%～99%區間內,影響水質的主要是點源負荷;在保證率10%～70%主要反映非點源負荷的貢獻[15]。

根據圖4、5可知2006—2020年，皇莊及仙桃斷面CODMn的實際日負荷量基本在日最大允許負荷量之下。其中，皇莊和仙桃斷面分別有2、6個實測點在LDC曲線上方，超標占比分別為1.28%、3.77%。皇莊及仙桃斷面NH3-N的實際日負荷量接近日最大允許負荷。部分實測值甚至超過了當日最大污染負荷，其中以仙桃斷面超標數量最多，占總實測個數的5.66%。皇莊斷面TP的實際日負荷量基本在日最大允許負荷量之下，分別有2、10個實測點在LDC曲線上方，超標占比分別為1.34%、7.87%。仙桃斷面TP日最大負荷超標較多，占實測總數的47.13%。

4.4 污染物的負荷估算

應用式(3)、(4)計算不同FDI污染物現狀負荷，并以FDI分別為5%、25%、50%、75%和95%所對應的LDC值計算最大負荷，獲得不同FDI下CODMn、氨氮和總磷的現狀負荷和最大負荷。在每個FDI的現狀負荷和最大負荷確定后，就能確定不同FDI污染物的剩余負荷，剩余負荷為正表示符合水質要求不需要削減，剩余負荷為負表示需要削減，為科學控制污染物的總量提供技術支持。

由表1可知，在地表水Ⅱ類水質標準的要求下，不同FDI下的皇莊CODMn、氨氮和總磷三者的現狀負荷均小于最大負荷，不需要采取削減措施。但在枯水區和低流量區剩余負荷較少，需引起排污部門的重視。在地表水Ⅱ類水質標準的要求下，不同FDI下的仙桃CODMn和氨氮的現狀負荷均小于最大負荷，不需要采取削減措施；而總磷指標在高流量區和低流量區現狀負荷超過了最大負荷，需要削減，其削減量分別為6.05、0.09 t/d，但豐水區，中流量區和枯水區的FDI中剩余負荷接近于0。從仙桃總磷負荷歷時曲線和現狀負荷散點圖中可以看出，總磷在5個FDI區域內均有較為嚴重的超標，結合計算結果可以得出，在該河段的排污企業廣泛存在偷排，違規排放的現象，政府部門在制定削減方案的同時，應該加強對排污企業的監管，盡量防止違規排放。

表1 皇莊和仙桃CODMn、氨氮和總磷污染負荷

對于仙桃總磷負荷在低流量區超標的原因，一方面是流量低導致最大污染負荷降低，使得排放污染物后更容易超過最大污染負荷，另一方面低流量區通常處于冬春季，氣溫相對較低，導致水體中微生物活性下降，分解污染物能力降低，從而導致污染負荷超標。對于高流量區，水位、流量的上漲讓最大負荷增加，同時也允許排放更多污染物，有些排水管道受水位上升的影響處于較深位置，不易察覺，方便了企業進行偷排漏排的行為。從而導致污染負荷超標。爭對不同流量區間應制定不同對策，如在高流量區加強企業排放監管等，在低流量區時段，可以優化污水處理工藝，增加出水除磷效率等方法。

5 結論與建議

a)相應地表水水質規定的的條件下，皇莊斷面CODMn、氨氮和總磷指標均符合要求，且剩余負荷較大，無需進行削減措施。仙桃斷面CODMn和氨氮負荷不需要削減，總磷負荷超標嚴重，盡管計算結果顯示，只需要在高流量和低流量區域進行削減，其削減量分別為6.05、0.09 t/d。還要加強政府監管，加大偷排污水和違規排放的企業部門的懲罰力度，并針對剩余負荷存量很小的區域，制定適當的削減方案。

b)本文結合湖北省生態環境廳的要求，應用負荷歷時曲線法分析河流水質變化和污染負荷的相關關系，以及出現污染物超標現象的可能原因，提出防治措施，能為有關部門決策提供技術支撐。本文存在一些不足，未考慮相關區域內人口經濟發展的變化趨勢等方面，在以后的研究中還需進一步探討。