渾太河流域分期水環(huán)境容量計(jì)算

張運(yùn)保，張劍，姜尚，付意成

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北保定

071000；3.山東省淮河流域水利管理局，山東濟(jì)南250000；4.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

渾太河流域分期水環(huán)境容量計(jì)算

張運(yùn)保1，張劍2，姜尚3，付意成4

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北保定

071000；3.山東省淮河流域水利管理局，山東濟(jì)南250000；4.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

在現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上，針對(duì)設(shè)計(jì)水文條件，通過設(shè)計(jì)參數(shù)和模型概化，以COD和氨氮作為控制指標(biāo)，對(duì)渾太河流域內(nèi)河流采用一維水質(zhì)模型、湖庫(kù)采用均勻混合模型進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算。在確定流域典型污染物分期、分區(qū)參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合水環(huán)境容量包線特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)確定計(jì)算單元水環(huán)境容量。

水環(huán)境容量；分期；水文條件；渾太河

1 引言

水環(huán)境容量指在滿足水環(huán)境目標(biāo)時(shí)，水體所能容納的最大污染物。水環(huán)境容量作為一個(gè)理論值，在現(xiàn)實(shí)條件下難以達(dá)到。目前，水環(huán)境容量的計(jì)算方法主要包括確定性和非確定性方法兩類，確定性方法以機(jī)理性水質(zhì)模擬模型和物理驗(yàn)證為主要手段，研究方法主要包括模型試錯(cuò)法、數(shù)值解析法、模擬優(yōu)化法。非確定性方法主要通過引入限制性條件因素，定量計(jì)算安全系數(shù)及控制風(fēng)險(xiǎn)等指標(biāo)，結(jié)果可靠性高。

確定性方法通常以概念性水質(zhì)模型為基礎(chǔ)，借助模型試錯(cuò)法、解析公式法、模擬優(yōu)化法等優(yōu)化方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和驗(yàn)證，將不確定性因素作為約束條件進(jìn)行限制，計(jì)算結(jié)果以定值形式給出。模型試錯(cuò)法借助動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型試算，計(jì)算精度雖高，但計(jì)算過程耗時(shí)冗長(zhǎng)，計(jì)算效率不高。解析公式法以穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用廣泛，但不足以計(jì)算動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量。優(yōu)化模擬方法方法靈活，在提高效率和精度方面優(yōu)勢(shì)明顯。不確定性方法著眼從不確定性層面分析和計(jì)算置信區(qū)間內(nèi)（可信水平）的水環(huán)境容量，通常采用隨機(jī)微分方程模型法、水質(zhì)隨機(jī)過程法、灰色理論將不確定過程顯式化。隨著盲數(shù)理論和三角模糊技術(shù)的引入，水環(huán)境容量計(jì)算的思路和方法有所拓展，但由于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取與變量參數(shù)求解過程復(fù)雜，難以大規(guī)模的應(yīng)用鋪開。

水環(huán)境容量作為水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)管理的基本依據(jù)，是進(jìn)行水資源保護(hù)規(guī)劃、水污染物總量排放控制的基礎(chǔ)。單一設(shè)計(jì)水文條件下的水環(huán)境容量難以反映由于季節(jié)變化引起的時(shí)間動(dòng)態(tài)特性。利用合適尺度的水質(zhì)模型，借助設(shè)計(jì)水文條件的動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算。動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量結(jié)合多種設(shè)計(jì)水文條件，設(shè)計(jì)相應(yīng)水文參數(shù)，利用水質(zhì)模擬模型和水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)要求，分時(shí)段計(jì)算水環(huán)境容量，以反映水環(huán)境容量在不同水期的動(dòng)態(tài)變化。

2 計(jì)算方法

結(jié)合動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)水文條件，在確定流域典型污染物分期、分區(qū)參數(shù)的基礎(chǔ)上，借助解析公式法和優(yōu)化模擬算法，考慮到渾太河流域水文和水力學(xué)特征，針對(duì)不同排污口現(xiàn)狀采取不同的計(jì)算方法確定水環(huán)境容量。

2.1 定點(diǎn)水環(huán)境容量計(jì)算

借助水量水質(zhì)模型，模擬計(jì)算河道中污染物的時(shí)空分布及功能區(qū)控制斷面污染物濃度，利用一維水環(huán)境容量模型進(jìn)行分期設(shè)計(jì)水文條件下的水環(huán)境容量計(jì)算：

式中：M為水功能區(qū)水環(huán)境容量，kg/d；α為稀釋流量比，α＝Q/（Q+q），Q為上游斷面設(shè)計(jì)流量，m3/s；q為區(qū)間旁側(cè)入流量，m3/s；Cs為功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，mg/L；Cc為模擬計(jì)算得到的功能區(qū)下游斷面水質(zhì)，mg/L。

2.2 不定點(diǎn)水環(huán)境容量計(jì)算

針對(duì)渾河流域水污染嚴(yán)重、水質(zhì)差的現(xiàn)狀，為達(dá)到最嚴(yán)格水資源管理中的水功能區(qū)污染物入河量控制紅線要求，考慮到流域發(fā)展實(shí)際及污水處理水平，將規(guī)劃水平年的水環(huán)境容量在設(shè)計(jì)流量下定為同一值進(jìn)行污染物排放總量控制。為確保水環(huán)境容量的準(zhǔn)確性，以遼寧省水功能區(qū)劃對(duì)河流水環(huán)境容量的總體控制要求為基準(zhǔn)，按照污染物在河段頂端、中間、均勻排放3種情形給出納污能力的穩(wěn)態(tài)解析解。渾河流域水環(huán)境容量具體計(jì)算公式為：

1）頂端排放

3）均勻排放

式中：W為河流的水環(huán)境容量，t/a；Cs、C0分別為目標(biāo)斷面、起始斷面水質(zhì)濃度，mg/L；Q為斷面設(shè)計(jì)流量，m3/s；u為斷面設(shè)計(jì)流速，m/s；K為降解系數(shù)，d-1；l為水功能區(qū)長(zhǎng)度，m。

2.3 分期設(shè)計(jì)水環(huán)境容量

分期設(shè)計(jì)水環(huán)境容量在年度設(shè)計(jì)值的基礎(chǔ)上，乘上每個(gè)水期的時(shí)間占全年時(shí)間的比例得到在某個(gè)水期時(shí)間內(nèi)的水環(huán)境容量，即：

式中：Wp為在某個(gè)水期時(shí)間內(nèi)的水環(huán)境容量，t/a；A為某個(gè)水期所占月份數(shù)；Cs，C0分別為目標(biāo)斷面、起始斷面水質(zhì)濃度，mg/L；Q為水功能區(qū)設(shè)計(jì)流量，m3/s；L為水功能區(qū)長(zhǎng)度，km；X為概化點(diǎn)距

2）中間排放控制斷面的距離，km。

為充分利用水體自凈消減能力，研究中以分水期（封冰期、非封冰期、全年期）設(shè)計(jì)流量外包線為依據(jù)，以三者最大值作為設(shè)計(jì)流量控制線（上控制線）進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算；基于偏安全角度，采用三者最小值作為設(shè)計(jì)流量控制線（下控制線）確定水環(huán)境容量。

2.4 湖庫(kù)水環(huán)境容量計(jì)算

研究區(qū)中水庫(kù)多為大型水庫(kù)，或存水量不大的中小型水庫(kù)，在水力及外界環(huán)境的影響下（入庫(kù)水量和出庫(kù)水量相等），污染物在水體中得到均勻混合，水環(huán)境容量計(jì)算：

式中：W為水體納污能力，g；Cs為水質(zhì)目標(biāo)濃度，mg/L；C0為初始斷面污染物濃度，mg/L；V為水庫(kù)設(shè)計(jì)庫(kù)容，m3。

3 設(shè)計(jì)水文條件

渾太河流域位于遼寧省東部地區(qū)，流域面積2.73萬(wàn)km2，由渾河、太子河、大遼河水系構(gòu)成。渾太河流域行政區(qū)包括撫順市、沈陽(yáng)市、本溪市、遼陽(yáng)市、鞍山市、營(yíng)口市、盤錦市大部分、鐵嶺市一部分以及丹東市的小部分，行政區(qū)面積占全省面積的18.7%，是遼寧省乃至東北地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)中心。渾河全長(zhǎng)415 km，太子河長(zhǎng)413 km，兩者均發(fā)源于長(zhǎng)白山脈，在三岔河附近匯合后稱大遼河，大遼河全長(zhǎng)96 km，在遼寧省營(yíng)口市入渤海。

結(jié)合渾太河流域的實(shí)際情況和研究目標(biāo)，擬采用全國(guó)水資源綜合規(guī)劃選擇的污染物總量控制因子。通過對(duì)流域水質(zhì)現(xiàn)狀與污染變化趨勢(shì)進(jìn)行分析可知，渾太河流域水污染以有機(jī)污染為主，尤其是含氮有機(jī)物污染。部分河段由于工業(yè)未達(dá)標(biāo)廢水的排放，造成揮發(fā)性酚、硝基化合物等特征污染物超標(biāo)嚴(yán)重。學(xué)者對(duì)渾河流域水環(huán)境問題從不同層面進(jìn)行了探索性研究，對(duì)造成水環(huán)境破壞的污染物主要聚焦在COD和NH3-N上。如毛光君借助分類綜合污染評(píng)價(jià)法研究大遼河1995—2008年水質(zhì)變化趨勢(shì)，研究期內(nèi)大遼河均為劣V類水質(zhì)，且主要污染物為COD與NH3-N，水體中的COD與NH3-N主要來自于點(diǎn)源工業(yè)、面源農(nóng)業(yè)。

3.1計(jì)算單元

計(jì)算單元是水環(huán)境容量總量控制的基礎(chǔ)，它隱含了均勻性假定。一個(gè)或多個(gè)計(jì)算單元能夠組成完整的行政區(qū)和水資源分區(qū)，便于分類統(tǒng)計(jì)，同時(shí)要與水功能區(qū)劃相協(xié)調(diào)，盡量滿足排污減控與水質(zhì)模擬分析計(jì)算要求。對(duì)于計(jì)算單元的劃分以遼河流域水資源綜合規(guī)劃、水資源分區(qū)、水功能區(qū)劃的基本要求為依據(jù)，在考慮行政區(qū)降水特性及流域/區(qū)域排水綜合管理要求基礎(chǔ)上，針對(duì)河流污染物整體削減的系統(tǒng)性，采用四級(jí)水資源分區(qū)套地市的方法將渾太河流域劃為29個(gè)計(jì)算單元（將水資源四級(jí)分區(qū)與對(duì)應(yīng)的每個(gè)縣進(jìn)行組合），保證計(jì)算單元邊界與水資源分區(qū)邊界一致性，同時(shí)確保計(jì)算單元內(nèi)污染物產(chǎn)生及入河過程與用水、降水過程的匹配性。計(jì)算單元具有點(diǎn)線面特征，將排污口-水功能區(qū)-區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局緊密結(jié)合在一起，能夠?yàn)樗h(huán)境容量總量分配方法的合理性及可行性提供檢驗(yàn)平臺(tái)。計(jì)算單元控制節(jié)點(diǎn)的確定以流域水功能區(qū)控制斷面或排水關(guān)鍵控制斷面為主。結(jié)合流域水功能區(qū)控制斷面分布，給出計(jì)算單元分布狀況。

3.2 設(shè)計(jì)流量

對(duì)流域年內(nèi)分豐（6—9月）平（3-5月、10月）枯（11至翌年2月）水期進(jìn)行設(shè)計(jì)流量計(jì)算。研究中針對(duì)渾河水系8個(gè)水文測(cè)站、太子河水系13個(gè)水文測(cè)站依據(jù)90%保證率最枯月平均流量確定站點(diǎn)分期設(shè)計(jì)流量。

3.3 降解系數(shù)

研究中對(duì)于污染物降解系數(shù)取值的合理性較為重要，取值既能體現(xiàn)不同性質(zhì)的污染物降解程度的差異性，又能根據(jù)污染物水體中含量的差異性進(jìn)行綜合取舍，以體現(xiàn)水質(zhì)達(dá)標(biāo)控制目標(biāo)實(shí)施的可行性。對(duì)于該參數(shù)的敏感程度分析，由于涉及到非線性變化關(guān)系，并且影響因素眾多，將在以后的研究中繼續(xù)深化。渾太河流域全年氣溫變化較大，而降解系數(shù)對(duì)溫度的反應(yīng)比較敏感。研究中對(duì)冰封期1—3月、11月、12月以及非結(jié)冰期4—10月的降解系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到對(duì)應(yīng)溫度下的降解系數(shù)。研究中對(duì)渾太河流域降解系數(shù)取值情況見表1。

3.4 設(shè)計(jì)流速

渾太河流域河段大多處于丘陵平原地帶，河流垂直坡降變化較小，河道較寬。因此，為研究方便起見，將河道簡(jiǎn)化為矩形河流（斷面寬深比不小于20時(shí)，簡(jiǎn)化為矩形河段進(jìn)行面積計(jì)算的誤差在10%以內(nèi)）進(jìn)行流速的確定。為減少資料稀缺帶來的不確定性，計(jì)算過程中對(duì)河流的寬深比均假定大于100，此時(shí)河流的水力半徑可用平均水深代替。大遼河流域地勢(shì)相對(duì)低平，水流速較小，并且可供驗(yàn)證的流量資料不足，因此，主要采用合成法進(jìn)行流速的確定。

在河段坡降、河寬確定的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)際資料的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，計(jì)算渾太河流域河段的平均水深與流速。

在對(duì)河流設(shè)計(jì)流速進(jìn)行計(jì)算的過程中，假定河流的平均水深與河段對(duì)應(yīng)的水力半徑相同，此條件在天然狀況下是難以實(shí)現(xiàn)的，但當(dāng)河流的設(shè)計(jì)流量與平均水深較?。ê佣蔚膶捝畋纫话愦笥?00）時(shí)，用此條件進(jìn)行計(jì)算得到的設(shè)計(jì)流量的計(jì)算誤差僅為1.33%，因此，對(duì)于渾太河這種寬淺的丘陵—平原型河流，可以采用這種假定。

表1 渾太河流域降解系數(shù)取值情況

4 水環(huán)境容量計(jì)算

結(jié)合計(jì)算單元的水功能區(qū)、河段信息及跨界水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)考核方法，在對(duì)河道分期水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上，給出渾太河流域計(jì)算單元包含的重要河流的水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果為渾太河流域主要河流減排措施制定、重點(diǎn)行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、區(qū)域間及行業(yè)內(nèi)排污權(quán)交易量確定提供依據(jù)。針對(duì)計(jì)算單元所在河流信息及排污口分布狀況，水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果見表2。

5 結(jié)語(yǔ)

由于水文條件、水體化學(xué)物質(zhì)的季節(jié)性變化，水環(huán)境容量具有隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化特性。因此，在單一設(shè)計(jì)水文條件下單純計(jì)算靜態(tài)水環(huán)境容量稍顯欠缺。為避免全年采用單一水環(huán)境容量限制污染排放量造成的“豐欠枯超”現(xiàn)象，并為滿足北方河流的水環(huán)境管理需求，采用分期設(shè)計(jì)流量實(shí)現(xiàn)北方河流水環(huán)境容量季節(jié)多變這一目標(biāo)。

針對(duì)渾太河流域流量、水質(zhì)參數(shù)受水期、溫度變化影響較大的現(xiàn)象，分豐（6—9月）平（3—5月、10月）枯（11至翌年2月）水期進(jìn)行設(shè)計(jì)流量確定。研究中依據(jù)豐、平、枯3個(gè)水期內(nèi)河流污染負(fù)荷的來源、降水強(qiáng)度及水質(zhì)水量相關(guān)關(guān)系的差異，在劃分水期的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同水期月份的徑流特點(diǎn)選擇典型流量作為分階段水環(huán)境容量的計(jì)算依據(jù)。渾太河流域COD水環(huán)境容量總量為144 626 t，枯水期、平水期、豐水期的水環(huán)境容量分別占總量的16.2%，35.4%，48.4%；氨氮水環(huán)境容量為9 776 t，枯水期、平水期、豐水期的水環(huán)境容量分別占總量的16.2%，35.4%，48.4%。分期設(shè)計(jì)水環(huán)境容量的計(jì)算結(jié)果體現(xiàn)出水環(huán)境容量的動(dòng)態(tài)特性。

［1］周剛，雷坤，富國(guó)，等.河流水環(huán)境容量計(jì)算方法研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2014，45（2）：227-233.

［2］李如忠，汪家權(quán)，王超，等.不確定性信息下的河流納污能力計(jì)算初探［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2003，14（4）：459-463.

表2 渾太河流域水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果 t

［3］李如忠，范傳勇.基于盲數(shù)理論的河流水環(huán)境容量計(jì)算［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，41（10）：233-235.

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1002－0624（2016）09－0021－04

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A

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51409269）

2016-03-10