水功能區(qū)水質(zhì)達標壓力特征參數(shù)選擇與分析

李非

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽110003）

1 概 況

為推進實行最嚴格水資源管理制度，確保實現(xiàn)水資源開發(fā)利用和節(jié)約保護的主要目標，國家出臺“三條紅線”達標考核制度和水生態(tài)文明城市試點建設項目。水功能區(qū)達標作為“三條紅線”考核的主要抓手和水生態(tài)文明建設的核心內(nèi)容，日益受到各級政府和水利部門的重視。

“三條紅線”中水功能區(qū)水質(zhì)達標率按個數(shù)達標率進行評價，全國2015年要達到60%，2020年要達到80%，且各省達標目標差距較大。為滿足水功能區(qū)水質(zhì)達標率考核，各省都對達標指標進行了市級行政區(qū)分解，目前基于實際達標率的指標分解雖然有其合理性，但體現(xiàn)不出各地區(qū)達標面臨的實際壓力。根據(jù)水功能區(qū)納污能力和污染物預測值進行模型計算的達標壓力，計算復雜且模型各參數(shù)率定誤差較大；且計算結果是離散的每一個水功能區(qū)，對區(qū)域水功能區(qū)沒有綜合評價。為合理分解各行政區(qū)達標指標及快速評價水功能區(qū)達標壓力大小，建立直觀、簡單的評價參數(shù)具有重要的應用價值。

2 特征參數(shù)

2.1 定義

達標壓力特征參數(shù)是以區(qū)域為評價單元，能綜合反映區(qū)域內(nèi)水功能區(qū)水質(zhì)達標壓力大小和難易程度的屬性參數(shù)，包括結構參數(shù)、河長參數(shù)、水文參數(shù)和污染參數(shù)。

根據(jù)水功能區(qū)水質(zhì)達標壓力特征參數(shù)評價的目標，特征參數(shù)選擇的原則主要有5個方面。1）對水功能區(qū)水質(zhì)達標影響大；2）指標的區(qū)分度大，靈敏性高；3）指標代表性強；4）方便計算與評價；5）各指標不重復，相對獨立。

2.2 參數(shù)選擇

2.2.1 結構特征

水功能區(qū)一級區(qū)劃分為保護區(qū)、保留區(qū)、開發(fā)利用區(qū)、緩沖區(qū)及生態(tài)環(huán)境恢復區(qū)；將一級區(qū)劃中的開發(fā)利用區(qū)再細劃為飲用水源區(qū)、調(diào)輸水區(qū)、工業(yè)用水區(qū)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)、漁業(yè)用水區(qū)、景觀娛樂用水區(qū)、生態(tài)環(huán)境用水區(qū)、過渡區(qū)、排污控制區(qū)、航運用水區(qū)10個二級功能區(qū)。其中一級區(qū)劃中除開發(fā)利用區(qū)外，其他4個區(qū)劃都具體區(qū)域生態(tài)保護和恢復功能，為整個流域或區(qū)域生態(tài)保護和生態(tài)平衡做出水資源開發(fā)制約，需要進行生態(tài)補償。一級水功能區(qū)水質(zhì)達標標準高，一般為I或II類水質(zhì)標準，達標難度較大，對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展制約性較大，所以一級區(qū)個數(shù)指標對評價生態(tài)功能具有指標意義。

1）結構系數(shù)K:是指不同地區(qū)水功能區(qū)中一級區(qū)劃個數(shù)占總區(qū)劃個數(shù)的百分比。計算公式：

其中：nⅠ為一級水功能區(qū)個數(shù)；nⅡ為二級水功能區(qū)個數(shù)；n為水功能區(qū)個數(shù)。

在二級區(qū)劃中，存在同一功能區(qū)具有多種利用功能，這類功能區(qū)的水質(zhì)達標標準就高確定，即飲用水源區(qū)的功能區(qū)水質(zhì)達標標準都是II類水?？紤]II類水的達標難度，以標準體系作為結構系數(shù)的補充。

2）標準系數(shù)K1：是指不同地區(qū)水功能區(qū)水質(zhì)達標標準為I類和II類的個數(shù)與總區(qū)劃個數(shù)的百分比。計算公式：

其中：n2為水功能區(qū)達標標準為I類和II類的個數(shù)。

流域面積大、河長長、支流多的河流，一般被劃分為多個功能區(qū)，且各功能區(qū)水質(zhì)標準不同。河流上功能區(qū)越多，水質(zhì)控制越復雜，達標越困難。所以單位河流功能區(qū)個數(shù)是反映水功能區(qū)達標壓力的特征指標。其中河流個數(shù)按水資源五級區(qū)進行統(tǒng)計，五級區(qū)內(nèi)的河流數(shù)按獨流入海河流數(shù)統(tǒng)計，包括干支流。

3）單位河流水功能區(qū)個數(shù)Kriver：是指不同地區(qū)平均一條河流的水功能區(qū)個數(shù)。計算公式：

其中：nriver為河流條數(shù)（不區(qū)分干支流）,條（個）。

2.2.2 河長特征

水功能區(qū)個數(shù)達標率和河長達標率多數(shù)不一致，一般個數(shù)達標率明顯低于河長達標率。杜中等利用帕累托圖分析認為主要原因是河長達到80%的水功能區(qū)個數(shù)占總功能區(qū)個數(shù)遠小于80%，所以對河長特征進行評價具有重要意義。水功能區(qū)河段長短是制約斷面水質(zhì)代表性的主要因素之一,平均河長能反映水功能區(qū)水質(zhì)斷面代表性和個數(shù)達標率難易程度。

1）平均河長L：是指不同地區(qū)水功能區(qū)總長度與個數(shù)之比。計算公式：

其中：n為水功能區(qū)個數(shù)，個；Li為水功能區(qū)河長，km。

為評價個數(shù)達標率與河長達標率差距的大小，根據(jù)全國2020年80%達標的要求，確定80%帕累托河長的個數(shù)百分比。帕累托河長是按河長長度排序后，從大到小計算累計河長。帕累托河長的概念比數(shù)理統(tǒng)計中的方差、離差更能反映河長達標率與個數(shù)達標率之間的關系。

2）80%帕累托河長的個數(shù)百分比：PN是指不同地區(qū)水功能區(qū)在帕累托河長達到80%時，水功能區(qū)個數(shù)占總個數(shù)的百分比。計算公式：

其中：N為PL=80%時，按河長排序的順序水功能區(qū)序數(shù)。N可按公式（6）反求之。

其中：PL為帕累托河長百分比；LI為按河長排序的順序水功能區(qū)河長，km。

2.2.3 水文特征

地區(qū)水文特征包括流域面積、下墊面條件、降水量、徑流模數(shù)、徑流量、徑流年內(nèi)分布、豐枯平流量等。涉及到流量因素的都對水功能區(qū)達標有影響，所有上述水文特征都對水功能區(qū)達標有影響。根據(jù)參數(shù)選擇原則，從污染物匯流、總徑流量角度遴選特征參數(shù)。

流域面積、下墊面條件、降水量都是影響污染物匯流的因素，其中流域面積與下墊面條件可在污染負荷特征中考慮，故選擇降水量作為特征參數(shù)。

水文周期豐枯平及年內(nèi)分布不均是普遍存在的現(xiàn)象，對水功能區(qū)影響基本一致，故徑流因素選擇徑流量作為特征參數(shù)。

如果區(qū)域或流域較大，多年平均降水量與徑流量空間變化梯度較大，可以分區(qū)進行統(tǒng)計分析。

計算公式：

其中：N為統(tǒng)計年分數(shù)（一般應大于30年），年（個）；Pi為年降水量，mm。

計算公式：

其中：Ri為年徑流量，mm。

2.2.4 污染特征

水功能區(qū)考核的根本任務就是污染物達標。污染特征是水功能區(qū)所在流域的污染物排放情況。流域污染物排污受點源、面源、線源、內(nèi)源等影響，其中主要是點源和面源。污染物排放雖然與經(jīng)濟發(fā)展水平不是線性關系（受產(chǎn)業(yè)結構、節(jié)能減排、先進工藝及污水處理等影響），但在一定范圍與一定時間段內(nèi)，經(jīng)濟發(fā)展水平對污染物種類及排放量影響仍然是主要因素。經(jīng)濟模數(shù)即單位面積內(nèi)經(jīng)濟總量，杜中等［7］對經(jīng)濟模數(shù)的定義及對防洪減災的影響進行了分析，認為經(jīng)濟模數(shù)是影響區(qū)域污染物排放的主要因素。

1）經(jīng)濟模數(shù)M：是指不同地區(qū)單位面積上單位時間所產(chǎn)生的經(jīng)濟總量。計算公式：

其中：GDP為地區(qū)國民生產(chǎn)總值，萬元；A為功能區(qū)所在流域面積，km2。

污染特征最直觀的指標是年污染物排放量，即污染物年負荷，該數(shù)據(jù)可以從環(huán)境公報和水資源公報中查詢。

2）污染負荷G：

計算公式：

其中：Q為污水流量，m3/s；c為污水中污染物濃度，mg/L；T為計算時間（此文為年且轉(zhuǎn)算為s），s。

2.3 參數(shù)評價

此文對參數(shù)進行定性分析。

結構系數(shù)和標準系數(shù)越大，說明地區(qū)生態(tài)功能越強，區(qū)域開發(fā)受限；水功能區(qū)達標壓力分2種情況：當?shù)貐^(qū)原污染程度很大或功能區(qū)未達標時，未來水功能區(qū)達標壓力大，反之，當原污染很小時，水功能區(qū)達標壓力較小；此外，考慮地區(qū)生態(tài)功能，需要進行合理的生態(tài)補償。

單位河流水功能區(qū)個數(shù)越多，則達標壓力越大，且上下游水功能區(qū)水質(zhì)標準不一致是，達標壓力更大。

平均河長越長，水功能區(qū)達標壓力越小。因為水功能區(qū)越長，合理布設排污口位置相對容易，而且在其他因素近似的情況下自凈能力相對較大。

80%帕累托河長的個數(shù)百分比，反映的是個數(shù)達標率和河長達標率的差距。該值小于等于80%，當且僅當每個水功能區(qū)等長時，才等于80%。百分比越大，則達標相對容易。

多年平均降水量和多年平均徑流量越大，水功能區(qū)達標壓力越小。因為徑流量越大，納污能力越大，或污徑比越小。但降雨量大也導致面源污染入河量大，但多局限于農(nóng)業(yè)用水區(qū)。

經(jīng)濟模數(shù)和污染負荷越大，水功能區(qū)達標壓力越大。

3 案例分析

以丹東地區(qū)水功能區(qū)為例進行評價。該地區(qū)共有46個功能區(qū)（不含部分界河功能區(qū)），其中一級區(qū)8個，二級區(qū)38個；達標標準為I類或II類水的43個。丹東地區(qū)水資源5級區(qū)劃為8個，河流數(shù)為11條。丹東行政區(qū)劃面積為14 973 km2，2013年GDP總量為1 107.3億元，按2010年不變價計算為1 000億元。2013年全市廢水排放量11 683.91萬t，其中工業(yè)廢水排放量5 517.02萬t，生活污水排放量6 160.8萬t。污染物排放量化學需氧量12 019.07 t，氨氮628.34 t，其他為33.68 t，合計為12 681.09 t。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)計算特征，參數(shù)值見表1。其中標準系數(shù)高達93.5%，說明丹東地區(qū)生態(tài)功能強，水質(zhì)達標需要進行適當?shù)纳鷳B(tài)補償。單位河流水功能區(qū)個數(shù)為4.2，因標準系數(shù)高，上下游功能區(qū)水質(zhì)標準一般相同且皆為I類或II類水，不存在緩沖河段，達標壓力大。80%帕累托河長個數(shù)百分比為54.3%，說明依“三條紅線”考核標準按個數(shù)達標率計算壓力大。平均降水量和徑流量都較大，且丹東地區(qū)植被覆蓋率高，水功能區(qū)達標壓力較小。經(jīng)濟模數(shù)和污染負荷相對較小，水功能區(qū)達標壓力較小。

綜上，丹東地區(qū)水功能區(qū)達標有利因素是水文特征和污染特征，不利因素是結構特征和河長特征。因丹東地區(qū)現(xiàn)狀達標率較高，需要對丹東地區(qū)生態(tài)保護進行必要的補償。

表1 丹東地區(qū)水功能區(qū)水質(zhì)達標壓力特征參數(shù)值統(tǒng)計表

4 結 語

此文建立水功能區(qū)特征體系包括結構、河長、水文、污染共四大類，其中前三類為自然指標，污染特征為社會指標。

在合計8個參數(shù)（其中標準系數(shù)是結構系數(shù)的補充）中，結構系數(shù)和標準系數(shù)與功能區(qū)達標壓力呈現(xiàn)相反的2種情況，現(xiàn)狀功能區(qū)未達標時，系數(shù)值越大則水功能區(qū)達標壓力大，反之成反比；平均河長、80%帕累托河長的個數(shù)百分比、多年平均降水量、多年平均徑流量4個參數(shù)與達標壓力成反比；單位河流水功能區(qū)個數(shù)、經(jīng)濟模數(shù)、污染負荷3個參數(shù)與達標壓力成正比。以丹東地區(qū)為例進行計算，水功能區(qū)達標有利因素是水文特征和污染特征，不利因素是結構特征和河長特征。

特征參數(shù)數(shù)據(jù)收集容易，計算簡單，定性評價方便，為分析地區(qū)水功能區(qū)水質(zhì)達標壓力和確立考核指標逐級分解提高了技術依據(jù)，易在實踐中推廣應用。但本文只對各個參數(shù)進行定性分析，各參數(shù)對達標影響的權重及定量分析需要進一步深入研究。

［1］路雨,蘇保林.河流納污能力計算方法比較［J］.水資源保護，2011（04）:5-9+47.

［2］張浩,惠蕾,石維,繆萍萍.海河流域限制排污總量分解方案的公平性研究［J］.水資源保護,2014（02）:92-94.

［3］王超，朱黨生，程曉冰.地表水功能區(qū)劃分系統(tǒng)的研究［J］.河海大學學報(自然科學版),2002（05）:7-11.

［4］徐貴泉，褚君達.河流水功能過渡區(qū)長度的影響研究［J］.水資源保護,2006（04）:24-26.

［5］杜中，茆培智，陳月，吳慧秀.丹東水功能區(qū)達標率計算兩種方法對比分析［J］.遼東學院學報（自然科學版），2013（02）:85-87.

［6］殷世芳.水功能區(qū)達標率評價及影響因素分析［J］.人民黃河,2012（05）:38-39.

［7］杜中.利用經(jīng)濟模數(shù)規(guī)避災害風險［N］.中國水利報，2013-05-09006.