承德市灤河流域輸入響應(yīng)模型應(yīng)用研究*

趙康平 陳 巖 謝陽村 戴文燕 韋大明 白 輝#

(1.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012；2.北京欣國環(huán)環(huán)境技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100044)

近年，隨著人們生活和生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的大量生活污水和工業(yè)廢水排入江河湖泊和海洋，水體受到嚴(yán)重污染，引起了水域生態(tài)系統(tǒng)一系列結(jié)構(gòu)和功能變化。一系列《中國環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》公布的數(shù)據(jù)顯示，全國地表水污染依然嚴(yán)重，七大水系水質(zhì)總體為中度污染，湖泊、水庫富營養(yǎng)化問題突出。我國自20世紀(jì)70年代起就開始進(jìn)行水污染治理，經(jīng)過多年的努力，我國流域污染治理已取得了一定成績，逐步建立起流域水環(huán)境管理體系和水污染控制與治理體系，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)和改善重點(diǎn)流域水環(huán)境質(zhì)量提供了有力支撐[1-2]。但是，目前水環(huán)境精細(xì)化管理需求越來越高，對(duì)輸入響應(yīng)模型應(yīng)用的需求越來越強(qiáng)烈，需要提出精準(zhǔn)化的環(huán)境治理措施。

輸入響應(yīng)模型是指在明確的水環(huán)境管理需求條件下，給定水域及污染物排放條件下，能反映污染源排放的污染物的量，引起水域水質(zhì)指標(biāo)數(shù)值變化的模型。該模型模擬過程能利用污染源對(duì)環(huán)境目標(biāo)影響的可疊加性，定量計(jì)算多污染源河段中各污染源對(duì)環(huán)境目標(biāo)的影響程度，并提出水環(huán)境管理初始方案，為最終水環(huán)境管理方案的確定提供靶向性引導(dǎo)。

目前，承德市灤河流域總體水質(zhì)穩(wěn)中趨好，但是灤河干流游烏龍磯大橋斷面2012年水質(zhì)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中劣Ⅴ類，其流域下游控制斷面——大杖子(一)斷面為灤河入蟠龍湖斷面，同時(shí)也列為《重點(diǎn)流域水污染防治規(guī)劃(2011—2015年)》的考核斷面。2012年，大杖子(一)斷面年均水質(zhì)為GB 3838—2002中Ⅳ類，未達(dá)到Ⅲ類的規(guī)劃目標(biāo)要求。為了保證水質(zhì)改善、達(dá)到考核要求，2013年承德市編制了《承德市灤河流域水污染防治規(guī)劃》，其中伊遜河為灤河流域治理的重要支流之一，伊遜河水質(zhì)基本為GB 3838—2002中Ⅲ～Ⅳ類，但是伊遜河區(qū)域工業(yè)企業(yè)分布較多，企業(yè)總體規(guī)模較小，治污設(shè)施不全，整體污染治理水平不高，生活污染較嚴(yán)重，部分工業(yè)企業(yè)治污設(shè)施運(yùn)行不穩(wěn)定，未能達(dá)標(biāo)排放。規(guī)劃目的是為了通過污染源治理來改善控制斷面水質(zhì)，達(dá)到考核要求。規(guī)劃編制過程中需要定量分析污染治理項(xiàng)目對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的改善效果，分析污染源治理措施實(shí)施后是否能達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)，以及規(guī)劃應(yīng)該優(yōu)先實(shí)施哪類污染源的治理。

基于案例研究區(qū)域的實(shí)際需求，選擇相應(yīng)的水質(zhì)模型進(jìn)行輸入響應(yīng)分析，分析污染源治理對(duì)伊遜河出口斷面水質(zhì)改善的情況以及各治理項(xiàng)目的環(huán)境效益，合理安排治理項(xiàng)目的建設(shè)，為流域水質(zhì)目標(biāo)的可達(dá)性提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 流域基本概況

承德市灤河流域介于東經(jīng)115°54′～118°56′，北緯40°11′～42°40′。灤河流域北接內(nèi)蒙古高原，南鄰華北平原，地勢(shì)自北向南傾斜，地形復(fù)雜，山脈縱橫，河流交錯(cuò)。地貌主要由中山、低山、丘陵和谷地構(gòu)成，流域內(nèi)溝谷多呈“V”字型，坡降較大，土壤抗蝕能力低，易造成水土流失。流域氣候類型屬于寒溫帶向暖溫帶過渡、半干旱向半濕潤過渡的大陸性季風(fēng)性山地氣候，具有四季分明、干濕顯著、雨熱同季的特點(diǎn)。流域內(nèi)盛行風(fēng)向隨季節(jié)變化差異較大，主導(dǎo)風(fēng)向夏季偏南風(fēng)、冬季偏北風(fēng)。灤河發(fā)源于承德市豐寧縣西北巴顏圖古爾山麓，經(jīng)承德市隆化縣、灤平縣、雙橋區(qū)、雙灤區(qū)、承德縣、寬城縣，注入蟠龍湖，灤河在承德市境內(nèi)干流全長374 km。

灤河流域水系概況見圖1。本案例研究區(qū)域?yàn)槌械率袨春右患?jí)支流伊遜河流域，有兩條支流——不澄河和蟻螞吐河，伊遜河發(fā)源于圍場(chǎng)縣哈里哈鄉(xiāng)，在雙灤區(qū)西地鄉(xiāng)匯入灤河，河長237 km，流域面積6 734 km2，2011年年徑流量2×108m3。案例研究區(qū)域涉及隆化縣、圍場(chǎng)縣和灤平縣。

圖1 灤河流域水系概況

2 分析方法

結(jié)合流域水污染防治方案，整理匯總流域主要污染治理項(xiàng)目(工業(yè)和生活污染治理，暫不考慮農(nóng)業(yè)污染治理)，對(duì)污染源排放量進(jìn)行解析，量化分析污染治理項(xiàng)目建設(shè)減少的污染物排放量，通過水質(zhì)模型模擬，以控制斷面水質(zhì)為響應(yīng)條件，分析各污染治理項(xiàng)目對(duì)流域控制斷面水質(zhì)改善情況，通過污染治理對(duì)流域控制斷面水質(zhì)濃度貢獻(xiàn)分析評(píng)價(jià)各污染治理項(xiàng)目產(chǎn)生的環(huán)境效益，從單一水質(zhì)改善貢獻(xiàn)程度篩選污染治理項(xiàng)目建設(shè)優(yōu)先順序。具體技術(shù)路線見圖2。

圖2 技術(shù)路線示意圖

3 輸入響應(yīng)分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括水文、污染源負(fù)荷以及水質(zhì)斷面數(shù)據(jù)。其中，水文數(shù)據(jù)有水文站點(diǎn)的水位和流量、河道地形、流域數(shù)字高程模型(DEM)等；污染源負(fù)荷數(shù)據(jù)有工業(yè)企業(yè)和生活污水排放數(shù)據(jù)；水質(zhì)斷面數(shù)據(jù)包括河流上、下游斷面和控制斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.2 模型選擇

MIKE11模型是一維河道、河網(wǎng)綜合模擬軟件，主要包括降雨徑流、水動(dòng)力、水質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散和泥沙輸移等模塊，主要用于河口、河流、灌溉系統(tǒng)和其他內(nèi)陸水域的水文學(xué)、水力學(xué)、水質(zhì)和泥沙傳輸模擬，能較好地模擬污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化，在水質(zhì)水量管理、水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)論證、防汛洪水預(yù)報(bào)以及環(huán)境影響評(píng)價(jià)中均得到了廣泛應(yīng)用。MIKE11模型模擬需要的數(shù)據(jù)主要包括河道地形、水位流量、污染源負(fù)荷數(shù)據(jù)以及斷面水質(zhì)濃度等數(shù)據(jù)，MIKE11模型界面直觀、操作簡單，通過簡單系統(tǒng)學(xué)習(xí)對(duì)其應(yīng)用較容易掌握?；诎咐芯繀^(qū)域的實(shí)際情況，選擇MIKE11模型水動(dòng)力、水質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散模塊對(duì)案例研究區(qū)域流域水文水質(zhì)過程進(jìn)行模擬分析。

3.3 模型建立和驗(yàn)證

3.3.1 主要模型參數(shù)

模型參數(shù)主要包括水動(dòng)力模塊中河道參數(shù)、水文參數(shù)，以及水質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散模塊中污染源參數(shù)、水質(zhì)參數(shù)。河道參數(shù)主要為河底地形、河床糙率(曼寧系數(shù)表示)；水文參數(shù)主要為案例研究區(qū)域邊界河流入口、出口水位和流量；污染源參數(shù)主要為污染源的排放流量和污染物濃度；水質(zhì)參數(shù)主要為案例研究區(qū)域邊界河流入口、出口水質(zhì)濃度。河道、水文參數(shù)主要來自《水文年鑒》；污染源參數(shù)主要來自污染源普查數(shù)據(jù)；水質(zhì)參數(shù)來自常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。水動(dòng)力模塊中河床糙率取0.026；水質(zhì)對(duì)流擴(kuò)散模塊中COD降解系數(shù)取0.25 d-1，擴(kuò)散系數(shù)取15 m2/s[3-5]。

3.3.2 水系概化

根據(jù)案例研究區(qū)域DEM數(shù)據(jù)提取案例研究區(qū)域河網(wǎng)數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入到MIKE11模型進(jìn)行處理，生成模型能夠使用的河網(wǎng)數(shù)據(jù)。模型處理的河流有干流伊遜河和支流蟻螞吐河、不澄河，MIKE11模型處理后的案例研究區(qū)域水系概化示意圖見圖3。

圖3 案例研究區(qū)域水系概化示意圖

3.3.3 污染源概化

污染源概化主要針對(duì)工業(yè)污染源和生活污染源，主要概化流域內(nèi)重點(diǎn)工業(yè)污染源和生活污染源。本研究將6個(gè)工業(yè)企業(yè)概化為6個(gè)點(diǎn)源，2個(gè)城鎮(zhèn)生活污染源概化為2個(gè)點(diǎn)源，2個(gè)農(nóng)村生活污染源概化為2個(gè)點(diǎn)源[6-7]。具體污染源及污染物排放情況見表1至表3。

表1 工業(yè)污染源及污染物排放情況

表2 城鎮(zhèn)生活污染源及污染物排放情況

表3 農(nóng)村生活污染源及污染物排放情況

3.3.4 控制斷面水質(zhì)濃度選擇

伊遜河入流濃度為伊遜河上游圍場(chǎng)斷面年均濃度；蟻螞吐河和不澄河入流濃度取《河北省地面水環(huán)境功能區(qū)劃》中功能區(qū)劃水質(zhì)類別對(duì)應(yīng)的水質(zhì)濃度，為Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度。選擇下游出口李臺(tái)斷面為伊遜河控制斷面，斷面水質(zhì)濃度取對(duì)應(yīng)的水質(zhì)考核濃度。

3.3.5 模型率定驗(yàn)證

模型中水位、流量和水質(zhì)的率定驗(yàn)證是同時(shí)進(jìn)行的。

選擇干流宮廟水庫斷面的水位、流量進(jìn)行率定驗(yàn)證，水位、流量驗(yàn)證結(jié)果見表4。由表4可見，水位的相對(duì)誤差在1%內(nèi)，流量的相對(duì)誤差在10%內(nèi)，能夠滿足水動(dòng)力模擬的精度要求。

表4 水位、流量驗(yàn)證結(jié)果

選擇伊遜河唐三營斷面的水質(zhì)濃度進(jìn)行率定驗(yàn)證，結(jié)果見表5。由表5可見，水質(zhì)的相對(duì)誤差在10%內(nèi)，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，滿足精度要求。

表5 水質(zhì)驗(yàn)證結(jié)果

3.4 結(jié)果和討論

假設(shè)污染源治理情景為兩個(gè)城鎮(zhèn)污水處理廠擴(kuò)容，將農(nóng)村生活污染源排放納入污水處理廠集中處理排放，全部工業(yè)企業(yè)廢水經(jīng)處理后按《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)排放。對(duì)此假設(shè)情景進(jìn)行項(xiàng)目環(huán)境效益分析，其中本研究項(xiàng)目環(huán)境效益分析只考慮污染源項(xiàng)目治理對(duì)下游控制斷面水質(zhì)改善情況，不考慮其他經(jīng)濟(jì)效益等。

3.4.1 總體環(huán)境效益

將10個(gè)污染源按要求全部治理后的排放結(jié)果輸入模型，通過模型模擬分析，計(jì)算全部污染源治理后產(chǎn)生的環(huán)境效益。結(jié)果表明，10個(gè)污染源全部治理后，控制斷面水質(zhì)COD為9.66 mg/L，控制斷面COD下降幅度為7.84 mg/L，水質(zhì)由GB 3838—2002中Ⅲ類改善為Ⅱ類，污染源治理效果明顯。

3.4.2 單個(gè)污染治理項(xiàng)目環(huán)境效益

分別將單個(gè)污染源治理后的排放結(jié)果和其他污染源排放量保持不變的結(jié)果輸入模型，通過模型模擬分析，計(jì)算單一污染源治理后產(chǎn)生的環(huán)境效益。結(jié)果表明，單個(gè)污染源治理產(chǎn)生的環(huán)境效益各異，差別較大，具體見表6。從表6可以看出，就控制斷面水質(zhì)改善貢獻(xiàn)來看，生活污染源治理產(chǎn)生的環(huán)境效益大于工業(yè)污染源的治理，其中隆化縣生活污染源、圍場(chǎng)縣生活污染源和某酒業(yè)公司的工業(yè)污水治理產(chǎn)生的環(huán)境效益最大，分別能使控制斷面COD下降3.97、2.19、1.48 mg/L，控制斷面COD改善貢獻(xiàn)率分別為50.6%、27.9%、18.9%。上游的某淀粉廠、1號(hào)食品公司、4號(hào)食品公司由于距離控制斷面較遠(yuǎn)的原因，其污染治理對(duì)控制斷面水質(zhì)改善的效益很小，控制斷面COD改善貢獻(xiàn)率接近于零。

表6 各污染源治理措施對(duì)控制斷面COD改善情況

注：1)包括2個(gè)城鎮(zhèn)生活污染源和2個(gè)農(nóng)村生活污染源。

4 結(jié) 語

通過輸入響應(yīng)分析，對(duì)流域污染治理方案中污染治理項(xiàng)目對(duì)水質(zhì)改善的效益進(jìn)行了分析，解決了實(shí)際過程中污染源的治理能產(chǎn)生多大的效益以及通過污染源的治理能否帶來水環(huán)境質(zhì)量的改善等問題的置疑，為污染源治理項(xiàng)目的建設(shè)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

本研究以我國水環(huán)境管理技術(shù)需求為主線，提出了項(xiàng)目環(huán)境效益解析方案，研究結(jié)果對(duì)水環(huán)境管理提供了一定技術(shù)支持。然而，研究中發(fā)現(xiàn)，存在一些基礎(chǔ)性支撐研究缺失的情況，因此在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上仍有一定的研究拓展必要性。

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