負(fù)荷歷時(shí)曲線法在清潩河流域水質(zhì)目標(biāo)管理中的應(yīng)用

趙雪霞，于魯冀，王燕鵬

(1. 鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001；2. 鄭州大學(xué)環(huán)境政策規(guī)劃評(píng)價(jià)研究中心，鄭州 450002)

點(diǎn)源和面源污染的綜合影響導(dǎo)致流域生態(tài)系統(tǒng)不斷遭到破壞，研究表明，確定流域污染負(fù)荷和主要污染源，并有針對(duì)性地實(shí)施管理可以使河流生態(tài)系統(tǒng)得到修復(fù)[1]。河流流量直接影響流域污染負(fù)荷，一般通過建立水質(zhì)模型模擬的方法獲得研究水體污染負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)污染源與水質(zhì)之間的響應(yīng)，但各種水質(zhì)模型參數(shù)值的不確定性因素較多，導(dǎo)致估算出的污染負(fù)荷值偏差較大，不能得到較為準(zhǔn)確一致的結(jié)果[2,3]。TMDL計(jì)劃指將面源污染考慮在內(nèi)，在實(shí)施了防止點(diǎn)源污染的策略但仍不達(dá)標(biāo)的情況下，確定污染水域的優(yōu)先次序并制定最大日負(fù)荷總量(TMDL)計(jì)劃。歷時(shí)曲線法是美國環(huán)保署制定TMDL計(jì)劃[4,5]所廣泛采用的一項(xiàng)成熟的技術(shù)，它反映了在不同的流量條件下水體允許的污染物最大負(fù)荷量，主要包括流量歷時(shí)曲線(Flow Duration Curve，F(xiàn)DC)和負(fù)荷歷時(shí)曲線(Load Duration Curve，LDC)。LDC法以具體地點(diǎn)水質(zhì)目標(biāo)和完整流量系列為基礎(chǔ)，建立河道斷面水質(zhì)變化與流域潛在污染的聯(lián)系[6,7]，可以體現(xiàn)允許納污量的動(dòng)態(tài)變化，并很好地應(yīng)用于污染物容量總量控制[8]，許多國家已開始應(yīng)用LDC法作為設(shè)置TMDL目標(biāo)的可靠方法[9]。

LDC法一般選取流域出水口斷面作為目標(biāo)斷面，為了滿足不同研究區(qū)域的管理規(guī)劃需求，本文分別將清潩河流域(許昌段)和清潩河流域作為研究區(qū)域，選取清潩河干流臨潁高村橋和鄢陵陶城閘兩個(gè)省控監(jiān)測斷面作為目標(biāo)斷面，其中高村橋斷面為清潩河流域(許昌段)出境斷面，陶城閘斷面為清潩河流域出水口斷面，結(jié)合設(shè)計(jì)水質(zhì)目標(biāo)和實(shí)際監(jiān)測流量數(shù)據(jù)，應(yīng)用LDC法開展水體納污量計(jì)算并解析流域水體納污能力，以期為相關(guān)管理人員提供有效的技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域概況及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

清潩河屬淮河流域沙潁河水系，是沙潁河流域兩條最主要的污染河流之一，發(fā)源于新鄭市溝草原，于長葛市官亭鄉(xiāng)進(jìn)入許昌境，流經(jīng)長葛市、建安區(qū)、魏都區(qū)(許昌市區(qū))、鄢陵縣和漯河市臨潁縣，于鄢陵縣陶城閘下游匯入潁河，全長149 km，流域面積2 362 km2，其中許昌段流域面積1 585 km2[10]。許昌段主要一級(jí)支流有石梁河、小洪河、小泥河，漯河段主要一級(jí)支流有新溝河、黃龍渠以及雞爪溝。清潩河天然徑流匱乏，流域平均年降水量671.1～736.0 mm，人工干擾嚴(yán)重，受工業(yè)化、城鎮(zhèn)化帶來的點(diǎn)源污染排放和集約化農(nóng)業(yè)面源污染雙重影響，流域COD和氨氮超標(biāo)嚴(yán)重。

1.2 研究方法

基于對(duì)應(yīng)的流量歷時(shí)曲線，負(fù)荷歷時(shí)曲線法以河流監(jiān)測斷面水質(zhì)目標(biāo)和完整流量系列為基礎(chǔ)，建立河道斷面流量與污染負(fù)荷之間的聯(lián)系[11,12]。

(1)流量歷時(shí)曲線(FDC)。一般情況下，將日監(jiān)測流量數(shù)據(jù)按從大到小的順序排列，計(jì)算河流監(jiān)測斷面某個(gè)時(shí)段內(nèi)大于和等于某一流量所占比例，根據(jù)流量和對(duì)應(yīng)所占比例關(guān)系，建立連線圖，即為FDC。具體計(jì)算如下：

Pf=m/n

(1)

式中：Pf為流量f時(shí)所占比例；m為大于或等于流量f時(shí)的監(jiān)測次數(shù)；n為流量監(jiān)測總數(shù)。

FDC可反映河道監(jiān)測斷面的水文特征，美國環(huán)保署[13]推薦將其劃分為5個(gè)流量歷時(shí)區(qū)域(Flow Duration Intervals，F(xiàn)DI)，分別為高流量區(qū)(0%～10%)、豐水區(qū)(10%～40%)、中流量區(qū)(40%～60%)、枯水區(qū)(60%～90%)和低流量區(qū)(90%～100%)，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)研究區(qū)域特征作出一定的調(diào)整。

(2)負(fù)荷歷時(shí)曲線(LDC)。LDC即為FDC與水質(zhì)目標(biāo)值的乘積，曲線上各點(diǎn)代表不同流量占比下污染物最大負(fù)荷量。LDC的計(jì)算公式為：

L=QCK

(2)

式中：L為不同流量占比下最大日負(fù)荷，t/d；Q為對(duì)應(yīng)的流量值，m3/s；C為水質(zhì)目標(biāo)濃度值，mg/L；K為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，0.086 4。

(3)水質(zhì)目標(biāo)設(shè)計(jì)。美國根據(jù)EPA提供的水質(zhì)基準(zhǔn)，結(jié)合水體具體功能制定各州和流域的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而目前國內(nèi)尚未建立統(tǒng)一的水質(zhì)基準(zhǔn)，水質(zhì)目標(biāo)一般根據(jù)環(huán)境管理需求而定。從河流健康發(fā)展的長遠(yuǎn)目標(biāo)考慮，課題組開展了清潔河流[14,15]研究，建立了清潔河流評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，共有5個(gè)等級(jí)，主要適用于地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ-Ⅴ類水體標(biāo)準(zhǔn)，其中1級(jí)最優(yōu)，5級(jí)最差。從地表水水質(zhì)達(dá)標(biāo)和河流健康發(fā)展兩方面綜合考慮，本文分別以2018年河南省水污染防治攻堅(jiān)目標(biāo)和清潔河流2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)作為設(shè)計(jì)水質(zhì)目標(biāo)。

(4)污染物現(xiàn)狀負(fù)荷和最大負(fù)荷估算。利用所監(jiān)測到的水質(zhì)及其對(duì)應(yīng)的流量數(shù)據(jù)，可算出相應(yīng)的現(xiàn)狀負(fù)荷值，然后點(diǎn)繪到LDC上，計(jì)算不同F(xiàn)DI內(nèi)對(duì)應(yīng)的污染物現(xiàn)狀負(fù)荷和最大負(fù)荷，且現(xiàn)狀負(fù)荷為90%保證率下計(jì)算值(即高于此值的負(fù)荷只占10%)[16]。具體計(jì)算如下：

(3)

(4)

2 數(shù)據(jù)來源

(1)水質(zhì)目標(biāo)。分別以2018年水污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)地表水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)和清潔河流2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)作為設(shè)計(jì)水質(zhì)目標(biāo)，其中高村橋和陶城閘監(jiān)測斷面水污染防治攻堅(jiān)水質(zhì)目標(biāo)分別為地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類和Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)的COD和氨氮濃度分別為40 mg/L和2 mg/L，30 mg/L以及1.5 mg/L。清潔河流2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)目標(biāo)中，COD和氨氮的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度范圍分別為(20-25]和(0.7-1]，單位為mg/L，本文COD取值為25 mg/L，氨氮取值為1 mg/L。

(2)水質(zhì)數(shù)據(jù)。清潩河流域主要支流匯入口均無流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)，僅可獲得清潩河干流臨潁高村橋和鄢陵陶城閘斷面2012-2015年河南省環(huán)保廳水質(zhì)周報(bào)數(shù)據(jù)[17]，配套水文數(shù)據(jù)為河南省生態(tài)補(bǔ)償數(shù)據(jù)，由河南省環(huán)保局提供，監(jiān)測周期為每周一次，本文在周均流量的基礎(chǔ)上，繪制FDC和LDC。

3 結(jié)果與分析

3.1 允許納污量季節(jié)性變化特征

本文在參考美國環(huán)保局推薦FDI劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合清潩河流域氣候、水文變化特征，將FDI劃分為3個(gè)，分別為高流量區(qū)(0%～10%)、中流量區(qū)(10%～60%)和低流量區(qū)(60%～100%)。將周均流量數(shù)據(jù)按照從大到小的順序排列，并應(yīng)用公式(1)進(jìn)行計(jì)算，繪制FDC，如圖1所示。

從圖1可以看出，高村橋和陶城閘兩個(gè)監(jiān)測斷面FDC變化趨勢較為一致，近似呈典型“S”型曲線分布，可初步說明周均流量數(shù)據(jù)可反映日均流量數(shù)據(jù)分布情況。在高流量區(qū)，曲線近似呈直線下降趨勢，流量變化幅度較大；在中流量區(qū)，流量變化趨勢微??；在低流量區(qū)，曲線幾乎呈直線分布，流量不變?？傮w來說，清潩河流域符合北方平原區(qū)域河流流量普遍偏小的特征。

美國《清潔水法》第303條指出，流量的季節(jié)性變化是TMDL發(fā)展的關(guān)鍵內(nèi)容，應(yīng)有針對(duì)性地制定不同時(shí)期的水質(zhì)控制目標(biāo)，同時(shí)對(duì)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的區(qū)域制定TMDL計(jì)劃[9]。按照常規(guī)季節(jié)劃分方式，3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12～2月為冬季，繪制允許納污量(最大負(fù)荷量)季節(jié)分布圖，如圖2所示。

圖1 高村橋和陶城閘斷面流量歷時(shí)曲線Fig.1 FDC of Gaocun bridge and Taocheng gate sections

圖2 高村橋和陶城閘斷面允許負(fù)荷季節(jié)分布圖Fig.2 Seasonal distribution of allowable loads of Gaocun bridge and Taocheng gate sections

圖2為不同季節(jié)的主要污染物允許納污量，箱形圖表征不同季節(jié)最大日負(fù)荷量的分布特征。高村橋斷面不同季節(jié)最大日負(fù)荷量均值大小為春季>冬季>夏季>秋季，陶城閘斷面不同季節(jié)最大日負(fù)荷量均值大小為冬季>春季>夏季>秋季。兩個(gè)監(jiān)測斷面不同季節(jié)最大日負(fù)荷量均值近似呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律，且季節(jié)性差異較為顯著，在實(shí)際流域管理中，需要制定季節(jié)性水質(zhì)管理辦法，便于相關(guān)管理部門適時(shí)作出季節(jié)性水質(zhì)達(dá)標(biāo)調(diào)整方案。

3.2 水體水質(zhì)特征分析

參照對(duì)應(yīng)的FDC，應(yīng)用公式(2)進(jìn)行計(jì)算，繪制LDC，并將現(xiàn)狀負(fù)荷點(diǎn)繪于LDC，如圖3、4所示。

圖3 高村橋斷面COD、氨氮負(fù)荷歷時(shí)曲線和現(xiàn)狀負(fù)荷散點(diǎn)圖Fig.3 LDC and the actual daily load of COD and NH3-N of Gaocun bridge section

圖4 陶城閘斷面COD、氨氮負(fù)荷歷時(shí)曲線和現(xiàn)狀負(fù)荷散點(diǎn)圖Fig.4 LDC and the actual daily Load of COD and NH3-N of Taocheng gate section

以LDC為界，位于LDC以上的點(diǎn)，表明現(xiàn)狀負(fù)荷超出允許負(fù)荷(最大負(fù)荷)，水體水質(zhì)超標(biāo)；位于LDC以下的點(diǎn)，表明現(xiàn)狀負(fù)荷在允許負(fù)荷范圍內(nèi)，水體水質(zhì)達(dá)標(biāo)。利用LDC還可以判斷河流監(jiān)測斷面受點(diǎn)源和面源污染的影響程度，在85%～99%FDI內(nèi)，基本不產(chǎn)生地表徑流，點(diǎn)源為主要污染源；10%～70%FDI內(nèi)，面源為主導(dǎo)污染源[18,19]。

由圖3可以看出，在地表水Ⅴ類水質(zhì)目標(biāo)下，高村橋斷面10%～60%FDI內(nèi)，COD現(xiàn)狀負(fù)荷絕大多數(shù)超出允許負(fù)荷，說明面源污染超標(biāo)嚴(yán)重；整個(gè)FDI內(nèi)，氨氮基本不超標(biāo)。在清潔河流2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)目標(biāo)下，高村橋斷面整個(gè)FDI內(nèi)，COD現(xiàn)狀負(fù)荷均超出允許負(fù)荷，水體水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)；10%～60%FDI內(nèi)，氨氮現(xiàn)狀負(fù)荷多數(shù)超出允許負(fù)荷，面源污染超標(biāo)嚴(yán)重，主要受到高村橋斷面上游及主要匯入支流周邊農(nóng)村生活、農(nóng)業(yè)和畜禽養(yǎng)殖面源污染的影響。

由圖4可以看出，在地表水Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)下，陶城閘斷面COD和氨氮基本不超標(biāo)。在清潔河流2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)目標(biāo)下，陶城閘斷面整個(gè)FDI內(nèi)，COD現(xiàn)狀負(fù)荷幾乎全部超出允許負(fù)荷，水體水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)；氨氮負(fù)荷基本不超標(biāo)。

由圖3和圖4可知，在水污染防治攻堅(jiān)水質(zhì)目標(biāo)下，高村橋斷面COD嚴(yán)重超標(biāo)，主要超標(biāo)污染源為面源，氨氮基本不超標(biāo)；陶城閘斷面COD和氨氮基本不超標(biāo)。在清潔河流2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)目標(biāo)下，高村橋斷面COD全部超標(biāo)，氨氮嚴(yán)重超標(biāo)，且主要由面源污染導(dǎo)致；陶城閘斷面COD嚴(yán)重超標(biāo)，氨氮基本不超標(biāo)。在不同的水質(zhì)目標(biāo)下，實(shí)際管理中需要著重控制COD和氨氮污染排放，尤其是面源產(chǎn)生的污染物排放。

3.3 主要污染物負(fù)荷估算

應(yīng)用公式(3)和(4)計(jì)算不同F(xiàn)DI污染物現(xiàn)狀負(fù)荷，并以FDI分別為5%、35%、80%所對(duì)應(yīng)的LDC值計(jì)算最大負(fù)荷(允許負(fù)荷)，獲得不同F(xiàn)DI下COD、氨氮的現(xiàn)狀負(fù)荷和允許負(fù)荷，進(jìn)而將污染物的總量控制工作細(xì)分到不同的FDI，在每個(gè)FDI的現(xiàn)狀負(fù)荷和允許負(fù)荷確定后，即可確定不同F(xiàn)DI污染物的剩余負(fù)荷。高村橋斷面污染負(fù)荷具體計(jì)算結(jié)果如表1、2所示。

表1 高村橋斷面COD污染負(fù)荷Tab.1 COD pollution loads of Gaocun bridge section

表2 高村橋斷面氨氮污染負(fù)荷Tab.2 NH3-N pollution loads of Gaocun bridge section

由表1、2可知，在地表水Ⅴ類水質(zhì)目標(biāo)下，高村橋斷面不同F(xiàn)DI下對(duì)應(yīng)的COD剩余負(fù)荷在高流量區(qū)和中流量區(qū)均為負(fù)值，需要的削減量分別為5.47、0.45 t/d，低流量區(qū)不需要削減；整個(gè)FDI內(nèi)，氨氮允許負(fù)荷均大于現(xiàn)狀負(fù)荷，不需要進(jìn)行削減。在清潔河流2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)目標(biāo)下，高村橋斷面不同F(xiàn)DI下對(duì)應(yīng)的COD剩余負(fù)荷均為負(fù)值，需要的削減量分別為17.85、5.10和1.60 t/d；不同F(xiàn)DI下對(duì)應(yīng)的氨氮剩余負(fù)荷同樣均為負(fù)值，需要的削減量分別為0.52、0.27和0.07 t/d。

陶城閘斷面污染負(fù)荷具體計(jì)算結(jié)果如表3、4所示。

表3 陶城閘斷面COD污染負(fù)荷Tab.3 COD pollution loads of Taocheng gate section

表4 陶城閘斷面氨氮污染負(fù)荷Tab.4 NH3-N pollution loads of Taocheng gate section

由表3、4可知，在地表水Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)下，陶城閘斷面在整個(gè)FDI內(nèi)，COD和氨氮允許負(fù)荷均大于現(xiàn)狀負(fù)荷，不需要削減。在清潔河流2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)目標(biāo)下，陶城閘斷面不同F(xiàn)DI下對(duì)應(yīng)的COD剩余負(fù)荷均為負(fù)值，需要的削減量分別為2.21、0.81和0.32 t/d；氨氮剩余負(fù)荷在高流量區(qū)為負(fù)值，需要的削減量為0.25 t/d，中流量區(qū)和低流量區(qū)允許負(fù)荷均大于現(xiàn)狀負(fù)荷，不需要削減。

4 結(jié) 語

(1)高村橋和陶城閘兩個(gè)監(jiān)測斷面不同季節(jié)最大日負(fù)荷量均值近似呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律，且季節(jié)性差異較為顯著。在水污染防治攻堅(jiān)水質(zhì)目標(biāo)下，高村橋斷面COD嚴(yán)重超標(biāo)，氨氮基本不超標(biāo)；陶城閘斷面COD和氨氮基本不超標(biāo)。在清潔河流2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)目標(biāo)下，高村橋斷面COD全部超標(biāo)，氨氮嚴(yán)重超標(biāo)；陶城閘斷面COD嚴(yán)重超標(biāo)，氨氮基本不超標(biāo)。

(2)從水質(zhì)達(dá)標(biāo)的目標(biāo)考慮，高村橋斷面高流量區(qū)、中流量區(qū)COD削減量分別為5.47、0.45 t/d，低流量區(qū)不需要削減，氨氮無需削減；陶城閘斷面均不需要對(duì)COD和氨氮進(jìn)行削減。從河流健康發(fā)展的目標(biāo)考慮，高村橋斷面高、中、低流量區(qū)COD削減量分別為17.85、5.10和1.60 t/d，氨氮為0.52、0.27和0.07 t/d；陶城閘斷面需要的COD削減量分別為2.21、0.81和0.32 t/d，高流量區(qū)氨氮削減量為0.25 t/d，中、低流量區(qū)均不需要對(duì)氨氮進(jìn)行削減，且主要超標(biāo)污染源均為面源。

(3)本文結(jié)合水污染防治攻堅(jiān)水質(zhì)目標(biāo)和清潔河流2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)目標(biāo)，應(yīng)用負(fù)荷歷時(shí)曲線法解析流域水質(zhì)變化和污染負(fù)荷的響應(yīng)關(guān)系，可為相關(guān)管理部門提供一定的技術(shù)支撐，同時(shí)能夠?yàn)槲覈牧饔蚬芾硖峁┮欢ǖ慕梃b和參考。然而，本文也存在一定的不足，未結(jié)合研究區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)和人口發(fā)展?fàn)顩r，核算未來污染物增加量，在以后的研究中還需要進(jìn)一步完善。

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