沙潁河安徽段水環(huán)境容量計(jì)算及動(dòng)態(tài)分析

王瑩 張幼寬 梁修雨 謝顯傳

摘要：基于對(duì)沙潁河安徽段污染負(fù)荷的調(diào)查以及水質(zhì)和流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，采用MIKE11模型建立水流與水質(zhì)模型，采用線性規(guī)劃法，以入淮河干流Ⅲ類水為水質(zhì)目標(biāo)，計(jì)算沙潁河安徽段水環(huán)境容量并分析其動(dòng)態(tài)特征。結(jié)果表明：沙潁河安徽段CODM。和氨氮年水環(huán)境容量分別為2.39萬(wàn)、0.76萬(wàn)t/a：受流量及上游水質(zhì)影響，COD和氨氮水環(huán)境容量月變化較大，8月水環(huán)境容量最大，分別為3 557、1363 t，3月水環(huán)境容量最小，分別為621、181 t;上游水質(zhì)對(duì)沙潁河安徽段水環(huán)境容量影響顯著。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境容量;水質(zhì)模型;線性規(guī)劃法;沙潁河

中圖分類號(hào)：X522

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn. 1000- 13 79.2019.01. 018

水環(huán)境容量是指水體環(huán)境在規(guī)定的環(huán)境目標(biāo)下所能容納的污染負(fù)荷[1]。水環(huán)境容量與水體特征、水質(zhì)目標(biāo)及污染物特性有關(guān)，同時(shí)還與污染物的排放方式及排放的時(shí)空分布密切相關(guān)[2]，是容量總量控制的核心內(nèi)容之一[3]。水環(huán)境容量計(jì)算的基本思路：通過(guò)解析或數(shù)值等方法計(jì)算河流的水流過(guò)程及污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，建立污染負(fù)荷排放與水質(zhì)響應(yīng)的關(guān)系，基于給定的環(huán)境目標(biāo)（如水質(zhì)目標(biāo)）計(jì)算指定區(qū)域所能容納的最大污染負(fù)荷。對(duì)于特定的河流，在水質(zhì)目標(biāo)不變的情況下，由于水文特征、自凈能力和排污口排污方式的時(shí)空變異性，因此水環(huán)境容量是隨時(shí)間和空間變化的。流域?qū)嶋H的水環(huán)境容量需要針對(duì)實(shí)際背景條件計(jì)算，即計(jì)算動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量[4]。水環(huán)境容量的計(jì)算方法主要包括公式法、模型試錯(cuò)法、系統(tǒng)最優(yōu)化法（如線性規(guī)劃法和隨機(jī)規(guī)劃法）、概率稀釋模型法和模糊數(shù)學(xué)法[5-6]，其中系統(tǒng)最優(yōu)化法適用范圍廣，對(duì)邊界條件和設(shè)計(jì)流量的適應(yīng)能力較強(qiáng)，是目前水環(huán)境容量計(jì)算的主流方法之一[7]。

本研究以沙潁河流域安徽段為例，采用系統(tǒng)最優(yōu)化法中的線性規(guī)劃法計(jì)算水環(huán)境容量。整體思路：根據(jù)排污數(shù)據(jù)和水功能區(qū)劃確定排污口和控制斷面的位置：通過(guò)河流水流和水質(zhì)數(shù)值模擬，建立排污口與控制斷面的水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系，計(jì)算實(shí)際本底濃度值和各排污口負(fù)荷貢獻(xiàn)度：建立線性最優(yōu)化模型，計(jì)算流域水環(huán)境容量并分析其動(dòng)態(tài)特征。

1 研究區(qū)概況

沙潁河是淮河最大的一級(jí)支流，全長(zhǎng)624 km，流域面積39 980 km2。沙潁河流域年平均氣溫約15℃，年平均降水量約700 mm/a。沙潁河流域跨越河南和安徽兩省，在安徽境內(nèi)長(zhǎng)208 km，流域面積4% km2，占沙潁河流域總面積的10%。沙潁河在安徽境內(nèi)被稱為潁河，其主要支流為汾泉河（見(jiàn)圖1）。雖然沙潁河流域僅占淮河流域總面積的1/7，但其污染負(fù)荷排放量占淮河流域的1/3。近年來(lái)，隨著工業(yè)發(fā)展和人口增長(zhǎng)，沙潁河水質(zhì)日趨惡化，污染嚴(yán)重，水質(zhì)劣于V類的水功能區(qū)占總數(shù)的60%[8]。為控制流域水污染，實(shí)現(xiàn)沙潁河人淮河水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水的目標(biāo)，需要制定科學(xué)合理的污染控制方案，而河流的納污能力（水環(huán)境容量）是制定該方案的基礎(chǔ)。

沙潁河安徽段的主要污染物來(lái)自城鎮(zhèn)生活廢水排放和工業(yè)點(diǎn)源污染。根據(jù)2012年安徽省環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該段共有排污口約166個(gè)，其空間分布及排污負(fù)荷見(jiàn)圖2。

為計(jì)算水環(huán)境容量，采用重心概化法將干流沿岸的排污口概化為6個(gè)排污口。

2 數(shù)值模擬

2.1 水流模擬

河流水流過(guò)程是水質(zhì)模擬和水環(huán)境容量計(jì)算的基礎(chǔ)，采用數(shù)值方法模擬水流過(guò)程。研究?jī)H考慮污染物沿河流流向的一維遷移過(guò)程[9]，因此選用一維水動(dòng)力模型MIKE11的HD模塊模擬河流徑流量。MIKE11水動(dòng)力計(jì)算模型是基于一維非恒定流Saint -Venant方程組來(lái)模擬河流或河口的水流狀態(tài).Saint - Venant方程組為

對(duì)式（1）采用Abbott -Ionescu六點(diǎn)隱式有限差分格式求解。剖分網(wǎng)格尺寸最大值為5 000 m，并在局部加密，共生成179個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。時(shí)間步長(zhǎng)為5 min，總計(jì)算時(shí)段為2 a（2011-01-01-2012-12-31）。以界首閘和沈丘閘實(shí)測(cè)日流量為上游流量邊界，以潁上閘實(shí)測(cè)日河水位為下游水位邊界，初始河水位通過(guò)上下游觀測(cè)水位線性插值獲得。采用阜陽(yáng)閘和潁上閘的實(shí)測(cè)日流量與水位進(jìn)行模型率定驗(yàn)證，率定期為2011年，驗(yàn)證期為2012年。根據(jù)MIKE11模型按過(guò)水?dāng)嗝嬖O(shè)置糙率的方法，將斷面分為上、中、下三部分，率定參數(shù)為斷面上、中、下三部分的曼寧糙率n。研究區(qū)河道斷面變化較大，為有效校正模型[10].斷面三部分的初始n值均為0.02[11]?；谟^測(cè)流量和水位，通過(guò)調(diào)整參數(shù)，獲得最佳擬合參數(shù)。

2012年阜陽(yáng)閘和潁上閘流量與水位的模擬值與觀測(cè)值見(jiàn)圖3、圖4.其中：2012年阜陽(yáng)閘流量的相對(duì)誤差為11.4%（Nash系數(shù)為0.83），水位的相對(duì)誤差為5.3%（Nash系數(shù)為0.93）;潁上閘流量的相對(duì)誤差為12.3%（Nash系數(shù)為0.75），水位的相對(duì)誤差為0.3%（Nash系數(shù)為0.97）。模擬結(jié)果基本符合實(shí)際水文情況。通過(guò)驗(yàn)證，獲得斷面上、中、下三部分的n值分別為0.020，0.022和0.025。驗(yàn)證的水流模型可用于河流COD和氨氮運(yùn)移模擬以及水環(huán)境容量計(jì)算。

2.2 水質(zhì)模擬

污染物在河流中遷移的控制方程為一維對(duì)流彌散方程，考慮一級(jí)降解，其方程為

式（3）主要參數(shù)是彌敢度a和降解系數(shù)k，筆者參考沙潁河流域已有研究成果[12]，選取合適的彌散度a，見(jiàn)表1。姚瑞珍[13]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)方法確定了CODM。和氨氮在河流中的初始降解系數(shù)k分別為0.053 6和0.034 9，并基于實(shí)測(cè)楊湖斷面水質(zhì)，通過(guò)敏感度分析及手動(dòng)調(diào)整參數(shù)，獲得了最佳擬合參數(shù)，見(jiàn)表1。2011年楊湖斷面水質(zhì)模擬值和實(shí)測(cè)值見(jiàn)圖5，其中COD模擬的相對(duì)誤差為28%，氨氮模擬的相對(duì)誤差為10%.水質(zhì)模型基本符合實(shí)際情況，可用于沙潁河安徽段的水環(huán)境容量計(jì)算。

數(shù)值模型網(wǎng)格剖分方式及尺寸與水流模型相同，計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置與水流交叉分布。模擬時(shí)間步長(zhǎng)與計(jì)算時(shí)段亦與水流模型設(shè)置相同。以往水環(huán)境容量計(jì)算以水質(zhì)目標(biāo)值代替上游來(lái)水水質(zhì)的真實(shí)值，忽略了上游輸入的污染負(fù)荷對(duì)計(jì)算河段環(huán)境容量的影響。研究區(qū)上游為豫皖省界斷面，該斷面水質(zhì)的變化對(duì)安徽段水環(huán)境容量有不可忽略的影響，因此以上游豫皖省界斷面每周觀測(cè)的水質(zhì)為模型上游邊界的濃度進(jìn)行計(jì)算。

為獲取研究區(qū)河流的背景值（考慮上游污染負(fù)荷輸入）.以上游豫皖省界斷面實(shí)測(cè)水質(zhì)為模型上游邊界，假設(shè)區(qū)內(nèi)排污量為0，計(jì)算2011-2012年河流污染物濃度。由于研究區(qū)實(shí)測(cè)水質(zhì)資料缺乏，無(wú)法給定符合實(shí)際的初始濃度，因此采用數(shù)值模擬方法估算初始條件影響范圍，以此消除初始條件對(duì)水質(zhì)模擬的影響。具體方法為，假設(shè)4組COD和氨氮的初始濃度值（C0）分別為1、5、10、15 mg/L。采用上述邊界條件及參數(shù)，計(jì)算人淮口濃度時(shí)間序列（見(jiàn)圖6）。從圖6可以看出，當(dāng)COD和氨氮模擬時(shí)間為50 d時(shí)，初始條件的影響可忽略（濃度差別小于0.03 mg/L）。因此選取第51 d的模擬濃度值為初始條件，作為河流背景濃度值的估算值，用于河流氨氮和COD的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程模擬。

3 水環(huán)境容量計(jì)算

針對(duì)水功能區(qū)劃及水質(zhì)目標(biāo)[8]，劃定3個(gè)水環(huán)境容量計(jì)算單元及相應(yīng)的控制斷面（見(jiàn)圖2），控制斷面的水質(zhì)目標(biāo)均為Ⅲ類。以往的水環(huán)境容量研究大都采用單一的水文設(shè)計(jì)條件，而根據(jù)不同的水文條件計(jì)算出的結(jié)果差別較大，利用最枯流量計(jì)算的結(jié)果往往嚴(yán)重低于實(shí)際環(huán)境容量值[14]。為了解實(shí)際動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量動(dòng)態(tài)特征，從2010-2014年日觀測(cè)數(shù)據(jù)中選取2012年作為水文設(shè)計(jì)條件，通過(guò)線性規(guī)劃模型及水質(zhì)模擬，計(jì)算出各排污口允許最大日排污量及河流日環(huán)境容量，累加可得排污口允許最大年排污量和河流月環(huán)境容量。

由于對(duì)流彌散方程是線性的，具有可疊加性，因此可以把多個(gè)排污口對(duì)控制斷面水質(zhì)的綜合影響劃分為單個(gè)排污口對(duì)其影響的線性疊加[15]?；诏B加原理，李適宇等[16]提出貢獻(xiàn)度的概念，結(jié)合線性規(guī)劃法求解環(huán)境容量。該方法的思路：設(shè)某個(gè)排污口（i）單位時(shí)間排放單位負(fù)荷，而其他排污口無(wú)負(fù)荷量排放，背景濃度值為0，采用一維水質(zhì)模型計(jì)算各水質(zhì)控制斷面（j）的濃度值，該濃度值即為i排污口對(duì)各斷面的污染貢獻(xiàn)度（a）;改變排污口，重復(fù)以上步驟，即可求出每個(gè)排污口的污染貢獻(xiàn)度：基于排污口的污染貢獻(xiàn)度，考慮河流背景濃度值，以控制斷面水質(zhì)目標(biāo)為約束，建立線性規(guī)劃模型的約束條件，確定目標(biāo)函數(shù)，即總排污負(fù)荷最大（環(huán)境容量）。具體目標(biāo)函數(shù)為

4 結(jié)果與討論

4.1 排污口環(huán)境容量

采用MIKE11模型計(jì)算出各排污口對(duì)各控制斷面COD和氨氮的貢獻(xiàn)度，年均日貢獻(xiàn)度見(jiàn)表2、表3（其中0表示排污口不在此斷面控制范圍內(nèi)）?？梢钥闯?，排污口1#、2#、3#對(duì)控制斷面I的貢獻(xiàn)度基本相等;僅排污口6#對(duì)控制斷面Ⅱ有貢獻(xiàn);所有排污口對(duì)控制斷面Ⅲ均有貢獻(xiàn)，其中排污口5#貢獻(xiàn)度最大，排污口6#貢獻(xiàn)度最小。排污口離控制斷面越近，貢獻(xiàn)度越大，即排污口對(duì)控制斷面的影響隨距離的減小而增大。

基于排污口對(duì)各斷面的貢獻(xiàn)度，利用線性規(guī)劃模型計(jì)算出2012年各排污口的環(huán)境容量，結(jié)果見(jiàn)圖7。沙潁河安徽段COD環(huán)境容量約2.39萬(wàn)t/a，氨氮環(huán)境容量約0.76萬(wàn)t/a。其中：排污口5#的COD和氨氮容量最大，分別為7 892、2 970 t/a，占總水環(huán)境容量的38.90/0和32.9%;排污口3#的COD和氨氮環(huán)境容量最小，分別為948、165 t/a，僅占總水環(huán)境容量的3.9%和2.2%。原因是：排污口5#主要受斷面Ⅲ控制，對(duì)斷面I和斷面Ⅱ的貢獻(xiàn)度為0，受到的限制較小;而排污口3#對(duì)斷面I和斷面Ⅲ的貢獻(xiàn)度較大，受到的限制較大。排污口4#、5#、6#的環(huán)境容量較大，而排污口1#、2#、3#的環(huán)境容量較小，原因是上游來(lái)水（省界斷面）COD和氨氮濃度較大，大部分時(shí)期超過(guò)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，余留的環(huán)境容量小，而隨水流過(guò)程中污染物的降解和稀釋，下游的環(huán)境容量逐漸增大。

4.2 月環(huán)境容量變化分析

2012年沙潁河安徽段月水環(huán)境容量及河流月徑流量見(jiàn)圖8。從圖8可知，COD和氨氮水環(huán)境容量年內(nèi)變幅較大，豐水期（7-10月）環(huán)境容量較大，枯水期（11月至翌年5月）環(huán)境容量較小。COD和氨氮環(huán)境容量均在8月最大，分別為3 557、1363 t;COD和氨氮環(huán)境容量在3月最小，分別為621、181 t;氨氮和COD環(huán)境容量的變化趨勢(shì)與徑流量不完全一致，1-7月徑流量逐漸減少，而COD和氨氮環(huán)境容量逐漸增大，直到8月隨徑流量增大而達(dá)到頂峰，說(shuō)明水環(huán)境容量受徑流量、上游來(lái)水水質(zhì)等因素的綜合影響。

4.3 省界水質(zhì)對(duì)環(huán)境容量的影響

為分析省界斷面水質(zhì)對(duì)沙潁河安徽段環(huán)境容量的影響，設(shè)定3種情景討論環(huán)境容量的變化。情景1為省界斷面COD和氨氮濃度為0（即無(wú)負(fù)荷補(bǔ)給）、背景CODM。和氨氮濃度為0，計(jì)算水環(huán)境容量（L0）;情景2為省界斷面水質(zhì)為Ⅲ類水（水質(zhì)目標(biāo)），計(jì)算水環(huán)境容量（L）;情景3為省界斷面COD氨氮濃度為實(shí)測(cè)值（實(shí)際情況），計(jì)算COD、氨氮環(huán)境容量（L）。

3種情景月水環(huán)境容量見(jiàn)圖9。在無(wú)上游污染負(fù)荷輸入的情景1下，環(huán)境容量最大，COD、氨氮年容量分別為36.0萬(wàn)、9.1萬(wàn)t：上游污染負(fù)荷達(dá)標(biāo)排放情景下，環(huán)境容量較小，河段的環(huán)境容量主要來(lái)自CODM。和氨氮在河流中天然降解量.COD、氨氮年容量分別為17.5萬(wàn)、5.5萬(wàn)t;情景3，環(huán)境容量最小，COD、氨氮年容量分別為1.96萬(wàn)、0.62萬(wàn)t.水環(huán)境容量?jī)H約為情景2的9%。COD和氨氮的環(huán)境容量均為L(zhǎng)0>L>L，說(shuō)明上游水質(zhì)越差，水環(huán)境容量越小。

2012年豫皖省界斷面水質(zhì)情況見(jiàn)圖10.由圖10可知，COD的超標(biāo)率在泉河省控?cái)嗝孢_(dá)到55%，在潁河省控?cái)嗝孢_(dá)到29%：氨氮的超標(biāo)率在泉河省控?cái)嗝孢_(dá)到18%.在潁河省控?cái)嗝孢_(dá)到46%，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率較低。其中，COD超標(biāo)時(shí)間主要為1-6月，氨氮超標(biāo)時(shí)間主要為1-6月（潁河省控?cái)嗝妫┖?-9月（泉河省控?cái)嗝妫?。由此可?jiàn)，水環(huán)境容量除受河流流量控制外，還受上游水質(zhì)的影響。

5 結(jié)論

基于河流流量及水質(zhì)觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用MIKE11水流及水質(zhì)模型，結(jié)合線性規(guī)劃法，計(jì)算沙潁河流域安徽段水環(huán)境容量，并分析水環(huán)境容量影響因素，結(jié)果表明：MIKE11模型對(duì)水文和水質(zhì)的模擬基本符合實(shí)際水文情況，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致;沙潁河安徽段COD№、氨氮年環(huán)境容量總和約為2.39萬(wàn)、0.76萬(wàn)t/a，COD和氨氮水環(huán)境容量年內(nèi)變幅較大，8月容量最大，分別為3 557、1 363 t，3月容量最小，分別為621、181 t：上游水質(zhì)對(duì)沙潁河安徽段水環(huán)境容量影響較大，實(shí)際水環(huán)境容量?jī)H為上游水質(zhì)達(dá)標(biāo)（Ⅲ類水）前提下理論水環(huán)境容量的9%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張玉清，張?zhí)N華，張景霞，河流功能區(qū)水污染物容量總量控制的原理和方法[J].環(huán)境科學(xué)，1998，19（增刊1）：23-33.

[2] 張永良，水環(huán)境容量基本概念的發(fā)展[J].環(huán)境科學(xué)研究，1992，5（3）：59-61.

[3]孟偉，張楠，張遠(yuǎn)，等，流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究（I）：控制單元的總量控制技術(shù)[J].環(huán)境科學(xué)研究，2007，20 （4）：1—8.

[4]姜欣，許士國(guó)，練建軍，等，北方河流動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量分析與計(jì)算[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，29（4）：409-414.

[5]鄭孝宇，褚君達(dá)，朱維斌，河網(wǎng)非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境容量研究[J].水科學(xué)進(jìn)展，1997，8（1）：25-31.

[6]周孝德，郭瑾瓏，程文，等，水環(huán)境容量計(jì)算方法研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，15（3）：1-6.

[7] 董飛，劉曉波，彭文啟，等，地表水水環(huán)境容量計(jì)算方法回顧與展望[J].水科學(xué)進(jìn)展，2014，25（3）：451-463.

[8]郝守寧，潁河流域水功能區(qū)面源污染控制研究[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2014：1-2.

[9]逄勇，陸桂華，水環(huán)境容量計(jì)算理論及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2010：4.

[10] 中國(guó)環(huán)境規(guī)劃院，全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南[R].北京：中國(guó)環(huán)境規(guī)劃院，2003：46-76.

[11] 陳煉鋼，施勇，錢新，等，閘控河網(wǎng)水文一水動(dòng)力一水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型：Ⅱ應(yīng)用[J].水科學(xué)進(jìn)展，2014，25（6）：856-863.

[12] 劉玉年，施勇，程緒水，等，準(zhǔn)河中游水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度模型研究[J].水科學(xué)進(jìn)展，2009，20（2）：177-183.

[13] 姚瑞珍，人工控制的半封閉河流水環(huán)境容量測(cè)算研究：以老府河為實(shí)例[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006：34-43.

[14] 李紅亮，王樹(shù)峰，不同設(shè)計(jì)水文條件下河北省水功能區(qū)納污能力研究[J].南水北調(diào)與水利科技，2010，8（3）：68-70.

[15] LIS Y， TOHRU M. Optimal Allocation of Waste Loadsin aRiver with Probabilistic Tributary Flow Under TransverseMixing[ J]. Water Environment Research， 1999， 71（2）： 156-162.

[16] 李適宇，李耀初，陳炳祿，等，分區(qū)達(dá)標(biāo)控制法求解海域環(huán)境容量[J].環(huán)境科學(xué)，1999，20（4）：97-100.