永定河流域張家口段水質(zhì)模擬及水環(huán)境容量研究*

洪夕媛 雷 坤 孫明東 程全國#

(1.沈陽大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110044；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

水環(huán)境容量是指水體在設(shè)計水文條件和規(guī)定的環(huán)境目標(biāo)下所能容納的最大污染物量[1]，水環(huán)境容量是污染物總量控制的主要參考依據(jù)。構(gòu)建水質(zhì)模型對于掌握水體中污染物的變化規(guī)律、降低水污染的風(fēng)險和損失、保證水安全和水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義，是水環(huán)境容量計算必不可少的前提條件[2]。目前，常用的水質(zhì)模型主要有WASP模型[3]、SWAT模型[4]、MIKE模型[5]、QUAL系列模型[6]、EFDC水質(zhì)模型[7]等。QUAL2K一維水動力水質(zhì)模型是美國環(huán)境保護(hù)署(USEPA)開發(fā)的QUAL系列模型的最新版本，近年來許多國內(nèi)外學(xué)者將它用于流域河流污染控制和水質(zhì)管理中。劉瑾等[8]應(yīng)用QUAL2K模型對渾河流域沈陽段氨氮進(jìn)行了水質(zhì)模擬分析，得到氨氮在不同水期下的變化趨勢；CHAUDHARY等[9]采用QUAL2K模型模擬印度穆亞納河和巴拉河枯水期DO和BOD的變化，旨在評估河流在不同情境下基于水質(zhì)的最小環(huán)境流量。

永定河是海河流域七大水系之一，屬于典型的北方季節(jié)性河流，天然徑流缺乏以及流域內(nèi)人口密集導(dǎo)致河體水污染嚴(yán)重、水環(huán)境容量嚴(yán)重不足。永定河被譽(yù)為北京市的“母親河”，洋河與桑干河為上游兩大支流，兩河共同匯入官廳水庫后進(jìn)入北京市，其上游水質(zhì)改善極其重要。為此，本研究通過構(gòu)建QUAL2K模型模擬永定河流域張家口段不同污染物在不同水期下的水質(zhì)變化規(guī)律，采用解析法進(jìn)行常規(guī)污染物COD、氨氮、總磷(TP)的水環(huán)境容量計算，使得水環(huán)境容量能夠被充分利用，為永定河流域在總量控制和水質(zhì)目標(biāo)管理上提供切實有效的幫助。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為張家口市境內(nèi)官廳水庫上游流域，流域面積17 713 km2，占永定河流域總面積的38%，境內(nèi)主要包括洋河、桑干河、清水河和壺流河，河流長度分別為164.57、152.2、97.67、63.24 km。該地氣候?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均降水量在400 mm左右，地勢西北高東南低。為了便于水污染控制及管理，將研究區(qū)域劃分為12個控制單元(記為C1～C12)，研究區(qū)域及控制單元分布見圖1。

1—左衛(wèi)；2—響水堡；3—雞鳴驛；4—八號橋；5—小渡口；6—溫泉屯；7—石匣里；8—北泵房；9—老鴉莊圖1 研究區(qū)域概況及監(jiān)測斷面Fig.1 Schematic diagram of research area and montioring section

1.2 QUAL2K模型

QUAL2K模型根據(jù)水量平衡原理進(jìn)行水力模擬，以計算單元為基本單位，流量平衡方程見式(1)。該模型水質(zhì)模擬依據(jù)一維平流-擴(kuò)散物質(zhì)運輸和反應(yīng)方程，它考慮了水質(zhì)組分的平流擴(kuò)散、稀釋、外源輸入和變化的響應(yīng)，同時考慮了點源與非點源負(fù)荷的影響，水質(zhì)方程見式(2)。

Qi=Qi-1+Qin，i-Qout，i

(1)

式中：Qi為計算單元i到計算單元i+1的出流流量，m3/s；Qi-1是計算單元i-1到計算單元i的入流流量，m3/s；Qin，i為點源和非點源污染直接匯入計算單元i的總流量，m3/s；Qout，i為點源和非點源直接流出計算單元i的總流量，m3/s。

(2)

1.3 水環(huán)境容量計算

參考文獻(xiàn)[10]，本研究將水環(huán)境容量解析公式與QUAL2K模型進(jìn)行耦合，得到水環(huán)境容量計算公式，見式(3)。對控制單元內(nèi)所屬河段的水環(huán)境容量匯總，即可得到控制單元的水環(huán)境容量。

(3)

式中：W為河段的水環(huán)境容量，kg/d；CN為與水域功能相對應(yīng)的水質(zhì)目標(biāo)，mg/L；C0為河段內(nèi)污染物平均質(zhì)量濃度，mg/L；Q為QUAL2K模擬計算的河段內(nèi)流量，m3/s；K為污染物轉(zhuǎn)化系數(shù)(包括COD氧化速率、氨氮硝化速率、有機(jī)磷水解速率、有機(jī)磷沉降速率等)，d-1；L為河段長度，km；U為河段平均流速，m/s。

1.4 設(shè)計流量

設(shè)計流量的大小決定了水環(huán)境容量的大小，根據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》(GB/T 25173—2010)，河流的設(shè)計流量應(yīng)采用近10年最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量。但北方河流枯水期流量很小甚至斷流，在90%保證率下的流量幾乎為零，因此可選擇近10年最枯月75%保證率進(jìn)行對比計算[11]。

本研究選取2002—2017年流量不為零的最小月逐日平均流量作為樣本，設(shè)計流量選取最枯月75%保證率對應(yīng)的流量。采用水文保證率法，求得水文變量設(shè)計值與頻率間的定量關(guān)系，確定干流及其主要支流(清水河、桑干河)75%保證率條件下的設(shè)計流量，結(jié)果見表1。

表1 干流及支流設(shè)計流量Table 1 Design flow of main stream and tributary stream

1.5 數(shù)據(jù)來源

水質(zhì)目標(biāo)來源于《河北省水環(huán)境功能區(qū)劃》，監(jiān)測斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于張家口市環(huán)境科學(xué)研究院，水文數(shù)據(jù)來源于海河流域水文年鑒中各水文站2002—2017年數(shù)據(jù)，點源與非點源的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于《2017年河北省環(huán)境統(tǒng)計年鑒》以及2017年河北省第二次全國污染源普查數(shù)據(jù)；模型中的氣象數(shù)據(jù)均選自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)2017年數(shù)據(jù)。

2 QUAL2K模型的構(gòu)建

2.1 河段的劃分

建立模型的首要工作就是進(jìn)行河段的劃分[12]，詳細(xì)劃分原則參見文獻(xiàn)[13]。本研究主要依據(jù)控制單元邊界以及支流入干河口位置進(jìn)行水系的劃分，模型構(gòu)建以洋河為主干流，支流設(shè)定為南洋河、清水河、桑干河和壺流河。劃分結(jié)果為:洋河干流共劃分9個河段48個計算單元、桑干河7個河段22個計算單元、清水河4個河段15個計算單元，壺流河1個河段10個計算單元，南洋河1個河段6個計算單元，共計22個河段101個計算單元。河段劃分結(jié)果見圖2。

圖2 河段劃分Fig.2 Schematic diagram of river segmentation

2.2 入河污染負(fù)荷估算

QUAL2K模型考慮點源與非點源污染對河流的影響，遂進(jìn)行點源與非點源的入河量核算。由于該流域降雨季節(jié)性變化十分顯著，地表徑流又是非點源污染產(chǎn)生的原動力，因此將全年劃分為不同水期進(jìn)行計算更為準(zhǔn)確可靠。水期劃分為：5—9月為豐水期，3、4、10、11月為平水期，1、2、12月為枯水期。

(1) 點源入河量核算方法：流域內(nèi)點源包括城鎮(zhèn)生活污水處理廠14家和直接排放工業(yè)廢水企業(yè)2家，入河系數(shù)均設(shè)置為1，模型假定點源全年平均排污。

(2) 非點源入河量核算方法：分別采用輸出系數(shù)模型、輸出量估算法、產(chǎn)污系數(shù)法對流域內(nèi)農(nóng)村生活污染、分散畜禽養(yǎng)殖污染以及農(nóng)田徑流污染進(jìn)行核算，核算方法參照文獻(xiàn)[14]。基于文獻(xiàn)查閱，本研究將響水堡及石匣里上游的非點源入河系數(shù)設(shè)置為0.05，下游設(shè)置為0.10[15]。模型中非點源的入流流量通過控制單元面積、控制單元降雨量以及徑流系數(shù)(取值為0.1)三者的乘積除以時間計算得到。

2.3 參數(shù)的率定

2.3.1 水力學(xué)參數(shù)的計算

QUAL2K模型適用于橫向和縱向混合良好的河流，因此假設(shè)平流和彌散僅沿主流方向發(fā)生，每個計算單元都可以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流量平衡。當(dāng)?shù)玫搅髁繑?shù)據(jù)后，根據(jù)流速—流量關(guān)系、水深—流量關(guān)系的經(jīng)驗方程(見式(4)、式(5))求得流速和水深。

U=aQb

(4)

H=αQβ

(5)

式中：H為水深，m；a、b、α、β均為經(jīng)驗系數(shù)，b和β之和需小于1。

通過計算得到的各河流水力參數(shù)結(jié)果見表2。

表2 各河流水力參數(shù)Table 2 Hydraulic parameters of rivers

2.3.2 水質(zhì)參數(shù)的率定

采用2017年1—12月左衛(wèi)、老鴉莊、北泵房、響水堡、雞鳴驛、石匣里、溫泉屯、小渡口以及八號橋斷面的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)率定，按豐、平、枯三個水期進(jìn)行率定。水質(zhì)數(shù)據(jù)的輸入為各水期監(jiān)測斷面的平均值。

本研究需率定的參數(shù)包括COD氧化速率、氨氮硝化速率、有機(jī)磷水解速率、有機(jī)磷沉降速率，其他參數(shù)均采用模型推薦值。通過對降解系數(shù)的不斷調(diào)整得到最終率定結(jié)果，其中COD氧化速率為0.10～0.35 d-1；氨氮硝化速率為0.10～0.60 d-1；有機(jī)磷水解速率為0.20～0.40 d-1；有機(jī)磷沉降速率為1.00 d-1，率定結(jié)果與國內(nèi)外相關(guān)研究基本一致。

3 結(jié)果與分析

3.1 入河污染負(fù)荷結(jié)果分析

根據(jù)2.2節(jié)的方法對不同控制單元點源與非點源入河量進(jìn)行核算，結(jié)果見表3?？梢钥闯?，研究區(qū)COD、氨氮和TP的污染物入河總量分別為6 949.2、395.9、222.9 t/a。流域內(nèi)污染物主要來源于非點源；COD的入河污染以畜禽養(yǎng)殖和點源(主要為城鎮(zhèn)生活污水)為主，氨氮入河污染以農(nóng)田徑流和點源為主，TP入河污染主要來自農(nóng)田徑流，其他3類污染源排放入河的TP量總體相近。

表3 入河污染物排放量Table 3 Pollutants discharge into the river t/a

3.2 模型驗證及分析

采用2018年各水期水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的驗證，計算步長設(shè)置為6 min。以洋河豐水期、平水期、枯水期為例，COD、氨氮、TP的驗證結(jié)果見圖3。

注：圖中上游到下游4個監(jiān)測斷面依次為左衛(wèi)、響水堡、雞鳴驛、八號橋。圖3 洋河水質(zhì)模擬驗證Fig.3 Water quality simulation verification of Yanghe River

由圖3可以看出，模型模擬值的沿程變化趨勢與實測值基本相符，不同污染物濃度的峰值普遍出現(xiàn)在洋河中下游。在洋河上游55 km處左右，南洋河匯入洋河，該位置水質(zhì)模擬結(jié)果均出現(xiàn)小峰值，清水河在洋河86 km處匯入洋河，由于清水河水質(zhì)較差，水質(zhì)模擬結(jié)果有一個顯著升高的過程，使洋河COD、氨氮和TP濃度均達(dá)到峰值。洋河下游115～135 km處為點源集中排放處，由于污水排放量較大且集中，除了豐水期、枯水期TP外，水質(zhì)模擬結(jié)果開始緩慢下降。洋河下游135～160 km，由于河流本身對污染物有降解稀釋作用，水質(zhì)模擬結(jié)果繼續(xù)下降。桑干河在洋河161 km處與洋河匯合，由于桑干河水質(zhì)略差，短距離內(nèi)污染物濃度上升迅速，模擬結(jié)果也有一個顯著升高的趨勢，最后經(jīng)過八號橋斷面流入官廳水庫庫區(qū)。

水質(zhì)模擬的精度可用決定系數(shù)R2進(jìn)行評測，R2越接近1表明模擬效果更好。由表4可見，模型對于不同水期的水質(zhì)模擬效果表現(xiàn)為豐水期>枯水期>平水期，平水期模擬效果較差，其原因為流域內(nèi)建有大量水利水電設(shè)施，分別位于洋河上游的友誼水庫、桑干河上游的冊田水庫以及壺流河上游的壺流河水庫，均為流域內(nèi)大型水庫，由于水庫枯水期冰凍，主要在平水期進(jìn)行水量調(diào)節(jié)以滿足工農(nóng)業(yè)用水需求，這些水庫不定期不定量的蓄水與下泄，對河道內(nèi)的流量和水質(zhì)均產(chǎn)生了影響，因此平水期水質(zhì)模擬效果較差；模型對于不同污染因子濃度變化的模擬效果表現(xiàn)為氨氮>COD>TP，說明QUAL2K模型對硝化反應(yīng)過程的模擬優(yōu)于對生化耗氧過程及有機(jī)磷溶解過程的模擬。

表4 R2計算結(jié)果Table 4 Calculation result of R2

3.3 水環(huán)境容量計算結(jié)果分析

結(jié)合《河北省水環(huán)境功能區(qū)劃》中各河段水質(zhì)目標(biāo)要求，將上述模型河段的劃分對應(yīng)到各控制單元上，得到各控制單元不同水期的最大允許排放量，即水環(huán)境容量，結(jié)果見表5。

表5 水環(huán)境容量計算結(jié)果Table 5 Calculation result of water environment capacity

由表5可以看出，研究區(qū)COD、氨氮、TP全年水環(huán)境容量分別為4 737.4、762.3、84.0 t/a。其中枯水期C9～C11控制單元COD出現(xiàn)負(fù)值，這是由于枯水期排污過多導(dǎo)致，表示該控制單元不能繼續(xù)承擔(dān)污染物的排放，應(yīng)進(jìn)行污染物的削減，正值表示仍有剩余環(huán)境容量，可接納新增污染源排污。通過對流域內(nèi)不同水期的水環(huán)境容量計算發(fā)現(xiàn)，豐水期和平水期COD水環(huán)境容量差別不明顯，平水期水體的COD和TP納污能力最強(qiáng)，這相比于普遍認(rèn)知的豐水期納污能力強(qiáng)有所不同，主要與流域內(nèi)眾多大型水庫對河流的水量調(diào)節(jié)集中在平水期密切相關(guān)，考慮到水環(huán)境容量影響因素，流量的增大必定會引起水環(huán)境容量的增加。TP在豐水期的水環(huán)境容量相對較小，這與上述TP的污染來源分析相呼應(yīng)，該流域TP的主要來源為農(nóng)田徑流，而非點源流入河流的原動力便是降水，豐水期時降雨量多且北方大部分農(nóng)作物耕作時間多集中于此，從而導(dǎo)致流入河流的TP增多，而枯水期幾乎不降水，因此豐水期水體對該流域TP的納污能力較弱。

目前研究的水環(huán)境容量均是非理想狀態(tài)下、考慮水質(zhì)目標(biāo)以及一定設(shè)計水文條件下的河流最大容許納污量，隨著水質(zhì)的改善，水環(huán)境容量亦會隨之增大。楊喆等[16]對2012年張家口流域的水環(huán)境容量進(jìn)行了計算，其結(jié)果(COD、氨氮的水環(huán)境容量分別為3 755.94、234.1 t/a)和本研究相比較，本研究計算的各污染物的水環(huán)境容量均增大。水環(huán)境容量增大的主要原因是流域水質(zhì)的改善，距上游最近的監(jiān)測斷面(左衛(wèi))2017年污染物濃度低于2012年，且隨著張家口市政府對沿河企業(yè)的排污監(jiān)管，直排企業(yè)的數(shù)量也從之前的數(shù)十家變成現(xiàn)在的兩家，這表明水環(huán)境治理會導(dǎo)致河流水質(zhì)的改善，從而使河流具備更強(qiáng)的納污能力。

對于削減量的計算，流域內(nèi)COD污染入河總量6 949.2 t/a，應(yīng)削減2 211.8 t/a，削減量占污染入河總量的31.8%；氨氮污染入河總量為395.9 t/a，減去現(xiàn)狀負(fù)荷后剩余水環(huán)境容量366.4 t/a，可繼續(xù)對其進(jìn)行負(fù)荷分配；TP污染入河總量為222.9 t/a，需削減138.9 t/a，削減量占TP入河總量的62.3%，削減任務(wù)較繁重。因此，通過模擬流域河流水質(zhì)的變化過程及水環(huán)境容量的計算，清水河、壺流河和桑干河下游應(yīng)著重加強(qiáng)流域內(nèi)種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)含磷污染源的管控，充分利用畜禽糞便綜合利用技術(shù)，改善農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)等；對于洋河下游點源集中處，應(yīng)著重提升城鎮(zhèn)生活污水處理能力，降低污染物排放濃度，從而改善河流水質(zhì)。

4 結(jié) 語

(1) 點源、非點源污染負(fù)荷核算結(jié)果表明，該流域以非點源污染為主；COD、氨氮和TP的污染物入河總量分別為6 949.2、395.9、222.9 t/a。流域內(nèi)TP的污染來源主要為農(nóng)田徑流，COD的污染來源主要為城鎮(zhèn)生活污水和分散畜禽養(yǎng)殖，氨氮的污染來源主要為農(nóng)田徑流及城鎮(zhèn)生活污水。

(2) 利用QUAL2K構(gòu)建了永定河流域張家口段水動力水質(zhì)模型，以2017年例行監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定，得到COD氧化速率為0.10～0.35 d-1；氨氮硝化速率為0.10～0.60 d-1；有機(jī)磷水解速率為0.20～0.40 d-1；有機(jī)磷沉降速率為1.00 d-1，其模擬的水質(zhì)變化趨勢與實測值基本吻合。

(3) 研究區(qū)內(nèi)COD和氨氮個別控制單元在枯水期水環(huán)境容量出現(xiàn)負(fù)值，表明流域個別控制單元的排放量已經(jīng)超出水體納污能力，枯水期水體對于COD和氨氮納污能力較弱，而對TP納污能力相對較強(qiáng)。

(4) 研究區(qū)內(nèi)COD和TP負(fù)荷分別需要削減31.8%(2 211.8 t/a)和62.3%(138.9 t/a)，削減任務(wù)較重，氨氮有剩余水環(huán)境容量(366.4 t/a)，削減任務(wù)較輕。相關(guān)部門應(yīng)著重提升城鎮(zhèn)污水處理能力，加強(qiáng)對含磷污染源的管控，充分利用畜禽糞便綜合利用技術(shù)，改善農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，減少磷肥的使用。此外，水庫水量的調(diào)控對水質(zhì)模擬方面的影響還有待進(jìn)一步研究。