動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量研究
——以瀟河流域?yàn)槔?/h1>
2022-02-23 05:55:44張秀菊王寶斌徐小溪李秀平王靈生
中國農(nóng)村水利水電 2022年2期
張秀菊，王寶斌，徐小溪，李秀平，王靈生
（1.河海大學(xué)，南京210098；2.晉中市水利局，山西晉中030600）
0 引言
水環(huán)境容量即水體在符合水質(zhì)規(guī)定級(jí)別下單位時(shí)間內(nèi)所能容納的污染物總量，是不影響水體正常功能時(shí)的最大納污能力，也是環(huán)境部門用于確定某特定水域允許排入污染物的依據(jù)［1］。水環(huán)境容量計(jì)算量化了水域污染最大排放量，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水質(zhì)保護(hù)的紐帶［2］，故成為相關(guān)部門制定水環(huán)境管理目標(biāo)的基本依據(jù)，也是污染物總量控制的關(guān)鍵參數(shù)［3，4］，其大小與河道水文條件、目標(biāo)水質(zhì)、入河污染物有關(guān)［5］。現(xiàn)行的水環(huán)境容量計(jì)算方法通常以90%保證率下的設(shè)計(jì)枯水流量為計(jì)算條件［6］，采用一維或二維水質(zhì)模型計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果為某唯一數(shù)值，在管理控制上體現(xiàn)為河段年污染物排放量不超此計(jì)算結(jié)果。此種計(jì)算方法無法客觀反映河段水環(huán)境容量隨水文條件（如流量、流速等）而變化的規(guī)律，導(dǎo)致水環(huán)境管理中存在管控指標(biāo)與污染實(shí)際不相符、管理工作不精細(xì)等問題。因此，現(xiàn)行水環(huán)境容量核算方法存在對(duì)水環(huán)境變化與水文過程變化內(nèi)在聯(lián)系機(jī)理剖析不足，對(duì)水文過程動(dòng)態(tài)變化考慮不全的問題。
隨著對(duì)水環(huán)境容量研究的不斷深入，國內(nèi)外學(xué)者積極嘗試探索動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量的計(jì)算方法，近年來先后提出了線性規(guī)劃模型［7］、QUAL2K模型［8］、非均勻分布系數(shù)法［9］、水量水質(zhì)模型模擬水體污染擴(kuò)散場(chǎng)等方法［10，11］。Deng等［7］在建立水質(zhì)與污染物響應(yīng)方程的基礎(chǔ)上，利用線性規(guī)劃方法計(jì)算了長江口及近海區(qū)域CODMn和氨氮的水環(huán)境容量，由于考慮的約束條件有限，常出現(xiàn)與實(shí)際情況不吻合或不可行等問題。楊玉麟等［12］基于SMS水質(zhì)模型以蘑菇湖水庫為例進(jìn)行水質(zhì)模擬并計(jì)算水環(huán)境容量，針對(duì)性地提出了改善水庫水質(zhì)的污染控制方案。王衛(wèi)平等［13］基于QUAL2K 模型，采用模型試錯(cuò)法計(jì)算了九龍江北溪和西溪在年內(nèi)不同時(shí)期來水條件下不同河段的水環(huán)境容量，制定水污染物總量控制方案。李喬臻等［14］以邕江河段為例建立水環(huán)境容量數(shù)學(xué)模型，分析水環(huán)境容量與流量呈正相關(guān)、與上游來水中污染物濃度呈負(fù)相關(guān)，并提出保證水體功能前提下污染物排放總量的控制方案。張劍等［15］以渾太河流域?yàn)槔龑?duì)水環(huán)境容量進(jìn)行分期設(shè)計(jì)，反映其在不同時(shí)段的動(dòng)態(tài)變化，但水環(huán)境容量計(jì)算過程中沒有深入考慮背景濃度以及面源分配，降低了計(jì)算結(jié)果的精度。杜慧玲等［16］采用二維岸邊排放水質(zhì)模型，指出松花江干流哈爾濱段水環(huán)境容量在時(shí)間和空間尺度上分布不均勻。熊鴻斌等［17］以引江濟(jì)淮渦河段為例，采用基于水動(dòng)力水質(zhì)模型的稀釋比法計(jì)算了動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量。
目前，我國學(xué)者廣泛使用MIKE11 進(jìn)行水動(dòng)力與水質(zhì)耦合模擬［18，19］，而動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量是水文要素與水質(zhì)時(shí)空變化過程的耦合結(jié)果，故本研究計(jì)算確定瀟河不同水功能區(qū)的逐月動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量，運(yùn)用MIKE11 模型構(gòu)建晉中市瀟河松塔水文站至瀟河大壩的水動(dòng)力-水質(zhì)模型，計(jì)算滿足水質(zhì)目標(biāo)的逐月入河污染動(dòng)態(tài)控制方案，以期為流域水環(huán)境保護(hù)與管理提供新的思路與方法。
1 研究區(qū)域概況
本文研究對(duì)象為瀟河流域晉中段，綜合考慮流域中水文測(cè)站位置及計(jì)算邊界確定等因素，研究河段為松塔水文站至瀟河大壩。河段長59.5 km，在松塔鎮(zhèn)里思村附近有木瓜河匯入，蘆家莊村附近有白馬河匯入，下至南合流村北附近有涂河匯入。將研究河段劃分為兩個(gè)水功能區(qū)，其位置見圖1，上游瀟河壽陽飲用農(nóng)業(yè)用水區(qū)（文中稱水功能區(qū)A）自松塔水庫至趙金莊，目標(biāo)水質(zhì)為Ⅲ類；下游瀟河壽陽榆次農(nóng)業(yè)用水區(qū)（文中稱水功能區(qū)B）自趙金莊至東趙水質(zhì)斷面，目標(biāo)水質(zhì)為Ⅳ類，具體見表1。瀟河流域松曲河段附近水質(zhì)類別（年均值）為Ⅱ類，總體水質(zhì)優(yōu)良。但部分河段，例如白馬河與瀟河干流交匯點(diǎn)附近河段單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅳ或Ⅴ類，部分月份水質(zhì)較差，東趙河段處的水質(zhì)評(píng)價(jià)（年均值）結(jié)果為Ⅲ類，采用單因子評(píng)價(jià)法時(shí)，其1、2月份水質(zhì)分別為Ⅴ類和劣Ⅴ類。超標(biāo)因子主要為COD 及氨氮。因此，有必要研究水環(huán)境容量在年內(nèi)各月的變化，以期為水環(huán)境保護(hù)及污染物控制提供依據(jù)。
圖1 研究區(qū)域概化圖Fig.1 Generalized map of the study area
表1 瀟河各計(jì)算區(qū)域的現(xiàn)狀水質(zhì)及目標(biāo)水質(zhì)情況表Tab.1 Current water quality and target water quality of the water function zone
2 研究原理與方法
2.1 一維水質(zhì)模型
傳統(tǒng)一維水質(zhì)模型以確定的設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)流速、綜合衰減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，通過頻率適線法選取90%頻率對(duì)應(yīng)的月平均流量作為設(shè)計(jì)流量，根據(jù)控制斷面的實(shí)測(cè)流量和面積計(jì)算設(shè)計(jì)流速。
水體具有自凈作用，在無入河污染物的情況下，河道中污染物濃度隨距離而不斷衰減，其計(jì)算見公式（1），其對(duì)應(yīng)的水環(huán)境容量計(jì)算見公式（2）。
式中：C1為水功能區(qū)上斷面河道水體的污染物濃度，mg/L；C2為距離上邊界L距離（正向）的水體污染物濃度，mg/L；L為沿河道的縱向距離，m；u為設(shè)計(jì)流量下河道斷面的平均流速，m/s；K為該污染物綜合衰減系數(shù)，1/d；Wi為水功能區(qū)水環(huán)境容量，t；Q為水功能區(qū)設(shè)計(jì)枯水流量，m3/s；q為水功能區(qū)中入河污水量，m3/s；Cs為水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，mg/L。
水功能區(qū)中的河道流量、污水排放量、水體濃度等水文水質(zhì)條件是隨季節(jié)、隨空間位置而變化的，故而水環(huán)境容量亦應(yīng)是隨外部條件變化，逐月各不相同，例如汛期河道水量多、水位高，當(dāng)月水環(huán)境容量通常會(huì)高于枯季。一維水質(zhì)模型計(jì)算的水環(huán)境容量為對(duì)應(yīng)于90%設(shè)計(jì)枯水流量下的固定數(shù)值，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際污染情況不符，導(dǎo)致管控指標(biāo)“不細(xì)致”、污染管控“不靈活”。在水環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在競(jìng)爭的情況下，管理部門可以根據(jù)其實(shí)際情況計(jì)算逐月的動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量，依據(jù)河道水質(zhì)實(shí)際對(duì)污水排放控制進(jìn)行靈活管理［20］。
2.2 動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量
水體污染物的演變及運(yùn)移與水文過程密切相關(guān)。河道流量、流速等水文條件在年內(nèi)各月均有不同，同時(shí)，水功能區(qū)中不同位置的點(diǎn)源輸入、時(shí)段降雨帶入的面源污染負(fù)荷都具有空間變化特性［21］，導(dǎo)致水環(huán)境容量在時(shí)間與空間上呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)性變化。因此，在動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量計(jì)算中，（2）式中的河道流量、入河污水量、水質(zhì)斷面污染物濃度等均應(yīng)取動(dòng)態(tài)數(shù)值。
在式（1）中，綜合衰減系數(shù)K可依據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算。
式中：K為污染物綜合衰減系數(shù)，1/d；C1為河段上斷面水體污染物濃度，mg/L；C2為河段下斷面水體污染物濃度，mg/L；L為河段計(jì)算河長，km；u為河段平均流速，km/d。
根據(jù)式（3），綜合衰減系數(shù)K是河道水文要素及水體本底濃度的函數(shù)，隨河道流量、污染物濃度而變化。在河道流速變化不大的情況下，可將其視為一常數(shù)。
水環(huán)境容量計(jì)算時(shí)需考慮入河污水與河道水體的混合稀釋作用，其混合濃度為：
式中：Q為水功能區(qū)上邊界來水流量，m3/s；q為水功能區(qū)的污水排放量，m3/s；C1為水功能區(qū)上斷面水體中污染物的濃度，mg/L；CS為水功能區(qū)污染物水質(zhì)目標(biāo)濃度，mg/L；Cw為入河污水中污染物的濃度，mg/L；Wi為水功能區(qū)水環(huán)境容量，t。
動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量Wi公式可由（2）和（4）推導(dǎo)出：
式中：C2、Q2為計(jì)算區(qū)域下斷面實(shí)測(cè)的污染物濃度和河道流量。計(jì)算時(shí)，以目標(biāo)水質(zhì)的上、下限濃度計(jì)算對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量。
2.3 入河污染物動(dòng)態(tài)管控
依據(jù)水環(huán)境容量動(dòng)態(tài)計(jì)算公式，部分月份，例如非汛期，由于河道流量小，水動(dòng)力條件缺乏，污染物的稀釋擴(kuò)散緩慢、自凈能力弱，計(jì)算得到的水環(huán)境容量會(huì)比較小甚至可能為負(fù)值，河道水質(zhì)劣于水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，須對(duì)時(shí)段入河污染物進(jìn)行控制［22］。入河污染物控制包括總量及排放強(qiáng)度兩個(gè)方面［23］，具體包括對(duì)面源、點(diǎn)源及其入河位置等時(shí)空分布進(jìn)行管控，以期使逐月的河段水質(zhì)滿足目標(biāo)要求。
確定入河污染負(fù)荷允許值可以采用試算方法。由于研究范圍內(nèi)面源入河量及沿程分布系根據(jù)MIKE11 模型計(jì)算，不易調(diào)控，故試算時(shí)假設(shè)面源不變，僅對(duì)沿程的點(diǎn)源進(jìn)行調(diào)整。具體如下。①根據(jù)河道當(dāng)月平均流量、現(xiàn)狀污染物入河量、水體本底濃度等模擬計(jì)算下斷面水體的污染物濃度；②若下斷面水體的污染物濃度大于目標(biāo)水質(zhì)對(duì)應(yīng)的濃度，逐步減少入河污染負(fù)荷，并重新計(jì)算下斷面水體的污染物濃度，直至下斷面濃度達(dá)到或低于目標(biāo)水質(zhì)濃度，此時(shí)對(duì)應(yīng)的污染負(fù)荷量即為滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)條件下的允許的最大入河負(fù)荷量；③若①計(jì)算的下斷面水體污染物濃度小于目標(biāo)濃度，則逐步增加入河污染負(fù)荷，得到滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)條件下的允許排放負(fù)荷。其計(jì)算流程見圖2。
圖2 允許入河污染負(fù)荷量試算過程Fig.2 The calculation process of the dynamic pollutant load in the river
根據(jù)計(jì)算的允許入河負(fù)荷及現(xiàn)狀實(shí)際入河量，可以得到滿足目標(biāo)水質(zhì)的剩余水環(huán)境容量或須削減的負(fù)荷量。剩余容量或削減量計(jì)算公式如下。
式中：qmax、qmin分別為水功能區(qū)下斷面水體污染物濃度等于目標(biāo)水質(zhì)的濃度上限、下限時(shí)模型試算的入河污水量，m3/s；Cw為污水中的污染物濃度，mg/L；本文依據(jù)目標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)濃度的上限與下限對(duì)排入的污染物進(jìn)行控制，當(dāng)W余max＜0時(shí)，須削減入河污染負(fù)荷；當(dāng)W余min＞0 時(shí)，該月有余量，可適當(dāng)放寬管理，當(dāng)W余min＜0且W余max＞0時(shí)，維持現(xiàn)狀入河污染負(fù)荷。
3 計(jì)算結(jié)果
3.1 MIKE11參數(shù)率定與水質(zhì)模擬
3.1.1 模型構(gòu)建
MIKE11 模型通過構(gòu)建水功能區(qū)的水動(dòng)力-水質(zhì)模型來模擬水量水質(zhì)的時(shí)空變化過程。水動(dòng)力模塊是MIKE11模型的核心模塊［24］，采用圣維南方程組對(duì)河道（明渠）非恒定流進(jìn)行模擬；水質(zhì)模塊采用基于質(zhì)量守恒定律的對(duì)流擴(kuò)散方程對(duì)水流中污染物的遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)行模擬。
MIKE11 模型以沿程斷面的起始距和實(shí)測(cè)河床高程等為基礎(chǔ)，根據(jù)流域水系對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行概化。河網(wǎng)上邊界設(shè)在松塔水文站處，采用2019年逐月平均流量～時(shí)間序列數(shù)據(jù)；下邊界設(shè)在瀟河大壩處，為2019年逐月平均水位～時(shí)間序列數(shù)據(jù)。內(nèi)部邊界包括沿線的污水量及污染物濃度等數(shù)據(jù)，由于上斷面松塔水文站處無水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，距離最近（6 km）的松曲水質(zhì)斷面與松塔水文站屬于同一個(gè)水功能區(qū)，且兩斷面間無支流、污水匯入，故上斷面水質(zhì)資料采用松曲斷面。根據(jù)晉中市瀟河流域環(huán)保部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，現(xiàn)狀年研究河段排入工業(yè)污水量約1 228.08 萬t，其中COD 237.2 t、氨氮11.56 t。沿線有5 個(gè)生活污水排放口，位置分布具體見圖1，2019年生活污水排放情況見表2。農(nóng)業(yè)面源污染主要是由于施用化肥農(nóng)藥、畜禽養(yǎng)殖等造成的［25，26］，由于缺少詳細(xì)資料，本文根據(jù)MIKE11 的NAM 模塊進(jìn)行率定，經(jīng)計(jì)算，本河段隨降雨徑流攜帶的面源污染負(fù)荷為COD 630.74 t和氨氮145.91 t。
表2 2019瀟河沿線生活污水排放情況Tab.2 Domestic sewage discharge along the Xiaohe River in 2019
3.1.2 參數(shù)率定及水質(zhì)模擬結(jié)果
以2019年河道逐月平均流量及入河污染負(fù)荷為已知條件，利用模型進(jìn)行河段模擬，并根據(jù)實(shí)測(cè)的水文、水質(zhì)資料對(duì)水動(dòng)力-水質(zhì)模型參數(shù)進(jìn)行率定。兩水功能區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面分別為趙金莊、東趙斷面，兩斷面水質(zhì)模擬結(jié)果見圖3 與圖4。河床粗糙度（曼寧系數(shù)）、擴(kuò)散系數(shù)、衰減系數(shù)等參數(shù)率定結(jié)果見表3。
表3 水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型參數(shù)率定Tab.3 Calibration parameter value of water quantity and water quality coupling model
根據(jù)圖3、圖4，2019年趙金莊斷面COD、氨氮模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差分別為16%和24%；東趙斷面COD、氨氮模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差分別為12%和16%；總體誤差均未超25%，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合，總體上模擬效果較好。除個(gè)別月份COD、氨氮指標(biāo)模擬值與實(shí)測(cè)值偏差較大，大多數(shù)月份的模擬值與實(shí)測(cè)值較為接近，模擬出了水質(zhì)的實(shí)際變化規(guī)律，故本模型中率定的參數(shù)較為合理，構(gòu)建的一維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型模擬結(jié)果可信。
圖3 趙金莊斷面2019年化學(xué)需氧量、氨氮模擬值與實(shí)測(cè)值比較Fig.3 The comparison between the observed and simulated values of COD and NH3-N at Zhaojinzhuang cross section in 2019
圖4 東趙斷面2019年化學(xué)需氧量、氨氮模擬值與實(shí)測(cè)值比較Fig.4 The comparison between the observed and simulated values of COD and NH3-N at Dongzhao cross section in 2019
3.2 動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量結(jié)果
根據(jù)2019年逐月流量與現(xiàn)狀水質(zhì)資料，采用公式（5）計(jì)算兩水功能區(qū)滿足水質(zhì)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量及水環(huán)境容量閾值區(qū)間。水功能區(qū)A 的COD、氨氮目標(biāo)水質(zhì)濃度區(qū)間分別為（15，20］mg/L 和（0.5，1］mg/L；水功能區(qū)B 的COD、氨氮目標(biāo)水質(zhì)濃度區(qū)間分別為（20，30］mg/L 和（1，1.5］mg/L，計(jì)算結(jié)果見表4、5。
表4 2019年水功能區(qū)A逐月水環(huán)境容量Tab.4 Monthly dynamic water environment capacity of water function area A in 2019
根據(jù)表4、5和圖5的計(jì)算結(jié)果：
圖5 研究河段水功能區(qū)2019年水環(huán)境容量區(qū)間計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation results of the water environment capacity interval of different water function zones in the study area in 2019
（1）總體上說，水功能區(qū)B 的COD 及氨氮指標(biāo)的水環(huán)境容量均大于水功能區(qū)A的容量，其主要原因?yàn)椋δ軈^(qū)A的河段長度為12.4 km，小于水功能區(qū)B的河段長度（21 km），且水功能區(qū)A的水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類，較水功能區(qū)B的目標(biāo)水質(zhì)嚴(yán)格，故水功能區(qū)B的水環(huán)境容量大于水功能區(qū)A的容量。
表5 2019年水功能區(qū)B逐月水環(huán)境容量 tTab.5 Monthly dynamic water environment capacity of water function area B in 2019
（2）水功能區(qū)A 在7-10月的水環(huán)境容量略大，占全年容量的一半以上；水功能區(qū)B 在5-8月份的水環(huán)境容量小于其他月份。其主要原因?yàn)?，水功能區(qū)A 河段沿程入河污染負(fù)荷較少，且無支流匯入，水質(zhì)類別基本處于Ⅱ類，故汛期來水多時(shí)水環(huán)境容量相應(yīng)增加。水功能區(qū)B 中沿程的污染源排放較多，尤其是汛期時(shí)在白馬河與瀟河干流交匯點(diǎn)處匯入大量污水，導(dǎo)致水功能區(qū)B汛期水環(huán)境容量減小，水質(zhì)變差。
（3）按照目標(biāo)水質(zhì)濃度上限計(jì)算，水功能區(qū)A 的逐月COD及氨氮指標(biāo)水環(huán)境容量均為正值；按照目標(biāo)水質(zhì)濃度下限計(jì)算，在11月份COD 水環(huán)境容量結(jié)果為負(fù)值。因此，需要嚴(yán)格控制11月份的入河污染負(fù)荷，不應(yīng)超過現(xiàn)狀負(fù)荷。其余月份還有剩余容量，除現(xiàn)狀入河污水外，還有一定的承納負(fù)荷能力。水功能區(qū)B 中COD 按上限、下限濃度計(jì)算，各月均有一定的余量；水功能區(qū)B 在1月份、2月份時(shí)氨氮指標(biāo)的上、下限計(jì)算結(jié)果均小于零，說明該月現(xiàn)狀氨氮入河量超過目標(biāo)水質(zhì)承載能力，須削減氨氮入河量以滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)要求，其他月份氨氮的上、下限計(jì)算結(jié)果均大于零，表明還余有一定的納污能力。
3.3 入河污染動(dòng)態(tài)管控
綜合考慮水環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展兩方面的需求，需要對(duì)入河污染負(fù)荷量進(jìn)行動(dòng)態(tài)管控。以河道目標(biāo)水質(zhì)的濃度作為控制，假設(shè)現(xiàn)狀面源入河量不變的情況下，僅對(duì)點(diǎn)源進(jìn)行調(diào)控，利用MIKE11 水質(zhì)模型模擬試算出允許的點(diǎn)源污染負(fù)荷量，結(jié)合現(xiàn)狀生活污水實(shí)際排放量及目標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)的上、下限濃度，計(jì)算得到逐月地削減/放寬污染負(fù)荷。不同水功能區(qū)的入河污染動(dòng)態(tài)管控量的試算結(jié)果見表6、7。
依據(jù)表6、7的計(jì)算結(jié)果，得到：
表6 2019年水功能區(qū)A入河動(dòng)態(tài)管控結(jié)果Tab.6 Dynamic management and control of pollutants entering water function zone A in 2019
（1）除11月份外，水功能區(qū)A 逐月允許的入河污染負(fù)荷均大于現(xiàn)狀實(shí)際入河量，因此，該水功能區(qū)11月份應(yīng)控制管理，排污量不應(yīng)超過當(dāng)前實(shí)際入河量。在其他月份，尤其是汛期，除現(xiàn)狀入河負(fù)荷外，河段水體還有一定的承納入河污染負(fù)荷的余量。
表7 2019年水功能區(qū)B入河動(dòng)態(tài)管控結(jié)果Tab.7 Dynamic management and control of pollutants entering water function zone B in 2019
（2）水功能區(qū)B 在1、2月份須減少0.002、0.006 m3/s 的污水入河流量，削減氨氮入河負(fù)荷0.003、0.086 t，削減COD入河負(fù)荷0.05、0.143 t。其他月份河段仍有一定的環(huán)境余量，尤其是4-7月份，在滿足目標(biāo)水質(zhì)的前提下可允許適當(dāng)放寬入河污染負(fù)荷量。
4 結(jié)論及討論
本文以瀟河流域松塔水文站至瀟河大壩河段為例，計(jì)算了兩水功能區(qū)逐月的水環(huán)境容量動(dòng)態(tài)變化，運(yùn)用MIKE11 水質(zhì)模型試算得到了滿足目標(biāo)水質(zhì)的入河污染物動(dòng)態(tài)管控量。研究表明：
（1）2019年水功能區(qū)A 汛期的水環(huán)境容量略大于其他月份，其COD 和氨氮水環(huán)境容量閾值區(qū)間分別為138.37～216.54和6.38～14.19 t；水功能區(qū)B在5-8月份的水環(huán)境容量小于其他月份，其COD 和氨氮水環(huán)境容量閾值區(qū)間分別為417.67～821.05 和9.32～29.49 t，與傳統(tǒng)一維模型相比，本文計(jì)算結(jié)果更符合水體實(shí)際。
（2）在滿足水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)前提下，2019年水功能區(qū)A逐月允許的入河污染負(fù)荷均大于現(xiàn)狀實(shí)際入河量，COD 和氨氮可放寬負(fù)荷總量分別為51.39、8.22 t，其中11月應(yīng)加強(qiáng)污水管控，控制入河負(fù)荷量不超現(xiàn)狀；水功能區(qū)B 在1、2月氨氮應(yīng)分別削減0.003、0.086 t，COD 應(yīng)削減0.05、0.143 t，其他月份，尤其是4-7月份，在滿足目標(biāo)水質(zhì)的前提下可允許適當(dāng)放寬入河污染負(fù)荷量。
（3）水功能區(qū)的入河污染有多個(gè)來源，既包括了水體自身攜帶的污染物，亦有河段范圍內(nèi)各排污口的點(diǎn)源與農(nóng)業(yè)面源污染。各類污染源的排放位置、排放強(qiáng)度及總量、入河時(shí)間等均會(huì)影響下游控制斷面的實(shí)測(cè)濃度。因此，在計(jì)算水功能區(qū)允許入河污染量及測(cè)算減排量時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，考慮面源污染控制［26］及點(diǎn)源減排不同組合方案下的水體水質(zhì)變化，提出切實(shí)可行的管控措施。由于本文采用MIKE11模型模擬計(jì)算得到水功能區(qū)的面源入河污染，且缺少水功能區(qū)沿線的農(nóng)業(yè)種植、化肥使用、畜禽養(yǎng)殖等詳細(xì)資料，故在試算入河污染負(fù)荷量時(shí)，將面源污染固定不變，未有考慮對(duì)其在時(shí)間與空間進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，在對(duì)排污口入河污染進(jìn)行管控時(shí)，忽略了其空間分布及排污量對(duì)水環(huán)境容量的影響，在污染減排管控時(shí)，僅對(duì)其減排總量進(jìn)行了計(jì)算。因此，在今后的研究中，應(yīng)在污染源的空間管控、減排方案組合等方面進(jìn)行深入研究。□
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張秀菊，王寶斌，徐小溪，李秀平，王靈生
（1.河海大學(xué)，南京210098；2.晉中市水利局，山西晉中030600）
0 引言
水環(huán)境容量即水體在符合水質(zhì)規(guī)定級(jí)別下單位時(shí)間內(nèi)所能容納的污染物總量，是不影響水體正常功能時(shí)的最大納污能力，也是環(huán)境部門用于確定某特定水域允許排入污染物的依據(jù)［1］。水環(huán)境容量計(jì)算量化了水域污染最大排放量，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水質(zhì)保護(hù)的紐帶［2］，故成為相關(guān)部門制定水環(huán)境管理目標(biāo)的基本依據(jù)，也是污染物總量控制的關(guān)鍵參數(shù)［3，4］，其大小與河道水文條件、目標(biāo)水質(zhì)、入河污染物有關(guān)［5］。現(xiàn)行的水環(huán)境容量計(jì)算方法通常以90%保證率下的設(shè)計(jì)枯水流量為計(jì)算條件［6］，采用一維或二維水質(zhì)模型計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果為某唯一數(shù)值，在管理控制上體現(xiàn)為河段年污染物排放量不超此計(jì)算結(jié)果。此種計(jì)算方法無法客觀反映河段水環(huán)境容量隨水文條件（如流量、流速等）而變化的規(guī)律，導(dǎo)致水環(huán)境管理中存在管控指標(biāo)與污染實(shí)際不相符、管理工作不精細(xì)等問題。因此，現(xiàn)行水環(huán)境容量核算方法存在對(duì)水環(huán)境變化與水文過程變化內(nèi)在聯(lián)系機(jī)理剖析不足，對(duì)水文過程動(dòng)態(tài)變化考慮不全的問題。
隨著對(duì)水環(huán)境容量研究的不斷深入，國內(nèi)外學(xué)者積極嘗試探索動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量的計(jì)算方法，近年來先后提出了線性規(guī)劃模型［7］、QUAL2K模型［8］、非均勻分布系數(shù)法［9］、水量水質(zhì)模型模擬水體污染擴(kuò)散場(chǎng)等方法［10，11］。Deng等［7］在建立水質(zhì)與污染物響應(yīng)方程的基礎(chǔ)上，利用線性規(guī)劃方法計(jì)算了長江口及近海區(qū)域CODMn和氨氮的水環(huán)境容量，由于考慮的約束條件有限，常出現(xiàn)與實(shí)際情況不吻合或不可行等問題。楊玉麟等［12］基于SMS水質(zhì)模型以蘑菇湖水庫為例進(jìn)行水質(zhì)模擬并計(jì)算水環(huán)境容量，針對(duì)性地提出了改善水庫水質(zhì)的污染控制方案。王衛(wèi)平等［13］基于QUAL2K 模型，采用模型試錯(cuò)法計(jì)算了九龍江北溪和西溪在年內(nèi)不同時(shí)期來水條件下不同河段的水環(huán)境容量，制定水污染物總量控制方案。李喬臻等［14］以邕江河段為例建立水環(huán)境容量數(shù)學(xué)模型，分析水環(huán)境容量與流量呈正相關(guān)、與上游來水中污染物濃度呈負(fù)相關(guān)，并提出保證水體功能前提下污染物排放總量的控制方案。張劍等［15］以渾太河流域?yàn)槔龑?duì)水環(huán)境容量進(jìn)行分期設(shè)計(jì)，反映其在不同時(shí)段的動(dòng)態(tài)變化，但水環(huán)境容量計(jì)算過程中沒有深入考慮背景濃度以及面源分配，降低了計(jì)算結(jié)果的精度。杜慧玲等［16］采用二維岸邊排放水質(zhì)模型，指出松花江干流哈爾濱段水環(huán)境容量在時(shí)間和空間尺度上分布不均勻。熊鴻斌等［17］以引江濟(jì)淮渦河段為例，采用基于水動(dòng)力水質(zhì)模型的稀釋比法計(jì)算了動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量。
目前，我國學(xué)者廣泛使用MIKE11 進(jìn)行水動(dòng)力與水質(zhì)耦合模擬［18，19］，而動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量是水文要素與水質(zhì)時(shí)空變化過程的耦合結(jié)果，故本研究計(jì)算確定瀟河不同水功能區(qū)的逐月動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量，運(yùn)用MIKE11 模型構(gòu)建晉中市瀟河松塔水文站至瀟河大壩的水動(dòng)力-水質(zhì)模型，計(jì)算滿足水質(zhì)目標(biāo)的逐月入河污染動(dòng)態(tài)控制方案，以期為流域水環(huán)境保護(hù)與管理提供新的思路與方法。
1 研究區(qū)域概況
本文研究對(duì)象為瀟河流域晉中段，綜合考慮流域中水文測(cè)站位置及計(jì)算邊界確定等因素，研究河段為松塔水文站至瀟河大壩。河段長59.5 km，在松塔鎮(zhèn)里思村附近有木瓜河匯入，蘆家莊村附近有白馬河匯入，下至南合流村北附近有涂河匯入。將研究河段劃分為兩個(gè)水功能區(qū)，其位置見圖1，上游瀟河壽陽飲用農(nóng)業(yè)用水區(qū)（文中稱水功能區(qū)A）自松塔水庫至趙金莊，目標(biāo)水質(zhì)為Ⅲ類；下游瀟河壽陽榆次農(nóng)業(yè)用水區(qū)（文中稱水功能區(qū)B）自趙金莊至東趙水質(zhì)斷面，目標(biāo)水質(zhì)為Ⅳ類，具體見表1。瀟河流域松曲河段附近水質(zhì)類別（年均值）為Ⅱ類，總體水質(zhì)優(yōu)良。但部分河段，例如白馬河與瀟河干流交匯點(diǎn)附近河段單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅳ或Ⅴ類，部分月份水質(zhì)較差，東趙河段處的水質(zhì)評(píng)價(jià)（年均值）結(jié)果為Ⅲ類，采用單因子評(píng)價(jià)法時(shí)，其1、2月份水質(zhì)分別為Ⅴ類和劣Ⅴ類。超標(biāo)因子主要為COD 及氨氮。因此，有必要研究水環(huán)境容量在年內(nèi)各月的變化，以期為水環(huán)境保護(hù)及污染物控制提供依據(jù)。
圖1 研究區(qū)域概化圖Fig.1 Generalized map of the study area
表1 瀟河各計(jì)算區(qū)域的現(xiàn)狀水質(zhì)及目標(biāo)水質(zhì)情況表Tab.1 Current water quality and target water quality of the water function zone
2 研究原理與方法
2.1 一維水質(zhì)模型
傳統(tǒng)一維水質(zhì)模型以確定的設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)流速、綜合衰減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，通過頻率適線法選取90%頻率對(duì)應(yīng)的月平均流量作為設(shè)計(jì)流量，根據(jù)控制斷面的實(shí)測(cè)流量和面積計(jì)算設(shè)計(jì)流速。
水體具有自凈作用，在無入河污染物的情況下，河道中污染物濃度隨距離而不斷衰減，其計(jì)算見公式（1），其對(duì)應(yīng)的水環(huán)境容量計(jì)算見公式（2）。
式中：C1為水功能區(qū)上斷面河道水體的污染物濃度，mg/L；C2為距離上邊界L距離（正向）的水體污染物濃度，mg/L；L為沿河道的縱向距離，m；u為設(shè)計(jì)流量下河道斷面的平均流速，m/s；K為該污染物綜合衰減系數(shù)，1/d；Wi為水功能區(qū)水環(huán)境容量，t；Q為水功能區(qū)設(shè)計(jì)枯水流量，m3/s；q為水功能區(qū)中入河污水量，m3/s；Cs為水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，mg/L。
水功能區(qū)中的河道流量、污水排放量、水體濃度等水文水質(zhì)條件是隨季節(jié)、隨空間位置而變化的，故而水環(huán)境容量亦應(yīng)是隨外部條件變化，逐月各不相同，例如汛期河道水量多、水位高，當(dāng)月水環(huán)境容量通常會(huì)高于枯季。一維水質(zhì)模型計(jì)算的水環(huán)境容量為對(duì)應(yīng)于90%設(shè)計(jì)枯水流量下的固定數(shù)值，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際污染情況不符，導(dǎo)致管控指標(biāo)“不細(xì)致”、污染管控“不靈活”。在水環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在競(jìng)爭的情況下，管理部門可以根據(jù)其實(shí)際情況計(jì)算逐月的動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量，依據(jù)河道水質(zhì)實(shí)際對(duì)污水排放控制進(jìn)行靈活管理［20］。
2.2 動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量
水體污染物的演變及運(yùn)移與水文過程密切相關(guān)。河道流量、流速等水文條件在年內(nèi)各月均有不同，同時(shí)，水功能區(qū)中不同位置的點(diǎn)源輸入、時(shí)段降雨帶入的面源污染負(fù)荷都具有空間變化特性［21］，導(dǎo)致水環(huán)境容量在時(shí)間與空間上呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)性變化。因此，在動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量計(jì)算中，（2）式中的河道流量、入河污水量、水質(zhì)斷面污染物濃度等均應(yīng)取動(dòng)態(tài)數(shù)值。
在式（1）中，綜合衰減系數(shù)K可依據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算。
式中：K為污染物綜合衰減系數(shù)，1/d；C1為河段上斷面水體污染物濃度，mg/L；C2為河段下斷面水體污染物濃度，mg/L；L為河段計(jì)算河長，km；u為河段平均流速，km/d。
根據(jù)式（3），綜合衰減系數(shù)K是河道水文要素及水體本底濃度的函數(shù)，隨河道流量、污染物濃度而變化。在河道流速變化不大的情況下，可將其視為一常數(shù)。
水環(huán)境容量計(jì)算時(shí)需考慮入河污水與河道水體的混合稀釋作用，其混合濃度為：
式中：Q為水功能區(qū)上邊界來水流量，m3/s；q為水功能區(qū)的污水排放量，m3/s；C1為水功能區(qū)上斷面水體中污染物的濃度，mg/L；CS為水功能區(qū)污染物水質(zhì)目標(biāo)濃度，mg/L；Cw為入河污水中污染物的濃度，mg/L；Wi為水功能區(qū)水環(huán)境容量，t。
動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量Wi公式可由（2）和（4）推導(dǎo)出：
式中：C2、Q2為計(jì)算區(qū)域下斷面實(shí)測(cè)的污染物濃度和河道流量。計(jì)算時(shí)，以目標(biāo)水質(zhì)的上、下限濃度計(jì)算對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量。
2.3 入河污染物動(dòng)態(tài)管控
依據(jù)水環(huán)境容量動(dòng)態(tài)計(jì)算公式，部分月份，例如非汛期，由于河道流量小，水動(dòng)力條件缺乏，污染物的稀釋擴(kuò)散緩慢、自凈能力弱，計(jì)算得到的水環(huán)境容量會(huì)比較小甚至可能為負(fù)值，河道水質(zhì)劣于水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，須對(duì)時(shí)段入河污染物進(jìn)行控制［22］。入河污染物控制包括總量及排放強(qiáng)度兩個(gè)方面［23］，具體包括對(duì)面源、點(diǎn)源及其入河位置等時(shí)空分布進(jìn)行管控，以期使逐月的河段水質(zhì)滿足目標(biāo)要求。
確定入河污染負(fù)荷允許值可以采用試算方法。由于研究范圍內(nèi)面源入河量及沿程分布系根據(jù)MIKE11 模型計(jì)算，不易調(diào)控，故試算時(shí)假設(shè)面源不變，僅對(duì)沿程的點(diǎn)源進(jìn)行調(diào)整。具體如下。①根據(jù)河道當(dāng)月平均流量、現(xiàn)狀污染物入河量、水體本底濃度等模擬計(jì)算下斷面水體的污染物濃度；②若下斷面水體的污染物濃度大于目標(biāo)水質(zhì)對(duì)應(yīng)的濃度，逐步減少入河污染負(fù)荷，并重新計(jì)算下斷面水體的污染物濃度，直至下斷面濃度達(dá)到或低于目標(biāo)水質(zhì)濃度，此時(shí)對(duì)應(yīng)的污染負(fù)荷量即為滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)條件下的允許的最大入河負(fù)荷量；③若①計(jì)算的下斷面水體污染物濃度小于目標(biāo)濃度，則逐步增加入河污染負(fù)荷，得到滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)條件下的允許排放負(fù)荷。其計(jì)算流程見圖2。
圖2 允許入河污染負(fù)荷量試算過程Fig.2 The calculation process of the dynamic pollutant load in the river
根據(jù)計(jì)算的允許入河負(fù)荷及現(xiàn)狀實(shí)際入河量，可以得到滿足目標(biāo)水質(zhì)的剩余水環(huán)境容量或須削減的負(fù)荷量。剩余容量或削減量計(jì)算公式如下。
式中：qmax、qmin分別為水功能區(qū)下斷面水體污染物濃度等于目標(biāo)水質(zhì)的濃度上限、下限時(shí)模型試算的入河污水量，m3/s；Cw為污水中的污染物濃度，mg/L；本文依據(jù)目標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)濃度的上限與下限對(duì)排入的污染物進(jìn)行控制，當(dāng)W余max＜0時(shí)，須削減入河污染負(fù)荷；當(dāng)W余min＞0 時(shí)，該月有余量，可適當(dāng)放寬管理，當(dāng)W余min＜0且W余max＞0時(shí)，維持現(xiàn)狀入河污染負(fù)荷。
3 計(jì)算結(jié)果
3.1 MIKE11參數(shù)率定與水質(zhì)模擬
3.1.1 模型構(gòu)建
MIKE11 模型通過構(gòu)建水功能區(qū)的水動(dòng)力-水質(zhì)模型來模擬水量水質(zhì)的時(shí)空變化過程。水動(dòng)力模塊是MIKE11模型的核心模塊［24］，采用圣維南方程組對(duì)河道（明渠）非恒定流進(jìn)行模擬；水質(zhì)模塊采用基于質(zhì)量守恒定律的對(duì)流擴(kuò)散方程對(duì)水流中污染物的遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)行模擬。
MIKE11 模型以沿程斷面的起始距和實(shí)測(cè)河床高程等為基礎(chǔ)，根據(jù)流域水系對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行概化。河網(wǎng)上邊界設(shè)在松塔水文站處，采用2019年逐月平均流量～時(shí)間序列數(shù)據(jù)；下邊界設(shè)在瀟河大壩處，為2019年逐月平均水位～時(shí)間序列數(shù)據(jù)。內(nèi)部邊界包括沿線的污水量及污染物濃度等數(shù)據(jù)，由于上斷面松塔水文站處無水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，距離最近（6 km）的松曲水質(zhì)斷面與松塔水文站屬于同一個(gè)水功能區(qū)，且兩斷面間無支流、污水匯入，故上斷面水質(zhì)資料采用松曲斷面。根據(jù)晉中市瀟河流域環(huán)保部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，現(xiàn)狀年研究河段排入工業(yè)污水量約1 228.08 萬t，其中COD 237.2 t、氨氮11.56 t。沿線有5 個(gè)生活污水排放口，位置分布具體見圖1，2019年生活污水排放情況見表2。農(nóng)業(yè)面源污染主要是由于施用化肥農(nóng)藥、畜禽養(yǎng)殖等造成的［25，26］，由于缺少詳細(xì)資料，本文根據(jù)MIKE11 的NAM 模塊進(jìn)行率定，經(jīng)計(jì)算，本河段隨降雨徑流攜帶的面源污染負(fù)荷為COD 630.74 t和氨氮145.91 t。
表2 2019瀟河沿線生活污水排放情況Tab.2 Domestic sewage discharge along the Xiaohe River in 2019
3.1.2 參數(shù)率定及水質(zhì)模擬結(jié)果
以2019年河道逐月平均流量及入河污染負(fù)荷為已知條件，利用模型進(jìn)行河段模擬，并根據(jù)實(shí)測(cè)的水文、水質(zhì)資料對(duì)水動(dòng)力-水質(zhì)模型參數(shù)進(jìn)行率定。兩水功能區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面分別為趙金莊、東趙斷面，兩斷面水質(zhì)模擬結(jié)果見圖3 與圖4。河床粗糙度（曼寧系數(shù)）、擴(kuò)散系數(shù)、衰減系數(shù)等參數(shù)率定結(jié)果見表3。
表3 水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型參數(shù)率定Tab.3 Calibration parameter value of water quantity and water quality coupling model
根據(jù)圖3、圖4，2019年趙金莊斷面COD、氨氮模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差分別為16%和24%；東趙斷面COD、氨氮模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差分別為12%和16%；總體誤差均未超25%，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合，總體上模擬效果較好。除個(gè)別月份COD、氨氮指標(biāo)模擬值與實(shí)測(cè)值偏差較大，大多數(shù)月份的模擬值與實(shí)測(cè)值較為接近，模擬出了水質(zhì)的實(shí)際變化規(guī)律，故本模型中率定的參數(shù)較為合理，構(gòu)建的一維水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型模擬結(jié)果可信。
圖3 趙金莊斷面2019年化學(xué)需氧量、氨氮模擬值與實(shí)測(cè)值比較Fig.3 The comparison between the observed and simulated values of COD and NH3-N at Zhaojinzhuang cross section in 2019
圖4 東趙斷面2019年化學(xué)需氧量、氨氮模擬值與實(shí)測(cè)值比較Fig.4 The comparison between the observed and simulated values of COD and NH3-N at Dongzhao cross section in 2019
3.2 動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量結(jié)果
根據(jù)2019年逐月流量與現(xiàn)狀水質(zhì)資料，采用公式（5）計(jì)算兩水功能區(qū)滿足水質(zhì)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量及水環(huán)境容量閾值區(qū)間。水功能區(qū)A 的COD、氨氮目標(biāo)水質(zhì)濃度區(qū)間分別為（15，20］mg/L 和（0.5，1］mg/L；水功能區(qū)B 的COD、氨氮目標(biāo)水質(zhì)濃度區(qū)間分別為（20，30］mg/L 和（1，1.5］mg/L，計(jì)算結(jié)果見表4、5。
表4 2019年水功能區(qū)A逐月水環(huán)境容量Tab.4 Monthly dynamic water environment capacity of water function area A in 2019
根據(jù)表4、5和圖5的計(jì)算結(jié)果：
圖5 研究河段水功能區(qū)2019年水環(huán)境容量區(qū)間計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation results of the water environment capacity interval of different water function zones in the study area in 2019
（1）總體上說，水功能區(qū)B 的COD 及氨氮指標(biāo)的水環(huán)境容量均大于水功能區(qū)A的容量，其主要原因?yàn)椋δ軈^(qū)A的河段長度為12.4 km，小于水功能區(qū)B的河段長度（21 km），且水功能區(qū)A的水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類，較水功能區(qū)B的目標(biāo)水質(zhì)嚴(yán)格，故水功能區(qū)B的水環(huán)境容量大于水功能區(qū)A的容量。
表5 2019年水功能區(qū)B逐月水環(huán)境容量 tTab.5 Monthly dynamic water environment capacity of water function area B in 2019
（2）水功能區(qū)A 在7-10月的水環(huán)境容量略大，占全年容量的一半以上；水功能區(qū)B 在5-8月份的水環(huán)境容量小于其他月份。其主要原因?yàn)?，水功能區(qū)A 河段沿程入河污染負(fù)荷較少，且無支流匯入，水質(zhì)類別基本處于Ⅱ類，故汛期來水多時(shí)水環(huán)境容量相應(yīng)增加。水功能區(qū)B 中沿程的污染源排放較多，尤其是汛期時(shí)在白馬河與瀟河干流交匯點(diǎn)處匯入大量污水，導(dǎo)致水功能區(qū)B汛期水環(huán)境容量減小，水質(zhì)變差。
（3）按照目標(biāo)水質(zhì)濃度上限計(jì)算，水功能區(qū)A 的逐月COD及氨氮指標(biāo)水環(huán)境容量均為正值；按照目標(biāo)水質(zhì)濃度下限計(jì)算，在11月份COD 水環(huán)境容量結(jié)果為負(fù)值。因此，需要嚴(yán)格控制11月份的入河污染負(fù)荷，不應(yīng)超過現(xiàn)狀負(fù)荷。其余月份還有剩余容量，除現(xiàn)狀入河污水外，還有一定的承納負(fù)荷能力。水功能區(qū)B 中COD 按上限、下限濃度計(jì)算，各月均有一定的余量；水功能區(qū)B 在1月份、2月份時(shí)氨氮指標(biāo)的上、下限計(jì)算結(jié)果均小于零，說明該月現(xiàn)狀氨氮入河量超過目標(biāo)水質(zhì)承載能力，須削減氨氮入河量以滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)要求，其他月份氨氮的上、下限計(jì)算結(jié)果均大于零，表明還余有一定的納污能力。
3.3 入河污染動(dòng)態(tài)管控
綜合考慮水環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展兩方面的需求，需要對(duì)入河污染負(fù)荷量進(jìn)行動(dòng)態(tài)管控。以河道目標(biāo)水質(zhì)的濃度作為控制，假設(shè)現(xiàn)狀面源入河量不變的情況下，僅對(duì)點(diǎn)源進(jìn)行調(diào)控，利用MIKE11 水質(zhì)模型模擬試算出允許的點(diǎn)源污染負(fù)荷量，結(jié)合現(xiàn)狀生活污水實(shí)際排放量及目標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)的上、下限濃度，計(jì)算得到逐月地削減/放寬污染負(fù)荷。不同水功能區(qū)的入河污染動(dòng)態(tài)管控量的試算結(jié)果見表6、7。
依據(jù)表6、7的計(jì)算結(jié)果，得到：
表6 2019年水功能區(qū)A入河動(dòng)態(tài)管控結(jié)果Tab.6 Dynamic management and control of pollutants entering water function zone A in 2019
（1）除11月份外，水功能區(qū)A 逐月允許的入河污染負(fù)荷均大于現(xiàn)狀實(shí)際入河量，因此，該水功能區(qū)11月份應(yīng)控制管理，排污量不應(yīng)超過當(dāng)前實(shí)際入河量。在其他月份，尤其是汛期，除現(xiàn)狀入河負(fù)荷外，河段水體還有一定的承納入河污染負(fù)荷的余量。
表7 2019年水功能區(qū)B入河動(dòng)態(tài)管控結(jié)果Tab.7 Dynamic management and control of pollutants entering water function zone B in 2019
（2）水功能區(qū)B 在1、2月份須減少0.002、0.006 m3/s 的污水入河流量，削減氨氮入河負(fù)荷0.003、0.086 t，削減COD入河負(fù)荷0.05、0.143 t。其他月份河段仍有一定的環(huán)境余量，尤其是4-7月份，在滿足目標(biāo)水質(zhì)的前提下可允許適當(dāng)放寬入河污染負(fù)荷量。
4 結(jié)論及討論
本文以瀟河流域松塔水文站至瀟河大壩河段為例，計(jì)算了兩水功能區(qū)逐月的水環(huán)境容量動(dòng)態(tài)變化，運(yùn)用MIKE11 水質(zhì)模型試算得到了滿足目標(biāo)水質(zhì)的入河污染物動(dòng)態(tài)管控量。研究表明：
（1）2019年水功能區(qū)A 汛期的水環(huán)境容量略大于其他月份，其COD 和氨氮水環(huán)境容量閾值區(qū)間分別為138.37～216.54和6.38～14.19 t；水功能區(qū)B在5-8月份的水環(huán)境容量小于其他月份，其COD 和氨氮水環(huán)境容量閾值區(qū)間分別為417.67～821.05 和9.32～29.49 t，與傳統(tǒng)一維模型相比，本文計(jì)算結(jié)果更符合水體實(shí)際。
（2）在滿足水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)前提下，2019年水功能區(qū)A逐月允許的入河污染負(fù)荷均大于現(xiàn)狀實(shí)際入河量，COD 和氨氮可放寬負(fù)荷總量分別為51.39、8.22 t，其中11月應(yīng)加強(qiáng)污水管控，控制入河負(fù)荷量不超現(xiàn)狀；水功能區(qū)B 在1、2月氨氮應(yīng)分別削減0.003、0.086 t，COD 應(yīng)削減0.05、0.143 t，其他月份，尤其是4-7月份，在滿足目標(biāo)水質(zhì)的前提下可允許適當(dāng)放寬入河污染負(fù)荷量。
（3）水功能區(qū)的入河污染有多個(gè)來源，既包括了水體自身攜帶的污染物，亦有河段范圍內(nèi)各排污口的點(diǎn)源與農(nóng)業(yè)面源污染。各類污染源的排放位置、排放強(qiáng)度及總量、入河時(shí)間等均會(huì)影響下游控制斷面的實(shí)測(cè)濃度。因此，在計(jì)算水功能區(qū)允許入河污染量及測(cè)算減排量時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，考慮面源污染控制［26］及點(diǎn)源減排不同組合方案下的水體水質(zhì)變化，提出切實(shí)可行的管控措施。由于本文采用MIKE11模型模擬計(jì)算得到水功能區(qū)的面源入河污染，且缺少水功能區(qū)沿線的農(nóng)業(yè)種植、化肥使用、畜禽養(yǎng)殖等詳細(xì)資料，故在試算入河污染負(fù)荷量時(shí)，將面源污染固定不變，未有考慮對(duì)其在時(shí)間與空間進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，在對(duì)排污口入河污染進(jìn)行管控時(shí)，忽略了其空間分布及排污量對(duì)水環(huán)境容量的影響，在污染減排管控時(shí)，僅對(duì)其減排總量進(jìn)行了計(jì)算。因此，在今后的研究中，應(yīng)在污染源的空間管控、減排方案組合等方面進(jìn)行深入研究。□
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