永定河流域張家口段水質模擬及水環(huán)境容量研究*

洪夕媛 雷 坤 孫明東 程全國#

(1.沈陽大學環(huán)境學院，遼寧 沈陽 110044；2.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012)

水環(huán)境容量是指水體在設計水文條件和規(guī)定的環(huán)境目標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)。構建水質模型對于掌握水體中污染物的變化規(guī)律、降低水污染的風險和損失、保證水安全和水環(huán)境質量具有重要意義，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水質模型[7]等。QUAL2K一維水動力水質模型是美國環(huán)境保護署(USEPA)開發(fā)的QUAL系列模型的最新版本，近年來許多國內外學者將它用于流域河流污染控制和水質管理中。劉瑾等[8]應用QUAL2K模型對渾河流域沈陽段氨氮進行了水質模擬分析，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人口密集導致河體水污染嚴重、水環(huán)境容量嚴重不足。永定河被譽為北京市的“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入北京市，其上游水質改善極其重要。為此，本研究通過構建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變化規(guī)律，采用解析法進行常規(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目標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。該地氣候屬于溫帶大陸性季風氣候，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)。該模型水質模擬依據(jù)一維平流-擴散物質運輸和反應方程，它考慮了水質組分的平流擴散、稀釋、外源輸入和變化的響應，同時考慮了點源與非點源負荷的影響，水質方程見式(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[10]，本研究將水環(huán)境容量解析公式與QUAL2K模型進行耦合，得到水環(huán)境容量計算公式，見式(3)。對控制單元內所屬河段的水環(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的水質目標，mg/L；C0為河段內污染物平均質量濃度，mg/L；Q為QUAL2K模擬計算的河段內流量，m3/s；K為污染物轉化系數(shù)(包括COD氧化速率、氨氮硝化速率、有機磷水解速率、有機磷沉降速率等)，d-1；L為河段長度，km；U為河段平均流速，m/s。

1.4 設計流量

設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)，河流的設計流量應采用近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，設計流量選取最枯月75%保證率對應的流量。采用水文保證率法，求得水文變量設計值與頻率間的定量關系，確定干流及其主要支流(清水河、桑干河)75%保證率條件下的設計流量，結果見表1。

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

1.5 數(shù)據(jù)來源

水質目標來源于《河北省水環(huán)境功能區(qū)劃》，監(jiān)測斷面水質數(shù)據(jù)來源于張家口市環(huán)境科學研究院，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2017年數(shù)據(jù)。

2 QUAL2K模型的構建

2.1 河段的劃分

建立模型的首要工作就是進行河段的劃分[12]，詳細劃分原則參見文獻[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行水系的劃分，模型構建以洋河為主干流，支流設定為南洋河、清水河、桑干河和壺流河。劃分結果為: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。河段劃分結果見圖2。

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

2.2 入河污染負荷估算

QUAL2K模型考慮點源與非點源污染對河流的影響，遂進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生的原動力，因此將全年劃分為不同水期進行計算更為準確可靠。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、產污系數(shù)法對流域內農村生活污染、分散畜禽養(yǎng)殖污染以及農田徑流污染進行核算，核算方法參照文獻[14]。基于文獻查閱，本研究將響水堡及石匣里上游的非點源入河系數(shù)設置為0.05，下游設置為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?shù)玫搅髁繑?shù)據(jù)后，根據(jù)流速—流量關系、水深—流量關系的經驗方程(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監(jiān)測數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)率定，按豐、平、枯三個水期進行率定。水質數(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、有機磷水解速率、有機磷沉降速率，其他參數(shù)均采用模型推薦值。通過對降解系數(shù)的不斷調整得到最終率定結果，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；有機磷水解速率為0.20～0.40 d-1；有機磷沉降速率為1.00 d-1，率定結果與國內外相關研究基本一致。

3 結果與分析

3.1 入河污染負荷結果分析

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行核算，結果見表3。可以看出，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，氨氮入河污染以農田徑流和點源為主，TP入河污染主要來自農田徑流，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年各水期水質數(shù)據(jù)進行模型的驗證，計算步長設置為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，該位置水質模擬結果均出現(xiàn)小峰值，清水河在洋河86 km處匯入洋河，由于清水河水質較差，水質模擬結果有一個顯著升高的過程，使洋河COD、氨氮和TP濃度均達到峰值。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，水質模擬結果開始緩慢下降。洋河下游135～160 km，由于河流本身對污染物有降解稀釋作用，水質模擬結果繼續(xù)下降。桑干河在洋河161 km處與洋河匯合，由于桑干河水質略差，短距離內污染物濃度上升迅速，模擬結果也有一個顯著升高的趨勢，最后經過八號橋斷面流入官廳水庫庫區(qū)。

水質模擬的精度可用決定系數(shù)R2進行評測，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，其原因為流域內建有大量水利水電設施，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，均為流域內大型水庫，由于水庫枯水期冰凍，主要在平水期進行水量調節(jié)以滿足工農業(yè)用水需求，這些水庫不定期不定量的蓄水與下泄，對河道內的流量和水質均產生了影響，因此平水期水質模擬效果較差；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模型對硝化反應過程的模擬優(yōu)于對生化耗氧過程及有機磷溶解過程的模擬。

表4 R2計算結果Table 4 Calculation result of R2

3.3 水環(huán)境容量計算結果分析

結合《河北省水環(huán)境功能區(qū)劃》中各河段水質目標要求，將上述模型河段的劃分對應到各控制單元上，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，結果見表5。

表5 水環(huán)境容量計算結果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)負值，這是由于枯水期排污過多導致，表示該控制單元不能繼續(xù)承擔污染物的排放，應進行污染物的削減，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，這相比于普遍認知的豐水期納污能力強有所不同，主要與流域內眾多大型水庫對河流的水量調節(jié)集中在平水期密切相關，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，該流域TP的主要來源為農田徑流，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作物耕作時間多集中于此，從而導致流入河流的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、考慮水質目標以及一定設計水文條件下的河流最大容許納污量，隨著水質的改善，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)境容量進行了計算，其結果(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)境治理會導致河流水質的改善，從而使河流具備更強的納污能力。

對于削減量的計算，流域內COD污染入河總量6 949.2 t/a，應削減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)狀負荷后剩余水環(huán)境容量366.4 t/a，可繼續(xù)對其進行負荷分配；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%，削減任務較繁重。因此，通過模擬流域河流水質的變化過程及水環(huán)境容量的計算，清水河、壺流河和桑干河下游應著重加強流域內種植業(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，改善農業(yè)種植結構等；對于洋河下游點源集中處，應著重提升城鎮(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。

4 結 語

(1) 點源、非點源污染負荷核算結果表明，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TP的污染來源主要為農田徑流，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田徑流及城鎮(zhèn)生活污水。

(2) 利用QUAL2K構建了永定河流域張家口段水動力水質模型，以2017年例行監(jiān)測數(shù)據(jù)進行參數(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；有機磷水解速率為0.20～0.40 d-1；有機磷沉降速率為1.00 d-1，其模擬的水質變化趨勢與實測值基本吻合。

(3) 研究區(qū)內COD和氨氮個別控制單元在枯水期水環(huán)境容量出現(xiàn)負值，表明流域個別控制單元的排放量已經超出水體納污能力，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。

(4) 研究區(qū)內COD和TP負荷分別需要削減31.8%(2 211.8 t/a)和62.3%(138.9 t/a)，削減任務較重，氨氮有剩余水環(huán)境容量(366.4 t/a)，削減任務較輕。相關部門應著重提升城鎮(zhèn)污水處理能力，加強對含磷污染源的管控，充分利用畜禽糞便綜合利用技術，改善農業(yè)種植結構，減少磷肥的使用。此外，水庫水量的調控對水質模擬方面的影響還有待進一步研究。