李景波，付意成，趙進(jìn)勇

（1.新華水利控股集團(tuán)公司，100053，北京；2.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

渾太河流域水環(huán)境容量計(jì)算設(shè)計(jì)流量研究

李景波1，付意成2，趙進(jìn)勇2

（1.新華水利控股集團(tuán)公司，100053，北京；2.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

水環(huán)境容量計(jì)算的影響因素主要包括設(shè)計(jì)水文條件、水功能區(qū)水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)、污染物種類特性及排放方式，斷面設(shè)計(jì)流量與流速、水位間具有相關(guān)性，合理確定斷面的設(shè)計(jì)流量成為進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算的關(guān)鍵。為體現(xiàn)水環(huán)境容量的時(shí)間動態(tài)變化特性，提出分期設(shè)計(jì)流量的原則，以渾太河流域?yàn)榈湫蛥^(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)流量的確定，給出基于典型年設(shè)計(jì)流量、分期設(shè)計(jì)流量、冰期非冰期設(shè)計(jì)流量的集成方案。

水環(huán)境容量；分期設(shè)計(jì)流量；渾太河流域

受河道徑流特性、社會經(jīng)濟(jì)水平、污染程度差異的影響,水環(huán)境容量測算時(shí)選取的設(shè)計(jì)流量條件應(yīng)有所不同。通常情況下，90%保證率最枯月徑流量對應(yīng)的單一水環(huán)境容量有限，為此，應(yīng)綜合考慮徑流調(diào)節(jié)工程、調(diào)度運(yùn)行方式對水環(huán)境容量計(jì)算過程的影響。河流徑流的豐枯變化決定了水環(huán)境容量隨時(shí)間具有動態(tài)變化特征。在污染物質(zhì)濃度不超過一定限制的情況下，流域水環(huán)境容量和設(shè)計(jì)流量成正比，因此，設(shè)計(jì)流量的確定是進(jìn)行河段水環(huán)境容量計(jì)算的關(guān)鍵。通常利用經(jīng)驗(yàn)適線法進(jìn)行理論頻率曲線（皮爾遜Ⅲ型曲線）配線，確定不同頻率對應(yīng)的設(shè)計(jì)流量。

渾太河由渾河、太子河兩個(gè)獨(dú)立水系構(gòu)成，流域面積2.54萬km2。渾河、太子河為大遼河流域獨(dú)立水系，兩者在三岔河附近匯合后稱大遼河，其中，渾河全長415.4 km，年徑流量24.04億m3；太子河全長412.9 km，年徑流量33.31億m3。本文選取大遼河三岔河口以上河段所在流域?yàn)檠芯繀^(qū)，包括渾河干流及其支流、太子河干流及其支流。渾太河流域水資源貧乏，降水年內(nèi)分配變化較大，7—9月降水量占全年的70%以上，加之沿河水庫等大中小型蓄水工程的控制，導(dǎo)致河流非汛期流量較小，甚至出現(xiàn)斷流。水環(huán)境容量的計(jì)算，需要在確定風(fēng)險(xiǎn)率的基礎(chǔ)上進(jìn)行，因此，在計(jì)算河流水環(huán)境容量時(shí)選擇適宜的枯水設(shè)計(jì)流量，對枯水期、平水期水安全起到重要作用。在單一設(shè)計(jì)水文條件下單純計(jì)算靜態(tài)水環(huán)境容量稍顯欠缺。為避免全年采用單一水環(huán)境容量限制污染排放量造成的 “豐欠枯超”現(xiàn)象，并滿足渾太河水系的水環(huán)境管理需求，采用分期設(shè)計(jì)流量實(shí)現(xiàn)渾太河水環(huán)境容量季節(jié)多變這一目標(biāo)。

一、設(shè)計(jì)流量研究狀況

1.國外經(jīng)驗(yàn)

美國環(huán)保局 （EPA）頒布的各類TMDL（Total Maximum Daily Load）指南給出了制定TMDL方案時(shí)使用設(shè)計(jì)水文條件的技術(shù)導(dǎo)則。研究者從水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)最小化的層面考慮，曾將最小生態(tài)流量作為設(shè)計(jì)水文條件。

EPA推薦采用水文學(xué)方法（xQy）和生物學(xué)方法（xBy）兩種設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法。從污染物消減和水質(zhì)安全層面而言，對傳統(tǒng)污染物和毒性污染物存在的流域，xBy在設(shè)計(jì)流量確定方面相對于xQy更具合理性。兩種方法均涉及允許平均期和重現(xiàn)期的概念。允許平均期根據(jù)水質(zhì)指標(biāo)的毒性特征確定，指必須能適當(dāng)?shù)叵拗瞥瑯?biāo)幅度和時(shí)間，并且能提供濃度低于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的恢復(fù)期，一般以天為時(shí)間尺度。重現(xiàn)期指在一定量級范圍內(nèi)，水文要素平均出現(xiàn)一次的間隔年數(shù)，常以多少年一遇表達(dá)，即為該水文要素在這一量級出現(xiàn)頻率的倒數(shù)。根據(jù)污染物的風(fēng)險(xiǎn)特征或污染物受體、生物或人類的耐受性，重現(xiàn)期一般以年計(jì)。根據(jù)美國EPA的研究，水生生物安全一般取3a，人類健康安全根據(jù)污染物類型確定。

①在表達(dá)式xQy中，x為允許平均期（d），y為重現(xiàn)期（a），通常采用7Q10（90%保證率下最枯連續(xù)7 d的平均流量）、30Q10、1Q10進(jìn)行設(shè)計(jì)流量的確定。水文學(xué)方法確定的設(shè)計(jì)流量是通過每年內(nèi)一個(gè)極端水文條件進(jìn)行跨年度的頻率分析，按一定風(fēng)險(xiǎn)率來確定設(shè)計(jì)流量，作為毒性污染物負(fù)荷控制及總量分配的依據(jù)。研究中通常采用算術(shù)平均值、調(diào)和平均值和幾何平均值進(jìn)行設(shè)計(jì)流量的確定。

②在表達(dá)式xBy中，x為允許平均期（d），y為重現(xiàn)期（a）。

按水生生物安全要求重金屬的允許平均期為4d、重現(xiàn)期3a或6a，通常采用4B3（重現(xiàn)期3 a，允許平均期4 d的河流穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)流量）或4B6的形式。

短期毒性污染物允許平均期30d，重現(xiàn)期為3 a，通常采用30B3的形式。對于致癌物質(zhì)，通常取70 a作為允許平均期。

對于生態(tài)狀況良好的河段，通常采用 P=50%頻率下河道徑流量的60%確定設(shè)計(jì)流量；對于生態(tài)狀況一般的河段，通常采用P=50%頻率下河道徑流量的30%～60%確定設(shè)計(jì)流量；為滿足生物最小生態(tài)需水量要求，一般采用P=90%頻率下最枯連續(xù)7 d的平均水量作為河流最小流量設(shè)計(jì)值。

研究中對于生物大量存在的河段，一般采用幾何平均法進(jìn)行設(shè)計(jì)流量的確定。

其他國家在設(shè)計(jì)水文條件時(shí)，基本上停留在傳統(tǒng)水文學(xué)的范疇內(nèi)考慮枯水流量，并未滿足生物安全的流量需求。

表1 河流設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法及適用性分析

表2 渾太河流域生態(tài)需求流量設(shè)計(jì)值

2.國內(nèi)規(guī)定

依據(jù)《制訂地方水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原則與方法》（GB3839—83）的規(guī)定：一般河流的設(shè)計(jì)流量采用近10 a最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量；對集中生活飲用水水源區(qū)，采用95%保證率最枯月平均流量；湖泊水庫采用90%保證率最低月平均水位或近10 a最低月平均水位相應(yīng)的蓄水量；有水利工程控制的河流采用最小泄流量（壩下保證流量）。在實(shí)際應(yīng)用中，南方河流通常采用90%保證率下最枯n天流量的平均值作為設(shè)計(jì)保證率流量，北方則采用75%保證率下的最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)流量。

依據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》，流域一般采用30Q10（近10年最枯月平均流量）作為設(shè)計(jì)流量條件，湖庫采用30V10（近10年最枯月平均庫容）作為設(shè)計(jì)庫容條件。

依據(jù) 《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》相關(guān)規(guī)定：在計(jì)算河流水域納污能力時(shí)，采用90%保證率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)流量；季節(jié)性河流、冰封河流，宜選取不為零的最小月平均流量作為樣本，采用90%保證率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)流量；流向不定的水網(wǎng)地區(qū)和潮汐河段，采用90%保證率流速為零時(shí)的低水位相應(yīng)水量作為設(shè)計(jì)流量；有水利工程控制的河段，采用最小下泄流量或河道內(nèi)生態(tài)基流作為設(shè)計(jì)流量；以岸邊劃分水功能區(qū)的河段，采用岸邊水域的設(shè)計(jì)流量進(jìn)行計(jì)算。

綜上所述，我國在水環(huán)境評價(jià)及保護(hù)規(guī)劃方面采用的設(shè)計(jì)水文條件基本沿用水文學(xué)方法，常用方法主要有3種：①近10年最枯月平均流量（GB3839—1983）；②90%保證率最枯月平均流量（GB3839—1983）；③借用美國環(huán)保局的7Q10及30Q10方法。在對長期和短期數(shù)據(jù)系列的處理方面，從水文學(xué)的觀點(diǎn)看，方法②更合理，方法①在過豐或過枯的短期時(shí)段上進(jìn)行頻率分析時(shí)，存在數(shù)據(jù)缺乏代表性問題。從人類活動干擾的角度來看，方法①更具合理性，在流域耗水量增加造成河流徑流量下降的情況下，因近遠(yuǎn)期水文數(shù)據(jù)缺乏一致性，因此，采用近期資料更趨于合理。方法②和30Q10法在概念的計(jì)算過程中具有相通性，所以方法②、③在概念上的差別不大，但③用年內(nèi)最枯30天流量更合理一些。

表3 渾河流域斷面典型年設(shè)計(jì)流量（m3/s）

表4 渾河流域斷面分期設(shè)計(jì)流量（m3/s）

3.方法總結(jié)

在對國內(nèi)外設(shè)計(jì)流量適用范圍、計(jì)算方法可行性進(jìn)行概述的基礎(chǔ)上，結(jié)合生物生存狀況及水體對污染的消減能力，進(jìn)行河流設(shè)計(jì)流量計(jì)算指標(biāo)選取與特征闡述，見表1。經(jīng)驗(yàn)表明，水文學(xué)方法計(jì)算的大多數(shù)河流流量值大于允許出現(xiàn)的最低值，而生物學(xué)方法直接采用規(guī)定的破壞頻率計(jì)算設(shè)計(jì)流量，結(jié)果更接近毒理控制的要求。

設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法的選擇與參數(shù)的取值主要與流域物種的生境多樣性、生存狀況有關(guān)。在研究區(qū)長系列水文資料缺少的情況下，通常選取最小生態(tài)流量Tennant法進(jìn)行流量的確定。國內(nèi)在分析設(shè)計(jì)水文條件時(shí)主要存在允許平均期選取混亂的問題，即在水質(zhì)模擬、評價(jià)、保護(hù)規(guī)劃等相關(guān)研究中，確定設(shè)計(jì)流量時(shí)基本沒有考慮污染物的毒理性質(zhì)、水體功能的特征，即便針對同一污染物，考慮到不同的區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展目標(biāo)和生態(tài)保護(hù)訴求，所選取的允許平均期不盡相同。

二、渾太河流域設(shè)計(jì)流量

1.最小生態(tài)流量

為消除渾太河流域下游水庫回水對河道徑流造成的影響，本文選取流域代表性15個(gè)水文站1988—2008年的信息資料，采用水文學(xué)方法30Q10、7Q10以及生物學(xué)方法 30B3、4B3進(jìn)行設(shè)計(jì)流量計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與最小生態(tài)流量（多年平均流量的10%）結(jié)果進(jìn)行比較。

為避免采用最小生態(tài)流量作為河道下泄流量造成原有下游河道環(huán)境容量受損，研究中通過將30B3的計(jì)算結(jié)果與最小生態(tài)流量的結(jié)果進(jìn)行比較，選取兩者中較大值作為設(shè)計(jì)流量。渾太河流域滿足生態(tài)需求下的流量設(shè)計(jì)值見表2。

通過數(shù)值比較分析來看，在某些情況下最小生態(tài)流量作為河道設(shè)計(jì)水文條件的參考值，可當(dāng)作設(shè)計(jì)流量進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算，但對不同的河段，還要通過與水文學(xué)或生物學(xué)方法確定的設(shè)計(jì)流量進(jìn)行對比，在考慮流域生態(tài)和環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的前提下進(jìn)行綜合確定。

表5 渾河流域冰期、非冰期設(shè)計(jì)流量（m3/s）

2.典型年設(shè)計(jì)流量

本文選擇渾河水系8個(gè)水文測站、太子河水系13個(gè)水文測站依據(jù)90%多年平均流量確定設(shè)計(jì)年流量和典型年，在選取典型年的基礎(chǔ)上進(jìn)行年流量月分配。渾太河流域典型年流量設(shè)計(jì)結(jié)果見表3。

3.分期設(shè)計(jì)流量

本文對渾太河流域年內(nèi)流量過程分豐水期（6—9月）、平水期（3—5月、10月）、枯水期（11—翌年2月）進(jìn)行設(shè)計(jì)。研究中針對渾河水系8個(gè)水文測站、太子河水系13個(gè)水文測站依據(jù)90%保證率最枯月平均流量確定站點(diǎn)分期設(shè)計(jì)流量。渾太河流域分期設(shè)計(jì)流量計(jì)算結(jié)果見表4。

4.冰期、非冰期設(shè)計(jì)流量

本文選擇渾河水系8個(gè)水文測站、太子河水系11個(gè)水文測站按照冰封期（1—3月、11—12月）、非冰封期（4—10月）進(jìn)行流量設(shè)計(jì)。研究中以12個(gè)月90%保證率流量對冰期、非冰期流量設(shè)計(jì)值的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。渾太河流域冰期、非冰期設(shè)計(jì)流量見表5。

三、結(jié) 語

渾太河流域汛期非汛期、冰封期非冰封期流量變化較大，不能用流量均值進(jìn)行設(shè)計(jì)流量的確定。根據(jù)河流分布區(qū)域的地貌、水文特征情況，確定河流較高保證率下的流量作為設(shè)計(jì)流量，以便于將河流的水環(huán)境容量限定在較低范圍，嚴(yán)格控制污染物入河量，確保水功能區(qū)水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。結(jié)合渾太河流域的來水情況及資料獲取的難易程度，本文采用流量分期設(shè)計(jì)理念，在綜合均衡各方需求的基礎(chǔ)上給出滿足流域水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)的流量設(shè)計(jì)值。

為體現(xiàn)水環(huán)境容量的動態(tài)變化特征，本文以分水期（封冰期、非封冰期、全年期）設(shè)計(jì)流量外包線為依據(jù)，為充分利用水體自凈消減能力，以三者最大值作為設(shè)計(jì)流量控制線（上控制線）進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算；基于偏安全角度，采用三者最小值作為設(shè)計(jì)流量控制線（下控制線）確定水環(huán)境容量。

[1]USEPA.Water Quality Guidance for the Great Lakes System:Supplementary Information Document(SID)，Section VIII.C.Total Maximum Daily Loads[R].USEPA,1995．

[2]文毅,李宇斌,胡成.遼河流域水污染物總量控制管理技術(shù)研究[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2009.

[3]桑蓉，富國，雷坤，等.水環(huán)境容量計(jì)算中設(shè)計(jì)流量的選擇與應(yīng)用[J].人民長江，2013（5）.

[4]付意成.渾太河流域水環(huán)境容量總量控制研究[D].北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2015.

責(zé)任編輯 張瑜洪

Study on design flow for calculation of water environment capacity in Huntai River Basin

Li Jingbo,Fu Yicheng,Zhao Jinyong

In calculation of water environment capacity,the influential factors mainly include hydrological conditions, objectives of water quality protection in water functions zones,types and features of pollutants and ways of pollution discharge,design flow and speed of sections as well as correlation between water levels,among which the key point is to define design flow of sections in a reasonable manner.In order to reflect the dynamic change of time,the principle of stage design flow is proposed and Huntai River Basin is employed as typical place for determination of design flow,so as to work out integration profile based on design flow of typical year,stage design flow and design flow in glacial period and non-glacial period.

water environment capacity;stage design flow;Huntai River Basin

TV123

B

1000-1123（2016）07-0037-04

2016-01-18

李景波，主任，高級工程師。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51409269）。