唐 敏 于魯冀 梁亦欣 王惠英 呂曉燕 張 寬

(1.鄭州大學(xué)環(huán)境技術(shù)咨詢工程有限公司，河南 鄭州 450002； 2.鄭州大學(xué)環(huán)境政策規(guī)劃評價研究中心，河南 鄭州 450002；3.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001)

北方季節(jié)性河流保障環(huán)境流量研究*

唐 敏1，2于魯冀3#梁亦欣1，2王惠英1，2呂曉燕1，2張 寬1，2

(1.鄭州大學(xué)環(huán)境技術(shù)咨詢工程有限公司，河南 鄭州 450002； 2.鄭州大學(xué)環(huán)境政策規(guī)劃評價研究中心，河南 鄭州 450002；3.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001)

針對北方季節(jié)性河流環(huán)境流量短缺和污染并存的現(xiàn)狀，從二元水循環(huán)的角度，提出一種建立在河流或河段的水量水質(zhì)平衡基礎(chǔ)上的環(huán)境流量分析方法；以典型重污染河流——賈魯河為例，基于河流徑流和水質(zhì)特征，以滿足水質(zhì)目標(biāo)要求為前提，提出保障環(huán)境流量的對策建議。結(jié)果表明：為改善河流近期水質(zhì)，在提標(biāo)治理和進一步嚴格監(jiān)管的同時，基于2013、2014年數(shù)據(jù)，需新增環(huán)境流量分別為1.55m3/s(折合0.49億m3/a)和8.10m3/s(折合2.55億m3/a)，其經(jīng)濟總成本分別為4.90億、5.52億元，占鄭州市生產(chǎn)總值的0.08%，可依托現(xiàn)狀引水工程進行保障環(huán)境流量水資源的調(diào)配，經(jīng)濟及水源途徑可行。

季節(jié)性河流 環(huán)境流量 二元水循環(huán) 水量水質(zhì)平衡模型 賈魯河

季節(jié)性河流一般以雨水補給為主，枯水期流量小，洪水期流量大，水位變幅較大。目前，大多數(shù)北方季節(jié)性河流由于天然徑流缺乏，而且受人類活動的強烈干擾，出現(xiàn)水污染嚴重、河流自凈能力極弱或消失，甚至部分河流已出現(xiàn)斷流，環(huán)境容量嚴重不足等問題。

賈魯河是淮河流域沙潁河水系中一大支流，屬于典型的北方季節(jié)性重污染河流。賈魯河天然徑流小，納污量較大，河道自凈能力差，水質(zhì)污染嚴重。十余年來，經(jīng)過提標(biāo)治理、環(huán)境管理、生態(tài)調(diào)水等多方面的努力，賈魯河水污染惡化趨勢得到一定程度的遏制，但由于河流上游主要分布在社會經(jīng)濟較發(fā)達的鄭州市，水資源開發(fā)利用強度較大，同時賈魯河入河污染物總量遠超出河流的自凈能力，導(dǎo)致水質(zhì)改善壓力大。針對北方季節(jié)性河流日趨嚴峻的水環(huán)境問題，保障河流環(huán)境流量，是改善河流水質(zhì)、逐步恢復(fù)河流環(huán)境功能與生態(tài)功能的有效及必要手段。張洪斌等[1]利用水質(zhì)模型確定了最佳生態(tài)補水量。葛軍[2]從水量維持和水質(zhì)保障兩方面對塘西河枯水期水資源短缺量進行預(yù)測，確定了塘西河生態(tài)補水量，但只側(cè)重考慮水質(zhì)計算方法。

環(huán)境流量計算方法對于實現(xiàn)流域水資源合理開發(fā)、配置及維持河流生態(tài)健康具有重要意義，其計算結(jié)果可為河流生態(tài)補水量的確定提供科學(xué)依據(jù)[3]。針對此方面從二元水循環(huán)的角度開展相關(guān)研究的學(xué)者較少。王西琴等[4-5]最早以遼河流域為例，開展了基于二元水循環(huán)的河流生態(tài)需水水量與水質(zhì)綜合評價方法研究。之后，張代青等[6]、張亮等[7]在此研究理論方法指導(dǎo)下進一步開展了環(huán)境流量相關(guān)研究。上述研究將河流作為一個整體來開展環(huán)境流量研究，且未考慮天然水循環(huán)過程對水質(zhì)的影響。

本研究以重污染河流賈魯河為例，從二元水循環(huán)的角度，考慮了自然和社會水循環(huán)中的水量水質(zhì)變化，根據(jù)出境考核斷面將賈魯河分成不同河段，提出一種建立在河流或河段的水量水質(zhì)平衡基礎(chǔ)上的環(huán)境流量分析方法，以滿足水質(zhì)目標(biāo)要求為前提，開展保障環(huán)境流量研究，為改善北方季節(jié)性河流近期水質(zhì)提供參考。

1 環(huán)境流量計算方法

1.1 水量水質(zhì)平衡模型

基于“降雨、取水、排水”二元水循環(huán)思想建立了水量水質(zhì)平衡模型，考慮了河流降雨徑流、蒸發(fā)耗水、自凈削減等自然水循環(huán)中的水量水質(zhì)變化，以及取水、工業(yè)/生活排水、生態(tài)調(diào)水等社會水循環(huán)中的水量水質(zhì)變化。河段水量水質(zhì)平衡見圖1。

圖1 河段水量水質(zhì)平衡Fig.1 Water quality and quantity balance

河流各河段內(nèi)的水量水質(zhì)平衡主要包括兩大部分：(1)水量平衡，即水量的輸入和輸出；(2)水質(zhì)平衡，在水量平衡的基礎(chǔ)上，分析單元內(nèi)各輸入和輸出量對應(yīng)的污染物的輸入和輸出量，同時分析由單元內(nèi)自凈作用削減的污染物量。

1.2 控制河段流量(水量)數(shù)據(jù)選取

1.2.1 輸入量參數(shù)

河段上游來水量(Q1，m3/s)、支流匯入量(Q7，m3/s)采用水文站點流量數(shù)據(jù)。河段內(nèi)的工業(yè)和生活排水匯入量(包括工業(yè)點源匯入量(Q2，m3/s)、生活污水處理廠匯入量(Q3，m3/s)和直排生活廢水匯入量(Q4，m3/s))根據(jù)環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)核算。河段內(nèi)生態(tài)調(diào)入水量(Q5，m3/s)采用地市上報的各河段生態(tài)補水?dāng)?shù)據(jù)。河段內(nèi)降雨產(chǎn)生的徑流量(Q6，m3/s)采用徑流系數(shù)法，利用年降雨量的平均值與徑流系數(shù)推求年徑流量(見式(1))。

W=1 000×C×P×F=1 000×(R/P)×P×F

(1)

式中：W為年徑流量，m3；C為徑流系數(shù)，與研究區(qū)域植被、地形、地質(zhì)、主河道長度等因素有關(guān)；P為多年平均降雨量(1982—2012水文站點數(shù)據(jù))，mm；F為控制河段流域面積，km2；R為多年平均徑流深(1982—2012水文站點數(shù)據(jù))，mm。

1.2.2 輸出量參數(shù)

(1) 河段出水流量(Q8，m3/s)采用水文站點流量數(shù)據(jù)。

(2) 蒸發(fā)耗水量(Q耗，m3/s)為河道水面面積乘以蒸發(fā)量，采用《河南省水文水資源》中各地區(qū)蒸發(fā)量。

(3) 在上述各項水量參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，根據(jù)輸入輸出模型，核算單元的水量平衡，其中增加/損失的量作為取水和滲漏量(ΔQ，m3/s)。

(4) 自凈削減量

首先確定綜合削減系數(shù)(k)。根據(jù)《制定地方水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原則和方法》(GB 3839—83)，當(dāng)計算的河段內(nèi)有污染源排入時，污染物沿水流方向的平衡方程式見式(2)。

(2)

式中：C1為上游流入的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；i為排污口或支流序號；n為排污口或支流總數(shù)；qi為排污口或支流的水量，m3/s；ci為排污口或支流的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；C8為河段出水的污染物質(zhì)量濃度，mg/L。

在計算的河段內(nèi)有污染源排入時，可由式(2)換算得到各區(qū)段的綜合削減系數(shù)。在綜合削減系數(shù)確定過程中，根據(jù)盧映東等[8]提出首斷面節(jié)點平衡的觀點，針對區(qū)段內(nèi)水量不平衡，需要首先進行水量平衡，在水量平衡中以斷面測驗值為準(zhǔn)，可增加平衡水量，其值等于上斷面流量與區(qū)段內(nèi)匯入水量和下斷面流量之差。本研究中河段取水和滲漏量為平衡水量。因此，確定綜合削減系數(shù)可變換為式(3)。然后，采用基準(zhǔn)年每月斷面流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)計算自凈削減量。

(3)

式中：CΔ為取水和滲漏的污染物質(zhì)量濃度，mg/L。

1.3 控制河段水質(zhì)參數(shù)選取

斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)：采用河南省政府責(zé)任目標(biāo)斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。入河工業(yè)點源、污水處理廠采用環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，直排生活污水COD、氨氮分別取300、25 mg/L。生態(tài)調(diào)入水水質(zhì)：已進行生態(tài)補水的河流補水水質(zhì)根據(jù)現(xiàn)狀補水水質(zhì)，未有補水的取《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類限值(COD 20 mg/L，氨氮1 mg/L)。斷面水質(zhì)目標(biāo)：采用各斷面“十二五”河南省政府責(zé)任目標(biāo)。

2 賈魯河環(huán)境流量計算

2.1 流域基本情況

賈魯河全長246 km，流域面積5 896 km2，其發(fā)源于新密市，向東北流經(jīng)鄭州市，至鄭州市市區(qū)北郊折向東流經(jīng)中牟、開封、尉氏、扶溝、西華等縣，于周口市入沙潁河，最后匯入淮河。根據(jù)河南省水環(huán)境功能區(qū)劃，賈魯河水體功能區(qū)劃為Ⅳ類水體，但實際水質(zhì)嚴重劣于GB 3838—2002中Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 徑流與水質(zhì)特征

賈魯河受自然因素所限，天然徑流稀少，多年平均徑流量4.518億m3，多年平均流量14.6 m3/s，年最大徑流量15.72億m3，年最小徑流量1.51億m3，根據(jù)河南省地表水責(zé)任目標(biāo)斷面流量數(shù)據(jù)，賈魯河豐水期為6—9月，平水期4—5、10月，枯水期1—3、11—12月。

賈魯河河道補給水基本為鄭州、開封市及下轄區(qū)縣經(jīng)過一定處理的城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)廢水，即使經(jīng)過深度處理，入河水質(zhì)COD和氨氮的濃度仍遠高于GB 3838—2002中Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。賈魯河在入沙潁河前設(shè)置中牟陳橋(鄭州段)、扶溝擺渡口(開封段)和西華大王莊(周口段)3個控制斷面(見圖2)?！笆濉焙幽鲜≌?zé)任目標(biāo)具體考核要求見表1。

采用單因子評價法，按照“十二五”河南省政府責(zé)任目標(biāo)進行評價，賈魯河從上游到下游污染程度逐步減輕，但各河段水質(zhì)均為劣Ⅴ類，不能滿足近期“十二五”河南省政府責(zé)任目標(biāo)，遠未達到水體功能區(qū)目標(biāo)要求。

圖2 賈魯河控制斷面示意圖Fig.2 The controlled section of Jialu River

所屬河流所在控制單元斷面名稱具體考核要求鄭州中牟陳橋氨氮≤3.0mg/L,其余指標(biāo)Ⅴ類賈魯河開封扶溝擺渡口周口西華大王莊氨氮≤2.0mg/L,其余指標(biāo)Ⅳ類

2.3 計算結(jié)果與分析

2.3.1 情景設(shè)定

針對賈魯河流域污染狀況，分別從現(xiàn)狀排污和提標(biāo)排污情景下計算賈魯河不同河段所需環(huán)境流量?，F(xiàn)狀排污情景考慮河流上下游關(guān)系及協(xié)同管理，即上游斷面(河段)補水水質(zhì)達標(biāo)后對下游河段水質(zhì)的影響。從提標(biāo)治理和嚴格監(jiān)管要求的角度，考慮入河工業(yè)點源、集中污水處理廠按照提標(biāo)要求排污后對河段水質(zhì)的影響，結(jié)合現(xiàn)狀監(jiān)管條件下污染源90%達標(biāo)率的排污狀況，設(shè)定情景1為污染源提標(biāo)排放、90%達標(biāo)率；在進一步嚴格污染源排污監(jiān)管條件下，設(shè)定情景2為污染源提標(biāo)排放、100%達標(biāo)率。

賈魯河鄭州市區(qū)和其他地區(qū)控制河段內(nèi)，入河的所有工業(yè)點源和集中污水處理廠按照河南省《賈魯河流域水污染排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 41/908—2014)達標(biāo)排放測算：鄭州市區(qū)COD≤40 mg/L、氨氮≤3 mg/L，其他地區(qū)COD≤50 mg/L、氨氮≤5 mg/L。

2.3.2 現(xiàn)狀排污情景

現(xiàn)狀排污情景下賈魯河不同河段保障水質(zhì)(COD和氨氮)達標(biāo)所需環(huán)境流量見表2。現(xiàn)狀排污情景下，從保障COD和氨氮達標(biāo)環(huán)境流量結(jié)果來看，氨氮達標(biāo)所需環(huán)境流量大于COD；從不同水期保障水質(zhì)達標(biāo)環(huán)境流量結(jié)果來看，呈現(xiàn)枯水期>平水期>豐水期，可見賈魯河流域亟需保障枯水期所需環(huán)境流量；從河段所需環(huán)境流量來看，賈魯河3個河段中需保障上游鄭州段環(huán)境流量。

表2 現(xiàn)狀排污情景下保障水質(zhì)達標(biāo)環(huán)境流量

圖3 提標(biāo)排污情景下保障水質(zhì)達標(biāo)環(huán)境流量結(jié)果Fig.3 Environmental flow of guarantee discharge up to COD and ammonia nitrogen standard under the scenario of strict pollution discharge

現(xiàn)狀排污情景下，基于2013年數(shù)據(jù)計算，賈魯河豐、平、枯水期保障水質(zhì)達標(biāo)環(huán)境流量分別為8.70 m3/s(折合0.92億m3/a)、11.30 m3/s(折合0.90億m3/a)、34.00 m3/s(折合4.44億m3/a)，合計6.26億m3/a；基于2014年數(shù)據(jù)計算，賈魯河豐、平、枯水期障水質(zhì)達標(biāo)環(huán)境流量分別為10.50 m3/s(折合1.11億m3/a)、29.60 m3/s(折合2.35億m3/a)、48.40 m3/s(折合6.36億m3/a)，合計9.82億m3/a?？梢姡?014年為基準(zhǔn)年計算所需環(huán)境流量總體大于以2013年為基準(zhǔn)年的環(huán)境流量，這是由于2014年賈魯河水質(zhì)惡化的結(jié)果。

2.3.3 提標(biāo)排污情景

提標(biāo)排污情景1、2條件下計算賈魯河流域保障COD和氨氮達標(biāo)所需環(huán)境流量見圖3。提標(biāo)排污情景1、2下，從保障COD和氨氮達標(biāo)計算結(jié)果來看，氨氮達標(biāo)所需環(huán)境流量總體大于COD；從河段所需環(huán)境流量來看，賈魯河3個河段中需保障鄭州段環(huán)境流量。

提標(biāo)排污情景1下，基于2013、2014年數(shù)據(jù)計算，賈魯河流域保障水質(zhì)達標(biāo)環(huán)境流量分別為1.55 m3/s(折合0.49億m3/a)、10.50 m3/s(折合3.31億m3/a)。提標(biāo)排污情景2下，基于2013、2014年數(shù)據(jù)計算，賈魯河流域保障水質(zhì)達標(biāo)環(huán)境流量為1.55 m3/s(折合0.49億m3/a)和8.10 m3/s(折合2.55億m3/a)?？梢姡針?biāo)排污情景下，以2014年為基準(zhǔn)年計算所需環(huán)境流量均大于以2013年為基準(zhǔn)年計算所需環(huán)境流量，這也是由于2014年賈魯河水質(zhì)惡化的結(jié)果。

綜合而言，提標(biāo)排污情景下保障水質(zhì)達標(biāo)所需環(huán)境流量較現(xiàn)狀排污情景下減少。在提標(biāo)治理和進一步嚴格環(huán)境執(zhí)法監(jiān)管的同時，基于2013、2014年數(shù)據(jù)計算，所需環(huán)境流量分別為1.55 m3/s(折合0.49億m3/a)和8.10 m3/s(折合2.55億m3/a)。

3 保障環(huán)境流量對策建議

鑒于河南省已實施國內(nèi)較嚴的DB 41/908—2014，以最少的水資源量保障斷面水質(zhì)目標(biāo)實現(xiàn)為目的，以用水控制總量為紅線，按照“控源提標(biāo)、節(jié)水優(yōu)先”的原則，強化源頭控制，嚴格環(huán)境監(jiān)管。加大賈魯河流域鄭州市控源減排力度，減少污染物入河量，重點保障賈魯河鄭州段環(huán)境流量，近期(“十二五”期間)保障實現(xiàn)“十二五”河南省政府責(zé)任目標(biāo)所需環(huán)境流量，增加水環(huán)境容量，提高水體自凈能力，遠期同時加大鄭州市的節(jié)水力度和水資源優(yōu)化配置，保障實現(xiàn)水環(huán)境功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo)需新增環(huán)境流量。

要滿足“十二五”河南省政府責(zé)任考核目標(biāo)要求，賈魯河3個河段中需新增環(huán)境流量的河段為鄭州段，經(jīng)濟總成本=生態(tài)補水成本+工業(yè)企業(yè)達標(biāo)排放需增加的投資+污水處理廠達標(biāo)排放需增加的投資。工業(yè)企業(yè)與污水處理廠達標(biāo)排放需新增治理成本為4.75億元，基于2013、2014年數(shù)據(jù)需新增環(huán)境流量水資源費用分別為0.15億、0.77億元，總經(jīng)濟成本分別為4.90億、5.52億元，均占鄭州市生產(chǎn)總值的0.08%，從經(jīng)濟角度分析保障環(huán)境流量可行。

目前，現(xiàn)狀已有保障環(huán)境流量(生態(tài)補水)工程，通過調(diào)黃河水生態(tài)補源來改善和恢復(fù)賈魯河水環(huán)境質(zhì)量，主要取水點為花園口東風(fēng)渠和邙山水庫。由于保障環(huán)境流量(生態(tài)補水)工程與河流需新增環(huán)境流量的河段完全對應(yīng)，建議依托現(xiàn)狀引水工程進行保障環(huán)境流量水資源的調(diào)配，通過中牟縣三劉寨、楊橋和趙口引黃河干流入賈魯河。

4 結(jié)論與討論

(1) 針對北方季節(jié)性河流環(huán)境流量短缺和污染并存的現(xiàn)狀，從二元水循環(huán)的角度，提出一種建立在河流或河段的水量水質(zhì)平衡基礎(chǔ)上的環(huán)境流量分析方法。

(2) 為滿足“十二五”河南省政府責(zé)任考核目標(biāo)要求，賈魯河3個河段中需新增環(huán)境流量的河段為鄭州段。在提標(biāo)治理和進一步嚴格環(huán)境執(zhí)法監(jiān)管的同時，基于2013、2014年數(shù)據(jù)，需新增環(huán)境流量分別為1.55 m3/s(折合0.49億m3/a)和8.10 m3/s(折合2.55億m3/a)，其經(jīng)濟總成本分別為4.90億、5.52億元，均占鄭州市生產(chǎn)總值的0.08%，從經(jīng)濟角度分析保障環(huán)境流量可行。

(3) 現(xiàn)狀保障環(huán)境流量(生態(tài)補水)工程與河流需新增環(huán)境流量的河段完全對應(yīng)，建議依托現(xiàn)狀引水工程進行保障環(huán)境流量水資源的調(diào)配，通過中牟縣三劉寨、楊橋和趙口引黃河干流入賈魯河。

(4) 環(huán)境流量不是一個固定的數(shù)值，根據(jù)不同的環(huán)境目標(biāo)要求可測算出不同的值，對于不同的年份，月份亦可測算出不同的值。本研究主要分析的是年平均值，在數(shù)據(jù)充足、條件允許的情況下，應(yīng)分析月平均，甚至更短的周期，用來指導(dǎo)制定更加合理的水資源管理方案。

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Studyofsafeguardenvironmentalflowfornorthernseasonalrivers

TANGMin1，2，YULuji3，LIANGYixin1，2，WANGHuiying1，2，LYUXiaoyan1，2，ZHANGKuan1，2.

(1.EnvironmentalTechnologyConsultingandEngineeringCo.，Ltd.，ZhengzhouUniversity，ZhengzhouHenan450002；2.ResearchCenterforEnvironmentalPolicyPlanningandAssessment，ZhengzhouUniversity，ZhengzhouHenan450002；3.CollegeofWaterConservancy&EnvironmentalEngineering，ZhengzhouUniversity，ZhengzhouHenan450001)

According to the present situation of the coexistence of environmental flow shortage and pollution for northern seasonal rivers，from the perspective of dualistic water cycle，a analysis method of environmental flow was proposed that based on water quality and quantity balance of river or rivers. In the case of Jialu River，typical heavily polluted rivers，based on river runoff and water quality characteristics，in order to meet the objectives and requirements of the premise，the safeguard countermeasures and suggestions of environmental flow were put forward. The results showed that：in order to improve the recent water quality，in stricter governance and supervision，based on 2013 and 2014 data，the environmental flow should be newly increased with 1.55 m3/s (49 million m3/a) and 8.10 m3/s (255 million m3/a) separately. Its total economic cost were 490 million yuan and 552 million yuan respectively，and were 0.08% of GDP in Zhengzhou. The allocation of environmental flow could rely on diversion projects，and its economy and water way were feasible.

seasonal rivers; environmental flow; dualistic water cycle； water quality and quantity balance model; Jialu River

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.04.022

2016-03-25)

唐 敏，女，1984年生，碩士研究生，研究方向為水污染控制技術(shù)。#

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*國家水體污染控制與治理科技重大專項(No.2015ZX07204-002)。