嵇靈燁，王飛兒*，俞潔，葉真男

（1.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州310058；2.浙江省環(huán)境監(jiān)測中心，杭州310012）

人口急劇增長和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展使水環(huán)境承受的壓力日益增大，流域水環(huán)境污染已成為影響區(qū)域發(fā)展的瓶頸。自20世紀(jì)80年代起，流域水質(zhì)目標(biāo)管理陸續(xù)成為發(fā)達(dá)國家水環(huán)境管理的主要模式，總量控制是流域水質(zhì)目標(biāo)管理的重要內(nèi)容之一。我國自“九五”開始實施污染物總量控制政策，并相繼在海河、淮河、遼河等流域開展實際應(yīng)用[1]，在遏制水環(huán)境惡化方面起到了一定的作用。然而，我國污染物總量控制為濃度與目標(biāo)總量控制相結(jié)合的模式，這種模式忽略了污染物控制總量與水質(zhì)響應(yīng)的關(guān)系，目標(biāo)制定存在一定的主觀性與盲目性。因此，基于水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系的容量總量控制將是下階段流域水質(zhì)目標(biāo)管理的核心，也是今后水環(huán)境管理的重要手段[2]。

容量總量控制以水質(zhì)目標(biāo)為依據(jù)進(jìn)行水體納污容量的計算，即受納水體允許排放總量的計算，并將允許排放總量在區(qū)域間或污染源間進(jìn)行合理分配，因此，水體環(huán)境容量（納污能力）計算是容量總量控制的首要任務(wù)[3]。環(huán)境容量計算方法眾多，包括水動力模型法[4]、流域負(fù)荷模型[5]、輸出系數(shù)法[6]等，這些方法多以特定水文條件作為限制條件進(jìn)行環(huán)境容量計算，很難快速反映出水環(huán)境容量實際變化規(guī)律[7]，同時，因為建模成本比較高，在實際應(yīng)用過程中受到較大的限制。負(fù)荷歷時曲線法將水質(zhì)控制目標(biāo)與實際流量相關(guān)聯(lián)開展水體納污能力計算，根據(jù)流量變化可直觀了解環(huán)境容量的動態(tài)變化情況。

東苕溪流域位于浙江省北部，地跨杭州、湖州的4個縣市區(qū)。東苕溪發(fā)源于浙江省境內(nèi)天目山南麓，屬于山溪性河流，上游由南苕溪、北苕溪、中苕溪匯流組成，源短流急，下游與杭嘉湖平原河網(wǎng)相連，流速緩慢。流域內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，農(nóng)業(yè)非點源污染為該區(qū)主要污染物。受水文及農(nóng)業(yè)面源影響，東苕溪流域水質(zhì)也呈現(xiàn)出季節(jié)性變化。本研究將負(fù)荷歷時曲線應(yīng)用于東苕溪容量總量控制，解析流域內(nèi)納污能力的時空變化規(guī)律，并結(jié)合水質(zhì)現(xiàn)狀，計算流域的剩余環(huán)境容量，為流域內(nèi)環(huán)境資源合理配置與污染治理提供依據(jù)。

1 材料與方法

開展基于水質(zhì)目標(biāo)的污染物總量控制的前提是掌握流域水體納污能力，即環(huán)境容量。在根據(jù)納污能力確定區(qū)域污染物允許排放量后，與區(qū)域污染排放量進(jìn)行對比，便可進(jìn)行后續(xù)污染物削減與分配。本研究采用負(fù)荷歷時曲線法解析流域水體納污能力。

1.1 負(fù)荷歷時曲線法

負(fù)荷歷時曲線法于1959年由SEARCY[8]首次提出，是一種利用流量數(shù)據(jù)圖解進(jìn)行水體納污能力計算分析的方法，在使用初期主要以流量歷時曲線的形式闡述自然地理、氣候?qū)α饔蛩捻憫?yīng)的影響。采用負(fù)荷歷時曲線法開展納污能力計算包含以下步驟[9]：

1）構(gòu)建流量歷時曲線，以y軸代表流量，x軸代表累積頻率，將設(shè)計斷面的流量值從大到小排序；

2）確定水體水質(zhì)管理目標(biāo)，根據(jù)研究區(qū)水功能區(qū)劃和研究區(qū)水質(zhì)管理要求明確研究水體主要功能，確定水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)值[10]；

3）構(gòu)建負(fù)荷歷時曲線，將流量歷時曲線與水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)值相乘，即為負(fù)荷歷時曲線。

同時，將實測水質(zhì)數(shù)據(jù)與其對應(yīng)監(jiān)測時間流量相乘，獲得監(jiān)測時間對應(yīng)的實際負(fù)荷。根據(jù)流量對應(yīng)的累計頻率將實際負(fù)荷以散點的形式繪于負(fù)荷歷時曲線中進(jìn)行比較：當(dāng)該點高于負(fù)荷歷時曲線時，則認(rèn)為該時刻的負(fù)荷排放超過水體允許納污量，需要進(jìn)行負(fù)荷削減；當(dāng)該點低于負(fù)荷歷時曲線時，則認(rèn)為該時刻負(fù)荷排放在水體允許納污量范圍內(nèi)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

為全面了解東苕溪流域納污能力的時空變化，研究結(jié)合區(qū)域行政區(qū)劃與水系分布情況，選取流域上游瓶窯（上游匯流點，控制臨安區(qū)與余杭區(qū)除良渚鎮(zhèn)、瓶窯鎮(zhèn)外區(qū)域）、中游德清大閘（余杭與德清交界上部，控制臨安區(qū)、余杭區(qū)及德清縣三合鄉(xiāng)）與洛舍閘（德清與吳興交界，控制臨安、余杭、德清3區(qū)縣市）、下游吳沈門（東苕溪流域出口，控制東苕溪全流域）4個水文站點作為控制斷面（圖1）。以各站點2011—2014年日均實測流量數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立流量歷時曲線。通過前期水質(zhì)分析，設(shè)定氨氮為控制指標(biāo)。根據(jù)浙江省水環(huán)境功能區(qū)劃，苕溪流域水體水質(zhì)控制目標(biāo)為地表水Ⅲ類，氨氮水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)值為1 mg/L。

圖1 研究區(qū)域各站點位置分布Fig.1 Site location of research area

為探討環(huán)境剩余納污能力的變化情況，選擇水文站點附近設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測斷面，進(jìn)行定期水質(zhì)監(jiān)測，以了解東苕溪流域排污狀況。其中，瓶窯大橋?qū)?yīng)瓶窯站點，奉口對應(yīng)德清大閘站點，東升對應(yīng)洛舍閘站點，鮑山對應(yīng)吳沈門站點。水質(zhì)監(jiān)測頻率除鮑山為兩月一測外，均一月一測。

2 結(jié)果與分析

2.1 納污能力空間變化特征

結(jié)合流量歷時曲線與水質(zhì)控制目標(biāo)獲得4個站點的負(fù)荷歷時曲線（圖2）。據(jù)水文特征條件將負(fù)荷歷時曲線分為5個流量區(qū)間：累計頻率在0%～10%的高流量區(qū)（HFI）；累計頻率在10%～40%的豐水區(qū)（MCI）；累計頻率在40%～60%的中流量區(qū)（MFI）；累計頻率在60%～90%的枯水區(qū)（DCI）；累計頻率在90%～100%的低流量區(qū)（LFI）。

由圖2可知，4個站點的負(fù)荷歷時曲線均呈“S”形分布。納污能力較強的為下游吳沈門站點，該站點的納污能力在80%的時間內(nèi)大于其他3個站點；上游瓶窯站點高流量區(qū)間納污能力在4個站點中最強，而在50%～100%累計頻率中又是4個站點里納污能力最弱的站點，納污能力波動較大；中游德清大閘與洛舍閘站點負(fù)荷歷時曲線相似度較高，洛舍閘站點納污能力略強于德清大閘站點。以各歷時區(qū)間中點對應(yīng)的負(fù)荷歷時曲線值作為各區(qū)間內(nèi)氨氮納污能力[11]，各流量區(qū)間內(nèi)氨氮納污能力見表1。從中可以看出，各計算結(jié)果與圖2負(fù)荷歷時曲線變化趨勢基本一致，下游站點納污能力大于上游，尤其是豐水區(qū)、中流量區(qū)、枯水區(qū)。其中，下游吳沈門站點枯水區(qū)納污能力分別是上游瓶窯、中游德清大閘和洛舍閘站點的4.8倍、2.7倍、2.3倍，中流量區(qū)與豐水區(qū)吳沈門站點納污能力也至少為上游站點的2倍及以上。此外，在低流量區(qū)間，還出現(xiàn)中游站點納污能力大于下游站點的現(xiàn)象。綜上所述，流域納污能力在空間上隨著河道的匯流逐漸增大，且上游站點的納污能力波動性較大。

圖2 各站點負(fù)荷歷時曲線圖Fig.2 Load duration curve of all sites

2.2 納污能力時間變化特征

在各站點負(fù)荷歷時曲線繪制與納污能力計算基礎(chǔ)上，以月份、季節(jié)、水期為研究尺度，探究納污能力在時間上的變化規(guī)律。

根據(jù)各站點負(fù)荷歷時曲線，以月為時間尺度，得到各月份不同流量保證率下的氨氮納污能力。由圖3可知：上游瓶窯站點與中游德清大閘、洛舍閘站點納污能力年內(nèi)變化趨勢基本一致，峰值出現(xiàn)在6月，最小值出現(xiàn)在11月，且納污能力在3月有明顯增強，隨后在4月回落；下游吳沈門站點與上游3個站點有明顯差別，1—6月納污能力平穩(wěn)波動，7—9月納污能力顯著增大，10—12月逐漸減小并趨于平穩(wěn)。

表1 各站點不同流量區(qū)間納污能力Table 1 Assimilative capacity of different flow intervals in all sites t/d

在各月負(fù)荷歷時曲線基礎(chǔ)上，根據(jù)東苕溪流域所屬地區(qū)常規(guī)季節(jié)劃分，得到各季節(jié)不同流量保證率下氨氮納污能力。東苕溪流域位于季風(fēng)區(qū)，四季分明，因此納污能力在季節(jié)尺度上有顯著變化。由圖3可知：4個站點均為夏季納污能力較強；中游德清大閘、洛舍閘站點冬季納污能力較弱，春秋2季納污能力基本一致；下游吳沈門站，春冬2季納污能力較弱，秋季納污能力強于春冬2季；上游瓶窯站點則是秋季納污能力最弱，冬季次之，春季納污能力反而強于秋冬2季。

同時，在各月負(fù)荷歷時曲線基礎(chǔ)上，以每年6—9月為豐水期，3—5月、10月為平水期，11月至翌年2月為枯水期，構(gòu)建各水期負(fù)荷歷時曲線，得到各水期不同流量保證率下的氨氮納污能力。由圖3可知，4個站點各水期納污能力變化情況一致，均為豐水期＞平水期＞枯水期。豐水期流域水體納污能力分別是平水期的1.7倍、枯水期的2.4倍。

從圖3中可以看出，中游2個站點在不同時間尺度下納污能力變化趨勢基本一致，相反，上下游站點納污能力變化趨勢各不同。此外，上游瓶窯站點表現(xiàn)出了極大波動性，站點納污能力出現(xiàn)大于中游甚至下游站點的現(xiàn)象。圖3中50%累積頻率值與平均值點所處相對位置也能夠說明這種波動性。中游吳沈門站點50%累積頻率值與平均值點位置基本一致，其余3站點平均值點所處位置均高出50%累積頻率值所處位置。

負(fù)荷歷時曲線中納污能力的計算以河道流量為依據(jù)。下游吳沈門站點位于靠近杭嘉湖平原地區(qū)，地勢平緩、河網(wǎng)錯綜復(fù)雜，除東苕溪外，多條河道、溪流在此交錯。相較上游與中游河道，下游河道具有更好的連通性。而較好的河網(wǎng)河道連通性有利于提高水資源的配置，抵御水旱災(zāi)害，維護(hù)河道健康[12]，因此，下游河道對流量的調(diào)節(jié)能力優(yōu)于上游地區(qū)，下游流量的整體波動性較小，對應(yīng)的各時間尺度內(nèi)納污能力統(tǒng)計值波動較小。反之，作為山溪性河流的中上游，河道調(diào)蓄能力差，受降雨的影響大，遇到降雨事件易出現(xiàn)水位暴漲、流量暴增的現(xiàn)象[13]，但旱季河道水量較小，因此，中上游地區(qū)河道的流量整體波動性較大，對應(yīng)的各時間尺度內(nèi)納污能力統(tǒng)計值波動較大。

圖3 各站點不同時間尺度納污能力變化情況Fig.3 Assimilative capacity variation of all sites at different time scales

2.3 剩余納污量變化特征

將水質(zhì)數(shù)據(jù)與對應(yīng)流量相乘，獲得河流實際受納負(fù)荷（包括本底負(fù)荷），并與負(fù)荷歷時曲線進(jìn)行比較。由圖4可知，4個站點整體水質(zhì)狀況較好，但在不同時段仍有污染負(fù)荷超量排放的情況。上游瓶窯站點與中游德清大閘站點均在枯水區(qū)出現(xiàn)污染負(fù)荷排放超過允許排放量的現(xiàn)象，但出現(xiàn)頻率較低。中游洛舍閘站點在高流量區(qū)、豐水區(qū)、中流量區(qū)出現(xiàn)污染負(fù)荷排放超過允許排放量的情況，且在豐水區(qū)、中流量區(qū)交界處出現(xiàn)頻率較高。下游吳沈門站點污染負(fù)荷排放則在低流量區(qū)出現(xiàn)超過允許排放量的情況。

圖4 各站點間負(fù)荷歷時曲線與受納負(fù)荷量Fig.4 Actual load and load duration curve in different flow intervals of all sites

取各站點各歷時區(qū)間所含受納負(fù)荷均值，與表1中允許排放量進(jìn)行比較，獲得各站點各歷時區(qū)間剩余納污量（圖5）。從中可知，除洛舍閘站點外，其余3個站點不同歷時區(qū)間剩余納污能力均表現(xiàn)為高流量區(qū)＞豐水區(qū)＞中流量區(qū)＞枯水區(qū)＞低流量區(qū)，且剩余納污量遠(yuǎn)大于實際負(fù)荷，說明目前該3站點水質(zhì)相對穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。洛舍閘站點雖然在高流量區(qū)存在剩余納污能力，但實際輸入負(fù)荷量較大，導(dǎo)致剩余納污能力有限，僅占了納污能力的16.6%，同樣在豐水區(qū)，站點的實際負(fù)荷與剩余負(fù)荷大小基本一致。

不同站點的剩余納污量在不同水期表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，這與地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局有相當(dāng)大的關(guān)系。中游地區(qū)與中上游交界地區(qū)是東苕溪流域主要的農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)區(qū)，發(fā)達(dá)的農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)會帶來較高的非點源污染流失風(fēng)險[14]。高流量區(qū)、豐水區(qū)水流流量較大，水流對地表的沖刷使得農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)非點源污染大量釋放從而進(jìn)入水體，轉(zhuǎn)化為污染負(fù)荷，因而剩余納污量較少。此外，吳沈門低流量區(qū)站點實際負(fù)荷與剩余負(fù)荷大小也基本一致，而非其他站點表現(xiàn)出的剩余納污量遠(yuǎn)大于實際負(fù)荷。低流量區(qū)流量較小、非點源污染較少，因此該時間段點源污染排放占主導(dǎo)地位。吳沈門站點位于流域出口，與湖州市下游平原河網(wǎng)相接，地區(qū)人口聚集度高，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度高，生活污水、企業(yè)污水等點源排放較多，所以剩余納污量較少。

3 討論

圖5 各站點不同歷時區(qū)間受納負(fù)荷量與剩余納污量Fig.5 Assimilative capacity and residual assimilative capacity in different flow intervals of all sites

本研究利用負(fù)荷歷時曲線法估算流域水體納污能力，該方法原理簡單，計算過程簡便，能較直觀地反映流域水體納污能力的時空變化。相對機(jī)制性水質(zhì)模型而言，負(fù)荷歷時曲線具有高效性、簡便性等優(yōu)勢。但在應(yīng)用中，我們也發(fā)現(xiàn)了該方法的一些局限性。首先，總量控制中的環(huán)境容量由稀釋容量、自凈容量、遷移容量3部分組成[15]，負(fù)荷歷時曲線以流量為依據(jù)計算所得納污能力僅為稀釋容量，不包含自凈容量、遷移容量；與納入水動力模塊、富營養(yǎng)化模塊與泥沙模塊的水質(zhì)模型相比，該方法計算所得納污量偏小。其次，負(fù)荷歷時曲線以站點匯流總流量開展環(huán)境容量的計算，忽視了非站點上游各支流流量，導(dǎo)致計算結(jié)果與實際環(huán)境容量存在較大的誤差。此外，負(fù)荷歷時曲線法只考慮流量與水質(zhì)目標(biāo)，但在不同流量下，污染負(fù)荷輸入變化也較大，因此很難采用負(fù)荷歷時曲線法對不同污染源進(jìn)行管控。在低流量區(qū)與枯水區(qū)，非點源污染入河量也隨徑流量減少而減少，這2個區(qū)間納污能力基本上代表了點源最大允許排污量，因此計算結(jié)果對非點源的削控指導(dǎo)意義不大；在高流量區(qū)與豐水區(qū)，非點源污染隨地表徑流大量產(chǎn)生及排入，這2個區(qū)間納污能力基本上代表了非點源與點源的允許最大排污量，因此，如何在保證效率的基礎(chǔ)上對該方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)十分必要。

此外，在結(jié)合實測水質(zhì)探究區(qū)域污染排放現(xiàn)狀過程中，由于現(xiàn)行環(huán)境監(jiān)測體系不完整，水質(zhì)監(jiān)測站點與水量監(jiān)測站點不完全配套，大部分站點未實現(xiàn)水質(zhì)水量同步監(jiān)測，再加上水質(zhì)監(jiān)測頻率較低，導(dǎo)致研究結(jié)果具有一定的不確定性。

4 結(jié)論

本研究以東苕溪流域水文監(jiān)測資料為依據(jù)，利用負(fù)荷歷時曲線探究流域內(nèi)水體納污能力時空變化特征，計算各斷面不同流量區(qū)間水體納污能力及剩余納污量的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，以山溪性河流為特征的流域納污能力季節(jié)性變化幅度較大，豐水期的水體納污能力遠(yuǎn)大于枯水期，這也對按季節(jié)進(jìn)行總量控制提出了難點。同時，剩余納污量結(jié)果顯示，隨著流量減少，剩余納污量也逐漸減少，區(qū)域污染負(fù)荷控制壓力不斷增大。

本研究基于水文條件對環(huán)境容量的影響，采用負(fù)荷歷時曲線計算水體納污能力，并利用監(jiān)測水質(zhì)計算剩余納污量。該方法雖然仍存在一定的局限性，但因計算過程簡便、數(shù)據(jù)需求量少、模型應(yīng)用成本較低，在我國由目標(biāo)總量控制向容量總量控制的轉(zhuǎn)變過程中，具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢。

[1] 國家環(huán)境保護(hù)部.重點流域水污染防治規(guī)劃(2011—2015年).2012-05-16.http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bwj/201206/t20120601_230802.htm.Ministry of Environmental Protection of the People’s Republic of China.Key river basin water pollution prevention plan(2011—2015).2012-05-16.http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bwj/201206/t20120601_230802.htm.(in Chinese)

[2] 王生愿,桂發(fā)二,方緯.負(fù)荷歷時曲線法在梁子湖流域污染容量總量控制中的應(yīng)用.長江流域資源與環(huán)境,2016,25(5):845-850.WANG S Y,GUI F E,FANG W.Load duration curve method in Liangzi Lake basin pollution capacity total amount control.Resources and Environment in the Yangtze Basin,2016,25(5):845-850.(in Chinese with English abstract)

[3] 楊龍,王曉燕,孟慶義.美國TMDL計劃的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢.環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2008,31(9):72-76.YANG L,WANG X Y,MENG Q Y.Present status and perspective of TMDL program in USA.Environmental Science&Technology,2008,31(9):72-76.(in Chinese with English abstract)

[4] MOSES S A,JANAKI L,JOSEPH S,et al.Water quality prediction capabilities of WASP model for a tropical lake system.Lakes&Reservoirs Research&Management,2015,20(4):285-299.

[5] CHAHOR Y,CASALI J,GIMENEZ R,et al.Evaluation of the AnnAGNPS model for predicting runoff and sediment yield in a small Mediterranean agricultural watershed in Navarre(Spain).Agricultural Water Management,2014,134:24-37.

[6] WU L,GAO J E,MAXY,et al.Application of modified export coefficient method on the load estimation of non-point source nitrogen and phosphorus pollution of soil and water loss in semiarid regions.Environmental Science and Pollution Research International,2015,22(14):10647-10660.

[7] 孫辰.漢江襄陽段水環(huán)境容量及總量控制研究.武漢:華中科技大學(xué),2013:10-11.SUN C.Evaluation of water environmental capacity and total amount control for water pollutants in the Xiangyang Reach of the Han River.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2013:10-11.(in Chinese with English abstract)

[8] SEARCY J K.Flow Duration Curves.Washington,USA:US Government Printing Office,1959:33.

[9] SHEN J,ZHAO Y.Combined Bayesian statistics and load duration curve method for bacteria nonpoint source loading estimation.Water Research,2010,44(1):77-84.

[10]國家環(huán)境保護(hù)部.地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):GB 3838—2002.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002:2.Ministry of Environmental Protection of the People’s Republic of China.Environment Quality Standards for Surface Water:GB 3838—2002.Beijing:China Environmental Science Press.2002:2.(in Chinese)

[11]丁京濤.大寧河巫溪段水體總磷TMDL估算及分配研究.北京:北京化工大學(xué),2009:18.DING J T.Research on estimation and allocation of total phosphorus TMDL in Wuxi reach,Daning River.Beijing:Beijing University of Chemical Technology,2009:18.(in Chinese with English abstract)

[12]李原園,酈建強,李宗禮,等.河湖水系連通研究的若干問題與挑戰(zhàn).資源科學(xué),2011,33(3):386-391.LI YY,LI J Q,LI Z L,et al.Issues and challenges for the study of the interconnected river system network.Resources Science,2011,33(3):386-391.(in Chinese with English abstract)

[13]陳小洪,韋耀東,馬華安.淺析高原山區(qū)河道治理的對策與措施.水利建設(shè)與管理,2016,36(1):38-40.CHEN X H,WEI Y D,MA H A.On countermeasures and measures of river control in plateau mountainous areas.Water Resources Development&Management,2016,36(1):38-40.(in Chinese with English abstract)

[14]孫作雷.苕溪流域農(nóng)業(yè)非點源污染風(fēng)險評估研究.杭州:浙江大學(xué),2015:82-84.SUN Z Y.Risk assessment for nutrient loss of agricultural non-point pollution source in Tiaoxi Watershed.Hangzhou:Zhejiang University,2015:82-84.(in Chinese with English abstract)

[15]董飛,劉曉波,彭文啟,等.地表水水環(huán)境容量計算方法回顧與展望.水科學(xué)進(jìn)展,2014,25(3):451-463.DONG F,LIU X B,PENG W Q,et al.Calculation methods of water environmental capacity of surface waters:Review and prospect.Advances in Water Science,2014,25(3):451-463.(in Chinese with English abstract)