杜慧玲， 于曉英， 曲茉莉

(黑龍江省環(huán)境科學研究院， 黑龍江 哈爾濱 150000)

1 研究背景

水環(huán)境容量是指在保證水環(huán)境功能的前提下，受納水體所能承受的最大污染物排放量，或者在給定的水質目標和水文設計條件下，水域的最大容許納污量[1]。中國水環(huán)境容量具有明顯的空間分布特征[2-4]，水環(huán)境容量豐裕度指數(shù)呈現(xiàn)出從東南沿海向西部內陸逐漸遞減的趨勢。隨著區(qū)域社會、經濟功能的增強而產生的生活和工業(yè)耗水量、廢水排放量和污染物排放量不斷增加，進而改變了區(qū)域生態(tài)結構，降低了區(qū)域生態(tài)功能和水環(huán)境容量，因此水環(huán)境容量是影響和決定區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要因素[5-8]。“十二五”期間，隨著東北地區(qū)振興規(guī)劃、黑龍江省“八大經濟區(qū)”和“十大工程”建設的深入實施，松花江流域經濟社會將呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢，流域治污壓力持續(xù)加大。松花江流域地處高緯度地區(qū)，是中國境內唯一的一條冰封期5個月的河流，冰層厚度可達1 m左右，水溫低，水環(huán)境容量低。因此，松花江水環(huán)境容量具有季節(jié)性變化大的特征，對其開展動態(tài)水環(huán)境容量研究具有重要意義。

截至目前，對于地表水體水環(huán)境容量的計算，中國發(fā)展了公式法[9-11]、模型試錯法[12,13]、系統(tǒng)最優(yōu)化法[14-16]、概率稀釋模型法[17]和未確知數(shù)學法[18-20]等5大類計算方法。歐美國家對于水環(huán)境容量的計算，早期一般采用確定性方法進行研究[21-22]，20世紀70年代后開始采用不確定性方法[23-25]。其中，公式法可以認為是各類方法中最基本的方法，其他各類方法的計算也以水環(huán)境容量計算公式為基礎。公式法已成為中國應用最廣泛的方法[26]，《水域納污能力計算規(guī)程》和《全國水環(huán)境容量核定技術指南》中所采用的即為公式法。近年來，國內外關于動態(tài)水環(huán)境容量的研究較多[18-20,23-25,27-36]，但對松花江流域動態(tài)水環(huán)境容量的研究相對較少[27-32]，且大部分研究集中在2013年以前，2013年后哈爾濱新增兩座污水處理廠，市控東江橋斷面也已經取消。

本文研究依據(jù)新發(fā)布的《國務院關于全國重要江河湖泊水功能區(qū)劃(2011-2030年)的批復》(國函[2011]167號)劃分計算單元，對松花江干流哈爾濱段動態(tài)COD和NH3—N環(huán)境容量進行計算，計算結果可以為污水處理廠減排以及“水十條”任務目標的完成提供技術支持。

2 研究方法

2.1 環(huán)境容量計算模型

水環(huán)境容量模型是依據(jù)水質模型來劃分的，由簡單到復雜依次為零維模型、一維模型、二維模型和三維模型。若要真實地反映污染物在水中的濃度分布，最精確的是三維模型，但是三維模型往往非常復雜，需要的參數(shù)很多且個別參數(shù)很難獲取，因此實際運用中，通常根據(jù)實際需要，更多采用零維模型、一維模型和二維模型。

松花江哈爾濱段平均寬度約為1 025 m，平均深度約為4.5 m，多年平均流量大于600 m3/s，屬于寬淺河道大型河流，沿岸污染源為岸邊排放，采用二維岸邊排放水質模型(見式(1))能較為準確地模擬污染物在水體中的擴散規(guī)律，從而能夠獲得較精確地計算結果[28]。

(1)

式中：c(x，y)為河流中任一點(x，y)污染物的預測濃度，mg/L；x為排污口至敏感點的縱向距離，m；y為敏感點至排污口所在岸邊的橫向距離，m；Qp為排污口的流量，m3/s；cp為排污口污染物的排放濃度，mg/L；ch為污染物在河流中的背景濃度，mg/L；My為河流的縱向和橫向彌散系數(shù)，m2/s；u為河流的縱向和橫向平均流速，m/s；K1為污染物衰減速度常數(shù)，d-1；B為河流的水面寬度，m；H為河流的平均水深，m。

由公式(1)可推導出水環(huán)境容量計算模型：

(2)

式中：cs為水質標準，mg/L；c0為污染物在河流中的背景濃度或本底值，mg/L。

因敏感點的位置常取在岸邊，敏感點到排污口所在岸邊橫向距離為0。則式(1)可簡化為式(3)，式(2)可簡化為式(4)。

(3)

(4)

為了充分利用松花江哈爾濱段的水環(huán)境容量，不至于使該河段的水質惡化，采用段尾控制法[28,37]核算該河段的水環(huán)境容量，其表達式見式(5)。

(5)

2.2 計算單元的劃分

依據(jù)《國務院關于全國重要江河湖泊水功能區(qū)劃(2011-2030年)的批復》(國函[2011]167號)，將松花江干流哈爾濱段劃分為朱順屯-馬家溝匯入口上和馬家溝匯入口上-大頂子山兩個計算單元，計算單元屬性見表1，圖1為松花江哈爾濱段水系及監(jiān)測斷面圖，圖2為研究區(qū)域排污口和斷面概化示意圖。

表1 計算單元屬性

圖1 松花江哈爾濱段水系及監(jiān)測斷面圖

圖2 研究區(qū)域排污口和斷面概化示意圖

2.3 排污口及其位置

主要排污口及其與終點斷面的距離見表2。

表2 主要排污口

2.4 模型參數(shù)的選取

2.4.1 水文參數(shù) 水文參數(shù)來自于松花江哈爾濱水文站2009-2013年的水文資料，流速、河流水面寬度、河流平均水深等取相應月份的最小流量(當月的設計流量)下的值。據(jù)此計算的水環(huán)境容量值隨月份不同而不同，呈現(xiàn)動態(tài)變化過程，在保障水質的前提下，可以合理利用松花江哈爾濱段的水環(huán)境容量。

2.4.2 橫向彌散系數(shù)My和污染物的衰減速度常數(shù)K1橫向彌散系數(shù)My采用Taylor公式(6)進行初步求解。

(6)

式中:My為河流橫向的彌散系數(shù)，m2/s；B為河流水面平均寬度，m；h為河流平均水深，m；g為重力加速度，9.8 m/s2；i為平均縱向坡降，松花江哈爾濱段取0.05‰～0.1‰。

已有研究結果表明[7]，松花江哈爾濱市江段的污染物降解系數(shù)KCOD采用0.150～0.200 d-1，KNH3—N采用0.121～0.210 d-1。

依據(jù)已有監(jiān)測數(shù)據(jù)及式(3)進行松花江哈爾濱段綜合降解系數(shù)K1值的計算，利用計算結果對松花江大頂子山斷面的COD以及NH3—N的預測濃度和實測濃度進行了擬合分析和修正，對綜合降解系數(shù)K1值和My進行率定，率定結果如表3所示。

表3 彌散系數(shù)和綜合降解系數(shù)

3 結果與分析

3.1 理想水環(huán)境容量的計算

依據(jù)公式(4)和(5)對朱順屯-馬家溝匯入口上和馬家溝匯入口上-大頂子山兩個計算單元的COD和NH3—N理想動態(tài)環(huán)境容量(不考慮計算單元內支流和排污口的影響，同時上游水質按照功能區(qū)劃水質取值)進行計算，計算結果見表4。

表4 理想動態(tài)COD和NH3—N環(huán)境容量 t

由表4可見，松花江哈爾濱段COD和NH3—N理想環(huán)境容量呈現(xiàn)出動態(tài)變化過程，最大值出現(xiàn)在8月，最小值出現(xiàn)在2月。理想水環(huán)境容量是計算實際水環(huán)境容量的基礎，同時，其計算結果對于水環(huán)境容量的利用和規(guī)劃具有指導性意義。

3.2 實際水環(huán)境容量的計算

在對理想水環(huán)境容量進行研究的基礎上，結合實際情況，對松花江哈爾濱段的實際水環(huán)境容量進行研究。

3.2.1 考慮上游水質對水環(huán)境容量的影響 根據(jù)2011-2015年水質監(jiān)測結果，朱順屯斷面目前只能達到Ⅲ類水體的要求而非理想的Ⅱ類水體。在計算實際水環(huán)境容量時，按照Ⅲ類水體COD限值為20 mg/L、NH3—N為1.0 mg/L進行核算。由于本研究采用段尾控制法計算水環(huán)境容量，因此上游來水水質的變化對何家溝有一定的影響，而下游的松北排水區(qū)則不受影響。何家溝-松北排污口水環(huán)境容量重新核算結果見表5。

表5 何家溝-松北排污口各月實際水環(huán)境容量 t

與理想水環(huán)境容量相比，COD年水環(huán)境容量從21 235 t/a降至3 529 t/a，降低幅度達83%，NH3—N年水環(huán)境容量從1 919 t/a降至149 t/a，降低幅度達92%。

由此可見，上游水體的水質是否能達標對下游水體的水環(huán)境容量有著很大的影響，若要確保下游水體水環(huán)境容量能滿足該段生產和生活的需求，必須嚴格控制上游水體的水質。

3.2.2 考慮支流對水環(huán)境容量的影響 松花江朱順屯-大頂子山江段的主要支流從西到東，依次為阿什河、呼蘭河、蜚克圖河。這3條支流均在馬家溝匯入口上—大頂子山江段匯入，3條支流中蜚克圖河流量最小，對干流的影響可以忽略，另外兩條支流的水功能區(qū)劃及水文參數(shù)見表6。

根據(jù)水文資料，各支流的設計流量為近10年最枯月平均流量。此外，由于污染源流量較大，所以還需考慮污染源對水體的影響，表7為松花江哈爾濱段污水處理廠排污情況。

表6 主要支流水功能區(qū)劃及水文參數(shù)

表7 污水處理廠清單

由于支流和排污口水量的匯入，水體的流量、流速、水面寬度及水深等都將發(fā)生變化。本研究假設支流和排污口水量的匯入并不會改變水體的寬度和深度，只對流速產生影響。將各支流及排污口作為流速變化的分界斷面，依據(jù)表6和表7，重新核算排污口及支流的流量，按照設計流量重新核算不同斷面沿江流速變化。

3.2.3 實際水環(huán)境容量核算 綜合考慮上游水質及支流匯入的實際情況，對松花江哈爾濱段COD和NH3—N的水環(huán)境容量進行重新核算，結果見圖3和圖4。

3.3 水環(huán)境容量動態(tài)變化情況分析

由圖3和圖4可見，COD和NH3—N的環(huán)境容量變化趨勢相似。松花江干流哈爾濱段兩個計算單元相應的兩個江段中，馬家溝匯入口上-大頂子山江段的水環(huán)境容量較大，朱順屯-馬家溝匯入口上江段的水環(huán)境容量較小。兩個江段COD環(huán)境容量的比值約為8.3，NH3—N環(huán)境容量的比值約為5.0，說明兩個江段的COD和NH3—N的環(huán)境容量分布不夠均勻，且COD環(huán)境容量分布均勻性更差些。

兩個江段COD和NH3—N環(huán)境容量最大值均出現(xiàn)在8月，最小值均出現(xiàn)在2月，朱順屯-馬家溝匯入口上江段COD環(huán)境容量最大值和最小值的比值為2.16(理想)和1.49(實際)，NH3—N環(huán)境容量最大值和最小值的比值為2.95(理想)和2.26(實際)，說明這一江段NH3—N的波動幅度比COD大，實際環(huán)境容量的波動幅度比理想環(huán)境容量小。馬家溝匯入口上-大頂子山江段COD環(huán)境容量最大值和最小值的比值為1.77(理想)和1.68(實際)，NH3—N環(huán)境容量最大值和最小值的比值為2.63(理想)和2.60(實際)，說明這一江段NH3—N的波動幅度亦比COD大，實際環(huán)境容量的波動幅度與理想環(huán)境容量相近。

朱順屯-馬家溝匯入口上江段和馬家溝匯入口上-大頂子山江段COD實際環(huán)境容量與理想環(huán)境容量的比值分別為0.484和0.483；兩個江段NH3—N實際環(huán)境容量與理想環(huán)境容量的比值分別為0.286和0.280?？梢?，實際環(huán)境容量要遠遠小于理想環(huán)境容量，而且NH3—N的環(huán)境壓力較COD更加嚴峻。

3.4 水環(huán)境容量影響因素分析

由公式(5)可見，降解系數(shù)、上游斷面水質、功能區(qū)水質標準以及水流速度是影響水環(huán)境容量大小的主要因素。顯而易見，降解系數(shù)與環(huán)境容量為正相關關系；而流速對環(huán)境容量大小的影響則非常復雜，當流速ux=K1xln(cs/c0)/86400時，環(huán)境容量為0；在其他參數(shù)不變的條件下，當cs=c0時，流速越大，環(huán)境容量越??；實際在環(huán)境容量計算時，公式(5)中的每個變量都在時時發(fā)生變化，因此，環(huán)境容量和流速的定量關系還有待于深入研究。

圖5和圖6分別為松花江干流哈爾濱段COD和NH3—N水環(huán)境容量在各水期的均值。表8為松花江干流各水期平均流量和平均流速。

圖3動態(tài)COD環(huán)境容量圖4動態(tài)NH3—N環(huán)境容量

圖5各水期COD水環(huán)境容量均值圖6各水期NH3—N水環(huán)境容量均值

表8 松花江各水期平均流量和平均流速

由圖5和圖6可見，豐水期COD和NH3—N的環(huán)境容量最大，平水期次之，枯水期環(huán)境容量最小。這一方面是因為豐水期水溫最高，微生物新陳代謝最旺盛，生化反應速率最快，COD和NH3—N的降解系數(shù)最大；而枯水期正值松花江的冰封期，水體溫度低，降低了水體對污染物的降解作用。另一方面，表8中所列數(shù)據(jù)表明，各水期COD和NH3—N的水環(huán)境容量的變化趨勢與各水期流量和流速的變化趨勢一致，可見，松花江哈爾濱段各水期水環(huán)境容量的大小與水體流速呈現(xiàn)正相關特征。

4 結 論

(1)松花江干流哈爾濱段COD和NH3—N環(huán)境容量年內的變化趨勢相似，環(huán)境容量最大值均出現(xiàn)在8月份，最小值均出現(xiàn)在2月份；馬家溝匯入口上-大頂子山江段的水環(huán)境容量較大，朱順屯-馬家溝匯入口上江段的水環(huán)境容量較小，兩個江段的COD和NH3—N的環(huán)境容量分布不夠均勻，且COD環(huán)境容量分布均勻性更差。

(2)朱順屯-馬家溝匯入口上江段NH3—N的波動幅度比COD大，實際環(huán)境容量的波動幅度比理想環(huán)境容量??；馬家溝匯入口上-大頂子山江段NH3—N的波動幅度亦比COD大，實際環(huán)境容量的波動幅度與理想環(huán)境容量相近。

(3)豐水期COD和NH3—N的環(huán)境容量最大，平水期次之，枯水期環(huán)境容量最??；各水期COD和NH3—N的水環(huán)境容量的變化趨勢與各水期流量和流速的變化趨勢一致，說明水環(huán)境容量的大小受水量和水體流速等水文參數(shù)的影響較大。

(4)COD和NH3—N的實際環(huán)境容量要遠遠小于理想環(huán)境容量，而且NH3—N的環(huán)境壓力較COD更加嚴峻，為了更合理地利用松花江哈爾濱江段的水環(huán)境容量，后續(xù)研究可結合動態(tài)容量以及污水處理廠排污現(xiàn)狀，給出各污水處理廠的污染物削減量，以保障松花江哈爾濱段的水質不斷改善。

參考文獻：

[1] 王修林, 李克強.渤海主要化學污染物海洋環(huán)境容量[M].北京: 科學出版社, 2006.

[2] 鮑全盛, 姜文來.論我國河流水環(huán)境容量空間分異與工業(yè)生產力的宏觀布局[J].地理科學, 1998,18(3):205-212.

[3] 鮑全盛,王華東,曹利軍.中國河流水環(huán)境容量區(qū)劃研究[J].中國環(huán)境科學,1996,16(2):87-91.

[4] 周 密,王華東,張義生.環(huán)境容量[M].長春:東北師范大學出版社,1987.

[5] 張昌順,謝高地,魯春霞.中國水環(huán)境容量緊缺度與區(qū)域功能的相互作用[J].資源科學,2009,31(4):559-565.

[6] LI Na, YANG Hong, WANG Lachun.Optimization of industry structure based on water environmental carrying capacity under uncertainty of the Huai River Basin within Shandong Province, China[J].Journal of Cleaner Production, 2015,112(2016):4594-4604.

[7] ZENG Weihua, WU Bo, CHAI Ying.Dynamic simulation of urban water metabolism under water environmental carrying capacity restrictions[J].Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2016,10(1):114-128.

[8] ZHOU Xiyin, LEI Kun, MENG Wei.Space-time approach to water environment carrying capacity calculation[J].Journal of Cleaner Production, 2017,149:302-312.

[9] 李永軍,陳余道,孫 濤.地理信息模型方法初探河流環(huán)境容量——以漓江桂林市區(qū)段為例[J].水科學進展,2005,16(2):280-283.

[10] 董 飛,彭文啟,劉曉波,等.河流流域水環(huán)境容量計算研究[J].水利水電技術,2012,43(12):9-14+31.

[11] 于 雷,吳舜澤,范麗麗,等.水環(huán)境容量一維計算中不均勻系數(shù)研究[J].環(huán)境科學與技術,2008,31(1):116-119.

[12] ZHANG Ruibin, QIAN Xin, YUAN Xingcheng, et al.Simulation of water environmental capacity and pollution load reduction using QUAL2K for water environmental management[J].International Journal of Environmental Research and Public Health, 2012,9(12):4504-4521.

[13] 張紅舉,甘升偉,袁洪州,等.環(huán)太湖河流入湖水質控制濃度分析[J].水資源保護,2012,28(6):8-11+54.

[14] 劉曉波,彭文啟,何國建,等.基于水質-污染源響應關系的撫仙湖水環(huán)境承載力計算研究[J].水動力學研究與進展A輯,2011,26(6):652-659.

[15] 諸葛亦斯,彭文啟,杜 強,等.太子河閘壩河段水環(huán)境容量研究[J].中國水利水電科學研究院學報,2011,9(1):29-34.

[16] 周 剛,雷 坤,富 國,等.河流水環(huán)境容量計算方法研究[J].水利學報,2014,45(2):227-234+242.

[17] 栗蘇文,李紅艷,夏建新,等.基于Delft3D模型的大鵬灣水環(huán)境容量分析[J].環(huán)境科學研究, 2005,18(5):91-95.

[18] 李如忠,洪天求,熊鴻斌,等.基于未確知數(shù)的湖庫水環(huán)境容量定量研究[J].水動力學研究與進展A輯,2008,23(2):166-174.

[19] CHEN Qiuwen, WANG Qibin, LI Zhijie, et al.Uncertainty analyses on the calculation of water environmental capacity by an innovative holistic method and its application to the Dongjiang River[J].Journal of Environmental Sciences,2014,26(9):1783-1790.

[20] 李如忠, 洪天求.盲數(shù)理論在湖泊水環(huán)境容量計算中的應用[J].水利學報,2005,36(7):765-771.

[21] LIEBMAN J C, LYNN W R.The optimal allocation of stream dissolved oxygen[J].Water Resources Research, 2010,2(2):581-591.

[22] REVELLE C S, LOUCKS D P, LYNN W R.Linear programming applied to water quality management[J].Water Resources Research, 1968,4(1):1-9.

[23] BORSUK M E, STOW C A, RECKHOW K H.Predicting the frequency of water quality standard violations:a probabilistic approach for TMDL development.[J].Environmental Science & Technology, 2002,36(10):2109-2115.

[24] ELLIS J H.Stochastic water quality optimization using imbedded chance constraints[J].Water Resources Research,1987,23(12):2227-2238.

[25] BURN D H, LENCE B J.Comparison of optimization formulations for waste-load allocations[J].Journal of Environmental Engineering,1992,118(4):597-612.

[26] 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[J].水科學進展,2014,25(3):451-463.

[27] 馬 歡.松花江哈爾濱段水環(huán)境容量研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2006.

[28] 姜曼曼.松花江哈爾濱段動態(tài)水環(huán)境容量及其價值研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2010.

[29] 李亞男,程 卉.松花江哈爾濱段理想水環(huán)境容量的計算[J].黑龍江環(huán)境通報,2012,36(4):42-47.

[30] 姜 欣,許士國,練建軍,等.北方河流動態(tài)水環(huán)境容量分析與計算[J].生態(tài)與農村環(huán)境學報,2013,29(4):409-414.

[31] 王思文.基于WASP模型的松花江哈爾濱段水環(huán)境容量模擬及總量控制研究[D].哈爾濱:哈爾濱師范大學,2015.

[32] 曹曉慧.牡丹江段動態(tài)水環(huán)境容量及污染源總量控制對策[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2015.

[33] 張 劍,付意成,韓會玲.渾太河流域動態(tài)水環(huán)境容量設計水文條件研究[J].中國農村水利水電,2017 (3):75-80.

[34] 陳慧敏.清潩河流域(許昌段)動態(tài)水環(huán)境容量研究[D].鄭州:鄭州大學,2016.

[35] 衛(wèi)志宏,楊振祥,呂興菊,等.洱海動態(tài)水環(huán)境容量模擬研究[J].生態(tài)科學,2013,32(3):282-289.

[36] LI Keqiang, ZHANG Li, LI Yan, et al.A three-dimensional water quality model to evaluate the environmental capacity of nitrogen and phosphorus in Jiaozhou Bay, China[J].Marine Pollution Bulletin, 2015,91(1):306-316.

[37] 周孝德，郭瑾瓏，程 文，等．水環(huán)境容量計算方法研究[J].西安理工大學學報,1999,15(3):1-6.