徐劍 潘民強(qiáng) 王彥峰 陳聰 王海瀟 石樹正

（1.河北省張家口生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河北張家口 075000；2.張家口市環(huán)境監(jiān)測站，河北張家口 075000；3.河北建筑工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河北張家口 075000）

水環(huán)境容量是指在滿足水環(huán)境質(zhì)量的要求下，水體容污染物的最大負(fù)荷量，其變化主要受水體特征、水質(zhì)目標(biāo)和污染物特征3個因素的影響。水環(huán)境容量研究是實施環(huán)境管理目標(biāo)、水環(huán)境規(guī)劃、污染物總量控制的重要基礎(chǔ)，具有一定的前瞻性，可以為環(huán)境管理的科學(xué)施策提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，更好地服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展[1-2]。

本文對永定河水系張家口區(qū)段的洋河張家口開發(fā)利用區(qū)和洋河張家口緩沖區(qū)水環(huán)境容量現(xiàn)狀進(jìn)行分析[3]，選取的河段為東、南洋河匯合處～響水鋪（長度78km）與響水鋪～官廳水庫入庫口（長度41km），水功能區(qū)劃見表1。根據(jù)水質(zhì)綜合污染指數(shù)法對永定河水系張家口區(qū)段洋河的左衛(wèi)斷面、響水鋪斷面、雞鳴驛斷面，清水河的老鴉莊斷面，桑干河的溫泉屯斷面，永定河的八號橋斷面2016―2020年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行評價，定量分析出化學(xué)需氧量（COD）和氨氮（NH3-N）為常規(guī)污染指標(biāo)中污染較嚴(yán)重、敏感指標(biāo)較大的污染物，水質(zhì)監(jiān)測斷面布設(shè)見圖1。因此，本文選取COD和NH3-N作為水環(huán)境容量計算的污染因子。

圖1 永定河水系張家口區(qū)段水質(zhì)監(jiān)測斷面布設(shè)

表1 張家口開發(fā)利用區(qū)和洋河張家口緩沖區(qū)水功能區(qū)劃

1.水功能區(qū)水環(huán)境容量計算

1.1 建立計算模型

永定河水系張家口區(qū)段河流屬于中小河流，且同時滿足以下條件[4]：（1）寬深比較??；（2）污染物在較短的時間內(nèi)基本能混合均勻；（3）污染物濃度在斷面橫向方向變化不大，所以可假設(shè)污染物濃度只是沿程變化，而不在同一斷面上發(fā)生變化，橫向和垂向的污染物濃度梯度可以忽略[5]；（4）假設(shè)單個點源排放連續(xù)均勻，強(qiáng)度保持不變。因此研究流域內(nèi)混合輸移過程可以由一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型— 托馬斯（Thomas）模型[6]進(jìn)行描述（忽略彌散）：

式中：kd―衰減系數(shù)（1/d）；

ks―沉淀系數(shù)（1/d）；

在c（0）=c0的初始條件下積分，一維穩(wěn)態(tài)模型解析解為：

式中：u―為河流斷面平均流速（m/s）；

x―為沿河段的縱向距離（m）；

cx―為流經(jīng) 距離后的污染物濃度（mg/L）；

K―為污染物綜合衰減系數(shù)（1/d）；

c0―為上游斷面的污染物濃度（mg/L）。

本文選取的兩個水功能區(qū)，即：東、南洋河匯合處～響水鋪與響水鋪～官廳水庫入庫口兩段研究河段上存在多處污染物排放點位。為了解決河段內(nèi)排污口分布的不規(guī)律為河段內(nèi)水環(huán)境容量計算帶來的復(fù)雜性，本文將兩個功能區(qū)內(nèi)的多個排污口概化成一個污染物集中排放口[7]，概化排污口位置位于河段中間點。概化后的污染物濃度計算公式為：

當(dāng)功能區(qū)河流的下斷面水質(zhì)目標(biāo)為cs時，依據(jù)上式可推導(dǎo)出水環(huán)境容量的計算公式為：

式中：cx=l―河段下斷面污染物濃度（mg/L）；

l―功能區(qū)河段長度（m）；

m―污染物入河速率（g/s）；

Q―河道斷面設(shè)計流量（m3/s）；

M―水環(huán)境容量（g/s）；

cs―為功能區(qū)河段下斷面水質(zhì)目標(biāo)濃度值（mg/L）。

1.2 設(shè)計河流徑流量

永定河水系張家口區(qū)段的洋河、桑干河兩大支流豐枯季節(jié)變化明顯，水量的變化較大，要較為全面的計算其水環(huán)境容量的大小就必須對不同頻率條件下的水功能區(qū)水環(huán)境容量進(jìn)行分析和研究。本文利用2011―2020年間永定河水系張家口區(qū)段6個監(jiān)測斷面最枯月流量進(jìn)行統(tǒng)計分析，設(shè)計流量采用90%的保證率。各監(jiān)測斷面流量統(tǒng)計詳見表2。

表2 各監(jiān)測斷面2011―2020年最枯月份實測流量記錄表

1.3 水環(huán)境容量計算

永定河水系張家口區(qū)段河流水系主要處于山區(qū)和平原河網(wǎng)間的過渡區(qū)，根據(jù)2011―2020年河流流速的監(jiān)測結(jié)果顯示，洋河張家口開發(fā)利用區(qū)和洋河張家口緩沖區(qū)的河流斷面年平均流速在0.37m/s～0.71m/s之間。本文為保守計算研究河段的水環(huán)境容量，河流斷面的年平均流速選取最小值，計算取值u為0.37m/s，以流速值為0.37m/s所計算的水環(huán)境容量是水功能區(qū)的最不利納污量，當(dāng)沿河流域污染物排放量小于0.37m/s所計算的水環(huán)境容量時，河流水質(zhì)能夠充分保證不被污染。

設(shè)計流量采用90%的保證率，河道斷面設(shè)計流量選取洋河響水鋪斷面近10年最枯月平均流量0.584m3/s[8]。

洋河張家口開發(fā)利用區(qū)和洋河張家口緩沖區(qū)的水環(huán)境容量所需賦值包括河流綜合消減系數(shù)KCOD、KNH3-N和功能區(qū)河段長度l1、l2在內(nèi)的參數(shù)取值可以從水文資料中獲取，詳見表3。

表3 水功能區(qū)水環(huán)境容量主要參數(shù)表

將相關(guān)數(shù)據(jù)及參數(shù)帶入公式（4），計算得到永定河水系張家口區(qū)段東、南洋河匯合處―響水鋪與響水鋪―官廳水庫入庫口，即：洋河張家口開發(fā)利用區(qū)與洋河張家口緩沖區(qū)的水環(huán)境容量，結(jié)果詳見表4。

表4 水功能區(qū)水環(huán)境容量計算結(jié)果

1.4 結(jié)論分析

通過河流一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型計算出永定河水系張家口區(qū)段洋河干流水環(huán)境總?cè)萘緾OD為586.9t/a，NH3-N為34.54t/a。其中洋河張家口開發(fā)利用區(qū)，即東、南洋河匯合處―響水鋪河段的COD水環(huán)境容量為440.37t/a，NH3-N水環(huán)境容量為18.36t/a；洋河張家口緩沖區(qū)，即響水鋪―官廳水庫入庫口河段的COD水環(huán)境容量為146.53t/a，NH3-N的水環(huán)境容量為16.18t/a。洋河張家口開發(fā)利用區(qū)河段全長78km，河段COD環(huán)境容量占洋河干流COD總環(huán)境容量的75.0%，河段NH3-N環(huán)境容量占洋河干流NH3-N總環(huán)境容量的53.2%。由此可知，兩個水功能區(qū)同處相同流域，水環(huán)境容量的大小存在差異性。通過對比兩個水功能區(qū)水環(huán)境容量，水質(zhì)目標(biāo)相同，水文條件相同，由于洋河張家口開發(fā)利用區(qū)河段長于洋河張家口緩沖區(qū)河段，因此前者水環(huán)境容量高于后者，綜上所述，水功能區(qū)河段越長，水質(zhì)目標(biāo)越低，水環(huán)境容量越大?？紤]不同水功能區(qū)水環(huán)境容量差異，根據(jù)水環(huán)境容量合理排放污染負(fù)荷，可以有效率有針對性地治理水環(huán)境污染。

2.官廳水庫水環(huán)境容量計算

2.1 水環(huán)境容量計算

根據(jù)官廳水庫近幾年水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果顯示，其水質(zhì)空間分布比較均勻，宜采用均勻混合模型計算庫區(qū)水環(huán)境容量[9]，根據(jù)物料衡算方程，得到官廳水庫的水環(huán)境容量計算公式為：

式中：W―為水環(huán)境容量；

W1，W2，W3―分別代表稀釋容量、降解容量和輸移容量；

cs―為目標(biāo)水質(zhì)值（mg/L）；

c0―為庫區(qū)水質(zhì)現(xiàn)值（mg/L）；

v0―為現(xiàn)庫容，億m3；

qin―為入庫水量，萬m3；

K―為污染物綜合降解系數(shù)（1/d）。

官廳水庫水環(huán)境容量計算主要參數(shù)選取見表5。

表5 官廳水庫水環(huán)境容量主要參數(shù)表

將相關(guān)數(shù)據(jù)及參數(shù)帶入公式（5）中，對官廳水庫庫區(qū)水環(huán)境容量的計算結(jié)果詳見表6。

表6 官廳水庫水環(huán)境容量計算結(jié)果

2.2 結(jié)論分析

作為官廳水庫重要的匯入河流，洋河、桑干河水質(zhì)直接影響著官廳水庫入庫水質(zhì)，官廳水庫的目標(biāo)水質(zhì)為Ⅲ類水質(zhì)，2018―2020年現(xiàn)狀水質(zhì)均為Ⅳ類水質(zhì)。八號橋斷面為洋河和桑干河匯合永定河入官廳水庫的國控斷面。因此，可假設(shè)為每年通過八號橋斷面的污染物量可近似為官廳水庫污染負(fù)荷量。經(jīng)計算，官廳水庫污染負(fù)荷中COD為2752.14t/a，NH3-N為85.26t/a。官廳水庫水環(huán)境容量在Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下的水環(huán)境容量COD為285.37t/a，NH3-N為-36.85t/a；在Ⅲ水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下的水環(huán)境容量COD為1806.53t/a，NH3-N為75.19t/a。官廳水庫水環(huán)境容量與污染負(fù)荷比較如圖2所示。

圖2 官廳水庫水環(huán)境容量與污染負(fù)荷比較

由此可知，官廳水庫COD和NH3-N的污染負(fù)荷均大于其水環(huán)境容量，COD的污染負(fù)荷分別是Ⅱ類和Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)下環(huán)境容量的9.64倍和1.52倍；NH3-N污染負(fù)荷在Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下已無環(huán)境容量，是Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下環(huán)境容量的1.13倍。

3.影響流域內(nèi)水環(huán)境容量的原因分析

3.1 自然因素的影響

張家口市屬干旱半干旱地區(qū)，年降水量小、蒸發(fā)量大，外來補(bǔ)給水源匱乏。

3.2 水利設(shè)施調(diào)節(jié)的影響

流域內(nèi)水利設(shè)施調(diào)蓄能力不足，為了地區(qū)水資源利用保護(hù)，分流了河流水源，阻斷了河流水體流動的連續(xù)性，導(dǎo)致河流水量減少，降低了水功能區(qū)的水環(huán)境容量。近幾年桑干河上游河段除調(diào)水外，基本處于常年斷流狀態(tài)。

3.3 水資源利用效率的影響

農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)落后，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施不完善，盡管張家口已實施了農(nóng)業(yè)節(jié)水工程，但地表水平均渠系水利用系數(shù)在0.4左右，加之人們灌溉節(jié)水意識欠缺，這些因素都降低了農(nóng)業(yè)水資源的利用效率，提高了農(nóng)業(yè)灌溉用水量，導(dǎo)致河流水量減少，也影響了流域內(nèi)水環(huán)境容量。

4.流域內(nèi)水環(huán)境污染負(fù)荷較大的原因分析

4.1 工業(yè)污染源影響

官廳水庫上游的洋河、桑干河流域為張家口市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要區(qū)域，流域內(nèi)分布了全市主要工業(yè)企業(yè)。根據(jù)對2020年張家口市工業(yè)廢水排放量統(tǒng)計結(jié)果顯示，洋河、桑干河流域COD排放量394.24t，占全市工業(yè)廢水COD排放總量的43.7%；NH3-N排放量17.53t；占全市工業(yè)廢水NH3-N排放總量的35.3%。流域水環(huán)境污染負(fù)荷在全市工業(yè)廢水中占比較高。

4.2 城鎮(zhèn)生活廢水影響

洋河、桑干河流經(jīng)我市11個縣區(qū)，沿途接納了大量城鎮(zhèn)污水處理廠排入的生活廢水。2016―2019年張家口市城鎮(zhèn)生活廢水排放量基本保持穩(wěn)定，但生活廢水中的COD、NH3-N排放量卻呈總體上升趨勢，2019年全市城鎮(zhèn)污水處理廠廢水排放量9609.55萬t，其中COD排放量19156.03t，NH3-N排放量2801.46t，城鎮(zhèn)生活污水已成為流域內(nèi)水環(huán)境最主要污染負(fù)荷來源。

4.3 農(nóng)業(yè)污染源影響

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中使用的殺蟲劑、農(nóng)藥、化肥等隨農(nóng)田排水和雨期地表徑流進(jìn)入河流水體，一定程度影響了河流水質(zhì)。農(nóng)村生活污水集中處理設(shè)施覆蓋率較低，且利用效率不高。另外，近幾年張家口大力發(fā)展規(guī)?；男笄蒺B(yǎng)殖業(yè)，但是相應(yīng)的污水集中處理設(shè)施建設(shè)相對滯后，2016―2019年張家口市畜禽養(yǎng)殖廢水中COD、NH3-N排放量呈明顯上升趨勢。2019年全市畜禽養(yǎng)殖廢水中COD排放量203.47t、NH3-N排放量4.94t。這些農(nóng)業(yè)污染源也成為流域內(nèi)水環(huán)境污染負(fù)荷的重要來源之一。

5.對策及建議

綜上所述，為了使流域內(nèi)水環(huán)境容量大于污染負(fù)荷，同時滿足水質(zhì)目標(biāo)要求，需要從兩點出發(fā)：一是要增大流域內(nèi)河流水量，提高水環(huán)境容量；二是采取有效的污染物削減措施，降低流入河流水體的污染負(fù)荷。本文給出以下幾點建議[10]：

（1）與上游地區(qū)進(jìn)行水權(quán)交易，利用市場化經(jīng)濟(jì)手段創(chuàng)新運(yùn)行機(jī)制，建立有效的技術(shù)支撐平臺，對流域內(nèi)水利設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化合理利用，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。

（2）構(gòu)建水生態(tài)修復(fù)保護(hù)體系，改善水文條件、調(diào)節(jié)徑流、提升水土保持和水源涵養(yǎng)能力。

（3）大力發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)用灌溉水利用系數(shù)，改變高耗水農(nóng)業(yè)灌溉方式。

（4）在官廳水庫上游流域增加人工濕地項目，利用自然生態(tài)系統(tǒng)中物理、生物、化學(xué)的作用來凈化河流水體水質(zhì)。

（5）開展流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，降低污染負(fù)荷，淘汰高耗水、重污染工業(yè)企業(yè)；進(jìn)一步實施污水處理廠擴(kuò)容提標(biāo)改造，加強(qiáng)再生水的循環(huán)利用，推進(jìn)雨污分流管網(wǎng)建設(shè)；繼續(xù)推進(jìn)農(nóng)業(yè)污染源治理，加強(qiáng)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖的污染控制；加快農(nóng)村生活環(huán)境綜合整治，提高農(nóng)村生活污水處理設(shè)施利用效率；大力實施化肥、農(nóng)藥控減計劃，減少農(nóng)作物種植造成的氮磷污染。

（6）根據(jù)水環(huán)境容量的差異性，新增企業(yè)應(yīng)建立在水環(huán)境容量較大的功能區(qū)內(nèi)，環(huán)境容量較小的功能區(qū)應(yīng)減少或禁止新建排污企業(yè)。工業(yè)源污染物排放應(yīng)參考流域內(nèi)各水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)和環(huán)境容量，執(zhí)行更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。流域內(nèi)嚴(yán)格實行污染物總量控制，將所有排污企業(yè)納入總量控制范圍，以水功能區(qū)水環(huán)境容量為基礎(chǔ)，將污染物排放量進(jìn)行科學(xué)分配，優(yōu)化排污權(quán)交易。

這些措施將增加流域內(nèi)河流水量和減少污染物排放量，從而提高永定河水系張家口區(qū)段水功能區(qū)水環(huán)境容量和水環(huán)境質(zhì)量，為官廳水庫的水資源可供利用給予有力保障。