长庆溪流域水环境容量的研究
姚鹏程+潘文斌+陈弘
摘要：为了明确长庆溪流域水环境容量，改善水质不断恶化的状况，促进区域经济与水环境容量的协调发展，本文以长庆溪流域为研究对象，通过对水文特征、污染物特征、水环境现状调查，同时结合水环境容量计算方法，选用一维水质数学模型对其水环境容量进行计算分析。计算结果表明，在最枯月90%保证率和最枯月30年平均流量的两种不同水文条件下，COD的环境容量分别是708.6 t/a，317.06 t/a；NH3-N的环境容量分别是38.96 t/a，13.96 t/a。结合长庆溪流域的现状排污量可知，在现状稳定排污达标情况下，该流域顺达-芦阳桥段尚有一定的剩余环境容量。该结果可为该流域污染物总量分配方案的制定提供决策依据。
关键词：长庆溪流域；水质模型；水环境容量
中图分类号：X321 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）01-0134-03
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.01.074
Research on water environmental capacity of Changqing River Basin
Yao Pengcheng1，Pan Wenbin1，Chen Hong2
（1. School of Environment and Resources， Fuzhou University， Fuzhou 350108，China；2. Fujian Province Environmental Research Academy，Fuzhou 350000，China）
Abstrct： In order to define the environmental capacity and improve the deterioration of water quality in Changqing River basin and promote the harmonious development of economy and aquatic environment capacity，analyses on the present situation of water quality of Changqing River basin are conducted.The hydrological characteristics，the contamination characteristics and the water environment status were investigated.Combined with the design procedure of the water environmental capacity，one-dimensional water quality model was selected to calculate and analyze the water environmental capacity of Changqing River basin.The results showed that on the basis of the two hydrological conditions including minimum monthly flow with 90% guarantee rate and minimum monthly average flow in recent 30 years，the water environmental capacities of COD are estimated to be 708.6 t/a，317.06 t/a，respectively，and the water environmental capacities of NH3-N are estimated to be 38.96 t/a，13.96 t/a，respectively.Combining with the current emissions of pollutants we can know there is a certain residual environmental capacity in the Shunda - Luyang section of the basin under the condition of stable standardized discharge.The results can provide the basis for the formulation of the total pollutant distribution scheme.
Key words： Changqing River Basin；water quality model；water environmental capacity
水环境容量是一种有限的可再生自然资源，是经济与社会发展的基础，也是水环境污染控制和治理的重要依据。水环境容量的大小取决于水体的自然特性、水质标准和污染物本身的特性等[1]。文中研究的流域长庆溪在嵩口镇汇入大樟溪，其汇合口下游尚有多处水源保护区，而长庆镇蜜饯加工废水对长庆溪的长期污染，势必对大樟溪干流的用水水质安全造成隐患，影响水体的正常功能。鉴于此，本文对长庆溪流域进行水环境容量分析， 以期为区域水污染控制提供决策依据。
1 研究區概况
长庆溪是大樟溪上游的一级支流，位于福建省福州市永泰县的西北部，流域面积达253km2，发源于闽清池园，主河道长16.5km，平均坡降8.8‰。长庆溪由下际支流和长庆支流组成，其中下际支流塔山汇合口以上流域面积118km2；长庆支流塔山汇合口以上流域面积108.3km2，塔山汇合口至大樟溪区间流域面积 26.7 km2。长庆溪流域气候属中亚热带季风气候区，气候温和，雨量充沛。年平均气温18.9℃，年平均相对湿度为79.8%，年平均降水量1600mm。
表1 长庆溪流域污染物入河量
污染物类别 COD入河量（t/a） NH3-N入河量（t/a）
点源 面源 点源 面源
小计 50.735 67.56 7.610 0.220
总计 118.295 7.830
根据长庆溪流域水质监测数据，该流域大部分水质为劣Ⅴ类，主要污染物为COD和氨氮，主要污染源为工业污染。根据调查得到流域范围内主要企业和污水处理站的排污量，可计算出点源排放污染量；借助BASINS系统中的PLOAD模型的简易法来计算流域范围内因降雨产生的非点源污染负荷；参考中国环境规划院制定的《水环境容量技术指南》，确定非点源入河系数（取0.05），最终将长庆溪流域径流污染物产生量折算为入河量。其2015年污染物的入河量详见上表1。
2 水质指标和模型的选取
参考《福州市地表水环境功能区划定方案》，长庆溪全段均属于Ш类水域功能。其水环境功能区执行GB3838-2002《地表水环境质量标准》Ш类标准并以此为水环境质量评价标准，利用福州大学于2015年12月28日对长庆溪流域地表水环境的水质监测数据（监测断面具体位置详见表2-1），采用中华人民共和国环境保护行业标准HJ/T2.3-93《环境影响评价技术导则》所推荐的单项评价标准指数法评价长庆溪流域内的水环境质量现状，从而确定了长庆溪主要水质超标因子为高锰酸盐指数（ CODMn）和氨氮（ NH3-N），将这2个主要水质因子作为水质模型模拟和水环境容量计算的水质指标。
因长庆溪流量Q<150m3/s，属于中小型河流，河道窄浅，污染物进入水体经过河流稀释与扩散的作用后，能够在较短的时间内均匀混合且污染物浓度在河段横向方向上没有很大的变化，横向及垂向上的污染物浓度梯度可以忽略。所以，本文在计算长庆溪流域水环境容量时，选用一维水质模型以及水环境容量模型[2]。
3 模型设计条件
3.1 控制断面
长庆溪流域属于水质要求略低、经济不太发达的流域，主要污染源（蜜饯企业）均在顺达公司排放口之下，因此本文选择段尾控制法[3]。故本方案共计1个计算单元，该计算单元起始断面为顺达公司排污口上游30m，芦阳桥断面为计算单元的终止断面，详见表3。
3.2 水文条件
本文选用的水文设计条件为大樟溪流域历年最枯月90%保证率流量、最枯月近30年平均流量以及枯水期近30年平均流量三种情况。收集并整理永泰水文站（该站控制流域面积为4034km2）近三十年1～12月各月的平均流量数据，统计每年最枯月所在月份及流量，把流量数据从大到小顺序排列，根据公式（1）计算经验频率，结合Excel电子表格处理绘制海森概率格纸，从而绘制P-III型水文频率曲线。由曲线可得：永泰水文站90%频率下的设计流量为64.6m3/s。
收集并整理永泰水文站1982年～2012年各月平均流量数据，统计每年最枯月、枯水期所在月份，计算永泰站平均流量，可知大樟溪永泰水文站最枯月90%保证率、最枯月、枯水期设计流量分别为：64.6 m3/s、21.7 m3/s、109.2 m3/s。综合上述结果，本文仅计算最枯月90%保证率和最枯月设计流量两种情况。
3.3 计算各断面设计流量
根据永泰水文站的设计流量，采用径流面积指数法推算各断面设计流量[4]，结果见表4。
3.4 排污口概化
为了计算方便，一般将排污口根据以下几点进行处理：
（A）污水排放流量较大的企业排污口，可以作为独立的排污口处理；（B）距离较远且排污量都较小的分散排污口，一般概化为非点源，仅影响水域水质本底值；（C）多个排污口距离较近，可将几个排污口简化为集中的排污口，即概化排污口。
根据以上排污口概化计算方法，对长庆溪各排污口概化，COD与氨氮排放浓度取允许排放浓度最大值。考虑到水系较短，其降解污染物能力有限，故将所有污染物的降解系数设置为0。
4 水质降解系数确定与指数换算
污染物降解系数主要通过水团追踪试验[7]、实测资料反推[8]、类比法、分析借用等方法确定[9]。考虑到研究水系较短且水系中污染物的降解能力有限，将所有污染物的降解系数设置为0。
由于河流常规监测的是CODMn而不是CODcr，所以必须先进行换算。借鉴闽江流域水环境容量研究的研究成果（福建省环境科学研究院，2014年12月），确定换算系数为3.7，详见表6。
5 水环境容量计算
综合考虑研究区域的实际情况，采用模型试错法，是目前比较常用的水环境容量计算方法[10]。
根据以上选定的计算模型与设计条件，通过试错法结合同时满足III类水体水质指标情况下反推COD总量和氨氮总量，得到长庆溪顺达-芦阳桥水域的理想水环境容量，计算结果见表7。
5.1 水环境容量的核定
河流环境容量的核定，注意排除非点源污染负荷。理想水环境容量和非点源污染入河量的设计条件不同，所以不能直接把理想水环境容量减去非点源入河量[11]。从1993～2013永泰水文站降雨量资料中获得的永泰降水的月值数据，研究区最枯月降雨量约占全年降雨量的1.5%，而以最枯月计算全年12个月的降雨量则占全年降雨量的18%。面源污染入河量要考虑降水径流系数，取径流系数0.9，则以最枯月计面源污染入河量约占全年面源污染入河量的16.2%，计算结果见表8。扣除了非点源污染入河量后得到长庆溪顺达-芦阳桥水环境容量，见表9。
6 结语
通过对长庆溪水环境容量模型的建立和模拟以及其容量测算结果可知，只要现有企业稳定达标排放，该流域顺达-芦阳桥段尚有一定的剩余环境容量。在企业不搬迁情况下，相关部门应对企业允许排污量分配按照企业污水设施设计排放量来进行总量控制和排放浓度达标监管。但是从环境管理的角度，通过对流域内蜜饯企业的整体搬迁入园，更有利于该小流域的生态恢复和环境保护，对大樟溪流域整体水环境保护具有现实意义。
参考文献
[1]张永良.水环境容量基本概念的发展[J].环境科学研究，1992，5（3） ： 59-61.
[2]于雷，吴舜泽，范丽丽等. 河流水环境容量一维计算方法[J].水资源保护，2008，24（ 1） ： 39-41.
[3] 周孝德，郭瑾珑，程文等. 水环境容量计算方法研究[J] . 西安理工大学学报， 1999，15（3）：1-6.
[4] 牛秀岭. 口上水库径流分析计算[J]. 山西水利，2015，（10）：10-11.
[5] 王克祯，赵毅邦，裴生山. 无资料的青海省乐都县大沟断面设计洪峰流量分析[J]. 水资源与水工程学 报，2012，（05）：142-144+147.
[6] 韩龙喜，朱党生，蒋莉华. 中小型河道纳污能力计算方法研究 [J]. 河海大学学报，2002，30（1）：35-38.
[7] 吴建兰，李曦，陈秀梅. 实验室率定法测算长江南通段污染物降解系数[J]. 四川环境，2012，（05）：36-40.
[8] 王玲. 滏陽河邯郸段水环境容量研究[D].河北科技大学，2014.
[9] 冯帅，李叙勇，邓建才. 太湖流域上游河网污染物降解系数研究[J]. 环境科学学报，2016，（09）：3127-3136.
[10]周刚，雷坤，富国，毛光君. 河流水环境容量计算方法研究[J]. 水利学报，2014，（02）：227-234+242.
[11]李曦，陈秀梅，崔萍. 长江南通段水环境容量核定及总量控制研究[J]. 环境监控与警，2012，（03）：10-14.
收稿日期：2017-12-11
作者简介：姚鹏程（1992-），男，硕士研究生，研究方向为区域流域规划与管理方面。 技术文
摘要：为了明确长庆溪流域水环境容量，改善水质不断恶化的状况，促进区域经济与水环境容量的协调发展，本文以长庆溪流域为研究对象，通过对水文特征、污染物特征、水环境现状调查，同时结合水环境容量计算方法，选用一维水质数学模型对其水环境容量进行计算分析。计算结果表明，在最枯月90%保证率和最枯月30年平均流量的两种不同水文条件下，COD的环境容量分别是708.6 t/a，317.06 t/a；NH3-N的环境容量分别是38.96 t/a，13.96 t/a。结合长庆溪流域的现状排污量可知，在现状稳定排污达标情况下，该流域顺达-芦阳桥段尚有一定的剩余环境容量。该结果可为该流域污染物总量分配方案的制定提供决策依据。
关键词：长庆溪流域；水质模型；水环境容量
中图分类号：X321 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）01-0134-03
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.01.074
Research on water environmental capacity of Changqing River Basin
Yao Pengcheng1，Pan Wenbin1，Chen Hong2
（1. School of Environment and Resources， Fuzhou University， Fuzhou 350108，China；2. Fujian Province Environmental Research Academy，Fuzhou 350000，China）
Abstrct： In order to define the environmental capacity and improve the deterioration of water quality in Changqing River basin and promote the harmonious development of economy and aquatic environment capacity，analyses on the present situation of water quality of Changqing River basin are conducted.The hydrological characteristics，the contamination characteristics and the water environment status were investigated.Combined with the design procedure of the water environmental capacity，one-dimensional water quality model was selected to calculate and analyze the water environmental capacity of Changqing River basin.The results showed that on the basis of the two hydrological conditions including minimum monthly flow with 90% guarantee rate and minimum monthly average flow in recent 30 years，the water environmental capacities of COD are estimated to be 708.6 t/a，317.06 t/a，respectively，and the water environmental capacities of NH3-N are estimated to be 38.96 t/a，13.96 t/a，respectively.Combining with the current emissions of pollutants we can know there is a certain residual environmental capacity in the Shunda - Luyang section of the basin under the condition of stable standardized discharge.The results can provide the basis for the formulation of the total pollutant distribution scheme.
Key words： Changqing River Basin；water quality model；water environmental capacity
水环境容量是一种有限的可再生自然资源，是经济与社会发展的基础，也是水环境污染控制和治理的重要依据。水环境容量的大小取决于水体的自然特性、水质标准和污染物本身的特性等[1]。文中研究的流域长庆溪在嵩口镇汇入大樟溪，其汇合口下游尚有多处水源保护区，而长庆镇蜜饯加工废水对长庆溪的长期污染，势必对大樟溪干流的用水水质安全造成隐患，影响水体的正常功能。鉴于此，本文对长庆溪流域进行水环境容量分析， 以期为区域水污染控制提供决策依据。
1 研究區概况
长庆溪是大樟溪上游的一级支流，位于福建省福州市永泰县的西北部，流域面积达253km2，发源于闽清池园，主河道长16.5km，平均坡降8.8‰。长庆溪由下际支流和长庆支流组成，其中下际支流塔山汇合口以上流域面积118km2；长庆支流塔山汇合口以上流域面积108.3km2，塔山汇合口至大樟溪区间流域面积 26.7 km2。长庆溪流域气候属中亚热带季风气候区，气候温和，雨量充沛。年平均气温18.9℃，年平均相对湿度为79.8%，年平均降水量1600mm。
表1 长庆溪流域污染物入河量
污染物类别 COD入河量（t/a） NH3-N入河量（t/a）
点源 面源 点源 面源
小计 50.735 67.56 7.610 0.220
总计 118.295 7.830
根据长庆溪流域水质监测数据，该流域大部分水质为劣Ⅴ类，主要污染物为COD和氨氮，主要污染源为工业污染。根据调查得到流域范围内主要企业和污水处理站的排污量，可计算出点源排放污染量；借助BASINS系统中的PLOAD模型的简易法来计算流域范围内因降雨产生的非点源污染负荷；参考中国环境规划院制定的《水环境容量技术指南》，确定非点源入河系数（取0.05），最终将长庆溪流域径流污染物产生量折算为入河量。其2015年污染物的入河量详见上表1。
2 水质指标和模型的选取
参考《福州市地表水环境功能区划定方案》，长庆溪全段均属于Ш类水域功能。其水环境功能区执行GB3838-2002《地表水环境质量标准》Ш类标准并以此为水环境质量评价标准，利用福州大学于2015年12月28日对长庆溪流域地表水环境的水质监测数据（监测断面具体位置详见表2-1），采用中华人民共和国环境保护行业标准HJ/T2.3-93《环境影响评价技术导则》所推荐的单项评价标准指数法评价长庆溪流域内的水环境质量现状，从而确定了长庆溪主要水质超标因子为高锰酸盐指数（ CODMn）和氨氮（ NH3-N），将这2个主要水质因子作为水质模型模拟和水环境容量计算的水质指标。
因长庆溪流量Q<150m3/s，属于中小型河流，河道窄浅，污染物进入水体经过河流稀释与扩散的作用后，能够在较短的时间内均匀混合且污染物浓度在河段横向方向上没有很大的变化，横向及垂向上的污染物浓度梯度可以忽略。所以，本文在计算长庆溪流域水环境容量时，选用一维水质模型以及水环境容量模型[2]。
3 模型设计条件
3.1 控制断面
长庆溪流域属于水质要求略低、经济不太发达的流域，主要污染源（蜜饯企业）均在顺达公司排放口之下，因此本文选择段尾控制法[3]。故本方案共计1个计算单元，该计算单元起始断面为顺达公司排污口上游30m，芦阳桥断面为计算单元的终止断面，详见表3。
3.2 水文条件
本文选用的水文设计条件为大樟溪流域历年最枯月90%保证率流量、最枯月近30年平均流量以及枯水期近30年平均流量三种情况。收集并整理永泰水文站（该站控制流域面积为4034km2）近三十年1～12月各月的平均流量数据，统计每年最枯月所在月份及流量，把流量数据从大到小顺序排列，根据公式（1）计算经验频率，结合Excel电子表格处理绘制海森概率格纸，从而绘制P-III型水文频率曲线。由曲线可得：永泰水文站90%频率下的设计流量为64.6m3/s。
收集并整理永泰水文站1982年～2012年各月平均流量数据，统计每年最枯月、枯水期所在月份，计算永泰站平均流量，可知大樟溪永泰水文站最枯月90%保证率、最枯月、枯水期设计流量分别为：64.6 m3/s、21.7 m3/s、109.2 m3/s。综合上述结果，本文仅计算最枯月90%保证率和最枯月设计流量两种情况。
3.3 计算各断面设计流量
根据永泰水文站的设计流量，采用径流面积指数法推算各断面设计流量[4]，结果见表4。
3.4 排污口概化
为了计算方便，一般将排污口根据以下几点进行处理：
（A）污水排放流量较大的企业排污口，可以作为独立的排污口处理；（B）距离较远且排污量都较小的分散排污口，一般概化为非点源，仅影响水域水质本底值；（C）多个排污口距离较近，可将几个排污口简化为集中的排污口，即概化排污口。
根据以上排污口概化计算方法，对长庆溪各排污口概化，COD与氨氮排放浓度取允许排放浓度最大值。考虑到水系较短，其降解污染物能力有限，故将所有污染物的降解系数设置为0。
4 水质降解系数确定与指数换算
污染物降解系数主要通过水团追踪试验[7]、实测资料反推[8]、类比法、分析借用等方法确定[9]。考虑到研究水系较短且水系中污染物的降解能力有限，将所有污染物的降解系数设置为0。
由于河流常规监测的是CODMn而不是CODcr，所以必须先进行换算。借鉴闽江流域水环境容量研究的研究成果（福建省环境科学研究院，2014年12月），确定换算系数为3.7，详见表6。
5 水环境容量计算
综合考虑研究区域的实际情况，采用模型试错法，是目前比较常用的水环境容量计算方法[10]。
根据以上选定的计算模型与设计条件，通过试错法结合同时满足III类水体水质指标情况下反推COD总量和氨氮总量，得到长庆溪顺达-芦阳桥水域的理想水环境容量，计算结果见表7。
5.1 水环境容量的核定
河流环境容量的核定，注意排除非点源污染负荷。理想水环境容量和非点源污染入河量的设计条件不同，所以不能直接把理想水环境容量减去非点源入河量[11]。从1993～2013永泰水文站降雨量资料中获得的永泰降水的月值数据，研究区最枯月降雨量约占全年降雨量的1.5%，而以最枯月计算全年12个月的降雨量则占全年降雨量的18%。面源污染入河量要考虑降水径流系数，取径流系数0.9，则以最枯月计面源污染入河量约占全年面源污染入河量的16.2%，计算结果见表8。扣除了非点源污染入河量后得到长庆溪顺达-芦阳桥水环境容量，见表9。
6 结语
通过对长庆溪水环境容量模型的建立和模拟以及其容量测算结果可知，只要现有企业稳定达标排放，该流域顺达-芦阳桥段尚有一定的剩余环境容量。在企业不搬迁情况下，相关部门应对企业允许排污量分配按照企业污水设施设计排放量来进行总量控制和排放浓度达标监管。但是从环境管理的角度，通过对流域内蜜饯企业的整体搬迁入园，更有利于该小流域的生态恢复和环境保护，对大樟溪流域整体水环境保护具有现实意义。
参考文献
[1]张永良.水环境容量基本概念的发展[J].环境科学研究，1992，5（3） ： 59-61.
[2]于雷，吴舜泽，范丽丽等. 河流水环境容量一维计算方法[J].水资源保护，2008，24（ 1） ： 39-41.
[3] 周孝德，郭瑾珑，程文等. 水环境容量计算方法研究[J] . 西安理工大学学报， 1999，15（3）：1-6.
[4] 牛秀岭. 口上水库径流分析计算[J]. 山西水利，2015，（10）：10-11.
[5] 王克祯，赵毅邦，裴生山. 无资料的青海省乐都县大沟断面设计洪峰流量分析[J]. 水资源与水工程学 报，2012，（05）：142-144+147.
[6] 韩龙喜，朱党生，蒋莉华. 中小型河道纳污能力计算方法研究 [J]. 河海大学学报，2002，30（1）：35-38.
[7] 吴建兰，李曦，陈秀梅. 实验室率定法测算长江南通段污染物降解系数[J]. 四川环境，2012，（05）：36-40.
[8] 王玲. 滏陽河邯郸段水环境容量研究[D].河北科技大学，2014.
[9] 冯帅，李叙勇，邓建才. 太湖流域上游河网污染物降解系数研究[J]. 环境科学学报，2016，（09）：3127-3136.
[10]周刚，雷坤，富国，毛光君. 河流水环境容量计算方法研究[J]. 水利学报，2014，（02）：227-234+242.
[11]李曦，陈秀梅，崔萍. 长江南通段水环境容量核定及总量控制研究[J]. 环境监控与警，2012，（03）：10-14.
收稿日期：2017-12-11
作者简介：姚鹏程（1992-），男，硕士研究生，研究方向为区域流域规划与管理方面。 技术文
