趙 晨，陳燕飛，董玉茹，孫詠曦

(1.油氣地球化學(xué)與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院)，湖北 武漢 430100；2.湖北省宜昌市水文水資源勘測(cè)局，湖北 宜昌 443003)

中國(guó)自“九五”開(kāi)始實(shí)施污染物總量控制政策,并相繼在海河、淮河、遼河等流域開(kāi)展實(shí)際應(yīng)用[1]，環(huán)境容量的計(jì)算方法有很多，比如建立水動(dòng)力模型[2]，建立流域負(fù)荷模型等[3]，但這些方法存在一些不足之處，如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(jì)算，不能很好地反映出水環(huán)境容量在實(shí)際中的變化規(guī)律[4]，同時(shí)由于各種模型的相關(guān)參數(shù)值不確定性很大，導(dǎo)致模擬結(jié)果偏差較大[5]，因而不能結(jié)合季節(jié)特點(diǎn)等情況做出最適合的污染物防治措施。為了得到較為科學(xué)準(zhǔn)確的污染物負(fù)荷量來(lái)指導(dǎo)相應(yīng)的政策制定，在污染物總量控制的規(guī)劃中使用負(fù)荷歷時(shí)曲線的方法[6]。

基于長(zhǎng)序列的流量歷時(shí)曲線(Flow Duration Curve，以下簡(jiǎn)稱FDC)、負(fù)荷歷時(shí)曲線(Load Duration Curve，以下簡(jiǎn)稱LDC)法以流量資料與水質(zhì)為基礎(chǔ)，建立流量頻率與水質(zhì)負(fù)荷容量之間的關(guān)系。負(fù)荷歷時(shí)曲線法最早是由Searcy在1959年提出，其對(duì)數(shù)據(jù)需求量小且操作簡(jiǎn)便，一直應(yīng)用于美國(guó)最大日負(fù)荷總量(TMDL)計(jì)劃制定中[7]。陶子夜[8]將LDC法應(yīng)用于通順河武漢段流域TMDL計(jì)劃制定中，使得水質(zhì)資料匱乏或水質(zhì)與水文不同步的流域也能準(zhǔn)確計(jì)算TMDL；王生愿等[9]將LDC法運(yùn)用到梁子湖流域容量總量控制中，分析了梁子湖流域的最大日負(fù)荷變化規(guī)律，隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展，部分研究者把LDC法與計(jì)算機(jī)模型相結(jié)并應(yīng)用于流域治理當(dāng)中，例如嵇靈燁等[10-12]將LDC法與WASP模型相結(jié)合應(yīng)用于東苕溪流域總量控制中，以氨氮為控制指標(biāo)，分析了流域內(nèi)納污能力的時(shí)空變化規(guī)律，Kim等[13]將LDC系統(tǒng)與谷歌地圖相連接，以便實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化。

從水體環(huán)境的長(zhǎng)遠(yuǎn)角度以及湖北省生態(tài)環(huán)境廳的要求，為了達(dá)到地表水水質(zhì)達(dá)標(biāo)以及河流的健康可持續(xù)發(fā)展，本文將按照皇莊、仙桃斷面Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求處理。計(jì)算繪制FDC、LDC，分析污染物最大負(fù)荷的月度變化和污染物特征，繪制流量歷時(shí)曲線和現(xiàn)狀污染物散點(diǎn)圖。分析污染物超標(biāo)成因及提出相應(yīng)防治意見(jiàn)。

1 研究區(qū)域概況

漢江是中國(guó)重要的優(yōu)質(zhì)水源地和湖北省重要的水資源主體之一，全長(zhǎng)1 570 km，漢江中下游自丹江口至武漢長(zhǎng)約652 km，其中丹江口至鐘祥為中游，河谷較寬，沙灘多，長(zhǎng)約270 km；鐘祥至漢口為下游，長(zhǎng)約382 km，流經(jīng)江漢平原，河道婉蜒曲折逐步縮小，在武漢市漢口龍王廟匯入長(zhǎng)江。本次研究范圍為皇莊到仙桃段，研究區(qū)域范圍見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域范圍及斷面位置

漢江中下游區(qū)域降水主要來(lái)源于東南和西南兩股暖濕氣流。區(qū)域多年平均連續(xù)最大4個(gè)月徑流占全年徑流的60%～65%，出現(xiàn)時(shí)間由東向西推遲。大致在襄陽(yáng)以下為4—7月或5—8月，襄陽(yáng)以上為7—10月。汛期徑流占年徑流的72%～77%，徑流的集中程度略次于降水。年徑流變差系數(shù)Cv在0.3～0.6，其分布趨勢(shì)由西向東遞增。

漢江上游丹江口水庫(kù)自2014年以來(lái)，每年需向河南、河北、北京及天津四省市調(diào)水90多億m3，遠(yuǎn)期將增至130億m3，引江濟(jì)渭工程將從漢江上游調(diào)水15億m3至陜西渭河，多個(gè)調(diào)水工程的建立和運(yùn)轉(zhuǎn)減少了下泄流量，降低了水位，改變了漢江干流的水文氣象條件，增加了水體污染加重的可能性。為了保持現(xiàn)有水質(zhì)的良好態(tài)勢(shì)以及充分利用水資源，需要有一個(gè)較為精確的污染負(fù)荷量的研究。

2 研究方法

流量歷時(shí)曲線(FDC)，將收集或推算的流量值從大到小排列，同時(shí)計(jì)算大于某一流量值的頻率，根據(jù)流量值與頻率構(gòu)成得曲線，計(jì)算公式如下：

Pf=m/n

(1)

式中Pf——流量為f時(shí)所占比例;m——大于或等于流量f時(shí)的監(jiān)測(cè)次數(shù);n——流量監(jiān)測(cè)總數(shù)。

負(fù)荷歷時(shí)曲線(LDC)，將FDC中的某個(gè)流量數(shù)值與某項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的環(huán)境目標(biāo)值相乘，得到的結(jié)果與該流量數(shù)值對(duì)應(yīng)的頻率構(gòu)成的曲線，計(jì)算公式如下：

L=QCK

(2)

式中L——不同流量占比下最大日負(fù)荷，t /d;Q——對(duì)應(yīng)的流量值，m3/s;C——水質(zhì)目標(biāo)濃度值，mg /L；K——單位轉(zhuǎn)換系數(shù),其值為0.086 4。

為了更好地反映斷面的水文特征，把流量資料分為5個(gè)流量歷時(shí)區(qū)(FDI)，即高流量區(qū)(0%～10%)、豐水區(qū)(10%～40%)、中流量區(qū)(40%～60%)、枯水區(qū)(60%～90%) 和低流量區(qū)(90%～100%)[14]。

污染物現(xiàn)狀負(fù)荷和最大負(fù)荷估算。利用水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的流量數(shù)據(jù)，可算出相應(yīng)的現(xiàn)狀負(fù)荷值，點(diǎn)繪到LDC上，計(jì)算不同F(xiàn)DI內(nèi)對(duì)應(yīng)的污染物現(xiàn)狀負(fù)荷和最大負(fù)荷，且現(xiàn)狀負(fù)荷為平均濃度0.9倍的計(jì)算值。具體計(jì)算如下:

(3)

(4)

最大負(fù)荷為不同F(xiàn)DI中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的LDC值。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源

流量、水質(zhì)資料由相應(yīng)地區(qū)水文站點(diǎn)提供，皇莊、仙桃斷面要求為Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)GB 3838—2002《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》對(duì)應(yīng)的CODMn為4 mg/L；總磷濃度為0.1 mg/L；氨氮濃度為0.5 mg/L。流量數(shù)據(jù)由區(qū)域內(nèi)水文站獲取。通過(guò)使用Origin繪制箱型圖，Excel繪制曲線圖、散點(diǎn)圖，分析污染物最大負(fù)荷月度變化及特征。

4 結(jié)果與分析

4.1 流量歷時(shí)曲線

結(jié)合實(shí)際情況，本文將按照美國(guó)環(huán)保局推薦的流量歷時(shí)區(qū)域(FDI)劃分方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，即高流量區(qū)(0%～10%)、豐水區(qū)(10%～40%)、中流量區(qū)(40%～60%)、枯水區(qū)(60%～90%) 和低流量區(qū)(90%～100%)，并用式(1)進(jìn)行計(jì)算，繪制FDC見(jiàn)圖2。

圖2 皇莊、仙桃流量歷時(shí)曲線

4.2 污染物最大負(fù)荷量月度變化特征

漢江中下游區(qū)域流量的月度變化差異較大，應(yīng)針對(duì)不同月份，制定不同的控制目標(biāo)，本文將對(duì)2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)按不同月份計(jì)算其最大負(fù)荷量，其污染物最大負(fù)荷量的箱線圖見(jiàn)圖3。

由圖3知，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都隨月度的改變發(fā)生同樣的變化，即汛期的最大負(fù)荷量高于非汛期的值，月度差異較為顯著，尤其是在7、8、9月份，皇莊的CODMn最大負(fù)荷處于1 500 t/d左右，仙桃CODMn最大負(fù)荷處于1 250 t/d左右，高于其他月份約3倍，兩地的NH3-N和TP也有同樣規(guī)律在實(shí)際河流管理中，制定不同月份不同降水條件下的水質(zhì)管理辦法，可為相關(guān)管理部門(mén)適時(shí)作出符合時(shí)期特點(diǎn)的水質(zhì)達(dá)標(biāo)調(diào)整方案。

圖3 皇莊和仙桃污染物最大負(fù)荷量月度分布

4.3 水體污染物特征分析

根據(jù)對(duì)應(yīng)的流量歷時(shí)曲線(FDC)，按照式(2)計(jì)算繪制負(fù)荷歷時(shí)曲線(LDC)，并把現(xiàn)狀負(fù)荷點(diǎn)繪于LDC，見(jiàn)圖4、5。

圖4 皇莊污染物負(fù)荷歷時(shí)曲線和現(xiàn)狀負(fù)荷散點(diǎn)

圖5 仙桃污染物負(fù)荷歷時(shí)曲線和現(xiàn)狀負(fù)荷散點(diǎn)

續(xù)圖5 仙桃污染物負(fù)荷歷時(shí)曲線和現(xiàn)狀負(fù)荷散點(diǎn)

以LDC為界，位于LDC以上側(cè)的點(diǎn)，表明現(xiàn)狀負(fù)荷超出允許負(fù)荷(最大負(fù)荷)需要削減;位于LDC以下的點(diǎn)，表明現(xiàn)狀負(fù)荷在允許負(fù)荷范圍內(nèi)暫時(shí)不用采取削減措施。利用LDC還可以判斷河流監(jiān)測(cè)斷面受點(diǎn)源和面源污染的影響程度，曲線左端小于10%保證率和右端大于99%保證率的部分反映的是洪水或干旱期時(shí)極端水文情況,對(duì)于這2種極端情況下,難以通過(guò)規(guī)劃對(duì)流域污染負(fù)荷進(jìn)行可行的控制和管理。對(duì)于污染是來(lái)自于點(diǎn)源還是非點(diǎn)源，在時(shí)間保證率85%～99%區(qū)間內(nèi),影響水質(zhì)的主要是點(diǎn)源負(fù)荷;在保證率10%～70%主要反映非點(diǎn)源負(fù)荷的貢獻(xiàn)[15]。

根據(jù)圖4、5可知2006—2020年，皇莊及仙桃斷面CODMn的實(shí)際日負(fù)荷量基本在日最大允許負(fù)荷量之下。其中，皇莊和仙桃斷面分別有2、6個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)在LDC曲線上方，超標(biāo)占比分別為1.28%、3.77%?；是f及仙桃斷面NH3-N的實(shí)際日負(fù)荷量接近日最大允許負(fù)荷。部分實(shí)測(cè)值甚至超過(guò)了當(dāng)日最大污染負(fù)荷，其中以仙桃斷面超標(biāo)數(shù)量最多，占總實(shí)測(cè)個(gè)數(shù)的5.66%?；是f斷面TP的實(shí)際日負(fù)荷量基本在日最大允許負(fù)荷量之下，分別有2、10個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)在LDC曲線上方，超標(biāo)占比分別為1.34%、7.87%。仙桃斷面TP日最大負(fù)荷超標(biāo)較多，占實(shí)測(cè)總數(shù)的47.13%。

4.4 污染物的負(fù)荷估算

應(yīng)用式(3)、(4)計(jì)算不同F(xiàn)DI污染物現(xiàn)狀負(fù)荷，并以FDI分別為5%、25%、50%、75%和95%所對(duì)應(yīng)的LDC值計(jì)算最大負(fù)荷，獲得不同F(xiàn)DI下CODMn、氨氮和總磷的現(xiàn)狀負(fù)荷和最大負(fù)荷。在每個(gè)FDI的現(xiàn)狀負(fù)荷和最大負(fù)荷確定后，就能確定不同F(xiàn)DI污染物的剩余負(fù)荷，剩余負(fù)荷為正表示符合水質(zhì)要求不需要削減，剩余負(fù)荷為負(fù)表示需要削減，為科學(xué)控制污染物的總量提供技術(shù)支持。

由表1可知，在地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求下，不同F(xiàn)DI下的皇莊CODMn、氨氮和總磷三者的現(xiàn)狀負(fù)荷均小于最大負(fù)荷，不需要采取削減措施。但在枯水區(qū)和低流量區(qū)剩余負(fù)荷較少，需引起排污部門(mén)的重視。在地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求下，不同F(xiàn)DI下的仙桃CODMn和氨氮的現(xiàn)狀負(fù)荷均小于最大負(fù)荷，不需要采取削減措施；而總磷指標(biāo)在高流量區(qū)和低流量區(qū)現(xiàn)狀負(fù)荷超過(guò)了最大負(fù)荷，需要削減，其削減量分別為6.05、0.09 t/d，但豐水區(qū)，中流量區(qū)和枯水區(qū)的FDI中剩余負(fù)荷接近于0。從仙桃總磷負(fù)荷歷時(shí)曲線和現(xiàn)狀負(fù)荷散點(diǎn)圖中可以看出，總磷在5個(gè)FDI區(qū)域內(nèi)均有較為嚴(yán)重的超標(biāo)，結(jié)合計(jì)算結(jié)果可以得出，在該河段的排污企業(yè)廣泛存在偷排，違規(guī)排放的現(xiàn)象，政府部門(mén)在制定削減方案的同時(shí)，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)排污企業(yè)的監(jiān)管，盡量防止違規(guī)排放。

表1 皇莊和仙桃CODMn、氨氮和總磷污染負(fù)荷

對(duì)于仙桃總磷負(fù)荷在低流量區(qū)超標(biāo)的原因，一方面是流量低導(dǎo)致最大污染負(fù)荷降低，使得排放污染物后更容易超過(guò)最大污染負(fù)荷，另一方面低流量區(qū)通常處于冬春季，氣溫相對(duì)較低，導(dǎo)致水體中微生物活性下降，分解污染物能力降低，從而導(dǎo)致污染負(fù)荷超標(biāo)。對(duì)于高流量區(qū)，水位、流量的上漲讓最大負(fù)荷增加，同時(shí)也允許排放更多污染物，有些排水管道受水位上升的影響處于較深位置，不易察覺(jué)，方便了企業(yè)進(jìn)行偷排漏排的行為。從而導(dǎo)致污染負(fù)荷超標(biāo)。爭(zhēng)對(duì)不同流量區(qū)間應(yīng)制定不同對(duì)策，如在高流量區(qū)加強(qiáng)企業(yè)排放監(jiān)管等，在低流量區(qū)時(shí)段，可以優(yōu)化污水處理工藝，增加出水除磷效率等方法。

5 結(jié)論與建議

a)相應(yīng)地表水水質(zhì)規(guī)定的的條件下，皇莊斷面CODMn、氨氮和總磷指標(biāo)均符合要求，且剩余負(fù)荷較大，無(wú)需進(jìn)行削減措施。仙桃斷面CODMn和氨氮負(fù)荷不需要削減，總磷負(fù)荷超標(biāo)嚴(yán)重，盡管計(jì)算結(jié)果顯示，只需要在高流量和低流量區(qū)域進(jìn)行削減，其削減量分別為6.05、0.09 t/d。還要加強(qiáng)政府監(jiān)管，加大偷排污水和違規(guī)排放的企業(yè)部門(mén)的懲罰力度，并針對(duì)剩余負(fù)荷存量很小的區(qū)域，制定適當(dāng)?shù)南鳒p方案。

b)本文結(jié)合湖北省生態(tài)環(huán)境廳的要求，應(yīng)用負(fù)荷歷時(shí)曲線法分析河流水質(zhì)變化和污染負(fù)荷的相關(guān)關(guān)系，以及出現(xiàn)污染物超標(biāo)現(xiàn)象的可能原因，提出防治措施，能為有關(guān)部門(mén)決策提供技術(shù)支撐。本文存在一些不足，未考慮相關(guān)區(qū)域內(nèi)人口經(jīng)濟(jì)發(fā)展的變化趨勢(shì)等方面，在以后的研究中還需進(jìn)一步探討。