陶亞， 程亮， 趙喜亮， 王梓赫

(1.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012; 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，北京 100083)

沿江地區(qū)由于具備豐富的資源和便利的交通條件，往往是人口聚集、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的主要區(qū)域。但在過(guò)去的40年內(nèi)，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的粗放型快速發(fā)展，沿江地區(qū)的生態(tài)環(huán)境受到極大損壞，特別是主要江河的干支流沿途接納了大量的城鎮(zhèn)污水、工業(yè)廢水以及農(nóng)村非點(diǎn)源污染，部分河段長(zhǎng)期處于劣Ⅴ類水體。當(dāng)前，部分穿越城區(qū)的河段面臨著久治難清、黑臭河段治理反復(fù)的困局，是我國(guó)當(dāng)前打贏水污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的重要難點(diǎn)之一。

流域水環(huán)境管理工作的第一步就是通過(guò)流域水環(huán)境的野外調(diào)研及監(jiān)測(cè)，對(duì)流域主要水體進(jìn)行環(huán)境問(wèn)題診斷[1-2]，分析流域的污染特征，評(píng)價(jià)河流的生態(tài)健康狀況，識(shí)別流域內(nèi)各控制單元水生態(tài)環(huán)境受損情況。目前，常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法有：分類單指標(biāo)判斷法[3-4]、綜合污染指數(shù)法[5-6]以及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[7-8]等。主要是采用流域內(nèi)各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，針對(duì)重點(diǎn)斷面進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)變化趨勢(shì)分析，確定超標(biāo)污染物的種類、超標(biāo)時(shí)段；或進(jìn)一步對(duì)特征污染物進(jìn)行污染類型變化趨勢(shì)分析，確定受損單元的受損類別、受損時(shí)段和受損程度。

當(dāng)前，基于控制單元的流域環(huán)境管理研究多專注于流域水環(huán)境容量核算與污染負(fù)荷分配研究[9-13]，對(duì)于流域水文過(guò)程的成果應(yīng)用[14]，往往集中在流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算[15]上。本文在當(dāng)前生態(tài)環(huán)境空間管控的理念下，結(jié)合流域控制單元的劃分[16]，提出一種結(jié)合流域水文過(guò)程的水環(huán)境問(wèn)題診斷方法——基于等標(biāo)負(fù)荷歷時(shí)曲線法的流域水質(zhì)問(wèn)題診斷，以期為流域水環(huán)境管理中污染問(wèn)題的識(shí)別提供一種視角。

1 基于控制單元的流域環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

1.1 流域控制單元?jiǎng)澐?/h3>

通過(guò)劃分控制單元的方式可以將一個(gè)復(fù)雜的流域劃分為數(shù)個(gè)既相互獨(dú)立、又相互聯(lián)系的空間單元，有利于進(jìn)行水環(huán)境污染負(fù)荷總量的精細(xì)管理。通過(guò)解決控制單元內(nèi)水環(huán)境問(wèn)題和處理好單元間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)各控制單元的水質(zhì)目標(biāo)和流域整體水質(zhì)目標(biāo)，達(dá)到保護(hù)流域水生態(tài)功能的目的，便于進(jìn)行流域的系統(tǒng)管理，實(shí)施流域水質(zhì)目標(biāo)管理的方案。

基于某流域DEM、土地利用類型等信息，采用ArcGIS水文分析的方法，將流域劃分為30個(gè)相對(duì)獨(dú)立的匯水區(qū)域。結(jié)合流域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃以及流域內(nèi)污染源的空間分布特點(diǎn)，從環(huán)境管理可執(zhí)行性的角度出發(fā)，確定了該流域四大控制單元：水系源頭區(qū)控制單元、上游農(nóng)業(yè)區(qū)控制單元、中游城鎮(zhèn)區(qū)控制單元、下游河口區(qū)控制單元。該流域控制單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果如圖1所示，控制單元基本信息見(jiàn)表1。

圖1 某流域控制單元?jiǎng)澐殖晒麍D

表1 某流域控制單元信息統(tǒng)計(jì)表

控制單元沿岸1 km內(nèi)人口/(萬(wàn)人)水系長(zhǎng)度/km單元面積/km2控制單元主要功能目標(biāo)水系源頭區(qū)2.00211.501 146以水資源調(diào)蓄、水源地涵養(yǎng)為主要目標(biāo),以滿足農(nóng)業(yè)與林業(yè)種植為主上游農(nóng)業(yè)區(qū)1.66132.60568以水源調(diào)蓄為主要目標(biāo),以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活為主中游城鎮(zhèn)區(qū)10.75376.261 178以滿足工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉以及景觀用水為主

續(xù)表

1.2 流域環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

根據(jù)流域內(nèi)主要干流的功能目標(biāo)定位，結(jié)合控制單元?jiǎng)澐郑梢詫?個(gè)控制單元?jiǎng)澐譃閮刹糠郑孩偎h(huán)境功能區(qū)劃為Ⅱ類的是水系源頭區(qū)控制單元、上游農(nóng)業(yè)區(qū)控制單元；②水環(huán)境功能區(qū)劃為Ⅳ類的是中游城鎮(zhèn)區(qū)控制單元、下游河口區(qū)控制單元。各控制單元內(nèi)化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)的歷年各月濃度變化過(guò)程如圖2—4所示。

圖2 流域水系2011—2015年COD濃度變化過(guò)程

圖3 流域水系2011—2015年NH3-N濃度變化過(guò)程

圖4 流域水系2011—2015年TP濃度變化過(guò)程

從流域不同控制單元內(nèi)河段的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖2—4)可得到如下結(jié)論：

1)2011—2015年,下游河口區(qū)控制單元內(nèi)水質(zhì)斷面的水質(zhì)持續(xù)劣于Ⅴ類。按照國(guó)家有關(guān)黑臭水體治理要求，該斷面NH3-N年均濃度應(yīng)控制在3.5 mg/L以下，并逐步(2018年底前)達(dá)到Ⅴ類水體；但近3年監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，該斷面水質(zhì)類別為劣Ⅴ類，其中NH3-N濃度均值為5.848 mg/L(圖3)，超Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)1.92倍，區(qū)域黑臭水體治理任務(wù)艱巨。

2)中游城鎮(zhèn)區(qū)控制單元內(nèi)的水質(zhì)為Ⅲ～Ⅳ類，NH3-N濃度波動(dòng)下降，COD濃度波動(dòng)上升。水系源頭區(qū)控制單元內(nèi)的水質(zhì)為Ⅱ～Ⅲ類，NH3-N濃度呈緩慢下降趨勢(shì)，COD濃度呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。

3)從流域整體來(lái)看，流域內(nèi)水質(zhì)總體狀況為輕度污染。按年均值評(píng)價(jià)，流域水系源頭區(qū)與上游農(nóng)業(yè)區(qū)控制單元內(nèi)的斷面基本可以穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)，中游城鎮(zhèn)區(qū)控制單元內(nèi)的河段水質(zhì)可滿足Ⅳ類水質(zhì)要求，下游河口區(qū)控制單元內(nèi)的斷面水質(zhì)多處于Ⅴ類和劣于Ⅴ類水平。分析流域內(nèi)全部監(jiān)測(cè)斷面可知，流域內(nèi)Ⅲ類斷面比例為37.5%、Ⅳ類為25%、Ⅴ類為25%、劣Ⅴ類為12.5%。對(duì)于流域水系的功能目標(biāo)而言，僅在中游城鎮(zhèn)區(qū)控制單元內(nèi)可以達(dá)到水體功能區(qū)規(guī)劃目標(biāo)，其他控制單元均未能達(dá)到功能目標(biāo)，流域內(nèi)主要污染指標(biāo)為NH3-N、COD。

2 基于等標(biāo)負(fù)荷歷時(shí)曲線法的流域水質(zhì)問(wèn)題診斷

2.1 等標(biāo)負(fù)荷歷時(shí)曲線法

在水環(huán)境問(wèn)題診斷中，僅以水質(zhì)指標(biāo)濃度進(jìn)行分析不足以評(píng)估流域上、下游水體所承受污染負(fù)荷的大小及其來(lái)源的時(shí)空變化情況，難以科學(xué)、精確地進(jìn)行水環(huán)境問(wèn)題識(shí)別。而通過(guò)將斷面水文過(guò)程與水質(zhì)相結(jié)合的研究方法，則可以避免基于單純水質(zhì)變化的環(huán)境診斷的不足。

歷時(shí)曲線是指特定參數(shù)系列中大于等于某一給定參數(shù)值的頻率曲線，是將參數(shù)系列值按照由大到小的順序排列后，以不小于具體參數(shù)值的其他參數(shù)量占總數(shù)的百分比作為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)參數(shù)值作為縱坐標(biāo)(多采用對(duì)數(shù)坐標(biāo))后建立的曲線。當(dāng)參數(shù)為流量系列時(shí)，即為流量歷時(shí)曲線；將流量系列乘以特定污染物標(biāo)準(zhǔn)得到的負(fù)荷通量作為新參數(shù)系列建立的歷時(shí)曲線，即為該指標(biāo)的負(fù)荷歷時(shí)曲線。分析步驟如下：

1)基于水質(zhì)斷面的日流量數(shù)據(jù)，建立流量歷時(shí)曲線。

2)確定實(shí)測(cè)斷面水質(zhì)目標(biāo)(不同污染物允許濃度)。

3)將水質(zhì)斷面的流量歷時(shí)曲線數(shù)據(jù)乘以水質(zhì)目標(biāo)得到允許負(fù)荷歷時(shí)曲線，繪制允許負(fù)荷歷時(shí)曲線圖。污染負(fù)荷歷時(shí)曲線(Load Duration Curve,LDC)是在流量歷時(shí)曲線(Flow Duration Curve,FDC)的基礎(chǔ)上乘以特定水質(zhì)目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值后得到的曲線，曲線上各點(diǎn)代表不同流量保證率下的污染物負(fù)荷容量。LDC能夠直觀地反映水流和水質(zhì)受損程度之間的關(guān)系，不存在參數(shù)值不確定性因素。

4)將實(shí)測(cè)水質(zhì)乘以當(dāng)日流量轉(zhuǎn)換到實(shí)際負(fù)荷，

L=CijQj。

(1)

式中：L為斷面水質(zhì)指標(biāo)i在j時(shí)刻的負(fù)荷；Cij為水質(zhì)指標(biāo)i在j時(shí)刻的污染濃度；Qj為j時(shí)刻的流量。

5)將日流量乘以水質(zhì)樣品濃度得到一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面日負(fù)荷，再將負(fù)荷點(diǎn)繪到負(fù)荷歷時(shí)曲線圖上。位于曲線上面的點(diǎn)，表示對(duì)允許負(fù)荷的偏離；位于曲線下面的點(diǎn)，表示符合標(biāo)準(zhǔn)，即實(shí)測(cè)的水質(zhì)符合給定的使用功能。

6)根據(jù)超標(biāo)的點(diǎn)數(shù)確定超標(biāo)重現(xiàn)期。

采用負(fù)荷歷時(shí)曲線，可以識(shí)別出以下幾個(gè)方面的控制單元水質(zhì)特征：識(shí)別水質(zhì)超標(biāo)現(xiàn)象；區(qū)分點(diǎn)源和非點(diǎn)源問(wèn)題；確定污染控制期；確定超標(biāo)重現(xiàn)率、超標(biāo)頻率；確定污染物達(dá)標(biāo)所需的削減率。

受損控制單元解析：受損水體的超標(biāo)重現(xiàn)期小于3 a，未受損水體的超標(biāo)重現(xiàn)期大于3 a。

7)水污染負(fù)荷貢獻(xiàn)類型評(píng)估?；谒廴矩?fù)荷貢獻(xiàn)類型評(píng)估方法，識(shí)別流域內(nèi)不同控制單元的主要污染負(fù)荷來(lái)源。具體判別指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 水污染負(fù)荷類型分析表

利用LDC能夠清楚地表示水質(zhì)受損時(shí)的流量區(qū)間，進(jìn)而判斷出斷面水質(zhì)受點(diǎn)源和非點(diǎn)源的影響程度。將斷面某水質(zhì)指標(biāo)實(shí)際監(jiān)測(cè)濃度與對(duì)應(yīng)流量換算后點(diǎn)繪于負(fù)荷歷時(shí)曲線上，統(tǒng)計(jì)每個(gè)流量歷時(shí)區(qū)域內(nèi)污染物的日負(fù)荷。若超標(biāo)點(diǎn)多發(fā)生于低流量段，表明點(diǎn)源的污染貢獻(xiàn)量較大；若發(fā)生于高流量段，表明面源的污染貢獻(xiàn)量較大。

為將同一斷面不同水質(zhì)指標(biāo)的超標(biāo)情況進(jìn)行直觀比較，本文在污染負(fù)荷歷時(shí)曲線法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了等標(biāo)負(fù)荷歷時(shí)曲線法(Equivalent pollution Load Duration Curve method,ELDC)。該方法是將LDC法和等標(biāo)污染負(fù)荷法相結(jié)合，在斷面流量歷時(shí)曲線的基礎(chǔ)上，將斷面水質(zhì)指標(biāo)濃度與水質(zhì)目標(biāo)限值濃度進(jìn)行比較，繪制等標(biāo)負(fù)荷歷時(shí)曲線。

(2)

式中Cis為水質(zhì)指標(biāo)的目標(biāo)限值。

ELDC法可以在較少數(shù)據(jù)信息條件下，合理分析各類水環(huán)境問(wèn)題，從而為流域水環(huán)境管理提供可靠的決策依據(jù)。此方法可以對(duì)流域內(nèi)各河段多水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行快速對(duì)比分析，判斷在特定水環(huán)境功能目標(biāo)要求下，各斷面污染超標(biāo)情況及主要污染因子；便于從空間上識(shí)別主要超標(biāo)因子與超標(biāo)時(shí)段，進(jìn)而在一張圖上快速、直觀地判斷出污染負(fù)荷來(lái)源。

2.2 流域水質(zhì)問(wèn)題診斷

基于流域內(nèi)主要干支流流量過(guò)程的模擬結(jié)果[10]，結(jié)合流域內(nèi)不同監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用ELDC法，從河流斷面污染負(fù)荷通量的角度，對(duì)流域干流水質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行識(shí)別。流域內(nèi)不同控制單元內(nèi)河段污染負(fù)荷歷時(shí)曲線如圖5—8所示。

圖5 水系源頭區(qū)等標(biāo)污染負(fù)荷歷時(shí)曲線

圖6 上游農(nóng)業(yè)區(qū)等標(biāo)污染負(fù)荷歷時(shí)曲線

圖7 中游城鎮(zhèn)區(qū)等標(biāo)污染負(fù)荷歷時(shí)曲線

圖8 下游河口區(qū)等標(biāo)污染負(fù)荷歷時(shí)曲線

分析圖5—8不同控制單元中不同水質(zhì)指標(biāo)的等標(biāo)污染負(fù)荷歷時(shí)，結(jié)果表明：該流域上游以上水系(圖5)，水體超標(biāo)時(shí)段主要發(fā)生在大流量區(qū)間，水系源頭區(qū)控制單元主要超標(biāo)污染物為T(mén)P，表明該單元內(nèi)的污染問(wèn)題主要在農(nóng)業(yè)源上；流域上游農(nóng)業(yè)區(qū)控制單元內(nèi)河段污染物通量基本未超各自河段水質(zhì)目標(biāo)(圖6)，僅在部分大流量時(shí)期NH3-N污染通量略有超標(biāo)；流域中下游控制單元內(nèi)河段(圖7)、特別是河口區(qū)域(圖8)，污染物通量超標(biāo)嚴(yán)重，無(wú)論是在大流量時(shí)期或中小流量時(shí)期，主要的超標(biāo)污染物是NH3-N、COD與TP，其中NH3-N超標(biāo)問(wèn)題最為嚴(yán)重，表明相對(duì)于流域內(nèi)其他控制單元，該區(qū)域內(nèi)點(diǎn)源污染對(duì)水體水質(zhì)的影響較大。特別是NH3-N的超標(biāo)問(wèn)題，需要地方管理部門(mén)在流域的下游河口區(qū)控制單元進(jìn)一步開(kāi)展源解析工作，從而確定其具體的污染負(fù)荷來(lái)源途徑，以便在河口河段黑臭水體治理中實(shí)施針對(duì)性的措施。

3 結(jié)語(yǔ)

基于控制單元開(kāi)展區(qū)域水環(huán)境管理是當(dāng)前環(huán)境管理的重大轉(zhuǎn)向?；谀沉饔蜃匀坏乩?xiàng)l件與行政區(qū)劃，采用ArcGIS水文分析與空間融合的方法，對(duì)該流域自河源至河口劃分了4個(gè)控制單元：以水資源調(diào)蓄與水源涵養(yǎng)為主要功能的水系源頭區(qū)控制單元、以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活為主要功能的上游農(nóng)業(yè)區(qū)控制單元、以工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活以及景觀用水為主要功能的中游城鎮(zhèn)區(qū)控制單元和下游河口區(qū)控制單元。

基于控制單元對(duì)流域水環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行了精細(xì)化分析與識(shí)別，根據(jù)流域內(nèi)干支流在實(shí)際氣象條件下的流量過(guò)程的計(jì)算成果，結(jié)合各控制單元內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用ELDC法，從河流斷面污染負(fù)荷通量的角度，對(duì)流域內(nèi)干流水質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行了判別。結(jié)果表明：流域上游以上水系，水體超標(biāo)時(shí)段主要發(fā)生在大流量區(qū)間；流域中下游河段、特別是河口區(qū)域污染物通量超標(biāo)嚴(yán)重，無(wú)論在大流量時(shí)期或中小流量時(shí)期均出現(xiàn)水質(zhì)超標(biāo)，主要超標(biāo)污染物是NH3-N、COD與TP。應(yīng)用該方法，可以快速、準(zhǔn)確地識(shí)別出流域不同空間內(nèi)的主要污染因子及污染負(fù)荷來(lái)源。