徐劍 潘民強 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.河北建筑工程學院機械工程學院，河北張家口 075000）

水環(huán)境容量是指在滿足水環(huán)境質量的要求下，水體容污染物的最大負荷量，其變化主要受水體特征、水質目標和污染物特征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、水環(huán)境規(guī)劃、污染物總量控制的重要基礎，具有一定的前瞻性，可以為環(huán)境管理的科學施策提供理論依據(jù)和技術支持，更好地服務于經(jīng)濟社會發(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年水質監(jiān)測數(shù)據(jù)進行評價，定量分析出化學需氧量（COD）和氨氮（NH3-N）為常規(guī)污染指標中污染較嚴重、敏感指標較大的污染物，水質監(jiān)測斷面布設見圖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)段水質監(jiān)測斷面布設

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?。唬?）污染物在較短的時間內基本能混合均勻；（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）假設單個點源排放連續(xù)均勻，強度保持不變。因此研究流域內混合輸移過程可以由一維穩(wěn)態(tài)水質模型— 托馬斯（Thomas）模型[6]進行描述（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。為了解決河段內排污口分布的不規(guī)律為河段內水環(huán)境容量計算帶來的復雜性，本文將兩個功能區(qū)內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：

當功能區(qū)河流的下斷面水質目標為cs時，依據(jù)上式可推導出水環(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)河段下斷面水質目標濃度值（mg/L）。

1.2 設計河流徑流量

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行統(tǒng)計分析，設計流量采用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，河流水質能夠充分保證不被污染。

設計流量采用90%的保證率，河道斷面設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，結果詳見表4。

表4 水功能區(qū)水環(huán)境容量計算結果

1.4 結論分析

通過河流一維穩(wěn)態(tài)水質模型計算出永定河水系張家口區(qū)段洋河干流水環(huán)境總容量COD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，水質目標相同，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，水質目標越低，水環(huán)境容量越大。考慮不同水功能區(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監(jiān)測結果顯示，其水質空間分布比較均勻，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―為目標水質值（mg/L）；

c0―為庫區(qū)水質現(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)境容量的計算結果詳見表6。

表6 官廳水庫水環(huán)境容量計算結果

2.2 結論分析

作為官廳水庫重要的匯入河流，洋河、桑干河水質直接影響著官廳水庫入庫水質，官廳水庫的目標水質為Ⅲ類水質，2018―2020年現(xiàn)狀水質均為Ⅳ類水質。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荷量。經(jīng)計算，官廳水庫污染負荷中COD為2752.14t/a，NH3-N為85.26t/a。官廳水庫水環(huán)境容量在Ⅱ類水質標準下的水環(huán)境容量COD為285.37t/a，NH3-N為-36.85t/a；在Ⅲ水質標準下的水環(huán)境容量COD為1806.53t/a，NH3-N為75.19t/a。官廳水庫水環(huán)境容量與污染負荷比較如圖2所示。

圖2 官廳水庫水環(huán)境容量與污染負荷比較

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

3.影響流域內水環(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，外來補給水源匱乏。

3.2 水利設施調節(jié)的影響

流域內水利設施調蓄能力不足，為了地區(qū)水資源利用保護，分流了河流水源，阻斷了河流水體流動的連續(xù)性，導致河流水量減少，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)灌溉技術落后，農(nóng)業(yè)基礎設施不完善，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，導致河流水量減少，也影響了流域內水環(huán)境容量。

4.流域內水環(huán)境污染負荷較大的原因分析

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)濟發(fā)展的主要區(qū)域，流域內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水環(huán)境最主要污染負荷來源。

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入河流水體，一定程度影響了河流水質。農(nóng)村生活污水集中處理設施覆蓋率較低，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)，但是相應的污水集中處理設施建設相對滯后，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水環(huán)境污染負荷的重要來源之一。

5.對策及建議

綜上所述，為了使流域內水環(huán)境容量大于污染負荷，同時滿足水質目標要求，需要從兩點出發(fā)：一是要增大流域內河流水量，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荷。本文給出以下幾點建議[10]：

（1）與上游地區(qū)進行水權交易，利用市場化經(jīng)濟手段創(chuàng)新運行機制，建立有效的技術支撐平臺，對流域內水利設施進行優(yōu)化合理利用，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。

（2）構建水生態(tài)修復保護體系，改善水文條件、調節(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、化學的作用來凈化河流水體水質。

（5）開展流域產(chǎn)業(yè)結構調整，降低污染負荷，淘汰高耗水、重污染工業(yè)企業(yè)；進一步實施污水處理廠擴容提標改造，加強再生水的循環(huán)利用，推進雨污分流管網(wǎng)建設；繼續(xù)推進農(nóng)業(yè)污染源治理，加強規(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)應建立在水環(huán)境容量較大的功能區(qū)內，環(huán)境容量較小的功能區(qū)應減少或禁止新建排污企業(yè)。工業(yè)源污染物排放應參考流域內各水功能區(qū)水質目標和環(huán)境容量，執(zhí)行更加嚴格的排放標準。流域內嚴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，將污染物排放量進行科學分配，優(yōu)化排污權交易。

這些措施將增加流域內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)境質量，為官廳水庫的水資源可供利用給予有力保障。