不同時空計算尺度對水環境容量分析結果的影響

張立

（福建省金皇環?？萍加邢薰?福建福州 350001）

水環境容量是指水體在規定環境目標下所能容納的最大污染物量，容量大小與水體特征、水質目標及污染物特性有關，同時還與污染物的排放方式及排放的時空分布有密切關系［1］。目前水環境容量核算通常按照《環境影響評價技術導則地表水環境》（HJ 2.3—2018）的要求，取90%保證率下最枯月流量作為計算條件［2］，采用一維水質模型計算得出年污染物排放量上限作為評價水域的水環境容量。但筆者在實際工作中發現，對于水環境容量不足且需要通過削減污染物以達到水質目標的河段，由于污染物削減量與受納水體流量呈正相關，采用最枯月流量計算出的削減量偏小，進而偏離環境管理的要求。本文以富屯溪越王橋-曬口橋河段的化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）的環境容量計算為例，構建一維河道水動力模型，探索不同時間尺度的水文參數選取及評價河段控制單元劃分對水環境容量計算的影響，為水環境保護及管理提供新的方向與思路。

1 流域概況

邵武市主要河流為富屯溪，匯集邵武境內的大乾溪、古山溪、故縣河、同青溪等支流后，進入順昌縣。境內全長90 km，境內流域面積2 210 km2，河道平均坡降0.83‰。境內主要支流有26 條，其中：流域面積在50 km2以上的支流有15 條，流域面積在100 km2以上的支流有9 條。根據邵武市水文站的數據，富屯溪90%保證率下的最枯月平均流量為15.3 m3/s。邵武市水系概化圖見圖1。

圖1 邵武市水系概化圖

邵武市境內的國控斷面共3 個，依次為富屯溪越王橋斷面、曬口橋段面和富文斷面?！赌掀绞兴h境質量提升三年行動方案（2022—2024 年）》要求曬口橋斷面的水質目標由原來的Ⅲ類水提升至Ⅱ類水，即CODMn≤4 mg/L、NH3-N≤0.5 mg/L、TP≤0.1 mg/L，但2022 年例行監測結果顯示，曬口橋斷面水質不能穩定達到Ⅱ類水要求，主要污染物為TP，超標率41.7%，最大超標倍數0.2 倍。

2 研究方法

2.1 評價河段

根據重要水質斷面設置的情況，本文以富屯溪越王橋-曬口橋河段為研究對象，將COD、NH3-N、TP 作為水環境容量計算因子，評價河段屬性見表1。

表1 評價河段屬性

2.2 選用模型

本研究采用段尾達標法開展水環境容量計算，即每個控制單元的最后1 個斷面的水質達到功能區段的要求。根據《水域納污能力計算規程》（GB/T 25173—2010）規定［3］，年平均流量＜150 m3/s 河段屬于中小型河段，可選取一維模型計算水域納污能力。邵武市境內富屯溪多年平均流量為110.9 m3/s，因此采用一維水質模型計算水環境容量，見式（1）。

式中：W 為水域允許納污量；Q 為評價河段流量；CS為控制斷面水質標準；C0為控制斷面現狀水質濃度；k 為水質降解系數；x 為控制河段距離；u 為河流流速。

2.3 計算參數

根據 《環境影響評價技術導則 地表水環境》（HJ 2.3—2018）對安全余量的要求，控制斷面的水環境容量按預留10%安全余量的原則計算［2］。

評價河段流量采用邵武水文站多年統計數據。邵武水文站位于曬口橋斷面上游3.3 km 處，在本研究河段范圍內，可代表研究河段的水文特征。污染物背景濃度采用邵武環境監測站2022 年例行監測數據。根據相關研究成果確定COD 和NH3-N的綜合降解系數分別取0.10、0.05 d-1［4］，不考慮TP 降解。

3 水環境容量計算

3.1 不同時間計算尺度下的評估結果差異

3.1.1 計算結果

為了解時間尺度對水環境容量計算結果的影響，本研究以評價河段為1 個控制單元，分別以年、月尺度計算河段的水環境容量。年尺度水環境容量采取90%保證率下最枯月流量和2022 年逐月監測數據的最高值作為計算參數；月尺度水環境容量采取該月90%保證率流量及2022 年該月水質監測數據作為計算參數，同時為了保持評價尺度一致，將每月水環境容量換算為全年總量，計算結果見表2～3，數據分析見圖2～4。

表2 年尺度下水環境容量 單位：t／a

表3 月尺度下水環境容量 單位：t／a

圖2 不同時間尺度下COD 水環境容量計算結果

圖3 不同時間尺度下NH3-N 水環境容量計算結果

圖4 不同時間尺度下TP 水環境容量計算結果

研究結果顯示，年尺度下COD、NH3-N、TP 的水環境容量分別為1 106.71、180.17、-14.00 t/a，月尺度下COD、NH3-N、TP的水環境容量變化范圍分別為2028.97～15502.19、182.55～2 864.24、-54.10～68.13 t/a。水環境容量正值代表河段除現狀入河污水外，還有一定的承納負荷能力；水環境容量負值代表河段無剩余環境容量，應削減現狀負荷。

3.1.2 結果分析

由于水環境容量的絕對值與河段流量正相關，而年尺度計算時采用的90%保證率下最枯月流量小于月尺度計算時采用的各月90%保證率流量，對于能滿足水質目標的評價因子，如COD、NH3-N，年尺度計算值明顯小于月尺度計算值，以“90%保證率下最枯月流量” 作為水文參數可確定評價河段的最大允許排放量。

對于現狀水質達不到水質目標的評價因子，如TP，水環境容量評價更側重于污染物削減量的計算，但年尺度下計算得出的削減量小于月尺度下部分月份計算的削減量，從而導致削減不充分。為驗證這一結果，本研究按照年尺度下得出的TP 14.00 t/a 削減量進行逐月水質預測，結果見表4，結果表明，按照“90%保證率下最枯月流量”核算的污染物削減量進行削減后，研究河段不能穩定達到水質目標要求。

表4 按年尺度計算結果進行TP 削減后的水質預測結果 單位：mg／L

3.1.3 思考

水功能區中的河道流量、水體濃度等水文水質條件是隨季節變化的，因而水環境容量亦應是隨外部條件變化，逐月均不相同。水環境容量計算結果通常為90%保證率下最枯月流量時的固定數值，其計算結果與實際污染情況不符，特別是在現狀不能達到水質目標的情況下，由此計算得到的污染物削減量不足，導致污染管控措施不到位，環境質量目標不可達。工作中建議根據實際情況計算逐月的動態水環境容量，依據河道容量對污水排放進行靈活管理［5］。

3.2 不同空間計算尺度下的評估結果差異

3.2.1 計算結果

為了解空間尺度對水環境容量計算結果的影響，統一以90%保證率下最枯月流量及2022 年逐月監測數據的最高值作為計算參數，按照段尾達標法原則，采取2 種不同空間尺度開展研究，分別為評價河段1 個控制單元（計算結果見表2）、評價河段按支流細化為4 個控制單元（控制單元劃分見圖5）。

圖5 按支流劃分評價河段控制單元

3.2.2 結果分析

由表5 可知，在評價河段劃分為4 個控制單元的空間尺度下，COD、NH3-N、TP 的水環境容量分別為994.69、174.73、-14.00 t/a，小于評價河段整體作為1 個控制單元的空間尺度下計算值，分別占其0.90、0.97、1.00 倍。2 個空間尺度下的水環境容量計算結果對比見圖6，差異性分析見圖7。研究結果顯示，衰減系數越大，差異越明顯，究其原因在于空間尺度主要影響水體自凈容量。

表5 按支流劃分控制單元的水環境容量

圖6 不同空間尺度下水環境容量計算結果

圖7 不同空間尺度下水環境容量差異性分析

3.2.3 思考

當前，水環境容量核算大都以整條河作為整體進行計算（河道各處的水文條件一致）或者按照功能區進行分段核算后匯總，這種計算空間尺度對于大流域水體較為適用，而對于城市小流域水體且支流、排污口較多的情況則過于粗略［6］。工作中建議充分考慮水環境容量的空間分布特性，結合水文條件明顯變化界面，以及重要取水、排水口的位置等盡可能細化控制單元。

4 結論

本研究以富屯溪越王橋-曬口橋河段為例，采用一維水質模型，從不同時空尺度計算了水環境容量，分析了水環境容量在時間和空間上的差異性，以期為流域水環境保護與管理提供重要參考和新思路。

（1）水環境容量具有明顯的時間分布差異，流量是影響水環境容量的重要因素。對于現狀水質達不到水質目標的評價河段，若僅以90%保證率下最枯月流量作為水文參數，會導致部分月份污染物削減量不足，進而使得環境質量目標不可達。

（2）水環境容量受上游來水、支流及排污口等影響，呈現空間分布的不均勻性，且衰減系數越大，空間不均勻性越明顯。

新形勢下的生態環境保護工作需遵循“環境質量不降低”的原則，其重點是提出相應的區域削減措施，以騰出環境容量，實現“增產不增污”。而如何合理確定區域削減量是目前亟需解決的問題。當前普遍采用的水環境容量計算模型及參數選取方式更適用于水質達標流域，對水質不達標區尚沒有成熟的削減量計算方法。因此應進一步優化水環境容量計算方式，為精細化管理和精準治污提供技術支撐，穩妥推進生態環境質量持續改善。