何绍福，邢淑晶，郑 鹏，黄 健，潘文斌

(1．三明学院资源开发与规划研究所，福建三明 365004;2．福建省漳州市东山县环境保护局，福建漳州 363400;3．福州大学环境与资源学院，福建福州 350116;4．福建省沙县环境监测站，福建三明 365500)

水环境容量是一种可更新的资源，反映在特定环境功能目标下，区域或流域水环境对污染物的承载力．研究区域或流域的水环境容量对水质模拟、水污染防治规划以及实现区域或流域的总量控制具有重要的现实意义［1－2］．沙溪是闽江上游三大主要支流之一，近年来由于政府的日益重视，沙溪河沙县段水质渐趋好转，但依然存在某些污染物因子超标现象，针对这种情况，估算沙溪沙县段的水环境容量，便于为河段的环境保护措施以及相关政府决策提供技术支持．

1 研究区域概况

沙溪是闽江上游三大主要支流之一，地处东经117°32'～118°6'，北纬26°6'～26°40'之间，为沙县境内最大河流，流域主要干支流水系和监测断面见图1．沙溪发源于宁化县泉上和建宁县均口的山脉，在三明洋口仔附近入境，由西南向东北横贯县境，在青州镇洽湖附近流入南平市，沙溪在沙县境内长约50 km，流域面积1 800 km2，较大支流有东溪、洛溪、茂溪、马铺溪、南阳溪等．

图1 沙溪沙县段监测点位与水系示意图Fig．1 Monitoring sites and river system of Shaxi River(reaches in Shaxian County)

2 模型与计算方法

2．1 水质指标的选择

沙溪沙县段干流水环境功能区执行GB3838－2002《地表水环境质量标准》Ш类标准，以此为水环境质量评价标准3〛，利用沙县环境监测站提供的2004～2008年5年的沙溪流域沙县段水质监测控制断面的年均水质监测数据，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沙溪河内的水环境质量现状4〛，从而确定了沙溪沙县段主要水质超标因子为高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3－N)以及总磷(TP)，将这3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．

2．2 QUAL2K模型的应用

沙溪沙县段是一条混合较好的枝状河流，水力情况稳定，因此可以选择一维稳态水质模型进行水质模拟．QUAL2K模型是美国环保局研究出的水质一维模型，该模型使用有限差分法求解一维平流－弥散的物质输送和反应方程［5］，其方程由河流的弥散、平流、水质组分反应、水质组分的源汇组成，模型基于河流组分的各种参数而建立，包括河流的水文、气象、水质监测数据、河底底泥沉积物、藻类覆盖度等，基于这些参数模拟出的水质降解参数以及水质浓度考虑到了各种影响河流水质的因素，包括水文、气象以及各种水质因子之间的相关关系［6－8］．

采用2009年1月4日的实际监测数据来模拟2009年沙溪河沙县段干流的水质情况，并对所需的水质降解参数进行估值(2009年1月4日可代表枯水期的水质情况)．本研究所需数据主要是通过实地调查以及从沙县环境监测站、沙县水文站等机构获取．

2．2．1 水环境条件概化

应用QUAL2K模型模拟河流水质，首先要概化河流体系，划分河段，确定计算单元长度．基于QUAL2K模型中规定的河段长度的限制以及每一个河段有一条支流汇入的原则，根据沙溪沙县段干流中各支流位置、各污染源位置及监测断面，将沙溪沙县段干流划分成7个河段，计算单元为2 km．

沙溪沙县段干流总长约46．590 km，其中每个河段有一条支流汇入，源头为沙10断面，各河段长度及位置见表1．

表1 沙溪沙县段干流段河段划分Tab．1 River reaches division of Shaxi River main stream(reaches in Shaxian County)

2．2．2 模型参数的确定

QUAL2K模型需要输入的参数包括各河段的水文、气象与水质组分参数，污染源的水质参数，以及整个河段统一设定的参数，包括水生植物和非生命形式有机悬浮物的化学物质计量值、河水中各组分的生化反应参数、光照辐射参数等．本研究采用室内模拟实验法和经验法确定各模型参数，详见文献［9］．

2．2．3 参数估值

利用2009年1月4日的水质监测资料对所需的水质参数进行估值，根据模型参数的推荐值，参照水质实测数据适当调整直至模拟结果与实测数据最为接近．经过多次反复调试后，模型水质参数调整情况见表2

表2 模型参数估值结果表Tab．2 Results of model parameters determination

2．3 水环境容量计算

依据2009年1月4日的水质、气象、水文数据以及QUAL2K模型参数估值后的水质降解参数，利用试错法对沙溪沙县段干流各现状排污口的排污负荷进行调试，得出各个河段污染物最大允许排放量，即水环境容量．

试错法的主要原理为假定在河流的第一个河段上游处的排污口投入污染物，使这一河段的水质浓度达到水质目标值，而由于河流的降解稀释作用，在达到下一个河段控制断面时，污染物浓度已比水质目标值低，因此，在这一河段，又可以投入一定量的污染物，使得这一河段的控制断面处水质浓度达到这一河段所要求的水质目标值，以此类推，直至最后一个河段的水质浓度都达到水质目标值，每个河段投入的污染物量即为该河段的最大允许排放量，各个河段的最大允许排放量的总和就是整个河段所能允许的最大污染物排放量，即为该河段的水环境容量［9］．

试错法要根据经验调整污染负荷分布，进行反复试算，直至计算出的水质浓度与水质目标相近或相等，这需要经验的积累，否则工作量很大，但由于试错法是基于排污口排污的基础上而进行污染源调试的，因此在水环境容量分配、规划及总量控制方面具有重要意义［10－11］．

2．3．1 各河段流量

河流的设计流量是指某种频率下流经河流某一断面的水量．设计流量一般采用近十年90%保证率下的最枯月或最枯季的流量，设计流量的确定直接影响着水环境容量计算结果的准确性，其各河段的设计流量见表3．表中:S为流域面积;t为累积流经时间．

表3 沙溪沙县段各河段流量与流经时间Tab．3 Flow quantity and flow time of each Shaxi River reaches(reaches in Shaxian County)

2．3．2 模拟水质目标

水质目标是确定水环境容量的前提，为了使水质目标控制断面的水质可以有效地响应对应河段的污染负荷变化，因此，水质控制断面需要根据河段划分确定，沙溪沙县段干流流域水环境功能区划为Ⅲ类水体，主要功能为工业、农灌、一般渔业、娱乐、景观用水，整个河段都执行Ⅲ类水体标准．

3 结果与讨论

根据QUAL2K模型试错法计算的沙溪沙县段的水环境容量结果如表4所示．由于模型试错法计算出来的是CODMn的水环境容量，将其通过CODMn与CODCr的相关系数转换，根据沙溪河流域特征、沙县监测站对沙溪日常监测结果的分析，沙县工业企业的基本情况以及国内外关于CODMn与CODCr转换关系的研究，确定其关系为 CODCr=2．5CODMn［12］．

表4 各河段理论水环境容量Tab．4 The theoretical water environmental capacity of each river reaches

利用QUAL2K模型计算出的整个河段的理论水环境容量如下:CODCr为35 526．192 t·a－1，氨氮为1 891．633 t·a－1，总磷为345．497 t·a－1．梅永进［13］提出沙溪水体的 COD 年允许排放量为35 000 t左右，本研究计算结果与之比较接近．在计算水环境容量时，由于所用数据的2009年1月4日无降雨，河岸两边1 km以内无畜禽养殖场，因此在进行水质模拟与水环境容量计算时并没有考虑非点源对水环境容量的影响，而且计算出的环境容量为污染物的最大允许排放量，鉴于资源可持续发展原则，以及技术的局限性与资料的不完整性，需对沙溪沙县段水环境容量进行环境容量的修正，根据全国水环境容量核定指南，对于南方区域，面源所占比例一般为30%～50%之间，根据国内外对非点源所占比例的研究情况，美国许多城市的允许排放标准为环境容量的40%，保留环境容量为60%［14－15］，依据沙溪沙县段干流流域的基本情况，经过实地调查以及沙县监测站基本数据分析，本研究保留环境容量30%，实际环境容量为理论计算环境容量的70%，其实际环境容量结果与剩余环境容量结果见表5．

表5 沙溪沙县段干流水环境容量与剩余环境容量Tab．5 The water environmental capacity and remnant water environmental capacity of Shaxi River main stream(reaches in Shaxian County) (t·a－1)

从表5中可以看出，在整个沙溪沙县段干流，水环境容量仍有剩余．其中:沙溪河沙县段总计CODCr环境容量为 24 868．337 t·a－1，剩余环境容量为14 668．380 t·a－1;氨氮环境容量为1 324．145 t·a－1，剩余环境容量为 1 051．011 t·a－1;总磷环境容量为 241．848 t·a－1，剩余环境容量为 131．163 t·a－1．环境容量计算是为了方便其在环境管理与规划方面上的应用，所以，计算各个河段的水环境容量更有利于开展沙溪沙县段的污染物总量的控制研究工作．

在沙溪沙县段，东溪－洛溪河段CODCr、氨氮以及总磷的污染物允许排放量都已达到最大负荷，需要削减，其中，CODCr需要削减 64．624 t，氨氮需要削减 16．792 t·a－1，总磷需要削减4．954 t·a－1，这是因为在东溪－洛溪河段上，没有排污口进入，QUAL2K模型试错法是基于现有排污口位置进行污染负荷调试而计算出的污染物最大允许排放量，因此在东溪－洛溪河段河流排污口污染物最大允许排放量为0，计算出来的环境容量只是由于支流本身的水质浓度汇入干流而得到的最大允许排放量，从历年各支流的监测数据看，河段下游洛溪的CODMn值和总磷的监测值相对于其他支流水质值存在偏大的现象，且某些年份也存在超标现象，因此，引起环境容量不足的原因主要是因为东溪－洛溪河段的非点源污染排放，需要对东溪－洛溪河段的非点源污染进行控制以减少污染负荷的入河量．

在沙11－马浦溪河段，总磷需要削减5．482 t·a－1，在马浦溪 －沙12河段，CODCr需要削减1 858．673 t·a－1．这是由于马浦溪－沙12河段是整个沙溪沙县段干流的下游，沙12断面是沙溪沙县段的下游出口，整个流域的污染物最后都汇入这个河段，导致下游断面污染负荷量大，剩余环境容量减少．除上述所列的各个河段的污染物排放量需要削减以外，其他各河段都存在剩余环境容量，例如沙10－东溪、南阳溪－高砂坝址河段以及高砂坝址－沙11断面的CODCr的剩余环境容量分别为9 359．468、4 141．827和2 349．015 t·a－1，氨氮的剩余环境容量为331．502、216．464 和238．527 t·a－1，总磷的剩余环境容量为49．871、31．272和37．166 t·a－1，可以调整沙县的污染源的汇入河段，妥善处理排污口的排放量，可以将马浦溪－沙12断面的污染源转移到还有剩余环境容量的河段，例如高砂坝址－沙11以及南阳溪－高砂坝址断面，保证整个河段的水环境容量均有一个有序持续的利用空间．

4 结论

将模型试错法计算的水环境容量与现状排污量进行对比，沙溪沙县段剩余水环境容量从整个河段来看，仍有盈余，CODCr剩余环境容量为14 668．380 t·a－1，氨氮剩余环境容量为1 051．011 t·a－1，总磷剩余环境容量为131．163 t·a－1，但某些河段的污染物允许排放量需要削减，需要削减的河段包括东溪－洛溪河段，其中，CODCr需要削减 64．624 t·a－1，氨氮需要削减 16．792 t·a－1，总磷需要削减 4．954 t·a－1;沙11－马浦溪河段，总磷需要削减5．482 t·a－1;马浦溪 －沙12河段，CODCr需要削减1 858．673 t·a－1．

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