不同时空计算尺度对水环境容量分析结果的影响

张立

（福建省金皇环保科技有限公司 福建福州 350001）

水环境容量是指水体在规定环境目标下所能容纳的最大污染物量，容量大小与水体特征、水质目标及污染物特性有关，同时还与污染物的排放方式及排放的时空分布有密切关系［1］。目前水环境容量核算通常按照《环境影响评价技术导则地表水环境》（HJ 2.3—2018）的要求，取90%保证率下最枯月流量作为计算条件［2］，采用一维水质模型计算得出年污染物排放量上限作为评价水域的水环境容量。但笔者在实际工作中发现，对于水环境容量不足且需要通过削减污染物以达到水质目标的河段，由于污染物削减量与受纳水体流量呈正相关，采用最枯月流量计算出的削减量偏小，进而偏离环境管理的要求。本文以富屯溪越王桥-晒口桥河段的化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）的环境容量计算为例，构建一维河道水动力模型，探索不同时间尺度的水文参数选取及评价河段控制单元划分对水环境容量计算的影响，为水环境保护及管理提供新的方向与思路。

1 流域概况

邵武市主要河流为富屯溪，汇集邵武境内的大乾溪、古山溪、故县河、同青溪等支流后，进入顺昌县。境内全长90 km，境内流域面积2 210 km2，河道平均坡降0.83‰。境内主要支流有26 条，其中：流域面积在50 km2以上的支流有15 条，流域面积在100 km2以上的支流有9 条。根据邵武市水文站的数据，富屯溪90%保证率下的最枯月平均流量为15.3 m3/s。邵武市水系概化图见图1。

图1 邵武市水系概化图

邵武市境内的国控断面共3 个，依次为富屯溪越王桥断面、晒口桥段面和富文断面。《南平市水环境质量提升三年行动方案（2022—2024 年）》要求晒口桥断面的水质目标由原来的Ⅲ类水提升至Ⅱ类水，即CODMn≤4 mg/L、NH3-N≤0.5 mg/L、TP≤0.1 mg/L，但2022 年例行监测结果显示，晒口桥断面水质不能稳定达到Ⅱ类水要求，主要污染物为TP，超标率41.7%，最大超标倍数0.2 倍。

2 研究方法

2.1 评价河段

根据重要水质断面设置的情况，本文以富屯溪越王桥-晒口桥河段为研究对象，将COD、NH3-N、TP 作为水环境容量计算因子，评价河段属性见表1。

表1 评价河段属性

2.2 选用模型

本研究采用段尾达标法开展水环境容量计算，即每个控制单元的最后1 个断面的水质达到功能区段的要求。根据《水域纳污能力计算规程》（GB/T 25173—2010）规定［3］，年平均流量＜150 m3/s 河段属于中小型河段，可选取一维模型计算水域纳污能力。邵武市境内富屯溪多年平均流量为110.9 m3/s，因此采用一维水质模型计算水环境容量，见式（1）。

式中：W 为水域允许纳污量；Q 为评价河段流量；CS为控制断面水质标准；C0为控制断面现状水质浓度；k 为水质降解系数；x 为控制河段距离；u 为河流流速。

2.3 计算参数

根据 《环境影响评价技术导则 地表水环境》（HJ 2.3—2018）对安全余量的要求，控制断面的水环境容量按预留10%安全余量的原则计算［2］。

评价河段流量采用邵武水文站多年统计数据。邵武水文站位于晒口桥断面上游3.3 km 处，在本研究河段范围内，可代表研究河段的水文特征。污染物背景浓度采用邵武环境监测站2022 年例行监测数据。根据相关研究成果确定COD 和NH3-N的综合降解系数分别取0.10、0.05 d-1［4］，不考虑TP 降解。

3 水环境容量计算

3.1 不同时间计算尺度下的评估结果差异

3.1.1 计算结果

为了解时间尺度对水环境容量计算结果的影响，本研究以评价河段为1 个控制单元，分别以年、月尺度计算河段的水环境容量。年尺度水环境容量采取90%保证率下最枯月流量和2022 年逐月监测数据的最高值作为计算参数；月尺度水环境容量采取该月90%保证率流量及2022 年该月水质监测数据作为计算参数，同时为了保持评价尺度一致，将每月水环境容量换算为全年总量，计算结果见表2～3，数据分析见图2～4。

表2 年尺度下水环境容量 单位：t／a

表3 月尺度下水环境容量 单位：t／a

图2 不同时间尺度下COD 水环境容量计算结果

图3 不同时间尺度下NH3-N 水环境容量计算结果

图4 不同时间尺度下TP 水环境容量计算结果

研究结果显示，年尺度下COD、NH3-N、TP 的水环境容量分别为1 106.71、180.17、-14.00 t/a，月尺度下COD、NH3-N、TP的水环境容量变化范围分别为2028.97～15502.19、182.55～2 864.24、-54.10～68.13 t/a。水环境容量正值代表河段除现状入河污水外，还有一定的承纳负荷能力；水环境容量负值代表河段无剩余环境容量，应削减现状负荷。

3.1.2 结果分析

由于水环境容量的绝对值与河段流量正相关，而年尺度计算时采用的90%保证率下最枯月流量小于月尺度计算时采用的各月90%保证率流量，对于能满足水质目标的评价因子，如COD、NH3-N，年尺度计算值明显小于月尺度计算值，以“90%保证率下最枯月流量” 作为水文参数可确定评价河段的最大允许排放量。

对于现状水质达不到水质目标的评价因子，如TP，水环境容量评价更侧重于污染物削减量的计算，但年尺度下计算得出的削减量小于月尺度下部分月份计算的削减量，从而导致削减不充分。为验证这一结果，本研究按照年尺度下得出的TP 14.00 t/a 削减量进行逐月水质预测，结果见表4，结果表明，按照“90%保证率下最枯月流量”核算的污染物削减量进行削减后，研究河段不能稳定达到水质目标要求。

表4 按年尺度计算结果进行TP 削减后的水质预测结果 单位：mg／L

3.1.3 思考

水功能区中的河道流量、水体浓度等水文水质条件是随季节变化的，因而水环境容量亦应是随外部条件变化，逐月均不相同。水环境容量计算结果通常为90%保证率下最枯月流量时的固定数值，其计算结果与实际污染情况不符，特别是在现状不能达到水质目标的情况下，由此计算得到的污染物削减量不足，导致污染管控措施不到位，环境质量目标不可达。工作中建议根据实际情况计算逐月的动态水环境容量，依据河道容量对污水排放进行灵活管理［5］。

3.2 不同空间计算尺度下的评估结果差异

3.2.1 计算结果

为了解空间尺度对水环境容量计算结果的影响，统一以90%保证率下最枯月流量及2022 年逐月监测数据的最高值作为计算参数，按照段尾达标法原则，采取2 种不同空间尺度开展研究，分别为评价河段1 个控制单元（计算结果见表2）、评价河段按支流细化为4 个控制单元（控制单元划分见图5）。

图5 按支流划分评价河段控制单元

3.2.2 结果分析

由表5 可知，在评价河段划分为4 个控制单元的空间尺度下，COD、NH3-N、TP 的水环境容量分别为994.69、174.73、-14.00 t/a，小于评价河段整体作为1 个控制单元的空间尺度下计算值，分别占其0.90、0.97、1.00 倍。2 个空间尺度下的水环境容量计算结果对比见图6，差异性分析见图7。研究结果显示，衰减系数越大，差异越明显，究其原因在于空间尺度主要影响水体自净容量。

表5 按支流划分控制单元的水环境容量

图6 不同空间尺度下水环境容量计算结果

图7 不同空间尺度下水环境容量差异性分析

3.2.3 思考

当前，水环境容量核算大都以整条河作为整体进行计算（河道各处的水文条件一致）或者按照功能区进行分段核算后汇总，这种计算空间尺度对于大流域水体较为适用，而对于城市小流域水体且支流、排污口较多的情况则过于粗略［6］。工作中建议充分考虑水环境容量的空间分布特性，结合水文条件明显变化界面，以及重要取水、排水口的位置等尽可能细化控制单元。

4 结论

本研究以富屯溪越王桥-晒口桥河段为例，采用一维水质模型，从不同时空尺度计算了水环境容量，分析了水环境容量在时间和空间上的差异性，以期为流域水环境保护与管理提供重要参考和新思路。

（1）水环境容量具有明显的时间分布差异，流量是影响水环境容量的重要因素。对于现状水质达不到水质目标的评价河段，若仅以90%保证率下最枯月流量作为水文参数，会导致部分月份污染物削减量不足，进而使得环境质量目标不可达。

（2）水环境容量受上游来水、支流及排污口等影响，呈现空间分布的不均匀性，且衰减系数越大，空间不均匀性越明显。

新形势下的生态环境保护工作需遵循“环境质量不降低”的原则，其重点是提出相应的区域削减措施，以腾出环境容量，实现“增产不增污”。而如何合理确定区域削减量是目前亟需解决的问题。当前普遍采用的水环境容量计算模型及参数选取方式更适用于水质达标流域，对水质不达标区尚没有成熟的削减量计算方法。因此应进一步优化水环境容量计算方式，为精细化管理和精准治污提供技术支撑，稳妥推进生态环境质量持续改善。