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摘 要：在不同保证率和不同时间尺度的设计水文条件下，动态计算出安阳河市区段2016年水体纳污能力和年内分配，并对计算结果进行了对比分析，结果表明：安阳河市区段整体处于污染状态，3个水功能区中仅安阳河安阳市排污控制区污染物排放不超标，其余水功能区COD和NH3-N排放量均超过纳污能力上限，且NH3-N超标情况更为严重;安阳河市区段汛期月均纳污能力与非汛期月均纳污能力相差较小;安阳河市区段纳污能力1—5月整体呈下降趋势，5—7月呈逐渐上升趋势，至8月纳污能力达到最大，随后又呈现波动下降趋势，5月为全年最小;纳污能力的大小与时间尺度成负相关关系，不同时间尺度下确定的年纳污能力月尺度>水期尺度>年尺度。
关键词：纳污能力;保证率;时间尺度;安阳河
中图分类号：X522;TV212.5 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.021
引用格式：耿文斌，赵姗，侯俊山，等.安阳河动态纳污能力分析[J].人民黄河，2021，43（7）：110-113.
Abstract：Under the designed hydrological conditions of different guarantee rates and different time scales， the paper dynamically calculated the sewage capacity and annual distribution of the urban section of Anyang River in 2016. The calculation results were comparatively analyzed. The results show that the pollutant discharge in Anyang sewage control area is not exceeding the standard， the COD and NH3-N discharge of other water function areas exceed the upper limit of the capacity and the NH3-N is more serious. The monthly average water environmental capacity of the river in flood season is smaller than that in non-flood season， the water environmental capacity of the river in July to October is larger， the water environmental capacity of August is the maximum in the whole year and the water environmental capacity of November to May is gradually reduced， in May， the water environmental capacity is the lowest in the whole year. There is a negative correlation between the size of the capacity and the time scale and the annual capacity is the monthly scale > the water scale > the annual scale.
Key words： water environmental capacity; guarantee rate; time scale; Anyang River
納污能力是指一定条件下水体的最大纳污量[1-2]。纳污能力是制定污染物限排量的重要依据，能直接反映水体的水质状况[3-4]。目前我国纳污能力大多按照《水域纳污能力计算规程》（GB/T 25173—2010）计算，其中设计水文条件选取90%保证率最枯月平均流量或近10 a最枯月平均流量，这种条件下得到的纳污能力为一固定值，且设计水文条件较为严格，以此作为标准应用于水资源管理和保护必然安全[5]。但实际纳污能力与水文过程关系密切，水文过程在自然条件下是动态变化的，纳污能力也是一个动态变化的量[6-7]。将一个确定的值作为控制指标难以揭示水体的实际污染负荷，不利于保护和改善水质，也不利于水资源的合理开发利用，因此开展水体动态纳污能力评价很有必要[8]。
我国对动态纳污能力的研究众多，但多以不同保证率、不同水文条件来计算水体动态纳污能力。李乔臻[9]以95%、90%、75%、50%、20%保证率下的流量为设计流量，选取不同来水水质分析了琶江河段3个水功能区的纳污能力;周洋等[10]运用一维稳态水质模型和水环境容量模型，根据水质、水文监测资料和沿岸排污情况，计算了渭河陕西段丰水年、平水年、枯水年COD的水环境容量。这些研究都只分析了不同保证率下年纳污能力的动态变化特征，并未结合年内水文特性进行分析，只能确定水功能区全年的污染物限排量，年内的污染物限排量分配仍不清晰，以此为水资源管理的依据会出现全年污染物排放量不超标，但某些月份因污染物排放量过多而造成水功能区水质变差的现象。笔者基于安阳水文站48 a（1969—2016年）长系列资料，在不同保证率条件下，根据不同时间尺度确定设计水文条件，以COD和NH3-N为控制因子，建立河流一维水质模型[11-13]，计算2016年安阳河市区段年、水期和月纳污能力，以期为安阳河确定污染物限排总量、年内污染物限排量分配提供数据支撑，为安阳河管理与保护提供科学依据。 1 研究区概况
安阳河是海河流域漳卫南运河水系的第二大支流，发源于林州市清泉寺，自西向东流经林州市、安阳县、安阳市区、内黄县（见图1），在内黄县李大晁入卫河，全长约164 km，流域面积1 920 km2。上游穿过林州盆地后，在横水镇附近进入山区，于彰武水库以下进入平原。干流上建有彰武水库和小南海水库。安阳河的主要补给水源包括岩溶泉水（泉主要有小南海泉和珍珠泉，泉域面积935 km2）和大气降水，据安阳水文站多年观测资料统计，最大流量可达2 060 m3/s（1982年8月2日），最小流量为0.29 m3/s（1982年7月8日），多年平均流量为10.73 m3/s[14]。
安阳河市区段共包括3个二级水功能区，分别为安阳河彰武水库饮用水源区、安阳河安阳县蒋村用水区和安阳河安阳市排污控制区，总长约49.1 km，水质目标分别为Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类。
2 纳污能力计算模型
2.1 计算模型
本次计算单元为彰武水库大坝至入卫河口，共包含3个水功能区，计算单元示意见图2。
安阳河总体上具有流速小、河道宽、水浅等特点，主要河道宽深比小，入河污染物在较短河段内混合均匀，污染物横向变化不大。因此，可采用概化一维水质模型进行纳污能力计算，计算公式如下：
M=31.536（QP+Q）（CseKx86.4u-C0e-KL86.4u）（1）
式中：M为水功能区纳污能力，t/a;Q为水功能区设计流量，m3/s;QP为废污水排放量，m3/s;Cs为水功能区水质控制目标质量浓度，mg/L;C0为水功能区初始断面质量浓度，mg/L;K为污染物综合衰减系数，1/d;x为概化点距控制断面的距离，m;L为水功能区长度，km;u为设计流量下断面平均流速，m/s。
根据研究区排污口分布以及资料掌握情况[15]，将各个水功能区内多个排污口概化为一个集中排污口，且集中排污口位于河段中点处，因此纳污能力计算公式改为
M=31.536（QP+Q）（CseKL2×86.4u-C0e-KL86.4u）（2）
2.2 模型参数
2.2.1 设计水文条件的确定
水体纳污能力动态变化受多因素共同影响，而设计水文条件是纳污能力计算的重要前提，对计算结果影响较大。基于安阳水文站多年监测数据，分别确定不同时间尺度和不同保证率下的设计水文条件，并对纳污能力的变化特征进行分析。
（1）基于年尺度的设计水文条件的确定。选取系列资料中逐年最枯月平均流量，采用P-Ⅲ型曲线参数估计法绘制最佳经验频率曲线，确定50%、75%、90%保证率下的设计流量分别为2.94、1.76、1.03 m3/s，根据河道大断面状况分析得到对应的设计流速。
（2）基于水期尺度的设计水文条件的确定。将年内月份分为汛期（6—10月）和非汛期（11月至翌年5月），选取逐年汛期和非汛期内的最枯月平均流量，采用P-Ⅲ型曲线参数估计法，分别绘制汛期和非汛期的最佳经验频率曲线，确定75%保证率下的设计流量分别为2.06、1.88 m3/s，90%保证率下的分别为1.16、1.07 m3/s，并根据河道大断面状况分析得到对应的设计流速。
（3）基于月尺度的设计水文条件的确定。选取逐年各月平均流量，采用P-Ⅲ型曲线参数估计法分别绘制1—12月的最佳经验频率曲线，确定90%保证率下1—12月的设计流量分别为2.13、2.08、1.88、1.52、1.37、1.48、1.98、2.46、2.24、2.33、2.16、2.12 m3/s，再根据河道大断面状况分析得到对应的设计流速。
根据经验频率曲线分析结果可知，相同保证率下，时间尺度越小，对应的设计流量越大。主要原因是设计水文条件的确定方法不同，年尺度下选择逐年最枯月平均流量进行计算，水期尺度则分别选择逐年汛期最枯月平均流量和非汛期最枯月平均流量进行计算，而安阳河属于常年河，枯水年和平水年没有明显的汛期特征，甚至个别年份汛期内月平均流量小于非汛期内月平均流量，因此汛期和非汛期确定的设计流量更大。月尺度分别选择对应的月平均流量作为系列值进行分析，确定的设计流量更大。
2.2.2 水质浓度及综合衰减系数的确定
水功能区初始断面质量浓度C0采用实测数据;水功能区水质目标质量浓度Cs以水质类别为控制指标。根据《全国地表水环境容量核定技术复核要点》中提供的河道水质综合衰减系数参考值，结合各水功能区优劣状况和水文特征选取综合衰减系数。由经验法，COD的综合衰减系数计算公式为
K=0.05+0.68u（3）
式中：u为设计流速。
NH3-N的综合衰减系数计算公式为
K=0.061+0.551u（4）
2.3 数据来源
安阳河水文数据来源于安阳水文站长系列监测数据;污染物排放数据来源于安阳市水利局和安阳水文水资源勘测局共同出版的《安阳市入河排污口监测报告》，水功能区污染物入河量统计见表1。
3 纳污能力计算分析
3.1 年尺度纳污能力计算分析
安阳河市区段年尺度納污能力计算结果见表2，由表2可以看出，安阳河市区段3个水功能区中安阳河安阳市排污控制区纳污能力最大，安阳河彰武水库饮用水源区纳污能力最小;当上游来水水质优于水功能区水质目标，其他因素一定时，纳污能力与保证率的大小成负相关关系，即纳污能力随保证率的增大而变小。
3.2 水期尺度纳污能力计算分析
安阳河市区段水期尺度纳污能力计算结果见表3，由表3可以看出，安阳河市区段汛期月均纳污能力与非汛期月均纳污能力相差较小。主要原因是安阳河为常年河，在丰水年，径流量较为集中，主要集中在6—10月，占年径流量的60%～80%，平水年、枯水年年内径流分配较为均匀，汛期特征不明显，特枯水年基本无明显的汛期特征，且汛期安阳河上游进行灌溉、水库蓄水等，导致汛期月均流量与非汛期月均流量相差较小。 3.3 月尺度纳污能力计算分析
安阳河市区段月尺度纳污能力计算结果见表4，安阳河市区段COD和NH3-N年纳污能力分别为1 393.4 t和91.5 t。由表4可知，安阳河市区段逐月纳污能力呈波动变化趋势，并未与流量季节变化保持完全一致，说明安阳河纳污能力不仅受自然水文条件的影响，还受到人类活动的影响，且人类活动对纳污能力的影响较大，如6月为汛期，但受人类活动影响（上游灌溉、水库蓄水等），其纳污能力较5月增大不明显。安阳河市区段纳污能力1—5月整体呈下降趋势，5—7月呈逐渐上升趋势，至8月纳污能力达到最大，随后又呈现波动下降趋势。
3.4 综合对比分析
由不同尺度（年、水期、月）纳污能力的对比分析可知，纳污能力与时间尺度成负相关关系，不同时间尺度下确定的年纳污能力月尺度>水期尺度>年尺度。
主要原因是，年尺度纳污能力计算分析时考虑多年的不利水文条件，以此为全年的水文条件进行纳污能力计算，这种计算方法虽然对水环境的改善有促进效果，但计算尺度较大，确定的设计水文条件不具备代表性，水体水质状况大多数时段优于设计水文条件，确定的年纳污能力较小。随着计算尺度的减小，设计水文条件以水期、月为尺度确定，更接近水体实际情况，计算得到的纳污能力更接近水体污染承载力。
由确定的纳污能力与年污染物入河量进行对比分析，安阳河市区段整体处于污染状态，3个水功能区仅安阳河安阳市排污控制区污染物排放不超标，其余水功能区COD和NH3-N排放量均超过纳污能力上限，且NH3-N超标更严重。主要原因是，水域周围农业生产及养殖活动较多，废水未经处理直接排入河道，因此研究区在控制污染物排放时，对NH3-N排放的限制应更严格。
4 结 语
纳污能力与水体水文过程关系密切，是一个动态变化的量，笔者在不同保证率和不同时间尺度下对安阳河市区段动态纳污能力进行了计算，分析了不同保证率和不同时间尺度对纳污能力的影响。考虑保证率和时间尺度的变化，可以使纳污能力的计算结果与水体实际状况更相符。目前水功能区存在监测时间间隔过长的问题，且以特定的监测点水质分析结果来判断整个水功能区的水质状况，存在极大的偶然性，因此建议以污染物排放量与纳污能力比值判断水功能区是否达标，并分别从月、水期和年尺度进行纳污能力考核，以避免传统考核模式存在的偶然性问题。本文仅进行了年、水期和月尺度的纳污能力动态分析，今后可考虑更小时间尺度（日、时）的计算，以了解水体的实际状况，及时对水资源管控做出调整，提高水功能区纳污能力。
参考文献：
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[15] 赵嵩林，杨扬，王国涛，等.安阳市入河排污口监测报告（2016年）[R].安阳市水利局，2017：5-8.
【责任编辑 吕艳梅】
关键词：纳污能力;保证率;时间尺度;安阳河
中图分类号：X522;TV212.5 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.021
引用格式：耿文斌，赵姗，侯俊山，等.安阳河动态纳污能力分析[J].人民黄河，2021，43（7）：110-113.
Abstract：Under the designed hydrological conditions of different guarantee rates and different time scales， the paper dynamically calculated the sewage capacity and annual distribution of the urban section of Anyang River in 2016. The calculation results were comparatively analyzed. The results show that the pollutant discharge in Anyang sewage control area is not exceeding the standard， the COD and NH3-N discharge of other water function areas exceed the upper limit of the capacity and the NH3-N is more serious. The monthly average water environmental capacity of the river in flood season is smaller than that in non-flood season， the water environmental capacity of the river in July to October is larger， the water environmental capacity of August is the maximum in the whole year and the water environmental capacity of November to May is gradually reduced， in May， the water environmental capacity is the lowest in the whole year. There is a negative correlation between the size of the capacity and the time scale and the annual capacity is the monthly scale > the water scale > the annual scale.
Key words： water environmental capacity; guarantee rate; time scale; Anyang River
納污能力是指一定条件下水体的最大纳污量[1-2]。纳污能力是制定污染物限排量的重要依据，能直接反映水体的水质状况[3-4]。目前我国纳污能力大多按照《水域纳污能力计算规程》（GB/T 25173—2010）计算，其中设计水文条件选取90%保证率最枯月平均流量或近10 a最枯月平均流量，这种条件下得到的纳污能力为一固定值，且设计水文条件较为严格，以此作为标准应用于水资源管理和保护必然安全[5]。但实际纳污能力与水文过程关系密切，水文过程在自然条件下是动态变化的，纳污能力也是一个动态变化的量[6-7]。将一个确定的值作为控制指标难以揭示水体的实际污染负荷，不利于保护和改善水质，也不利于水资源的合理开发利用，因此开展水体动态纳污能力评价很有必要[8]。
我国对动态纳污能力的研究众多，但多以不同保证率、不同水文条件来计算水体动态纳污能力。李乔臻[9]以95%、90%、75%、50%、20%保证率下的流量为设计流量，选取不同来水水质分析了琶江河段3个水功能区的纳污能力;周洋等[10]运用一维稳态水质模型和水环境容量模型，根据水质、水文监测资料和沿岸排污情况，计算了渭河陕西段丰水年、平水年、枯水年COD的水环境容量。这些研究都只分析了不同保证率下年纳污能力的动态变化特征，并未结合年内水文特性进行分析，只能确定水功能区全年的污染物限排量，年内的污染物限排量分配仍不清晰，以此为水资源管理的依据会出现全年污染物排放量不超标，但某些月份因污染物排放量过多而造成水功能区水质变差的现象。笔者基于安阳水文站48 a（1969—2016年）长系列资料，在不同保证率条件下，根据不同时间尺度确定设计水文条件，以COD和NH3-N为控制因子，建立河流一维水质模型[11-13]，计算2016年安阳河市区段年、水期和月纳污能力，以期为安阳河确定污染物限排总量、年内污染物限排量分配提供数据支撑，为安阳河管理与保护提供科学依据。 1 研究区概况
安阳河是海河流域漳卫南运河水系的第二大支流，发源于林州市清泉寺，自西向东流经林州市、安阳县、安阳市区、内黄县（见图1），在内黄县李大晁入卫河，全长约164 km，流域面积1 920 km2。上游穿过林州盆地后，在横水镇附近进入山区，于彰武水库以下进入平原。干流上建有彰武水库和小南海水库。安阳河的主要补给水源包括岩溶泉水（泉主要有小南海泉和珍珠泉，泉域面积935 km2）和大气降水，据安阳水文站多年观测资料统计，最大流量可达2 060 m3/s（1982年8月2日），最小流量为0.29 m3/s（1982年7月8日），多年平均流量为10.73 m3/s[14]。
安阳河市区段共包括3个二级水功能区，分别为安阳河彰武水库饮用水源区、安阳河安阳县蒋村用水区和安阳河安阳市排污控制区，总长约49.1 km，水质目标分别为Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类。
2 纳污能力计算模型
2.1 计算模型
本次计算单元为彰武水库大坝至入卫河口，共包含3个水功能区，计算单元示意见图2。
安阳河总体上具有流速小、河道宽、水浅等特点，主要河道宽深比小，入河污染物在较短河段内混合均匀，污染物横向变化不大。因此，可采用概化一维水质模型进行纳污能力计算，计算公式如下：
M=31.536（QP+Q）（CseKx86.4u-C0e-KL86.4u）（1）
式中：M为水功能区纳污能力，t/a;Q为水功能区设计流量，m3/s;QP为废污水排放量，m3/s;Cs为水功能区水质控制目标质量浓度，mg/L;C0为水功能区初始断面质量浓度，mg/L;K为污染物综合衰减系数，1/d;x为概化点距控制断面的距离，m;L为水功能区长度，km;u为设计流量下断面平均流速，m/s。
根据研究区排污口分布以及资料掌握情况[15]，将各个水功能区内多个排污口概化为一个集中排污口，且集中排污口位于河段中点处，因此纳污能力计算公式改为
M=31.536（QP+Q）（CseKL2×86.4u-C0e-KL86.4u）（2）
2.2 模型参数
2.2.1 设计水文条件的确定
水体纳污能力动态变化受多因素共同影响，而设计水文条件是纳污能力计算的重要前提，对计算结果影响较大。基于安阳水文站多年监测数据，分别确定不同时间尺度和不同保证率下的设计水文条件，并对纳污能力的变化特征进行分析。
（1）基于年尺度的设计水文条件的确定。选取系列资料中逐年最枯月平均流量，采用P-Ⅲ型曲线参数估计法绘制最佳经验频率曲线，确定50%、75%、90%保证率下的设计流量分别为2.94、1.76、1.03 m3/s，根据河道大断面状况分析得到对应的设计流速。
（2）基于水期尺度的设计水文条件的确定。将年内月份分为汛期（6—10月）和非汛期（11月至翌年5月），选取逐年汛期和非汛期内的最枯月平均流量，采用P-Ⅲ型曲线参数估计法，分别绘制汛期和非汛期的最佳经验频率曲线，确定75%保证率下的设计流量分别为2.06、1.88 m3/s，90%保证率下的分别为1.16、1.07 m3/s，并根据河道大断面状况分析得到对应的设计流速。
（3）基于月尺度的设计水文条件的确定。选取逐年各月平均流量，采用P-Ⅲ型曲线参数估计法分别绘制1—12月的最佳经验频率曲线，确定90%保证率下1—12月的设计流量分别为2.13、2.08、1.88、1.52、1.37、1.48、1.98、2.46、2.24、2.33、2.16、2.12 m3/s，再根据河道大断面状况分析得到对应的设计流速。
根据经验频率曲线分析结果可知，相同保证率下，时间尺度越小，对应的设计流量越大。主要原因是设计水文条件的确定方法不同，年尺度下选择逐年最枯月平均流量进行计算，水期尺度则分别选择逐年汛期最枯月平均流量和非汛期最枯月平均流量进行计算，而安阳河属于常年河，枯水年和平水年没有明显的汛期特征，甚至个别年份汛期内月平均流量小于非汛期内月平均流量，因此汛期和非汛期确定的设计流量更大。月尺度分别选择对应的月平均流量作为系列值进行分析，确定的设计流量更大。
2.2.2 水质浓度及综合衰减系数的确定
水功能区初始断面质量浓度C0采用实测数据;水功能区水质目标质量浓度Cs以水质类别为控制指标。根据《全国地表水环境容量核定技术复核要点》中提供的河道水质综合衰减系数参考值，结合各水功能区优劣状况和水文特征选取综合衰减系数。由经验法，COD的综合衰减系数计算公式为
K=0.05+0.68u（3）
式中：u为设计流速。
NH3-N的综合衰减系数计算公式为
K=0.061+0.551u（4）
2.3 数据来源
安阳河水文数据来源于安阳水文站长系列监测数据;污染物排放数据来源于安阳市水利局和安阳水文水资源勘测局共同出版的《安阳市入河排污口监测报告》，水功能区污染物入河量统计见表1。
3 纳污能力计算分析
3.1 年尺度纳污能力计算分析
安阳河市区段年尺度納污能力计算结果见表2，由表2可以看出，安阳河市区段3个水功能区中安阳河安阳市排污控制区纳污能力最大，安阳河彰武水库饮用水源区纳污能力最小;当上游来水水质优于水功能区水质目标，其他因素一定时，纳污能力与保证率的大小成负相关关系，即纳污能力随保证率的增大而变小。
3.2 水期尺度纳污能力计算分析
安阳河市区段水期尺度纳污能力计算结果见表3，由表3可以看出，安阳河市区段汛期月均纳污能力与非汛期月均纳污能力相差较小。主要原因是安阳河为常年河，在丰水年，径流量较为集中，主要集中在6—10月，占年径流量的60%～80%，平水年、枯水年年内径流分配较为均匀，汛期特征不明显，特枯水年基本无明显的汛期特征，且汛期安阳河上游进行灌溉、水库蓄水等，导致汛期月均流量与非汛期月均流量相差较小。 3.3 月尺度纳污能力计算分析
安阳河市区段月尺度纳污能力计算结果见表4，安阳河市区段COD和NH3-N年纳污能力分别为1 393.4 t和91.5 t。由表4可知，安阳河市区段逐月纳污能力呈波动变化趋势，并未与流量季节变化保持完全一致，说明安阳河纳污能力不仅受自然水文条件的影响，还受到人类活动的影响，且人类活动对纳污能力的影响较大，如6月为汛期，但受人类活动影响（上游灌溉、水库蓄水等），其纳污能力较5月增大不明显。安阳河市区段纳污能力1—5月整体呈下降趋势，5—7月呈逐渐上升趋势，至8月纳污能力达到最大，随后又呈现波动下降趋势。
3.4 综合对比分析
由不同尺度（年、水期、月）纳污能力的对比分析可知，纳污能力与时间尺度成负相关关系，不同时间尺度下确定的年纳污能力月尺度>水期尺度>年尺度。
主要原因是，年尺度纳污能力计算分析时考虑多年的不利水文条件，以此为全年的水文条件进行纳污能力计算，这种计算方法虽然对水环境的改善有促进效果，但计算尺度较大，确定的设计水文条件不具备代表性，水体水质状况大多数时段优于设计水文条件，确定的年纳污能力较小。随着计算尺度的减小，设计水文条件以水期、月为尺度确定，更接近水体实际情况，计算得到的纳污能力更接近水体污染承载力。
由确定的纳污能力与年污染物入河量进行对比分析，安阳河市区段整体处于污染状态，3个水功能区仅安阳河安阳市排污控制区污染物排放不超标，其余水功能区COD和NH3-N排放量均超过纳污能力上限，且NH3-N超标更严重。主要原因是，水域周围农业生产及养殖活动较多，废水未经处理直接排入河道，因此研究区在控制污染物排放时，对NH3-N排放的限制应更严格。
4 结 语
纳污能力与水体水文过程关系密切，是一个动态变化的量，笔者在不同保证率和不同时间尺度下对安阳河市区段动态纳污能力进行了计算，分析了不同保证率和不同时间尺度对纳污能力的影响。考虑保证率和时间尺度的变化，可以使纳污能力的计算结果与水体实际状况更相符。目前水功能区存在监测时间间隔过长的问题，且以特定的监测点水质分析结果来判断整个水功能区的水质状况，存在极大的偶然性，因此建议以污染物排放量与纳污能力比值判断水功能区是否达标，并分别从月、水期和年尺度进行纳污能力考核，以避免传统考核模式存在的偶然性问题。本文仅进行了年、水期和月尺度的纳污能力动态分析，今后可考虑更小时间尺度（日、时）的计算，以了解水体的实际状况，及时对水资源管控做出调整，提高水功能区纳污能力。
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【责任编辑 吕艳梅】