1 引言(Introduction)

“引黄入呼”取水口位于托克托县, 距离上游头道拐断面约15 km, 距离下游河口镇断面约7 km.黄河水经“引黄入呼”取水口抽送至托克托县预沉淀厂, 经63 km管道进入金海蓄水库, 通过约9个环节的深度处理, 最终进入呼和浩特城市管网(邝蕾, 2014；裴国霞等, 2014).随着黄河呼和浩特段境内人口不断增长和经济迅速发展, 水体持续污染及水资源紧缺将逐渐成为黄河呼和浩特段沿线发展的制约因素, 也为“引黄入呼”取水口的水环境质量增加了巨大压力.在不影响黄河呼和浩特段各功能区水质要求的前提下, 充分利用流域降解、输移、转化等机理规划上游排污量与下游“引黄入呼”取水口污染物控制量协调发展, 研究与控制“引黄入呼”取水口水环境容量具有迫切的必要性, 对呼和浩特饮用水健康的持续进行具有重要意义.

水环境容量是在满足水环境质量标准的前提下, 水体容纳污染物的最大荷载量, 其容量大小与水体特征、水质目标、污染物特性有关, 因此, 又称作水体负荷量或纳污能力(周刚等, 2014).

目前, 人们常用确知数学理论或盲数理论、概率稀释模型、Monte Carlo模拟、一维河网动态水质模型等方法对河流水环境容量进行计算和研究(Zhang et al., 2007；Davis Jr et al., 1976；Bonhommeau et al., 2013；Lap et al., 2007), 但上述方法均基于较为单一的水文、水力条件, 无法较为全面地考虑影响流域水动力、水质的直接及间接因素, 很难精确定量化地确定流域水环境容量在时空分布上的变异性及相应允许污染物排放量, 且大多研究的污染物较为单一(以COD、BOD、NH₄⁺-N较多)(Zhao et al., 2012；Yang et al., 2010).例如, 针对太湖水体COD和TP水环境容量的研究(范丽丽等, 2012), 以及一维饮用水水源保护区河流水环境容量计算模型(陈丁江等, 2008)等.

本研究基于DHI MIKE3水动力与水质的耦合模型, 在较为全面的水文、水力条件等基础上, 以《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅲ类中的相关限值为标准(戴秀丽等, 2014), 对“引黄入呼”取水口进行较为精确定量化的水环境容量动态性评估(马腾等, 2009；黄少彬, 2013；Song et al., 2013；Huang et al., 2014).主要包括：①确定模拟范围及设置地形、高程、风向、风速、冰盖、降雨、蒸发和边界条件, 完成水动力模拟；②考虑“引黄入呼”取水口水质要求及黄河呼和浩特段功能区特性, 确定8类常规污染物, 作为水质模块的模拟指标；③将已建立的水动力模型与水质模型进行耦合.

2 研究方法(Research methods) 2.1 数据来源

本研究所用数据包括：《黄河流域(内蒙古段)水环境风险调查及防范措施研究》中2011—2013年头道拐、河口镇、喇嘛湾3个断面连续12个月流量、水位监测数据, 以及所采集的108个样本8项污染物(溶解氧、氨氮、硝酸盐、五日生化需氧量、溶解态总磷、颗粒态总磷、粪大肠菌群、化学需氧量)水质监测数据；2011—2013年3个断面冰封期(12月、1月和2月)冰盖监测数据；2011—2013年呼和浩特降雨径流和气象数据.头道拐、河口镇、喇嘛湾断面数据及沿流域分布高程等作为本次水环境容量动态性评估的主要基础数据, 并利用2003—2010年头道拐断面、河口镇断面、喇嘛湾断面污染物、水位、流量、降雨等资料数据作为初步率定数据.

2.2 采集方法

在样点分布图所示位置进行采样(图 1), 头道拐、河口镇和喇嘛湾国控断面处设置流量、水位和水质采样点, 上游边界设置流量采样点, 下游边界设置水位采样点.断面上设置左、中、右3条垂线, 中泓处在水面下0.5 m处和河底以上0.5 m处各设1个采样点, 左、右岸在水面下0.5 m处设置1个采样点.对各采样断面河床进行测定, 同时利用流量流速仪测定流量和流速.

2.3 分析方法

对所采集的样品严格按照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T91—2002)中的分析方法进行分析(齐文启等, 2006).由于黄河呼和浩特段泥沙含量较大, 所采集的样品在水质分析前应进行预处理：①利用滤纸滤掉颗粒较大的泥沙；②利用0.45 μm滤膜滤除极小颗粒物及大多数细菌微生物, 处理后的样品按照《水质样品的保存和管理技术规定》(HJ493—2009)、《水质采样技术指导》(HJ494—2009)中的相关规定进行测定.各水质指标的分析精度和方法见表 1.

3 模型原理与模型建立(Model principle and model foundation)

由于“引黄入呼”取水口水环境容量具有明显的时间动态特性, 如冬季冰封期与夏季汛期的容量变化, 以及全年降雨径流的时间变化等；且黄河呼和浩特段属集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼类越冬场、洄游通道、水产养殖区, 符合《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅲ类中的相关要求, 基于此, 本文提出以《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅲ类标准为上限的动态水环境容量的计算方法.

本研究采用MIKE3三维水动力及水质的耦合模型(HD+Ecolab)对“引黄入呼”取水口水环境容量进行动态性评估(周刚等, 2014；董飞等, 2014；姜欣等, 2013).

3.1 计算方法 3.1.1 水动力计算公式

由于位于黄河呼和浩特段的“引黄入呼”取水口的水体流动、盐度、温度受斜压效应和湍流等各种强迫和边界条件影响, 因此, 按照其水力特征及本次水环境容量计算特性, 水动力计算采用粘性不可压缩流体动量守恒方程—纳维-斯多克斯方程(N-S方程)(Gao et al., 2012；Luo et al., 2009)：

式中, ρ为流体密度(g·cm^-3)；p为流体应力张量(N·m^-1); u、v、w为流体在点(x, y, z)处t时刻的速度分量(m·s^-1); S为变形速率张量(N·m^-1); μ为膨胀粘性力(N·s·m^-2); ｇ为重力加速度(m·s^-2).

3.1.2 污染物反应过程简述

根据黄河呼和浩特段水体功能及“引黄入呼”取水口主要所控污染物指标, 确定8种污染物指标作为本次水环境容量的计算指标, 各污染物主要过程描述如下(王卫平, 2007；孙辰, 2013).

溶解氧(DO)为大气复氧与光合作用过程产氧量之和, 再减去呼吸作用、BOD降解、底泥需氧和硝化过程耗氧量之和；氨氮(NH₄⁺-N)为BOD降解释放的氨氮量减去硝化、植物摄取和细菌摄取过程消耗的氨氮量；硝酸盐(NO₃^-)为硝化过程产生的硝酸盐量减去反硝化过程消耗的硝酸盐量；五日生化需氧量(BOD)为可降解部分中降解与再悬浮过程产生的五日生化需氧量之和, 减去沉降过程消耗的五日生化需氧量(可降解)；总磷(TP)为颗粒性磷与溶解性磷之和；粪大肠杆菌群(FC)为粪大肠杆菌产生量减去粪大肠杆菌降解量；化学需氧量(COD)为降解与再悬浮过程产生的化学需氧量之和, 减去沉降过程消耗的化学需氧量.

3.2 模型建立 3.2.1 确定计算范围

“引黄入呼”取水口位于黄河呼和浩特段内, 为更精准地计算出“引黄入呼”取水口动态性水环境容量, 确定计算范围包括黄河呼和浩特整段, 其网格Mesh文件包括：投影带选择、模拟区域设置、确定边界和地形高程文件等.最终确定的网格最大面积小于1×10⁵ m², 最小允许角度20°, 可保证整条流域横断面分布有4个网格以上(河宽700~1300 m).计算范围(Mesh文件)网格分布见图 2, “引黄入呼”取水口处网格分布见图 3.

3.2.2 确定边界条件

水动力边界：在确定风力(风向、风速)、冰封期封冰盖厚度、降雨蒸发、温度、盐度的基础上确定边界条件, 作为计算的先决条件, 考虑到黄河呼和浩特段流域整体入流和出流水量平衡, 流量、水位率定结果更加与实际情况吻合, 将上游头道拐断面设定为流量边界, 其值为141~1280 m³, 下游喇嘛湾断面设定为水位边界, 其值为968.44~970.06 m, 其它入流、出流情况以流量计.

水质边界：将头道拐断面、喇嘛湾断面、大黑河入流、“引黄入呼”取水口出流均设置水质边界, 确定溶解氧6.3~8.9 mg·L^-1、氨氮0.114~0.884 mg·L^-1、硝酸盐2.57~4.07 mg·L^-1、五日生化需氧量2.0~3.5 mg·L^-1、溶解态总磷0.03~0.12 mg·L^-1、颗粒态总磷0.040~0.064 mg·L^-1、粪大肠菌群140~790个·g^-1、化学需氧量13~21 mg·L^-1作为水质边界.

3.2.3 设定初始条件

水动力初始条件：考虑到上游边界头道拐断面流量变化、大黑河入流流量变化、下游边界喇嘛湾断面水位变化和“引黄入呼”取水口出流流量变化的影响, 且为保证流域全时段各断面水位高于最低地形高程, 将初始水位设定为968 m.

水质初始条件：水质初始条件采用黄河呼和浩特段全时段均值并参考取水口水质情况, 设定溶解氧7 mg·L^-1、氨氮0.45 mg·L^-1、硝酸盐4 mg·L^-1、五日生化需氧量2.1 mg·L^-1、溶解态总磷0.034 mg·L^-1、颗粒态总磷0.053 mg·L^-1、粪大肠菌群600个·g^-1、化学需氧量16 mg·L^-1.

3.3 确定率定参数

将2011年数据作为模拟数据, 2003—2010年相关资料数据作为初步率定数据, 2012年数据作为模型主要率定数据, 2013年数据作为率定检测数据.通过反复率定、调试, 水动力主要调试参数为粗糙率(图 4)(安立强, 2009), 以及Ecolab水质调试参数(表 2).

4 结果与分析(Results and analysis) 4.1 流量、水位可行性分析

“引黄入呼”取水口处流量为220~1790 m³·s^-1, 水深为2.4~5.0 m(此处基准高程为966.8 m), 取水口面积大于15 m², 按照90%供水保证率进行计算, “引黄入呼”取水口处最小供水量为198 m³·s^-1, 水深为2.16 m.“引黄入呼”取水口出水量约为3 m³·s^-1, 流速约为1.5 m·s^-1, 因此, 按照大于10%取水保证率计算, 当取水口处面积大于2.2 m², 流量大于3.3 m³·s^-1时即可满足取水需求.根据“引黄入呼”取水口处黄河流量、水位与取水口所需流量、水位进行比对, 并结合Q-H(流量-水位)特性曲线可知：黄河呼和浩特段“引黄入呼”取水口处可以满足“引黄入呼”取水需求, 水量在冬季结冰枯水期的剩余可达5250%, 丰水期的剩余可达42500%.Q-H特性曲线增长率逐渐减小并趋向于稳定, 整体呈现出一次线性函数增长趋势.由此可知, “引黄入呼”取水口处的断面地形形状变化不明显, 整体流量随水位增长而增大(图 5)(吴保生等, 2015), 完全可以保证“引黄入呼”取水要求.

4.2 水环境容量结果分析

从总体上看, 黄河呼和浩特段“引黄入呼”取水口处DO、NH₄⁺-N、NO₃^-、BOD、TP、FC、COD均可满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类标准中的相关限值, 水体整体状况良好, 都具有一定的容量, 且DO含量较大, 目前没有富营养化、藻类大量繁殖等不良趋势发生；NH₄⁺-N、NO₃^-、BOD、TP、FC剩余容量较大, 短时间内容量较为稳定, 主要常规水质指标值乐观, 相比之下具有较好的水质；COD容量较小, 趋近于最高限值, 短时间内不会超出限值, 对整体水质的影响较小.

4.2.1 DO结果分析

DO浓度整年呈平稳状态, 均在7.45 mg·L^-1附近波动, 通年处于6.28~9.14 mg·L^-1之间, 10月和11月有明显的升高态势但较为平稳, 最大值可达9.14 mg·L^-1, 均大于标准值5 mg·L^-1.DO在1—9月、12月超过标准值, 为6.40~7.02 mg·L^-1, 9—11月超过标准值, 为7.02~9.06 mg·L^-1, 容量整体保持平稳, 无大幅度波动现象.由此可见, 较浅的水深(均值约为3.5 m)具备良好的通风呼吸条件, 致使“引黄入呼”取水口处氧含量充足, 水温较低, 藻类植物生长较好, 但未出现过度繁殖状态；“引黄入呼”取水口处及上游受农田等非点源农药、化肥等有机物污染程度较小, 且具有较好的自净能力, 非常适合鱼类生存, 可作为引用水的基础水源(Balbín et al., 2014).

4.2.2 NH₄⁺-N结果分析

NH₄⁺-N通年波动较大, 处于0.25~0.75 mg·L^-1之间, 2—7月波动幅度可达70%, 7—11月波动幅度可达50%, 均小于标准值1 mg·L^-1.NH₄⁺-N水环境容量随着污染物含量的波动而波动, 开河期间及丰水期剩余容量较大, 1—4月为0.27~0.57 mg·L^-1, 4—7月为0.27~0.72 mg·L^-1, 7—12月为0.56~0.72 mg·L^-1.由此可见, 由于氨氮在水体中为好氧污染物, 对鱼类及一些水生生物具有危害作用, 但其水环境容量较客观且溶解氧含量较大, 因而对“引黄入呼”取水口处的水质影响不是很明显, 不会引起水生生物在水中表现亢奋从而失去平衡、抽搐, 甚至死亡, 产生急性的危害概率较小(Fan et al., 2015).

4.2.3 NO₃^-结果分析

NO₃^-处于平稳态, 在2.95 mg·L^-1附近小幅度波动, 均小于标准值10 mg·L^-1, 通年处于1.87~4.00 mg·L^-1之间.NO₃^-水环境容量随着本身含量的平稳也处于平稳状态, 丰水期及平水期容量较大, 1—5月为6.00~6.51 mg·L^-1, 6—9月为6.10~8.00 mg·L^-1, 10—12月为8.00~6.71 mg·L^-1.由此可见, 由于NO₃^-几乎可以全溶于水, 且毒性较大, 但“引黄入呼”取水口处的NO₃^-容量客观, 不会因毒性较大致使无法取水, 也不会影响合成叶绿素从而影响光合作用(Boy-Roura et al., 2013).

4.2.4 BOD结果分析

BOD出现了明显波动态势, 7—12月尤为明显, 7—9月和10—12月呈现上升趋势, 10—12月呈现下降趋势, 通年处于1.45~2.98 mg·L^-1之间, 均小于标准值4 mg·L^-1.BOD水环境容量在1—7月为1.60~2.70 mg·L^-1, 7—9月为0.70~2.80 mg·L^-1, 9—10月为1.00~2.32 mg·L^-1, 10—12月为1.22~2.23 mg·L^-1.由此可见, BOD水环境容量较大且DO含量大, 水体中可供给有机污染物的氧极少, 有机污染物不具备繁衍生存条件, 因此, “引黄入呼”取水口处类似于农田、生活污水的有机污染物径流不会对基础水源造成影响(Liolios et al., 2012).

4.2.5 TP结果分析

TP在全年呈现极为平稳的状态, 整体趋向于直线, 1—4月出现微小的波动, 波动范围为0.07~0.08 mg·L^-1, 通年处于0.07~0.17 mg·L^-1之间, 均小于标准值0.2 mg·L^-1.TP水环境容量1—4月为0.12~0.13 mg·L^-1, 5—12月为0.12~0.13 mg·L^-1.由此可见, “引黄入呼”取水口处径流的生活污水、化肥、有机磷农药及近代洗涤剂等污染较小, 不会造成水体污秽异臭, 暂时也不会使水体发生富营养化、水华, 打乱水体的平衡(Viviano et al., 2014).

4.2.6 FC结果分析

FC全年呈现极度平稳的状态, 通年处于70.19~674.68个·g^-1间, 均小于标准值10000个·g^-1.FC水环境容量为9325~9329个·g^-1, 具有足够大的环境容量.由此可见, 由于FC属于好氧性兼厌氧性菌, 其代谢需要有机氮、有机磷, 因而与氨氮、硝酸盐和总磷指标会产生一定的相关性现象, 一般与高锰酸盐、总氮值显著正相关, 且黄河平均流速较大, 流动性较强, 污染物容易被稀释, 透明度较高.因此, “引黄入呼”取水口处不利于粪大肠菌群的生长, 对人体影响极小(Liu et al., 2010).

4.2.7 COD结果分析

COD在1—5月和8—12月变动较为平稳, 5—8月具有较小波动, 波动范围为0.20~7.20 mg·L^-1, 全年处于12.92~18.25 mg·L^-1, 均小于标准值20 mg·L^-1, 水环境容量偏小, 为0.53~7.57 mg·L^-1.由此可见, “引黄入呼”取水口处水体污染适中, 水体中含有大量还原性物质, 主要为有机污染物.尽管有机污染物、化工厂等所排污染物极小, 但其综合叠加贡献使COD较高, 相对容量较小, 但现在仍具有一定的水环境容量, 因此, 不会有大量江底泥吸附而沉积, 对水生生物不会造成持久的毒害作用(Muralidharan et al., 2013).

5 结论(Conclusions)

基于DHI MIKE3水动力与水质的耦合模型对“引黄入呼”取水口6项污染物(溶解氧、氨氮、硝酸盐、五日生化需氧量、总磷、粪大肠菌群、化学需氧量)进行了动态水环境容量计算.结果表明, 整体上, NO₃^-水环境容量较其它6项污染物最大, 占标准值的60%~80%以上, COD水环境容量较其它6项污染物最小, 仅占标准值的1%~25%.经过对模拟结果和实际情况分析, 发现“引黄入呼”取水口处均具有环境容量, 没有富营养化、藻类大量繁殖等不良趋势发生, 生活污水、化肥、有机磷、农药及近代洗涤剂等有机物污染叠加贡献可观, 但不会造成水体污秽异臭、打乱水体水质平衡等现象.为了水体质量有进一步的提高, 在未来一段时间“引黄入呼”取水口上游处应逐渐减少农田径流、生活污水、化工行业等有机污染物的排放.

致谢: 数据采集由内蒙古自治区环境科学研究院和环保部南京环境科学研究所的《黄河流域(内蒙古段)水环境风险调查及防范措施研究》中的课题组成员完成, 在此表示感谢！