的污染排放与水质响应模型结果显示，控制单元的许可排放量为384.32 t/a，小于入河排放量，需进行入河排放总量控制；4)采用污染贡献分析法进行总量分配并基于分配结果提出“污染源系统控制-河道水质净化及生态修复-水量保障与优化-综合监管”的污染减排方案，最终实现了水环境容量体系在研究区的建立与应用。摘要：河流水环境容量研究是保障河流断面水质达标的科学依据。以银川市灵武东沟小流域为研究对象，基于灵武东沟入黄口断面水质达标要求，建立“控制单元划分-水环境问题诊断-污染排放与水质响应关系建立-水环境容量核算与分配-污染管控”系统体系，进行河流水环境容量研究。结果表明：1)综合考虑研究区水文、行政区划及污染源分布情况，划分3个控制单元；2)水环境问题诊断结果显示氮浓度超标严重，枯水期污染物浓度高，工业为主的点源为重点控制污染源；3)首要超标污染物的污染排放与水质响应模型结果显示，控制单元的许可排放量为384.32 t/a，小于入河排放量，需进行入河排放总量控制；4)采用污染贡献分析法进行总量分配并基于分配结果提出“污染源系统控制-河道水质净化及生态修复-水量保障与优化-综合监管”的污染减排方案，最终实现了水环境容量体系在研究区的建立与应用。
我国水环境污染严重，其根本原因是排放至水体的污染物量超过水环境容量，超出了水体自净能力[1-3]。污染物总量控制是治理和改善水环境现状最有效的方式，其中总量控制目标的实现首要关键问题是容量的合理计算和优化分配，而建立系统性体系,科学有效地进行水环境容量核算及总量分配,是保障水质目标顺利实现和水环境有效改善的基础和核心内容[4-5]。
自20世纪60年代,日本为改善水和大气环境质量状况，首次提出污染物排放总量控制问题，国内外针对总量控制问题相继开展了大量研究[6-8]，研究内容集中于水环境容量核算及分配方面，主要包括排污总量核算[9-10]、水环境模拟与预测[11-12]、总量分配指标筛选[13]、分配原则及方法优化[14-15]等。其中，针对水环境容量核算，除采用传统的零维、一维水质模型外[4,7,16]，资产水资源估算水环境容量[17-18]及地理信息模型方法核算水环境容量[19-20]等成为新的研究手段；容量分配原则多以公平及效率为主，也可根据需要综合考虑水环境、社会、经济等多重因素形成多目标优化分配原则[21-22]，分配方法主要有系统模拟法、层次分析法、多目标规划法、大系统分解法、模糊系统理论规划法等[23-25]。目前的研究虽已有很多，但研究内容多侧重容量核算与分配，系统的案例研究较少。
灵武东沟作为银川市主要入黄河排水沟之一和灵武市最大的入黄河排水沟，其水质对区域黄河水质产生直接影响。目前灵武东沟的水质较差，属劣Ⅴ类，部分河段出现黑臭现象，银川市当地政府积极采取应对措施，并将其作为“十三五”水污染防治的重点治理对象之一。充分了解灵武东沟所在区域的水环境容量、进行容量核算及合理分配是认识其水质现状、控制水污染的基础性工作。本文基于以上背景，通过现场调查及资料分析，研究其水环境问题，综合模型和统计手段，建立起研究区污染排放与水质关系，并结合水质达标要求，进行水环境容量核算与分配，提出相应污染管控措施，以期为银川市水污染防治工作提供一定的理论支撑。
研究区位于宁夏回族自治区银川市灵武市境内(106°16′17.01″E—106°21′52.58″E，37°57′11.21″N—38°16′9.62″N)，属青铜峡河东灌区(图1)。研究区属典型的中温带大陆性干旱气候，气候干燥，降雨量少且分散，多年年均温度和降雨量分别为8.8 ℃和193.8 mm；研究区水系由灵武东干沟及南大沟、王家大湖沟、东大沟、西大沟4条汇流支沟构成，流域面积为216.5 km2，农田排水总面积为138.6 km2；区内排灌设施较完备，农业基础优越，以牛羊为主的畜牧业发达。主干流灵武东干沟全长31.8 km，南起支流南大沟王嘴子处，向北流经崇兴镇、东塔镇、梧桐树乡、灵武农场，于临河镇二道沟汇入黄河，沿途汇集农田退水、生活废水及工业废水等，是灵武市引黄灌区的重要组成部分，其水质变化直接影响境内黄河水质。
图1 研究区位置
Fig.1 Location of studying area
污染源数据为2014年灵武市污染普查数据，由银川市环保局提供。水质数据为2014年灵武东干沟全年的水质监测数据，由银川市监测站提供；监测频率为每月1次，监测方法参照《水和废水监测分析方法(第4版)》[26]。遥感影像为Landsat卫星拍摄的数据。DEM数据为中国科学院计算机网络信息中心30 m分辨率数据。水系图为1∶20000后栅格图，由银川市环保局提供。
1.3.1 控制单元划分
在ArcGIS 10.1平台上，首先基于研究区水系图提取矢量水系数据；其次利用DEM进行水文响应单元划分，并以水系矢量数据为参照，进行修正[27-28]。
1.3.2 控制断面水质模型
灵武东沟为单向沟道，沟宽较小，沟道总体均直，其主要污染物基本符合一级反应动力学降解规律，因此选择河流水质模型中一维稳态水质模型进行污染物浓度预测，参考HJ/T 2.3—1993《环境影响评价技术导则 地面水环境》中相关公式进行计算[20,29]。
(1)
(2)
式中：CX为预测断面的水质浓度，mg/L；C′为初始断面完全混合的水质浓度，mg/L；CP为上游来水浓度，mg/L；QP为上游来水量，m3/s；CE为排污口污水浓度，mg/L；QE为排污口污水量，m3/s；K为水质综合衰减系数，d-1；x为断面间河段长，m；u为河段平均流速，m/s。
1.3.3 允许入河量计算
运用已建立的污染排放与水质响应关系，以GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中入黄河控制断面Ⅳ类水质标准为约束条件，按照现状排污口位置，反算单元内的环境允许入河量Q。
目标函数：
(3)
约束方程：
(4)
式中：Ci为各排污口污染物允许排污浓度，mg/L；q为排污口排污量，m3/s；ai为第i个排污口对控制断面的浓度响应系数，是综合衰减系数K、河水流速u和距离x的函数，无量纲，由式(1)模型计算获得；C′为GB 3838—2002 Ⅳ类水质标准值，mg/L。
1.3.4 总量分配
总量分配的对象为排污口对应的陆域污染源，综合考虑研究区经济发展、排污现状、水质目标及现有资料，结合总量分配原则，选用污染贡献分析法，进行许可排放量分配[14-15,17]。
基于上述建立的污染排放与水质响应关系，依照各现状排污口对控制断面水体水质的浓度贡献比例进行许可排放量的分配，各现状排污口需进行分配的比例计算公式见式(5)：
(5)
式中：βi为第i个排污口对控制断面水体水质的影响权重；ai为第i个排污口对控制断面的浓度响应系数，由式(1)模型计算获得。
以灵武东沟汇水区为基础，结合区域水文、行政区划特征划分控制单元。总体划分为3个控制单元：上游单元、中游城区单元、中下游单元，具体见图2。
图2 控制单元及排污口分布
Fig.2 Map of distribution of control zones and drain outlets
根据灵武东沟及沿河两侧污染源分布现状及排污口情况，按污染排放与水质响应关系建立的要求，对主要排污口进行概化，共概化为7个排污口，各排污口的基础数据如表1所示。
表1 经概化的排污口信息
Table 1 Information of conceptual drain outlets
控制单元编码名称污染源排污量/(m3·s-1)ρ(NH+4-N)/(mg·L-1)距入黄口断面距离/km上游单元A1南干沟源头排水沟1.94831.80A2上游村落农灌水村落与农田混排水1.42828.18中游城区单元B1王家大湖沟排水沟0.70825.65B2灵武市污水处理厂工业、城市生活0.422021.44中下游单元C1下游村落农灌水村落与农田混排水1.33812C2西大沟排水沟1.4583.6C3宁东能源基地工业0.35153
2.2.1 水质管理目标
灵武东干沟作为灵武市引黄灌区的重要通道，其水质直接影响区内黄河水质，为此明确提出了灵武东沟的治理目标[30-31]：2020年底灵武东沟入黄排水达到GB 3838—2002 Ⅳ类水质。
2.2.2 水环境现状
灵武东沟现状水质较差，2014年河流水质总体处于劣Ⅴ类，部分断面存在黑臭现象，主要污染物为
其中以氮浓度超标最为严重，枯水期污染物浓度高，丰水期污染物浓度低。灵武东沟沿途接纳了大量的工业废水、生活污水和农田退水，来水主要为工业废水和生活污水，缺乏自然清水补给，目前排入的污染负荷量大大超过了沟道所能承受的环境容量，致使沟道内水质超标严重。
2.2.3 污染源解析
根据现状及沿线污染源调查，灵武东沟流域主要污染源为工业、城镇居民生活、农田、农村生活和畜禽养殖(图3)。各类污染源污染负荷排放总量为：COD 5102.64 t/a，TN 5053.62 
1003.91 t/a，TP 309.54 t/a，考虑入河系数计算得到污染负荷入河量分别为COD 3180.91 t/a，TN 2934.45 678.85 t/a，TP 107.65 t/a。
图3 主要排河污染源分布
Fig.3 Distribution map of major inflow pollution sources of the river
对污染源结构进行分析发现：农田、工业、农村生活是主要的排污来源，4种主要污染负荷排放和入河贡献率均超过90%，其中首要污染物
的排放和入河贡献率分别为98.79%和97.85%。对控制单元进行分析发现，上游、中下游控制单元两侧主要以农村居住地和农田为主，污染源包括农村居民生活污水、农田面源及个别企业排放废水，排入污染物比例达到90%以上；中游灵武城区，城镇居民生活污水、畜禽粪便废水是其主要污染源，排入污染物比例低于10%。由于研究区污染物氮浓度超标在枯水期更严重，所以此时以工业为主的点源是重点控制对象。
2.3.1 污染排放与水质响应关系建立
1)模型及参数选取。
研究选用一维稳态河流水质模型建立污染排放与水质响应关系，利用解析方法求解。因区域水质以氮污染较重，而TN未纳入河流水质达标考核指标中，因此选择作为灵武东沟控制单元主要控制污染因子。因污染物背景浓度低，计算时忽略，此外不考虑天然径流。采用分析借用法和类比法[32]相结合确定综合衰减系数，取综合衰减系数K为0.1 d-1。选择近10年最枯月平均流量为设计流量条件，据东排水沟水文站实测数据，设计流量取值为2 m3/s。河段平均流速u由排水沟的设计流量与实测过水断面平均面积求得，为0.5 m/s。流速和污染物综合降解系数在整个河段上保持不变。
2)污染排放与水质响应关系建立。
将参数代入模型，采用解析法求解。分段计算设计水文条件下入黄河口断面与上游7个排污口浓度的响应系数矩阵(表2)。在计算各段排污口浓度响应系数时，考虑汇入流量的稀释作用，即在下游每个排污口重新校核原始浓度。
表2 控制对面与排污口的
浓度响应系数矩阵
Table 2 Response coefficient matrix of ammonia nitrogen concentration between drain outlets and control sections
响应系数A1A2B1B2C1C2C3入黄口断面A110.990.570.470.410.310.240.23A210.420.340.310.230.180.17B110.170.150.110.090.08B210.090.070.050.05C110.220.170.16C210.200.19C310.05
3)允许入河量核算。
利用建立的污染排放与水质响应关系，以入黄口断面水质达标为约束条件，按照现状排污口排污情况，反推允许入湖量。将7个排污口按照排放污水类别进行浓度分配，分段计算氨氮允许入河量(图4)，求解得到控制单元的允许入河量为384.32 t/a，而现状灵武东沟控制单元的排放入河量为678.85 t/a，超出允许入河量，需要进行污染物总量控制。
图4 排污口氨氮允许入河量
Fig.4 The allowance of ammonia nitrogen emission of each drain outlet
2.3.2 总量分配
许可排放量主要针对陆域污染源，结合上述采用污染排放与水质响应关系计算出的污染物允许入河量，并综合考虑研究区现状排污格局、水质达标要求、水质目标管理的经济技术可行性等因素，该案例中将分配至陆域污染源的排放量概化至排污口处。根据式(5)，采用污染贡献分析法进行许可排放量分配(表3)，上游、中游、中下游3个控制单元分配的许可排放量分别为165.26，53.80，165.26 t/a，考虑区域污染特征，将许可排放量重点分配给控制单元内的点源。
表
许可排放量分配
Table 3 The allocation of ammonia nitrogen emission allowances
分配单元排口编号污染来源污染源类型影响权重β分配许可排放量Q/(t·a-1)上游单元A1南干沟源头点源0.2596.08165.26A2上游村落农灌水面源0.1869.18中游单元B1王家大湖沟点源0.0934.5953.80B2灵武市污水处理厂点源0.0519.22中下游单元C1下游村落农灌水面源0.1869.18165.26C2西大沟点源0.2076.86C3宁东能源基地点源0.0519.22
2.4.1 污染源系统控制
严格工业园区废水集中处理要求，通过配套、扩建及提标措施，实现工业园区废水处理及提标改造；加强城镇污水处理厂提标改造及配套管网建设，提高城市污水收集、处理率；建立临河村镇的生活污水收集管网，优选适宜的污水处理工艺开展乡镇生活污染控制；以减量化、无害化和资源化为原则，开展畜禽养殖场污染控制与资源化利用；实施农田节水与农灌退水污染控制，实行测土配方施肥，推广精准施肥技术和机具，因地制宜地利用生态沟渠技术进行排灌沟农灌退水净化。
2.4.2 河道水质净化与生态修复
采用排水清淤方式分段进行重点河段底泥清淤，对疏挖后的底泥进行处置与资源化利用，进行重点河段生态塘修复及曝氧。在重点河段将人工河道拓宽形成景观塘，采用推流、曝气相结合的方式进行曝氧；全面进行河道支干沟生态堤岸整治，清除人为干扰，修复坍塌与破损河道堤岸，种植本地速生植物；将入黄口区域现有的芦苇地改造成自然湿地，净化处理部分入黄河水。
2.4.3 水量保障与优化
根据支沟水质、水量情况对支沟闸门的排水时间和排水量进行支沟水量优化与调控；进行河道水动力优化联通，形成“循环通畅、蓄泄兼筹、丰枯调剂、多源互补、调控自如”的生态水网。
2.4.4 综合管理
建立政府机制，严格环境执法监管，提升监测监控能力，加强沿河污染源及河道日常维护与管理，加强河流治理宣传及公众参与力度。
1)灵武东沟作为灵武市引黄灌区的重要通道，2014年河流水质总体处于劣Ⅴ类，
等主要污染物中以氮浓度超标最为严重，枯水期污染物高于丰水期。
2)区域污染源主要有工业、城镇居民生活、农田、农村生活和畜禽养殖，入河污染负荷为3180.91，678.85，2934.45，107.65 t/a，枯水期以工业为主的点源是重点控制污染源。
3)一维响应模型结果表明，控制单元的允许入河量为384.32 t/a，低于现状污染物入河量，需进行水环境容量分配及污染削减。
4)通过等比例分配法对水容量进行分配，并提出了“污染源系统控制-河道水质净化及生态修复-水量保障与优化-综合监管”的系统污染削减措施，以保障控制断面水质达标及河流水环境改善。
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