白洋淀水環(huán)境容量核算及上游容量分配

張慧，席北斗*，高如泰，姜磊，王靖飛，許其功

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

2.河北省環(huán)境科學(xué)研究院，河北石家莊 050037

白洋淀水環(huán)境容量核算及上游容量分配

張慧1，席北斗1*，高如泰1，姜磊1，王靖飛2，許其功1

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

2.河北省環(huán)境科學(xué)研究院，河北石家莊 050037

根據(jù)多年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料、設(shè)計(jì)水文條件及水質(zhì)目標(biāo)等參數(shù)，在劃分容量分配控制單元的基礎(chǔ)上，運(yùn)用淺水湖泊污染物水環(huán)境容量計(jì)算方法計(jì)算了CODCr和NH3-N的環(huán)境容量，并給出了體現(xiàn)社會(huì)性、經(jīng)濟(jì)性的水環(huán)境容量分配方案，采用基尼系數(shù)法對(duì)分配方案進(jìn)行公平性評(píng)估。結(jié)果表明，白洋淀南劉莊、燒車淀、采蒲臺(tái)各區(qū)域的CODCr容量分別為2 526.8，328.5和1 430.8 t/a;NH3-N容量為155.0，73.0和255.5 t/a。白洋淀上游各控制單元指標(biāo)的基尼系數(shù)值均小于0.4，分配結(jié)果較為合理。

白洋淀;水環(huán)境容量;容量分配;CODCr削減;NH3-N削減

總量控制是改善環(huán)境質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，也是我國(guó)環(huán)境管理基本制度之一［1］。而水環(huán)境容量的估算及其在污染源區(qū)域間的分配是水污染總量控制的基礎(chǔ)和核心，是水環(huán)境治理優(yōu)化方案的決策依據(jù)，也是制定地方性、專業(yè)性水域排放標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)之一［2-3］。

陳艷霞等［4-6］分別選用枯水期、平水期、豐水期水文條件分功能區(qū)段計(jì)算了河流水環(huán)境容量。趙淑梅等［7-8］選用湖泊水污染物容量計(jì)算模型分功能區(qū)計(jì)算湖泊水環(huán)境容量，再進(jìn)行容量加和。水環(huán)境容量計(jì)算是容量總量分配的基礎(chǔ)，污染物總量控制指標(biāo)分配方法有多種［9-19］:吳悅穎等［20］用基尼系數(shù)法對(duì)全國(guó)七大流域的水污染物總量分配進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而得到合理的削減方案;錢駿等［21］基于公平與效益的原則以沱江流域?yàn)檠芯繉?duì)象研究污染物總量分配。目前，對(duì)白洋淀及上游的這種河流-湖泊組合型研究較少。筆者結(jié)合白洋淀淺水碟形湖泊的特點(diǎn)，通過對(duì)污染源的調(diào)查和水環(huán)境過程分析，按照水體功能區(qū)劃核定了白洋淀不同控制單元的水環(huán)境容量，并采用容量分配法對(duì)白洋淀上游容量進(jìn)行分配，采用基尼系數(shù)法對(duì)分配結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

1 白洋淀流域概況

1.1 自然地理

白洋淀位于河北省中部平原，地處115°38'E～116°07'E，38°43'N～39°02'N。四周以堤壩為界，東至千里堤，西至四門堤，北至新安北堤，南至淀南新堤，東西長(zhǎng)39.5 km，南北寬28.5 km，主要由大小不等的143個(gè)淀泊和3 700多條溝壑組成。該區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為524.9 mm，多年平均蒸發(fā)量為169 mm，降水具有明顯的季節(jié)性，80%的降水集中于夏季［22-23］。白洋淀是上游棄水的必然通道和受納水體，不僅對(duì)上游1 200萬人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展起著重要作用，同時(shí)也是淀區(qū)30萬人賴以生存的環(huán)境。

1.2 淀區(qū)污染源現(xiàn)狀分析

白洋淀污染源可分為淀外污染源和淀區(qū)污染源。近年來，隨著氣候干旱趨勢(shì)以及工農(nóng)業(yè)用水量的增加，白洋淀入淀河流水量減少，大多數(shù)河流已經(jīng)斷流。其中，府河作為徑流量最大的入淀河流，主要受納保定地區(qū)的生活污水和工業(yè)廢水。面源主要是隨地表徑流進(jìn)入河道或淀區(qū)的污染物，由于在75%和90%保證率下，流域內(nèi)已無地表徑流，因此面源不做統(tǒng)計(jì)。淀區(qū)污染主要指底泥釋放的污染物，以及居民生活、旅游、養(yǎng)殖等排入淀區(qū)的污染物。依據(jù)2007年污染源調(diào)查數(shù)據(jù)得出，2007年白洋淀上游CODCr和NH3-N 排放量分別為3 150 和1 770 t/a，淀區(qū)CODCr和NH3-N排放量分別為6 071和950.2 t/a。

1.3 水環(huán)境容量計(jì)算指標(biāo)的確定

根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，采用污染指數(shù)法，分平水期、豐水期、枯水期對(duì)白洋淀進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，參評(píng)指標(biāo)中除CODCr和NH3-N的單項(xiàng)污染指數(shù)接近于1外，其余指標(biāo)均未超過 GB 3838—2002的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，說明CODCr和NH3-N是白洋淀突出超標(biāo)污染物，因此，選擇CODCr和NH3-N作為白洋淀水環(huán)境容量的計(jì)算指標(biāo)。

1.4 白洋淀上游水環(huán)境控制單元及淀區(qū)污染物控制單元?jiǎng)澐?/h3>

結(jié)合白洋淀水域環(huán)境功能區(qū)劃圖、白洋淀養(yǎng)殖規(guī)劃圖、白洋淀自然保護(hù)區(qū)規(guī)劃圖，統(tǒng)籌淀區(qū)保護(hù)目標(biāo)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在Ⅴ類水體和Ⅲ類禁養(yǎng)區(qū)不做計(jì)算的基礎(chǔ)上，按照污染源分布結(jié)合功能區(qū)劃將白洋淀淀區(qū)劃分成三個(gè)控制單元(圖1):南劉莊區(qū)域(Ⅳ類功能區(qū))，容量主要是分配給白洋淀上游污染源;燒車淀區(qū)域(Ⅲ類功能區(qū))，沒有外源污染物的輸入，主要污染源為底泥，靠自身生態(tài)修復(fù);剩余部分稱作采蒲臺(tái)區(qū)域(Ⅲ類功能區(qū))，容量分配給淀內(nèi)生活源和水產(chǎn)養(yǎng)殖。

圖1 白洋淀淀區(qū)污染物控制單元?jiǎng)澐諪ig.1 Division of the pollutant control units in Baiyangdian

依據(jù)白洋淀水功能區(qū)劃及生態(tài)保護(hù)區(qū)劃管理規(guī)定，統(tǒng)籌環(huán)境功能與行政區(qū)劃及流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，將白洋淀上游流域劃分為保定市控制單元、金線河控制單元、黃花溝控制單元、滿城控制單元、漕河清徐控制單元、府河面源控制單元、漕河滿城控制單元(圖2)。

圖2 白洋淀上游控制單元?jiǎng)澐諪ig.2 Division of control units in Baiyangdian upstream

2 研究方法和材料

2.1 水環(huán)境容量計(jì)算模型

湖泊水環(huán)境容量包括稀釋容量、自凈容量和遷移容量。在湖泊水環(huán)境系統(tǒng)中，其水位、補(bǔ)給和排泄流量、污染物濃度、降解系數(shù)等都具有一定的不確定性，所以湖泊水環(huán)境容量難以準(zhǔn)確地用一個(gè)數(shù)值來表示。通常，在假設(shè)湖水完全混合的條件下，淺水湖泊污染物水環(huán)境容量的計(jì)算模型為:

式中，W為湖泊水環(huán)境容量，即污染物允許排入量，t/d;Δt為枯水期天數(shù)，d;CS為污染物的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值，mg/L;C0為污染物的起始濃度，mg/L;V為湖泊安全體積，一般取枯水期平均庫(kù)容，m3;q為在安全庫(kù)容期間從湖泊中排泄出的流量，m3/d;K為綜合衰減系數(shù)，s-1。

式(1)右邊三項(xiàng)分別為稀釋容量、自凈容量和遷移容量。按照GB 3838—2002根據(jù)白洋淀水功能區(qū)劃，CODCr和 NH3-N的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為20和1 mg/L，Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為30和1.5 mg/L。

2.2 模型參數(shù)確定

2.2.1 衰減系數(shù)

在進(jìn)行水環(huán)境容量的計(jì)算過程中，關(guān)鍵的一步是準(zhǔn)確確定模型參數(shù)。模型參數(shù)的準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到水環(huán)境容量的結(jié)果。采用污染物在控制單元中的濃度與間隔時(shí)間的響應(yīng)關(guān)系，推算出各控制單元污染物衰減系數(shù)。

式中，Ca為a月濃度，mg/L;Cb為b月濃度，mg/L;C排入為排入污染物濃度，m3/d;Qa為 a月的水量，m3/d;Q蒸發(fā)為蒸發(fā)量，m3/d;Q排入為排入的水量，m3/d;t為間隔時(shí)間，d。

衰減系數(shù)的計(jì)算結(jié)果表明，在南劉莊、燒車淀和采蒲臺(tái)控制單元CODCr的衰減系數(shù)分別為0.01、0.001和0.001;NH3-N的衰減系數(shù)分別為 0.02、0.01和0.01(表1)。

表1 污染物衰減系數(shù)Table 1 Pollutants attenuation coefficients

2.2.2 設(shè)計(jì)流量

根據(jù)近16年白洋淀水位統(tǒng)計(jì)分析，90%保證率蓄水條件下水位7.04 m;75%保證率蓄水條件下水位7.44 m;根據(jù)白洋淀最低生態(tài)水位分析結(jié)果，白洋淀最低生態(tài)水位為7.3 m［24］。采用90%保證率最枯月平均流量，由于白洋淀基本沒有排放出的水流量，故遷移容量可忽略不計(jì)，即q為0。

2.3 水環(huán)境容量分配方法

2.3.1 分配模型

水環(huán)境容量的分配應(yīng)把握公平原則，充分反映水環(huán)境容量分配的社會(huì)性、經(jīng)濟(jì)性和歷史性，以保證實(shí)際的可操作性。分配中考慮各分配單位的GDP產(chǎn)值體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性;以各分配單位所承載的非農(nóng)業(yè)人口作為社會(huì)因子參與到分配中;同時(shí)尊重歷史，考慮各分配單位對(duì)流域的污染貢獻(xiàn)率。其分配模型如下:

式中，Wn為第n個(gè)分配單位分配到的水環(huán)境容量，t/a;Sn為第n個(gè)分配單位利用水環(huán)境資源的社會(huì)效益系數(shù)，%;Sn'為第n個(gè)分配單位的非農(nóng)業(yè)人口，人;En為第n個(gè)分配單位利用水環(huán)境資源的經(jīng)濟(jì)效益系數(shù)，%;En'為第n個(gè)分配單位的年GDP產(chǎn)值，萬元;Dn為第n個(gè)分配單位當(dāng)前的污染貢獻(xiàn)率，%;Dn'為第n個(gè)分配單位當(dāng)前的污染物排放量，t/a;α1，α2，α3為各指標(biāo)權(quán)重。

2.3.2 分配結(jié)果評(píng)估方法

基尼系數(shù)(Gini)有多種求法，采用梯形面積法，將洛倫茨曲線下方的面積近似為若干梯形進(jìn)行計(jì)算，公式為:

式中，Xi為評(píng)估指標(biāo)的累積比例，%;Yi為污染物的累積比例，%;i為分配對(duì)象數(shù)量。

根據(jù)式(4)分別計(jì)算各控制單元對(duì)研究區(qū)域的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境貢獻(xiàn)率，分別繪制人口、GDP的累積所占比例與水污染物(CODCr、NH3-N)排放量累積所占比例的洛倫茨曲線，計(jì)算基尼系數(shù)。經(jīng)濟(jì)學(xué)中，基尼系數(shù)低于0.2表示絕對(duì)平均;基尼系數(shù)為0.2～0.3表示比較平均;基尼系數(shù)為0.3～0.4表示相對(duì)合理;基尼系數(shù)為0.4～0.5表示差距較大;基尼系數(shù)大于0.5表示差距懸殊［14］。本研究中的基尼系數(shù)為0.2～0.4，屬于合理范圍，基尼系數(shù)等于0.4是警戒值，若高于0.4則應(yīng)對(duì)該因素的基尼系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使總量分配在公平原則基礎(chǔ)上趨向均衡。

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)果

3.1.1 水環(huán)境容量及削減量

將各控制單元的污染物背景濃度、水文參數(shù)設(shè)計(jì)值、污染物降解系數(shù)代入式(1)中，計(jì)算得到7.3 m水位下白洋淀各控制單元的CODCr和NH3-N水環(huán)境容量，再根據(jù)各控制單元污染物的排放量計(jì)算其在該區(qū)域的削減量及削減率，結(jié)果見表2。

表2 CODCr和NH3-N的水環(huán)境容量及削減量Table 2 CODCrand ammonia nitrogen water environmental capacity and cut quantity

由表2可見，在7.3 m水位下，不同分配功能區(qū)劃執(zhí)行水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，南劉莊、燒車淀和采蒲臺(tái)控制單元的 CODCr容量分別為2 526.8，328.5和1 430.8 t/a，采蒲臺(tái)控制單元的削減量最大，削減率達(dá)到76%;NH3-N容量分別為155.0，73.0和255.5 t/a，與現(xiàn)狀排放量相比，南劉莊和燒車淀控制單元的削減率大于80%。

3.1.2 容量分配結(jié)果

根據(jù)白洋淀容量估算結(jié)果，將南劉莊區(qū)域的容量分配給白洋淀上游的各控制單元，由于在7.3 m水位下白洋淀很難形成徑流，所以面源污染可忽略不計(jì)［25-26］，府河面源控制單元不作分配。綜合考慮各污染源所承載的就業(yè)人口、產(chǎn)業(yè)的GDP產(chǎn)值以及對(duì)河流污染的貢獻(xiàn)率，污染物排放量大且社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益高的企業(yè)較其他企業(yè)可以獲得更多的水環(huán)境容量，但是由于這些企業(yè)當(dāng)前的排污量已經(jīng)超過分配得到的水環(huán)境容量，因而需要對(duì)當(dāng)前的排污量進(jìn)行削減(表3)。

3.1.3 分配結(jié)果公平性評(píng)估

以白洋淀上游(南劉莊)人口與CODCr、GDP與CODCr為例，分別繪制人口、GDP累積所占比例與CODCr排放量累積所占比例(表4和表5)的洛倫茨曲線(圖3和圖4)，計(jì)算基尼系數(shù)。在繪制曲線時(shí)，應(yīng)注意按單位排放量從小到大為分配對(duì)象排序。

用同樣的方法計(jì)算得人均NH3-N排放量洛倫茨曲線和單位GDP氨氮洛倫茨曲線，得到基尼系數(shù)如表6。從表6可以看出，基尼系數(shù)最小值為0.192，最大值為0.392，均小于0.4，在界定的公平范圍內(nèi)，故上述分配方案對(duì)于流域各控制單元而言是較公平的。

表3 白洋淀上游容量分配結(jié)果Table 3 Allocation results of Baiyangdian upstream

表4 各控制單元人均CODCr排放量排序及所占比例Table 4 Per capita CODCrdischarge load of control unit taxis and percentage statistics

表5 各控制單位GDP的CODCr排放量排序及所占比例Table 5 GDP and CODCrdischarge load of control unit taxis and percentage statistics

表6 各指標(biāo)的基尼系數(shù)Table 6 The Gini coefficient of each index

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)白洋淀污染現(xiàn)狀的研究可知，白洋淀水質(zhì)污染總體呈下降趨勢(shì)。南劉莊、燒車淀、采蒲臺(tái)水環(huán)境容量核算結(jié)果:CODCr容量分別為2 526.8，328.5和1 430.8 t/a，采蒲臺(tái)區(qū)域的削減量最大，削減率達(dá)到76%;NH3-N容量分別為155.0，73.0和255.5 t/a，與現(xiàn)狀排放量相比，南劉莊和燒車淀區(qū)域的削減率大于80%。絕大多數(shù)污染物排放量均超過水環(huán)境容量，現(xiàn)狀水質(zhì)已達(dá)不到水環(huán)境功能區(qū)劃要求。

(2)以白洋淀上游各控制單元內(nèi)人口、GDP作為指標(biāo)，采用基尼系數(shù)法對(duì)分配結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，各指標(biāo)基尼系數(shù)均小于0.4，分配方案對(duì)各控制單元的經(jīng)濟(jì)和人口而言是較為公平的。黃花溝控制單元CODCr的削減率(28.07%)最大，金線河控制單元NH3-N削減率(86.74%)最大，白洋淀上游府河污水處理廠為削減大戶。

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Water Environmental Capacity Accounting and Upstream Capacity Allocation of Baiyangdian Lake

ZHANG Hui1，XI Bei-dou1，GAO Ru-tai1，JIANG Lei1，WANG Jing-fei2，XU Qi-gong1
1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
2.Hebei Research Academy of Environmental Sciences，Shijiazhuang 050037，China

According to years of water quality monitoring data，designed hydrologic conditions and parameters such as water quality targets，and based on division of the control unit of distributed capacity，the capacities of chemical oxygen demand(CODCr)and ammonia nitrogen(NH3-N)were calculated using the method of pollutant capacity estimation in shallow lakes.The water environmental capacity allocation strategies reflecting social and economic features were given and their fairness evaluated using Gini coefficient.The results showed that the capacity of CODCrin Nanliuzhuang，Shaochedian and Caiputai was 2 526.8，328.5 and 1 430.8 t/a，respectively，and the capacity of ammonia nitrogen was 155.0，73.0 and 255.5 t/a，respectively.The Gini coefficients of the control units in the upstream of Baiyangdian Lake were all smaller than 0.4 and the allocation strategies were relatively rational.

Baiyangdian Lake;water environmental capacity;capacity allocation;CODCrreduction;ammonia nitrogen reduction

X524

A

10.3969/j.issn.1674-991X.2012.04.049

1674-991X(2012)04-0313-06

2011-12-21

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2008ZX07209-007)

張慧(1984—)，女，助理工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樗h(huán)境管理，zhanghuiguom@163.com

*責(zé)任作者:席北斗(1969—)，男，研究員，博士，主要研究水環(huán)境信息管理，xibeidou@263.net