基于SWAT模型對武烈河流域不同水期的水環(huán)境治理項目效益分析研究

趙翠平 白 輝 趙琰鑫 韋大明 陳 巖

(環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012)

長期以來，中國的城市發(fā)展和工業(yè)布局過于密集，污染物排放相對較集中，局部水域空間內(nèi)承載了過量的污染物，超過了水資源的稀釋自凈能力，水環(huán)境受到污染[1]。《水污染防治行動計劃》[2]明確提出工作目標和治理主要指標。2015年，各省已和環(huán)境保護部簽訂水污染目標責任書，對各省的考核斷面提出一定的要求?？己藬嗝娴乃|(zhì)是否能達標，如果不達標，需要哪些水環(huán)境治理項目，成為目前的研究課題之一。大部分的環(huán)境效益分析側(cè)重社會經(jīng)濟，水環(huán)境本身的效益分析較少。本研究考慮多種環(huán)境要素的綜合效益，研究流域水環(huán)境效益凈值，為地方水環(huán)境管理提供數(shù)據(jù)支持。

灤河作為京津水源地水源涵養(yǎng)重要區(qū)，生態(tài)環(huán)境直接關系京津地區(qū)水源安全[3]。武烈河是承德市“母親河”，屬灤河重要支流，地處國家重點流域水污染防治“十二五”規(guī)劃的水質(zhì)維護型單元，水質(zhì)目標的完成關系海河流域和河北省水污染防治總體目標的實現(xiàn)。本研究以武烈河作為研究對象，從保障水環(huán)境安全出發(fā)、以水質(zhì)達標為目的，定量分析區(qū)域不同水期的水環(huán)境效益，并提出水環(huán)境承載調(diào)控的若干意見和建議。

1 研究區(qū)域概況

武烈河流域位于華北平原東北部、灤河中游，是海河水系灤河流域一級支流，屬承德市境內(nèi)河流。流域涉及承德市雙橋區(qū)、承德縣和隆化縣，地理位置介于東經(jīng)117°42′～118°26′、北緯40°53′～41°42′[4]。武烈河發(fā)源于圍場縣道至溝，流經(jīng)雙峰寺鎮(zhèn)后縱貫承德市雙橋區(qū)，至大石廟鎮(zhèn)雹神廟村匯入灤河，干流全長114 km，流域面積2 580 km2。流域平均年徑流量2.172 4億m3，降水年內(nèi)分布不均勻，連續(xù)最大4個月降水量出現(xiàn)在每年的5—8月，占年降水量的80%以上。流域上游主要有興隆河、鸚鵡河、玉帶河3條支流，呈扇形分布，其中興隆河主河道長19 km，流域面積241 km2；鸚鵡河主河道長70 km，流域面積765 km2；玉帶河主河道長55 km，流域面積727 km2。流域內(nèi)污染源以城鎮(zhèn)生活排污和畜禽養(yǎng)殖排污為主，工業(yè)企業(yè)排污較少。流域概況具體見圖1，其中DEM為數(shù)字高程模型。

圖1 流域概況Fig.1 The overview diagram of basin

2 數(shù)據(jù)來源

本研究中，SWAT模型所用的流域地理數(shù)據(jù)包括：中國科學院數(shù)據(jù)應用中心的STRM 90 m的DEM、1∶100 000土地利用圖和1∶1 000 000土壤圖。圖形庫中所有地圖的投影、坐標系統(tǒng)一設置，采用高斯克魯格投影，北京1954坐標系，單位為m。此外，數(shù)據(jù)還包括從中國氣象科學數(shù)據(jù)服務網(wǎng)下載的承德氣象站2000—2012年的日最高溫、日最低溫、日平均溫、降水量、相對濕度、風速等氣象數(shù)據(jù)，以及承德(二)站2000—2012年的流量、泥沙數(shù)據(jù)。水質(zhì)采用高寺臺和雹神廟兩個水質(zhì)監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)。污染物排放量數(shù)據(jù)根據(jù)《2012年承德市環(huán)境統(tǒng)計年鑒》[5]、《“十二五”主要污染物總量減排核算細則》[6]和實際調(diào)查等進行確定。

3 研究方法

在流域模型效應中，很多環(huán)境要素都起到了作用，相互作用所得的共同效應就是超過各因子單獨作用時效應之和的那部分效應。這種方法符合尋求最大凈效應值的最佳方案原則和邊際理論。以兩要素為例，相互作用后的水文要素效應應滿足式(1)。

W≥WS=WSI+WSA

(1)

式中：W為I因子綜合作用所增加的效應；WS為A因子單獨作用下分別產(chǎn)生的效應之和；WSI為I因子單獨產(chǎn)生的效應；WSA為A因子單獨產(chǎn)生的效應。

其中，W=WS的機遇極少，經(jīng)常遇到的情況是W≠WS。兩者之差就是共同作用的水文要素效應(WC)，需要合理分攤的也正是這部分效應，即：

WC=W-WS

(2)

兩者共同作用的水文要素應按照某單個變化因子最后改變的效應與所有改變一個因子后再改變另一變化因子增加的效應之和的比值進行分攤，并將所得共同效應分攤值加上單因子單獨作用的效應作為該因子的全部效應。即：

WI=WSI+WCI

(3)

WA=WSA+WCA

(4)

WC=WCI+WCA

(5)

(6)

(7)

式中：WI、WA分別為綜合分攤后I、A因子的效應；WCI、WCA分別為共同作用的效應分攤在I、A因子上的效應；WAI為A因子變化情況下產(chǎn)生的效應增加值；WIA為I因子變化情況下產(chǎn)生的效應增加值。

4 水環(huán)境治理項目清單

本研究中的水環(huán)境治理項目清單來自《承德市武烈河流域水污染防治規(guī)劃》，通過初步篩選，選擇20個工程項目，涉及7個畜禽養(yǎng)殖污染防治項目、7個城鎮(zhèn)生活污染治理項目和6個農(nóng)村面源污染治理項目，具體見表1。

5 結(jié)果分析與討論

根據(jù)流域不同治理項目，分別計算各工程在不同水期對流域出口雹神廟斷面的COD和氨氮質(zhì)量濃度的降低值，以此表征斷面水質(zhì)改善程度，結(jié)果見表2和圖2。由表2和圖2可見，水環(huán)境治理項目建設對考核斷面水質(zhì)的改善情況在不同水期存在一定的差異性，與水文條件有關。豐水期的COD和氨氮是枯水期的2～16倍，是平水期的1～3倍；平水期的COD和氨氮是枯水期的1～8倍。在枯水期，畜禽養(yǎng)殖污染防治和農(nóng)村面源污染治理與城鎮(zhèn)生活污染治理相比，水質(zhì)改善程度相對較?。辉谄剿?，對雹神廟斷面COD和氨氮的改善貢獻程度是城鎮(zhèn)生活污染治理項目>農(nóng)村面源污染治理項目>畜禽養(yǎng)殖污染防治項目；在豐水期，對雹神廟斷面COD和氨氮的改善貢獻程度是農(nóng)村面源污染治理項目>城鎮(zhèn)生活污染治理項目>畜禽養(yǎng)殖污染防治項目?？梢姡谪S水期，農(nóng)村面源污染是治理重點，而農(nóng)村面源污染中農(nóng)田種植面源污染對斷面水質(zhì)影響總體最大。

表1 水環(huán)境治理項目清單

表2 水環(huán)境治理項目在不同水期的COD和氨氮改善程度

圖2 武烈河不同水期水環(huán)境治理項目對COD和氨氮的改善Fig.2 The ability of water environment governance projects to improve quality of COD and ammonia nitrogen in Wulie river basin in different stage

控制單元代碼控制單元名稱范圍A1茅荊壩鄉(xiāng)水土涵養(yǎng)功能單元茅荊壩鄉(xiāng)A2荒地鄉(xiāng)種養(yǎng)循環(huán)推廣單元荒地鄉(xiāng)B1磴上鄉(xiāng)和三家鄉(xiāng)農(nóng)村生活污染治理單元磴上鄉(xiāng)、三家鄉(xiāng)B2兩家鄉(xiāng)和崗子鄉(xiāng)畜禽養(yǎng)殖污染防治單元兩家鄉(xiāng)、崗子鄉(xiāng)B3章吉營鄉(xiāng)和七家鎮(zhèn)典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)治理單元章吉營鄉(xiāng)、七家鎮(zhèn)、中關鎮(zhèn)(部分)C1頭溝鎮(zhèn)礦山生態(tài)恢復治理單元頭溝鎮(zhèn)C2韓麻營鎮(zhèn)和中關鎮(zhèn)礦企治理能力提升與支流生態(tài)恢復單元韓麻營鎮(zhèn)、中關鎮(zhèn)(部分)C3高寺臺鎮(zhèn)礦區(qū)治理與礦企環(huán)境治理單元高寺臺鎮(zhèn)D1雙峰寺鎮(zhèn)水庫周邊生活污染治理與生態(tài)農(nóng)業(yè)示范單元雙峰寺鎮(zhèn)D2水泉溝鎮(zhèn)和獅子溝鎮(zhèn)城鄉(xiāng)結(jié)合部治理單元水泉溝鎮(zhèn)、獅子溝鎮(zhèn)D3城區(qū)環(huán)境治理能力提升單元中華和新華路街口、牛圈子溝鎮(zhèn)、大石廟鎮(zhèn)

中國流域水環(huán)境管理將逐漸由粗放式的行政管理轉(zhuǎn)向以控制單元為載體的精細化管理。為了強化質(zhì)量目標管理，實現(xiàn)流域考核斷面水質(zhì)改善，建立武烈河流域控制單元的污染治理項目與出口斷面水質(zhì)達標間的響應關系。武烈河流域的控制單元劃分情況見表3。各控制單元水環(huán)境治理項目在不同水期對COD和氨氮的改善見表4。

武烈河干流源頭的控制單元A1內(nèi)無任何水環(huán)境治理項目，鸚鵡河源頭的控制單元A2涉及農(nóng)村面源污染治理，這兩個控制單元水質(zhì)現(xiàn)狀為《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅱ類，其水環(huán)境治理項目的建設在全年對出口斷面水質(zhì)改善貢獻幾乎沒有，但是這兩個控制單元卻是生態(tài)重點維護單元。

控制單元B1和B2只涉及畜禽養(yǎng)殖污染防治項目和農(nóng)村面源污染治理項目兩類，與出口斷面間的距離相對較遠，除豐水期外，對其他水期斷面的水質(zhì)改善作用較小。

控制單元B3、C1、C2、C3和D1包含了畜禽養(yǎng)殖污染防治項目、城鎮(zhèn)生活污染治理項目和農(nóng)村面源污染治理項目，與平水期和枯水期相比，豐水期內(nèi)水環(huán)境治理水質(zhì)改善效果較明顯；控制單元C1的水環(huán)境治理作用不是很明顯，可能與玉帶河上游來水量有關；控制單元B3和控制單元C2的農(nóng)村面源污染治理較明顯，主要與種植面源的有效治理有關。控制單元D1城鎮(zhèn)生活污染治理和農(nóng)村面源污染治理對水質(zhì)改善效果較明顯。

控制單元D2和D3無畜禽養(yǎng)殖污染防治項目，城鎮(zhèn)生活污染治理項目對水質(zhì)改善效果要好于農(nóng)村面源污染治理項目。

由此可見，出口斷面水質(zhì)達標，各控制單元的治理側(cè)重點也不同。

6 結(jié) 論

(1) 水環(huán)境治理對考核斷面水質(zhì)的改善情況，在不同水期存在一定的差異性。豐水期的COD和氨氮是枯水期的2～16倍，是平水期的1～3倍；平水期的COD和氨氮是枯水期的1～8倍。在枯水期，畜禽養(yǎng)殖污染防治和農(nóng)村面源污染治理與城鎮(zhèn)生活污染治理相比，水質(zhì)改善程度相對較小；在平水

表4 各控制單元水環(huán)境治理項目在不同水期對COD和氨氮的改善

期，對雹神廟斷面COD和氨氮的改善貢獻程度是城鎮(zhèn)生活污染治理項目>農(nóng)村面源污染治理項目>畜禽養(yǎng)殖污染防治項目；在豐水期，對雹神廟斷面COD和氨氮的改善貢獻程度是農(nóng)村面源污染治理項目>城鎮(zhèn)生活污染治理項目>畜禽養(yǎng)殖污染防治項目。

(2) 出口斷面水質(zhì)達標，武烈河流域各控制單元的治理側(cè)重點也不同。

[1] 中國科學技術協(xié)會.中國城市承載力及其危機管理研究報告[M].北京：中國科學技術出版社，2008.

[2] 環(huán)境保護部.水污染防治行動計劃[A].北京：環(huán)境保護部,2015.

[3] 李麗娟，鄭紅星.海灤河流域河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境需水量計算[J].海河水利，2000，55(4)：495-500.

[4] 秦天玲，侯佑澤，郝彩蓮，等.基于主成分分析法的武烈河流域水質(zhì)評價研究[J].環(huán)境保護科學，2011，37(6)：102-105.

[5] 承德市環(huán)境保護局.2012年承德市環(huán)境統(tǒng)計年鑒[Z].承德：承德市環(huán)境保護局，2012.

[6] 環(huán)境保護部.“十二五”主要污染物總量減排核算細則[A].北京：環(huán)境保護部，2011.