基于非點源污染的密云水源保護區水環境容量核算及其分配*

付 可，胡艷霞，謝建治

(1.河北農業大學資源與環境學院，保定 100072； 2.北京市農林科學院北京草業與環境研究發展中心，北京 100097)

·研究報告·

基于非點源污染的密云水源保護區水環境容量核算及其分配*

付 可1，胡艷霞2※，謝建治1

(1.河北農業大學資源與環境學院，保定 100072； 2.北京市農林科學院北京草業與環境研究發展中心，北京 100097)

根據密云水庫一級保護區內河流、水文、污染物特征，采用輸出系數法模型進行研究區非點源污染負荷估算，并以COD、氨氮和總磷為控制因子，建立一維河流水質模型，定量計算研究區水環境容量，在此基礎上，對研究區水環境剩余容量及污染排放削減量進行分配。結果表明：研究區非點源污染負荷輸出總值分別COD433.84t/a、氨氮47.14t/a和總磷40.75t/a， 4種非點源污染類型中畜禽養殖的COD、氨氮和總磷分別占各項總污染負荷的78.6%、60%、87.1%，成為保護區內主要的污染來源，水土流失污染、農村生活污水依次之，民俗旅游的污染負荷貢獻率最低； 污染源類型中，生活和民俗旅游污水則主要造成COD污染，而水土流失主要引起氨氮和總磷污染。保護區內COD、氨氮和總磷的水環境容量分別為3170.36t/a、128.20t/a、25.27t/a，相較于污染負荷，水環境容量偏小。其中，總磷的污染風險最大，其環境剩余容量達到負值，應對其進行總量15.48t/a的削減。秉承公平和效益原則，總磷排放量削減分配中，畜禽養殖、生活污水、民俗旅游、水土流失各污染源的削減比例分別為44.26%、10.83%、40.90%、6.15%； 氨氮的水環境剩余容量分配中，畜牧養殖的分配量最小、分配比例最低(14.16t、49.85%)； 畜牧養殖成為研究區內重點削減和控制的污染源。基于非點源污染的水環境容量計算及其分配研究可為保護區水環境控制管理與污染防治提供科學依據與決策支持。對加強密云水庫飲水源保護，控制上游污染源，保證水質安全，確保北京市民人體健康和經濟發展具有重要意義。

密云水庫 水環境容量 非點源污染 氨氮 總磷 污染排放削減 分配

0 引言

水源保護區，是落實國務院《關于環境保護若干問題的決定》的重要措施，對強化城市環保整治、保障人民身體健康具有迫切的現實性和長遠意義，并且是我國對飲用水水源進行法律保護的最強手段[1]。我國在水資源開發利用方面存在若干問題，應加強水資源的統一管理和優化配置[2， 3]。水環境容量指在一定的水質目標下，保持水功能用途的前提下，水體對于排放其中的污染物具有的容納能力，是滿足水質標準的最大允許污染負荷量[4]。水環境容量反映了水環境容納污染物的特性，是水環境自我維持、自我調節能力的反映[5， 6]。水環境容量的量化計算，可為水域污染治理和保護提供決策支撐。隨著工業污染源的有效控制，在世界范圍內，非點源污染已經成為水環境的重要甚至首要原因。量化流域內非點源污染以確定污染的重點控制區域，是進行非點源污染管理的主要途徑[7]，而水環境容量的核算及其在污染源之間的分配，成為控制水污染總量的核心。

近年來，非點源污染對水源保護區污染的貢獻率日益加大。相關研究表明，密云水源一級保護區水體污染主要以非點源污染為主[8-10]，包括畜禽養殖排泄物所帶來的養分流失，不合理的土地利用及耕作方式所造成的養分流失、表土損失，生活垃圾和污水排放等所造成的污染。研究區內非點源污染的水環境容量和污染排放削減分配鮮有研究。為確保北京市人民群眾飲水安全以及保護區的可持續發展，通過建立合適的非點源污染負荷輸出模型和水環境容量模型，從公平和效益的角度出發，選擇針對非點源污染水環境容量和污染削減的估算方法，對密云水源一級保護區非點源污染和水環境容量進行計算，并且對水環境容量與污染負荷進行對比分析，以及對研究區內水環境剩余容量和污染削減總量進行分配，進而找出密云水源一級保護區污染物排放總量控制的有效方法，為保護區水環境管理以及水污染治理工作提供科學依據和相應策略。

1 材料和研究方法

1.1 研究區概況

密云水庫位于京郊密云縣城北部山區，距首都北京約100 km，興建于1958年9月， 1959年汛期攔洪， 1960年基本建成。最大蓄水量為43.75億 m3，最大水面面積188 km2，是華北地區第一大水庫[11]。1995年，北京市頒布實施了《北京市密云水庫懷柔水庫和京密引水渠保護管理條例》，其中，將密云水庫環庫公路以內(蕎麥峪西側至口門子村、城子以南至黃土洼以北、前保峪嶺至老爺廟背水一側及鯰魚溝南背水一側劃定的區域除外)，包括內湖區及環庫公路以外由市人民政府劃定的近水地帶劃分為一級保護區。保護區涵蓋了7個鄉鎮46個行政村， 2010年底總人口為5.3009萬人， 2.5034萬戶，保護區內居民以農業人口為主，產業結構以畜牧業為主，工業不發達，主要為制衣業和電子工業，污染少。資料顯示，密云水庫上游村莊村鎮基礎設施比較薄弱，無污水處理和排放設施，密云水庫一級保護區內46個村莊幾乎都安裝了污水處理設施，但運行的比較少，生活污水大都沒有經過處理，加之近年，密云水庫水量大幅減少，水面面積縮減為84 km2，使得水庫水環境容量降低。

密云水庫一級保護區河流屬于潮白河水系，潮白河水系共有13條河流，包括潮河、白河兩大干流，其中潮河支流6條：安達木河、牤牛河、紅門川河、清水河、湯河、龍潭溝河，白河支流5條：白馬關河、蛇魚川河、西沙河、九道灣、對家河。研究區范圍內主要有3條河流，分別為潮河、清水河(潮河水系)和白河(白河水系)。

1.2 數據來源

文中以北京密云一級水源保護區為研究對象，根據密云水源地一級保護區實地調研及區內7個鄉鎮的3年(2008～2010年)統計資料以獲得數據，水質標準根據《地面水環境質量標準》(GB 3838-2002)其他數據取自密云縣統計資料、密云統計年鑒、密云水庫入庫河流水質監測資料、《密云縣水資源綜合規劃》、中國環境規劃院在《全國地表水水環境容量核定技術復核要點》(2004年)。

1.3 模型建立

以COD、氨氮和總磷為主要污染因子，采用輸出系數法模型對研究區非點源污染負荷進行估算； 同時，根據保護區水文特征、水質現狀及水質目標，選取模型并計算密云水源地一級保護區水環境容量。

1.3.1 非點源污染負荷計算模型

為避免非點源污染產生和遷移過程的重復計算，采用輸出系數法模型，該方法適用于以流域為單元的長期年均負荷估算[12]。因此，密云水源保護區內畜禽排泄污染、生活廢水污染、民俗旅游廢水污染和水土流失污染四種非點源污染源類型的污染負荷估算，是以流域為單元的長期年均污染負荷，其中不再考慮汛期與非汛期的非點源污染物入庫差異。計算公式如下：

(1)

式中，L為污染物流失總量，kg； Ei為流域內不同類型污染物輸出系數，即單位面積或每頭(只)畜禽、人均生活污染的污染物年輸出量，kg/km2/a； Ai為第i類土地利用類型的面積或第i種牲畜數量、人口數量，km2、頭(只)或人； Ii為單位面積或每頭(只)畜禽糞便、人均生活污染的第i種污染源污染物量，kg； p為降雨輸入的污染物量，kg。文中忽略降雨輸入的污染物量。

1.3.2 水環境容量計算模型建立

為使計算簡易明了，對一級保護區3條主要入庫河流及水庫進行系統簡化，如圖1，假設入境點處河流污染物濃度為該污染物的本底濃度C0，水體在流經一級區河道過程中，污染物沿河道分別排入3條河流，使得河流中污染物濃度增加，到達入庫點處污染物濃度為C(C指水庫水質標準)，當且僅當C小于等于該物質的水質標準值Cs時，即可認為能夠保障一級區內整體水域水質符合水質標準要求。因此，用入庫河流的水環境容量代表一級區水環境容量。

密云水源一級保護區內3條入庫河流屬淺河段，且水量補給少、水流穩定，同時污染物能夠在較短時間內基本混合均勻，符合一維水質模型的計算要求，故采用一維河流水環境容量計算模型進行一級區水環境容量核算[13]。文中以COD、氨氮和總磷為水質指標，其中，COD和氨氮為易降解物質，故其水環境容量考慮稀釋容量和自凈容量兩部分[14]，模型見公式2

(2)

式中，W1為河段內COD和氨氮的水環境容量，kg/d； Cs為水環境質量標準； C0為河段背景斷面污染物濃度，mg/L； K為污染物降解系數， 1/d； L為河段長度，km； u為河流流速，m/s； Q為河段控制斷面平均流量，m3/s。

另外，總磷為難降解無機物質，故其水環境容量只考慮稀釋容量，具體公式如下：

W2=31.54×(CS-C0)×Q

(3)

式中，W2為河段內總磷的水環境容量，t/a； 其它參數含義同上。

1.3.3 保護區水環境剩余容量及其污染排放削減量的源分配方法[15]

依照公平和效益原則，統籌兼顧保護區的經濟發展、環境保護和社會效益，從研究區內生活人數或者各類污染源所承載的就業人數和所產生的國民生產總值GDP，以及各污染源對保護區污染的貢獻率3個角度，制定出研究區各污染源水環境剩余容量和排放削減量的分配方案。

(1)水環境剩余容量分配方法

生活類與生產類污染源之間的分配，計算公式為：

(4)

WECd=WEC-WECp

(5)

式中，WECp為生產類污染源分配到的剩余水環境容量，t； WEC為研究區水環境剩余容量，%； p為生產類污染源的社會效益系數，%； Pp為生產類污染源所承載的就業人數，人； P為研究區中的人口總數，人； c為生產類污染源入河量占總入河量的百分比，%； QIRp為第生產類污染源的污染物入河量，t； QIR 為研究區污染物入河總量，t。式(5)中，WECd為生活污染分配到的剩余水環境容量，t； 其他符號同上。

對生產類污染源之間的分配，用公式表示為：

(6)

式中，WECn為第n個生產類污染源分配到的剩余水環境容量，t； pn為第n個污染源的社會效益系數，%； Pn為第n個生產類污染源所承載的就業人數，人； gn為第n個生產類污染源的經濟效益系數，%； Gn為第n個生產類污染源的年GDP產值，萬元； cn為第第n個生產類污染源入河量占生產類污染源總入河量的百分比，%； QIRn為第n個生產類污染源的入河量，t； 其他符號同上。

(2)污染物質排放削減量分配方法

生活類與生產類污染源之間的分配，具體公式如下：

DQi=DQ×Si

(7)

生產類污染源之間的分配，用公式表示為：

(8)

1.4 模型參數的確定

1.4.1 污染負荷計算參數的確定

(1)畜禽污染負荷計算的各項參數，如表1所示。輸出模型結果指流域COD、氨氮和總磷的入河量，因此需要考慮入河系數對其負荷量的影響，參考相關文獻研究成果，COD、氨氮和總磷的入河系數區0.2，乘以各項污染指標的產生量作為流域畜禽養殖的入河污染負荷量[16， 17]。(數據來源于2010年實地調研和密云水庫一級區各鄉鎮統計資料)。

表1 畜禽糞尿產量及污染物平均含量

畜禽種類畜禽數量排泄物種類排泄系數(kg/a/只)糞便產生量(t/a)污染物質含量(kg/t)畜禽污染物負荷量(t/a)COD氨氮總磷COD氨氮總磷肉牛3236肉牛糞2240724931.01.71.244.92.51.7奶牛888奶牛糞9855875131.01.71.254.33.02.1肉雞447300肉雞糞4.95221445.04.85.413.70.80.5蛋雞447100蛋雞糞40.151795145.04.85.4111.36.14.3豬12022豬糞480577052.03.13.435.82.01.4羊12194羊糞4755792——4.91.4

(2)生活及旅游廢水污染參數，生活和旅游廢水水質變異大，文中綜合參考其它文獻確定污水中COD、氨氮、總磷含量分別為150 mg/L、10 mg/L和2 mg/L[18]。

另外，生活污水的產生量以80 L/d、處理率30%、入河系數采用0.5； 民俗旅游污水產生量按181 L/d計算； 2010年研究區總人口為5.3009萬，旅游接待人數6000人/d。

(3)水土流失污染負荷參數，密云水庫一級保護區不同利用類型土地面積及污染物輸出系數[19]如表2所示。

表2 不同利用類型土地面積及污染物輸出系數

土地利用類型總面積(km2)污染物輸出系數(kg/km2/a)氨氮總磷耕地21.68297.3340.60林地80.8724.121.75園地66.7362.766.83草地0.31157.4812.56

表3 一級保護區各河段流速

表4 水質目標

表5 密云水庫一級保護區河段長度及污染物濃度

1.4.2 水環境容量計算參數的確定

(1)流量，根據2011年密云縣水情統計資料，潮河、白河、清水河入庫段多年平均流量分別為4.52 m3/s、3.12 m3/s和1.5 m3/s。

(2)流速，根據河道水文、水質情況，參照相近河流流量流速經驗公式[20]，確定研究區河段流量流速關系為：u=0.2183Q0.2086，得到一級區各河段流速見表3。

(3)水質標準，密云水庫為北京市生活飲用水水源地，而研究區為水源地一級保護區，保證其對水源地的生態涵養功能，一級區水環境質量應綜合控制在國家《地面水環境質量標準》(GB3838-2002)Ⅱ類水質，具體污染物控制濃度如表4。

(4)綜合衰減系數，根據中國環境規劃院在《全國地表水水環境容量核定技術復核要點》(2004年)中提出的水質降解系數參考值，一般河流Ⅱ-Ⅲ類水質COD綜合衰減系數為0.18～0.25(1/d)，氨氮綜合衰減系數為0.15～0.20(1/d)[21]。研究區河段屬Ⅱ類水質，COD和氨氮的綜合衰減系數K分別取平均值為0.22(1/d)和0.18(1/d)。

(5)其它參數，河段長度應用ArcGIS9.2進行測量得出，斷面污染物濃度采用2006年水質監測數據，具體值見表5[22]。

2 結果分析與討論

2.1 非點源污染負荷結果與差異分析

根據相關數據和公式1計算得到密云水庫一級保護區非點源污染負荷輸出總量見表6。

(1)根據表6的非點源污染負荷估計，對研究區非點源污染負荷進行總體評價。從非點源污染負荷產生總量來看，畜禽排泄污染COD、氨氮和總磷各項污染指標的排放量均遠高于其他污染類型的輸出量，分別占各項總污染負荷的78.6%、60%、87.1%，成為保護區內主要污染來源。水土流失此次之，氨氮占26.8%，總磷占3.6%，與耿潤哲等在密云水庫流域非點源污染負荷估算及特征分析中得到的比例結果相近[23]。農村生活廢水的COD占全區COD污染的18.7%，氨氮占全區氨氮污染的11.2%，總磷占全區總磷污染的5.9%。民俗旅游廢水污染的污染負荷貢獻率最低，各項污染均未超過全區污染的4.1%。

(2)從非點源污染貢獻類型來看，生活和旅游廢水主要造成COD污染，由于該地區經濟的發展以及保護區內部分地區城郊化的加快，帶動旅游業的增長，促進人們生活水平的提高，因此導致了農村生活和旅游業污染源所產生的負荷量比例較高； 而水土流失則主要造成氨氮和總磷污染。

表7 密云水庫一級保護區不同土地利用類型非點源污染負荷輸出值

污染負荷輸出量土地利用類型耕地林地園地草地合計COD(t/a)—————氨氮(t/a)6.451.944.190.0512.63總磷(t/a)0.880.140.460.0041.484

表8 密云水庫一級保護區各指標水環境容量

表9 密云水庫一級保護區非點源污染負荷輸出總量與其環境容量的對比

COD氨氮總磷污染物輸出總量(t/a)433.8447.1440.75水環境容量(t/a)3170.36128.2025.27環境剩余容量*(t/a)2736.5281.06-15.48環境容量剩余比重(%)86.3163.23-61.26

其中，水土流失污染不同土地類型污染負荷輸出不同，其具體污染負荷輸出值，如表7。

由表7可以看出，水土流失主要造成氨氮、總磷污染，且土地利用類型對水土流失污染負荷輸出的影響明顯。耕地和園地的氨氮、總磷的輸出量分別是6.54t/a、0.88t/a和4.19t/a、0.46t/a，分別占水土流失氨氮、總磷污染負荷總量的51%、59.3%和33.2%、31%，成為水土流失中主要污染來源； 其次是林地，所占比例分別為15.36%和9.43%； 而草地僅為0.4%和0.27%，結果與調查過程中保護區內土地經營模式相一致。

2.2 水環境容量結果與分析

根據相關數據和公式2、3，得出密云水庫一級保護區不同河段各指標的水環境容量，如表8。

研究區水環境容量為3條河段水環境容量的總和，其中，COD、氨氮和總磷的水環境容量分別為3170.36t/a、128.20t/a、25.27t/a。表明，為了使密云水庫達到飲用水源地的水質控制目標(即Ⅱ類水質標準要求)，每年由水源地一級保護區進入水庫的污染物量必須不能超過以上的限制。

此外，保護區內旅游業與農業的發展，加劇對水資源的需求，致使水資源緊張程度加強，水環境容量降低。

2.3 污染負荷輸出總值與水環境容量的對比分析

密云水源一級保護區COD、氨氮、總磷的污染負荷輸出總量與其環境容量的對比情況見表9。

圖2 密云水庫一級保護區非點源污染負荷輸出總量所占其環境容量比例

由表9、圖2可以看出，一級保護區內COD、氨氮和總磷的輸出總量分別為433.84t/a、47.14t/a和40.75t/a，所占其水環境容量比例為13.69%、36.77%和161.26%。進而得出COD、氨氮和總磷存在2736.52t/a、81.06t/a和-15.48t/a的剩余容量。不同污染物水環境剩余容量比重大小依次為COD﹥氨氮﹥總磷，總磷的污染風險最大，其污染負荷在Ⅱ類水標準下已無可利用環境容量，需要對其中的15.48t/a進行削減，與王靜進行的密云水庫水體中總磷遷移轉化機理及其承載能力研究中得出結論：按Ⅱ類水質標準計算，水庫水體中總磷已無剩余承載能力的觀點一致[24]。其次是氨氮，剩余容量為81.06t/a，COD的水環境剩余容量較大，為736.52t/a。

2.4 保護區水環境容量和排放削減量分配估算

表10 密云水庫一級保護區氨氮水環境剩余量與總磷排放消減量分配

污染源類型氨氮總磷水環境剩余容量允排增加比例(%)削減量(t/a)削減比例(%)削減后排放量(t/a)畜禽養殖14.1649.85%-14.444.26%20.80生活污水34.05640.03%-0.2610.83%2.16民俗旅游4.38554.16%-0.7340.90%0.92水土流失28.47225.45%-0.096.15%1.39總計81.06171.96%-15.4837.99%25.27

在一定的水質標準范圍內，把水環境容量和排放削減量合理分配至各污染源，是容量總量控制的核心。由表10可以看出，在公平和效益原則相結合的前提下，各污染源的總磷排放量均須不同程度的削減，分別為畜禽養殖44.26%、生活污水10.83%、民俗旅游40.90%、水土流失6.15%的削減比例，削減總量為15.48t。畜禽養殖是總磷污染削減量最大的污染源(14.40t)，同時也是削減比例最大的污染源(44.26%)； 其次是民俗旅游(0.73t， 40.90%)。削減后，4種污染源排放量分別降到20.80t、2.16t、0.29t和1.39t，其中畜禽養殖和民俗旅游的污染貢獻率分別下降4.8%和0.4%。對于氨氮而言，研究區內有較多的水環境剩余容量。其中，畜禽養殖的相對剩余容量最小，只有14.16t(49.85%)，其他污染源均有幾倍于現排放量的允許排放空間。綜合總磷排放削減量和氨氮水環境剩余容量的分配結果分析，畜禽養殖業為研究區域重點控制的污染排放源。

3 結論

(1)保護區內非點源污染中，其中畜禽排泄污染各項污染指標的排放量均明顯高于其他污染類型的輸出量，分別占各項總污染負荷的78.6%、60%、87.1%，成為保護區內主要的污染來源，生活和旅游廢水主要造成COD污染，水土流失則主要造成氨氮和總磷污染。

(2)通過一維河流水質模型計算密云水源一級保護區COD、氨氮和總磷的水環境容量分別為3170.36t/a、128.20t/a、25.27t/a。由污染負荷輸出總值與水環境容量的對比分析得出COD、氨氮和總磷的剩余容量為2736.52t/a、81.06t/a和-15.48t/a，總磷污染風險最高，其污染負荷超過水環境允許容量的61.26%，保護區總磷已無剩余容量。

(3)總磷排放量削減分配中，畜禽養殖、生活污水、民俗旅游、水土流失各污染源的總磷排放量削減比例分別為44.26%、10.83%、40.90%、6.15%； 氨氮的水環境剩余容量分配中，畜牧養殖的分配量最小、分配比例最低(14.16t、49.85%)其他污染源均有幾倍于現排放量的允許排放空間； 總磷排放削減量的分配和氨氮水環境剩余容量分配兩個方面，畜牧養殖均為研究區內重點控制污染源。

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ESTIMATION AND ALLOCATION OF WATER ENVIRONMENT CAPACITY IN THE FIRST-GRADE PROTECTING AREA OF MIYUN RESERVOIR BASED ON NON-POINT SOURCE POLLUTION

Fu ke1，Hu Yanxia2※，Xie Jianzhi1

(1.College of Resources and Environmental Science, Hebei Agricultural University, Baoding Hebei 071001, China;2. Beijing Research & Development Center for Grass and Environment, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences)

According to the characteristics of the rivers, hydrology and contaminant in the first-grade protection zone of Miyun Reservoir, a one-dimensional water quality model which regarded COD, ammonia nitrogen and total phosphorus as control factors was established, and then used to estimate the water environmental capacity in the study area. Besides, the non-point source pollution load was calculated through the export coefficient model and the water environment residual capacity and pollution reductions were allocated. The results showed that: the outputs of non-point source pollution load were 433.84t/a for COD, 47.14t/a for ammonia and 40.75t /a for total phosphorus. COD, ammonia nitrogen and total phosphorus of livestock accounted for 78.6%, 78.6%, 87.1% of the total pollution load. The poultry farming contributed the greatest to the non-point source pollution. COD was mainly caused by living and travel waste, while the pollution of ammonia nitrogen and total phosphorus was mainly caused by water and soil erosion. The water environment capacity of COD, ammonia nitrogen and total phosphorus in the protection zone were 3170.36 t/a, 128.20 t/a, 25.27 t/a, which were smaller than the pollution load. The total phosphorus pollution was of great risk, and the environment remaining capacity was negative and should be reduced by 15.48 t/a. Combined with the principles of fairness and efficiency, the total phosphorus reduction rates from the sources of livestock, sewage, folk tourism, soil erosion were 44.26%, 10.83%, 40.90%, 6.15%, respectively. For the allocation of ammonia nitrogen in water environment remaining capacity, the livestock got the minimum distribution ratio (14.16t, 49.85%). Calculation and distribution of water environmental capacity of non-point source pollution may provide a scientific basis and decision support for protected areas management and water pollution control environmental control. It is of great significance to strengthen the protection of Miyun Reservoir and control the upstream sources pollution, for ensuring the quality and safety of drinking water and the public health and economic development in Beijing.

Miyun reservoir; water environmental capacity; non-point source pollution; ammonia nitrogen; total phosphorus; reduced quantity of pollutant; allocation

10.7621/cjarrp.1005-9121.20160402

2015-05-15

付可(1989—)，女，河北辛集人，碩士研究生。研究方向：環境化學污染與控制。※通訊作者：胡艷霞(1970—)，女，河北衡水人，副研究員。研究方向：生態農業與環境控制。Email：huyx2002@126.com

北京市自然基金“北京淺山地帶產業融合的生態效應與承載力研究”(8132028)；北京市科技計劃“密云水庫保護區生態型產業關鍵技術研究與示范”(D151100005915002)

X52； S157

A

1005-9121[2016]04-0010-08