杞麓湖流域污染負荷及水環境容量估算研究*

王萬賓 管堂珍 梁啟斌 張星梓# 劉岳雄 李 森 劉 芳,3

(1.云南省生態環境科學研究院，云南 昆明 650034；2.西南林業大學生態與環境學院，云南 昆明 650224；3.云南師范大學旅游與地理科學學院，云南 昆明 650500)

入湖河流是湖泊污染負荷的重要來源[1-3]，湖泊流域陸域點、面源的排放是入湖河流污染的直接來源，摸清污染物從產生、排放到入河，最終入湖的遷移轉化過程至為重要。其中，面源污染物入河(入湖)污染負荷估算是重點和難點，當前估算方法主要有水文水質模型(AGNPS、HSPF、SWAT等)、輸出系數模型、調查系數法等。輸出系數模型在很大程度上反映了流域面源污染綜合輸出強度，避開了面源污染發生的復雜過程，所需參數少、操作簡便，具有一定的精度和廣泛的適用性[4]。然而，輸出系數模型中，輸出系數是最重要也最難以確定的參數，確定合理的輸出系數是輸出系數模型法的關鍵[5]。當前普遍使用的面源污染輸出系數確定方法包括3類：查閱文獻法、野外監測法和數學統計分析法，數學統計分析法因引入馬爾科夫鏈蒙特卡羅(MCMC)抽樣與貝葉斯統計方法而受到關注。在了解流域污染負荷的基礎上，合理確定流域環境容量對環境規劃管理與決策尤為重要。目前，地表水水環境容量研究過程中產生了5大類計算方法：公式法、模型試錯法、系統最優化法、概率稀釋模型法和未確知數學法[6]，其中，采用穩態水質模型直接計算的公式法應用最廣[7-8]。在水環境容量的測算過程中，污染物綜合降解系數確定是必不可少的。當前，綜合降解系數的研究方法分為實驗室模擬法、現場測定法和經驗公式法等[9-10]。近些年，MCMC抽樣與貝葉斯統計方法廣泛地應用到水環境不確定性問題研究中[11-16]，該方法的優勢在于將水環境的不確定性問題轉化成對模型參數的估計量，建立不確定性和估計概率之間的關聯，以聯合后驗分布的數值代表不確定事件發生概率，該方法可以提升水質管理的有效性。

杞麓湖為高原封閉型斷陷湖泊，是云南省9大高原湖泊中污染較嚴重的4個湖泊之一，處于通海縣主城下游，是流域生活污水、農業施肥廢水等集中排放吸納的場所。近幾年，杞麓湖水質基本達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002) Ⅴ類水質要求，紅旗河等主要入湖河道污染較為嚴重，河道水質類別均為劣Ⅴ類。本研究將MCMC抽樣、貝葉斯統計方法與污染負荷模型相結合，結合杞麓湖流域污染實際情況，在對輸出系數及綜合降解系數進行全面整理與分析的基礎上，對流域輸出系數及河流綜合降解系數進行估計，研究流域主要水污染物產生及遷移降解過程，科學估算污染負荷。針對流域點源與面源污染的情況，建立了入湖河流的水環境容量模型，結合湖泊水環境容量測算結果，為流域產業空間規劃、精準治污提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區

杞麓湖位于云南省玉溪市通海縣，流域面積354.22 km2，流域四周農田與城鎮環繞，為典型的高原湖盆地。流域屬于中亞熱帶半濕潤高原季風氣候，年平均溫度15.6 ℃，屬于珠江流域西江水系，主要入湖河流有紅旗河、者灣河、大新河和中河等。流域土地類型主要為耕地和林地，分別占流域總面積的27.57%和33.80%。流域多年平均水資源量11 700萬m3，人均占有水資源量323 m3，僅為全國的15%、全省的7.1%，屬嚴重缺水地區。作為云南省最大的蔬菜生產基地和西南地區蔬菜集散地，流域以全縣46%的土地面積承載了93%的人口和93%的地區生產總值，是9大高原湖泊流域中人口高度密集、城市化程度較高、受資源環境約束較大的地區。本研究根據入湖河流特征，結合現場調研，將流域劃分為紅旗河、者灣河、大新河和中河子流域，流域土地利用類型見圖1。

圖1 杞麓湖流域土地利用類型

1.2 數據來源

基礎數據(人口、經濟、污染物排放、環境質量等)來源于通海縣相關部門提供的統計年鑒、社會經濟統計公報、環境統計數據及流域各鄉鎮農業經濟統計報表、監測數據等。土地利用類型圖及影像圖來源于2017年通海縣的土地變更數據庫。水文數據來源于《通海縣水資源綜合利用規劃》。

1.3 研究方法

1.3.1 污染負荷模型

結合現場調研，流域主要污染源包括點源(集中生活源、工業源、規模化畜禽養殖源)及面源(農村生活源、畜禽散養源、種植業源)共2大類6小類。根據2018年環境統計數據顯示，流域內排污工業企業共9家，COD、TN排放量分別為102.63、0.4 t/a，排放量較小，故本研究不考慮工業源污染負荷。由于流域內畜禽排放(包括規模化畜禽養殖源)大部分用于農業種植，故流域污染源概化為點源(集中生活源)、農業面源(畜禽散養源、規模化畜禽養殖源、農村生活源、種植業源)2大類。由于4條主要入湖河流平均河寬約為7～24 m，自然徑流量適中，假設污染物濃度只在河流縱向上發生變化，忽略橫向和垂向的污染物濃度梯度變化，選用河流一維水質模型模擬污染物濃度沿程變化。基于一維水質模型，農業面源根據其沿河分布情況，假設其沿入湖河道呈線性分布，建立污染負荷模型如式(1)所示：

(1)

式中：Ld為河流入湖總污染負荷，kg/月，污染物包括COD、TN、TP；Lu為河流上游本底(背景)負荷，kg/月；k為河流中污染物的綜合降解系數，d-1；X為河流總長度(上游至入湖口)，m；u為河流平均流速，m/s；Ea為河流子流域農業面源的污染物輸出系數，kg/(hm2·月)；A為子流域面積，hm2；Lp，i為河流子流域第i點源的入河負荷，kg/月；Xi為第i點源至入湖口的距離，m。

河流入湖總污染負荷根據河流污染物通量進行核算，集中生活源污染負荷根據《第一次全國污染源普查城鎮生活源產排污系數手冊》，結合流域污水處理廠排放數據進行核算。

1.3.2 貝葉斯統計與MCMC抽樣參數估計模型

貝葉斯統計方法越來越多地應用到環境問題解決方案中，提供了一種計算假設概率的方法。該方法是基于假設的先驗概率、給定假設下觀察到不同數據的概率以及觀察到的數據本身而得出的。該方法將關于未知參數的先驗信息與樣本信息綜合，根據貝葉斯公式得出后驗信息，再根據后驗信息推斷未知參數。基于流域污染負荷模型，流域污染負荷參數估計模型可定義為式(2)：

(2)

假定估計參數為正態分布，誤差線獨立，則待估參數k及Ea的似然函數見式(3)，2016—2018年共36個樣本。

(3)

采用貝葉斯統計與MCMC抽樣方法對待估參數進行估計，軟件平臺為Open BUGS。

1.3.3 水環境容量模型

水環境容量估算包括4條入湖河流及杞麓湖湖體兩部分，其中入湖河流水環境容量是在現狀污染源分布情景下，以入湖河流口水質達標為約束，現狀污染源允許入河的最大污染物總量；湖體水環境容量為湖體水質達標前提下，湖體能容納的污染物最大允許入湖量。

(1) 入湖河流水環境容量模型

流域涉及到點源及農業面源，基于河流一維水質模型，假設農業面源沿入湖河道呈線性分布，推導入湖河流口的水環境質量模型如式(4)所示：

(4)

式中：C為入湖河流口污染物質量濃度，mg/L，用于計算水環境容量時，C取值為入湖河流的水質目標，《杞麓湖流域“十三五”環境保護規劃》規定為GB 3838—2002 Ⅴ類標準值；Q為河流流量，m3/月。

當C達到入湖河流的水質目標時，農業面源(EaA)和點源(Lp，i)最大允許入河量之和為河流的環境容量，假設Lp，i=αEaA，α為點源與農業面源現狀入河量之比，則農業面源的最大允許入河量模型如式(5)所示：

(5)

根據農業面源的最大允許入河量，最終可推算河流的水環境容量。

(2) 杞麓湖湖體水環境容量模型

由于杞麓湖水域面積較小，水深較淺，水體水質空間總體上分布比較均勻，湖泊基本處于穩定狀態，符合Vollenweider模型和Dillon模型水質平衡基本方程適用條件，因此選用Vollenweider模型[17]1398,[18]85(見式(6))計算COD水環境容量，選用Dillon模型[17]1398,[18]85,[19](見式(7))計算TN和TP的水環境容量。

W=Cs(KV+Qin)×10-6

(6)

(7)

式中：W為杞麓湖水環境容量，t/a；K為COD降解系數，a-1，取值為1.46 a-1[20]；V為多年湖泊平均庫容，m3；Qin為多年入湖流量，m3/a；Win為TN、TP的多年入湖平均總量，t/a；Wout為TN、TP的多年出湖平均總量，t/a；S為湖泊水面面積，m2；H為湖泊的多年平均水深，m；Cs為水質目標，mg/L，根據《云南省水污染防治工作方案》，取GB 3838—2002 Ⅴ類標準值。

2 結果與討論

2.1 流域水質水文現狀特征

2016—2018年，湖體COD、TN、TP變化趨勢不明顯，其平均質量濃度分別為35.07、0.08、2.33 mg/L，COD、TP年均值達到GB 3838—2002 Ⅴ類標準(≤40、≤0.2 mg/L)，而TN為劣Ⅴ類(>2.0 mg/L)，超標率為38.89%。除TN外，COD、TP每月監測濃度均滿足《云南省水污染防治工作方案》2020年水質目標要求。紅旗河COD、TP、TN平均質量濃度分別為32.14、0.61、11.82 mg/L，TP、TN為劣Ⅴ類，超標率分別為63.89%、100.00%。大新河COD、TP、TN平均質量濃度分別為38.76、1.00、18.10 mg/L，TP、TN為劣Ⅴ類，超標率分別為91.67%、100.00%。者彎河COD、TP、TN平均質量濃度分別為40.76、0.64、12.90 mg/L，均為劣Ⅴ類，超標率依次為41.67%、72.22%、100.00%。中河COD、TP、TN平均質量濃度分別為42.50、0.97、15.48 mg/L，均為劣Ⅴ類，超標率依次為55.56%、88.89%、100.00%。

根據《通海縣水資源綜合利用規劃》，杞麓湖流域徑流系數為0.23，其中紅旗河、大新河、者彎河、中河多年徑流量分別為3 816萬、891萬、820萬、599萬m3/a，分別占流域總徑流量的52%、12%、11%、8%。4條主要入湖河流豐水期為每年5—9月，其余時間段為平水期，豐水期流量占總流量75%左右，研究豐水期、平水期的污染負荷及水環境容量非常重要。根據實地調研及資料收集得知4條主要河流的坡降比、平均河寬等數據，利用曼寧公式，糙率取值0.031[21-23]，換算每條河流的平均流速分別為0.33、0.28、0.32、0.14 m/s，總體流速較緩。

2.2 流域污染物輸出系數及綜合降解系數

為確定流域污染物COD、TN、TP的輸出系數及綜合降解系數，通過文獻檢索，重點檢索農業面源污染嚴重湖泊流域滇池、洱海、太湖等，最終搜集到TN、TP的輸出系數的數據樣本分別為39、37個，COD、TN、TP的綜合降解系數數據樣本為59、42、36個[24-44]。綜合降解系數、輸出系數樣本分別經平方根轉化、對數轉化后符合正態分布規律。

以污染物輸出系數及綜合降解系數樣本分布函數為基礎，利用2016—2018年的水質監測數據建立4條主要河流污染物入湖污染負荷模型，通過污染負荷模型估算杞麓湖流域污染物輸出系數及綜合降解系數。模型迭代收斂性通過迭代軌跡、迭代歷史、自相關函數進行判斷[45-46]，結果顯示COD、TN、TP的污染負荷模型迭代軌跡及迭代歷史基本趨于穩定，迭代10 000次后自相關函數接近于0，故模型收斂。流域4條主要河流農業面源污染物COD、TN、TP輸出系數平均約為5.99、1.39、0.10 kg/(hm2·月)，豐水期的輸出系數大于平水期(見圖2)。4條河流，COD、TN、TP綜合降解系數平均約為0.12、0.06、0.06 d-1，豐水期和平水期污染物綜合降解系數差異不明顯，表明4條河流水文水動力特性差異不大。采用估計的輸出系數及綜合降解系數的平均值、2.5%和97.5%置信區間分別預測4條河流入湖負荷，與實測負荷進行對比，可決系數分別為0.94、0.92、0.90，可見污染負荷模型預測較為準確，所估模型參數較為合理。

2.3 流域污染負荷分析

根據《杞麓湖基礎調查報告》，流域主要污染源(點源、農業面源)污染物COD、TN、TP產生量合計為52 530.65、17 617.29、5 336.76 t/a。經過污水處理設備削減、農田作物吸收等，利用污染負荷模型測算最終進入4條河流的COD、TN、TP為1 604.59、622.08、34.34 t/a，其中紅旗河子流域COD、TN、TP入河量最大，分別占總入河量的57.97%、55.95%、53.35%。COD、TN、TP在河流中降解后，最終入湖量分別為1 566.12、617.23、34.02 t/a，河流的污染物降解能力非常有限，詳細見表1。流域農業面源污染物COD、TN、TP產生量占總產生量的92.73%、95.50%、98.16%，入河量占總入河量的73.83%、81.20%、70.65%。2017年流域農作物單位播種面積化肥施用量達到516.69 kg/hm2，大大超出國際公認的225 kg/hm2化肥施用生態安全上限[47-48]，也大大超出全國平均用量(262 kg/hm2)，導致農業面源污染非常嚴重。

注：上、下端黑色橫線為97.5%置信區間。

2.4 流域水環境容量測算

利用河流水環境容量模型估算得知：紅旗河、大新河、者彎河、中河河流的COD、TN、TP水環境容量合計為1 799.83、88.16、17.59 t/a(見表2)，2020年COD、TN、TP合計需削減33.07、533.93、16.75 t(其中紅旗河、大新河COD無削減量)，流域入湖河流水環境承載能力嚴重超載。入湖河流TN削減比例較大，這是因為4條主要入湖河流的TN濃度約為水質目標的6～9倍，超標嚴重。其中紅旗河COD、TN、TP水環境容量分別為1 151.23、56.15、11.25 t/a，均占河流水環境容量的64%左右。杞麓湖湖體的COD、TN、TP的水環境容量分別為6 318.88、727.32、114.92 t/a，2020年TN需削減16.34 t。由此可知，由于湖體水環境容量較大，當入湖河流污染源完成既定削減任務，能保證湖體水質穩定達標。4條河流水環境容量豐水期占75%左右，污染物入河量豐水期占76%左右，季節性污染不太明顯，這與流域常年多輪蔬菜種植有關。對水環境容量參數(綜合降解系數、河流流量、流速)進行全局敏感性分析，發現對于COD、TN、TP的水環境容量而言，流量的標準回歸系數均大于0.99，而綜合降解系數、流速的標準回歸系數均小于0.10，表明流量是影響水環境容量的重要因子。

表1 流域污染負荷

表2 水環境容量

3 結 語

(1) 杞麓湖流域主要河流COD、TN、TP入河量分別為1 604.59、622.08、34.34 t/a，入湖量分別為1 566.12、617.23、34.02 t/a，河流的污染物降解能力較弱。流域農業面源COD、TN、TP入河量占總入河量的73.83%、81.20%、70.65%，流域農業面源污染較為嚴重。

(2) 紅旗河、大新河、者彎河、中河的COD、TN、TP水環境容量合計為1 799.83、88.16、17.59 t/a，2020年分別需削減33.07、533.92、16.75 t，流域入湖河流水環境承載能力嚴重超載。杞麓湖湖體的COD、TN、TP的水環境容量分別為6 318.88、727.32、114.92 t/a，2020年TN需削減16.34 t。為使入湖河流水質穩定達標，必須大力控制與削減面源污染物TN的入河。