特殊區域地表水環境背景值問題及其演變趨勢研究

段茂慶，苑飛燕，李欣蕊，劉振環，趙軍利，張 俊

(生態環境部海河流域北海海域生態環境監督管理局生態環境監測與科學研究中心，天津，300170)

0 引言

水環境問題已成為制約我國水資源可持續利用的關鍵問題，進入21世紀以來，由于社會經濟的快速發展，加之先前粗放式水資源管理模式，導致水環境質量不斷惡化，無論從哪一方面來看(水資源總量-水環境質量-水生態狀況)，中國均面臨著嚴重的水危機問題。為此，2009年全國水資源工作會議上提出要實行最嚴格的水資源管理制度以解決水資源利用與社會可持續發展之間的矛盾沖突[1-2]。制度從水資源數量、水環境質量以及用水效率三方面嚴格要求，并建立了相應的制度實施考核機制。該制度的提出標志著中國正式進入水資源管理新時代高度[3-4]。

然而，最嚴格水資源管理制度實施過程中仍存在一些較為突出的問題[5]，其中對水功能區水質達標率的要求即省區范圍2030年水功能區水質達標率提高到95%以上，但由于中國水環境管理與評價體系中依據統一的地表水環境質量標準與單因子評價方法，導致存在水環境背景值影響嚴重的區域水功能區水質達標率遠不能及制度考核要求，且大部分區域人為污染影響日益嚴重，環境背景值對水質達標的影響相對不突出，因此在水質管理中往往沒有引起重視[6-8]。因此，為保障最嚴格水資源管理制度實施的可持續性，亟需對特殊區域水環境背景值問題展開調查研究以解決因標準制度的不完善以及水質評價方法的缺陷而導致的區域水質評價結果與實際水環境污染狀況存在較大偏差的問題。

黑龍江省位于我國東北地區，特殊的氣候條件以及豐富的森林資源形成了高腐殖質含量的下墊面條件，陸源有機質在徑流侵蝕沖刷下導致河流水質好氧有機物質濃度升高，造成一些地區水功能區水質在無人類活動干擾或較少人類活動干擾情況下已經不能滿足標準要求[9-10]，且該問題在自然環境維持較為良好的源頭水保護區體現的尤為明顯，背景值的影響開始受到水環境管理部門的關注。本研究以黑龍江省湯旺河源頭水保護區為研究對象，開展地表水環境背景值問題及發展趨勢研究工作，為解決背景值問題對流域水環境質量評價結果的影響以及完善我國水環境管理體系提供一定的理論與技術支撐。

1 數據來源與分析

1.1 研究區概況

湯旺河源頭水保護區位于黑龍江省小興安嶺地區(圖1)，保護區集水面積5 123 km2，平均高程600 m，流域出口設有五營水文站。林草地面積占流域總面積的96.81%，保護區內土壤類型主要為有機質含量較高的暗棕壤土，其次為草甸土，水功能區水質目標為Ⅱ類水，由于保護區內森林覆蓋面積較大，受森林陸源有機質輸入的影響河流水質化學需氧量(COD)、高錳酸鹽指數(CODMn)以及氨氮(NH3-N)常年表現出高濃度水平而導致水功能區水質達標率低[11]。

圖1 湯旺河源頭水保護區地理位置及DEM分布圖

1.2 數據來源與分析方法

五營站2004—2015年逐月水質監測數據(COD、CODMn、NH3-N)來自黑龍江省水環境監測中心；逐月流量數據來自松花江流域水文年鑒；排污口排污數據來自黑龍江省水環境監測中心；湯旺河水源保護區土地利用數據利用LANDSAT2014衛星遙感圖像解譯獲取；DEM數據來自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)。

水質評價采用單因子評價法[12]，以《地表水環境質量標準》GB3838—2002[13]對各監測指標進行類別統計；徑流預測采用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型，以未來2種排放情景(RCP45與RCP85)為輸入條件預測未來氣候變化下湯旺河流域徑流變化趨勢，背景值變化情況以水質水量相關關系進行預測。

2 結果與討論

2.1 流域水環境背景問題

2.1.1 主要監測項目濃度類別 湯旺河源頭水保護區出口五營站2004—2015年逐月水質監測數據COD、CODMn以及NH3-N濃度范圍分別為5～94.2 mg/L、3.2～41.4 mg/L、0.06～1.37 mg/L，均值為28.6 mg/L、10.9 mg/L以及0.64 mg/L，已超出Ⅱ類水質標準限值要求(COD<=15 mg/L、CODMn<=4 mg/L、NH3-N<=0.5 mg/L)。全年11—3月作為枯水期，4—10月作為豐水期，3個主要監測指標枯水期濃度明顯高于豐水期，主要污染指標全年及豐枯水期水質類別占比見表1。

表1 2004—2015年五營站主要超標項目水質類別比例/%

2.1.2 保護區內污染源調查 黑龍江省境內共26個源頭水保護區，根據土地利用情況反映，保護區內林草地面積占比大于80%。就湯旺河而言，2014年土地利用衛星遙感數據顯示，林草地占比為96.81%，耕地占比1.5%，居民用地占比1.04%，其余占地0.65%。保護區內人類活動相對較低，自然環境因素是影響地表水環境的主要因素。且湯旺河源頭水保護區內部污染物年排放量較少，污徑比僅為0.000034%，排污口污水排放對湯旺河水質的影響基本上可以忽略不計(見表2)。

表2 湯旺河源頭水保護區內排污情況

2.1.3 背景值對水質評價的影響 湯旺河源頭水保護區水質目標是Ⅱ類(COD<=15 mg/L、CODMn<=4 mg/L、NH3-N<=0.5 mg/L)，以Ⅱ類水質標準為依據，對五營站水質數據的COD、CODMn以及NH3-N濃度進行分析可知，115次監測結果中3個指標達標率分別為20%、5.2%、34.8%，遠遠低于最嚴格水資源管理制度對2030年水功能區達標率的要求(95%以上)。且豐水期達標率低于枯水期(見表1)。由此可見，由豐水期徑流驅動是背景污染物濃度上升的主要影響因素。

由表3可知，黑龍江省源頭水保護區2014—2016年水質達標率低于其它類型的水功能區，3 a僅為5.7%，遠低于整體達標率(36.5%)，然而，源頭水保護區自然環境條件優于其它類型水功能區，人類活動強度遠低于其它類型水功能區，由此得出結論：湯旺河源頭水保護區五營站COD、CODMn以及NH3-N常年超標是由于林草地產生的枯枝落葉自然源經降雨-徑流驅動作用而導致的。

表3 黑龍江省2014—2016年各類水功能區水質達標率統計表/%

2.2 背景值影響下水質評價方案

目前，關于地表水環境背景值的確定與計算方法已有報道，大多數報道以背景水質數據監測與數理統計來確定某一區域環境背景值范圍，本方法通過不斷迭代將數據集中遠離正態分布圖上直線的點剔除，從而使剩余數據逼近標準正態分布，并將剩余數據考慮為環境背景值的表征范圍，計算流程如圖2。經計算，枯水期COD、CODMn以及NH3-N背景值表征范圍分別為COD：5～23 mg/L、CODMn：2～9.1 mg/L、NH3-N：0.09～0.54 mg/L(枯水期)；COD：11～52 mg/L、CODMn：3.1～17.7 mg/L、NH3-N：0.13～0.96 mg/L(豐水期)。

圖2 迭代標準差法計算背景值表征范圍流程圖

文湯旺河源頭水保護區五營站及其上游人類活動對地表水環境的影響可忽略不計，因此其水質監測數據可代表背景監測數據。其表征范圍采用迭代標準差法[14]，以2004—2015年地表水監測數據為基礎，分豐枯水期計算了湯旺河源頭水保護區COD、CODMn以及NH3-N的背景值表征范圍。

《全國重要江河湖泊水功能區水質達標評價技術方案》[15]中提及受背景值影響的水功能區水質達標評價按照修正后的水質數據進行評價，但由于背景值問題差異性的存在，根據什么修正？如何進行修正？在方案中未作出具體說明。因此，如何消除背景值對水功能區水質達標率的影響，如何將背景值納入到區域水環境管理與評價體系當中是水環境背景值后續研究的重點工作，也是背景值研究工作的最終服務目標。

對水質監測數據進行評價其最終目的是為了識別地表水環境受人類活動污染程度，水質監測數據中包括人類活動部分與自然環境影響部分，因此，對于背景值問題較為嚴重的水功能區而言，建議可在本月實測水質數據的基礎上扣除自然環境影響部分(背景數據)，對余下部分進行水質評價。

一般而言，河流源頭區域地表水環境背景值較為容易確定，而由于上下游關系的水里連通性，下游區域的水功能區(如保留區、緩沖區、開發利用區等)也在不同程度上受到來自源頭水保護區背景值的影響，本文提出對于這些水功能區，則可以應用水質降解模型確定下游區域來自保護區的背景值，考慮到背景值在水質管理與評價方面的可行性與應用性，本文建議采用一維水質降解模型來確定下游區域水功能區背景值表征范圍。提出的水功能區水質評價方案與河流不同河段水功能區背景值確定方案見圖3、圖4。

圖3 背景值影響下水功能區水質評價方案

圖4 不同類型水功能區背景值表征范圍計算方案

2.3 背景值演變趨勢分析

地表水環境由自然因素與人類活動共同驅動，由于源頭水保護區人類活動強度較低，自然環境是影響河流水質背景值的主要因素，且由研究發現，對于受森林腐殖質影響的河流背景值大小與徑流具有非常顯著的關系。因此，本節中選取對河流徑流影響較大的水文要素(降雨)與氣象要素(溫度)結合SWAT水文模型進行研究[16-17]，從而分析判斷今后一段時間內河流水質背景值演變趨勢，以便對今后背景值在水質管理與評價中應用方案進行調整。

2.3.1 流域水文模型構建

1)水文參數提取。本文在開展氣候變化下水質背景值演變趨勢研究中以“未來時期氣候變化—徑流過程對氣候變化的響應關系—水質水量關系預測背景值演變趨勢”為研究思路。首先建立湯旺河源頭水保護區水文模型，空間數據庫包括DEM高程數據(圖1)、土地利用數據(流域LANDSAT2014年遙感影像數據進行解譯)以及土壤數據(圖5)。

圖5 湯旺河源頭水保護區土壤類型與土地利用類型分布圖

屬性數據庫主要包括：日最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫數據、相對濕度數據、太陽輻射數據、風速數據等。由于湯旺河源頭水保護區內無氣象站分布，流域內缺少長系列氣象觀測數據，本研究以再分析數據(氣候預測系統再分析數據，CFSR)替代研究區氣候數據輸入條件[18]，CFSR是由美國國家環境預報中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)開發，并由美國德州農工大學(Texas A&M University，TAMU)整理為SWAT數據輸入格式，以其高分辨率和數據易獲取性，近年來已成為資料缺失地區的替代降水輸入手段。

本文依托SWAT模型流域自動劃分功能將湯旺河源頭水保護區共劃分61個子流域，同時，模型根據不同的土地利用類型、土壤類型、坡度對子流域內具有同一屬性的柵格單元組合成水文響應單元(HRU)，相同的HRU具有相同的產流機制。在輸入屬性數據前確定其參考空間為WGS_1984_UTM_Zone_45N，土壤類型數據按照usersoil數據庫中要求編寫，土地利用類型數據按照土地利用SWAT分類對照表分類，坡度按閾值百分比為0～15、15～9 999兩級。最后將3個分類屬性疊加產生唯一組合的土壤類型、土地利用與坡度的HRU。為避免較小的HRU出現，將Multiple HRUs 3個屬性均設定為5%，最終劃定出600個水文響應單元，各子流域劃分結果如圖6。

圖6 湯旺河源頭水保護區內水系及子流域分布圖

2)參數校準與驗證。研究區水文數據為2005—2014年五營水文站逐月徑流數據，模型參數設置與徑流模擬參數敏感性分析見圖7。

圖7 SWAT模型運行界面與徑流模擬參數敏感性分析結果圖

參數率定通過擬合模擬值與實測值來確定各參數值對水文過程的影響，其結果決定了模型模擬的精度。五營水文站位于湯旺河源頭水保護區下游區域，是整個集水區的傾瀉點，水文站實測徑流數據準確反映了保護區內徑流的變化，故以五營水文站的實測徑流數據獲得各參數最佳模擬值。最終率定的參數見表4，徑流模擬、實測對比見圖8。

表4 湯旺河源頭水保護區流域SWAT模擬部分參數率定結果

圖8 湯旺河源頭水保護區五營站2006—2013年月徑流實測值與模擬值對比

3)模型適用性評價。評價模擬結果一般采用相關系數(R2)、校對誤差(Re)、納什效率系數(Ens)等精度指標來描述模型在研究區的適用性[19]。Ens越接近于1，說明模型的可信度越高；反之，模型模擬值比實測值效果要差。湯旺河源頭水保護區流域徑流月模擬參數見表5，模擬情況良好，模擬值能夠反映了湯旺河源頭水保護區內的實際徑流變化情況，可為后續的水文過程分析提供較為科學的水量信息數據。

表5 湯旺河源頭水保護區流域徑流月模擬參數表

2.3.2 評價方法優化調整

1)徑流模擬。應用已建立的流域水文模型，對未來氣候變化下湯旺河源頭水保護區徑流變化進行預測，本章節選取典型濃度路徑情景RCP45(中排放強度：2100年輻射強度4.5 W/m2，CO2濃度650 ppm)與RCP85(高排放強度：2100年輻射強度8.5 W/m2，CO2濃度1 370 ppm)2種排放情景下模擬未來氣候變化[20]。未來2種排放情景下BNU-ESM模式數據作為SWAT模型氣候輸入數據以驅動模型模擬預測未來流域徑流演變，從而研究背景值問題演變規律。2種排放情景下(RCP45與RCP85)，未來時段內(2020—2060)降雨和氣溫數據來自https://cds.nccs.nasa.gov/nex-gddp用以分析湯旺河源頭水保護區21世紀中葉氣候變化趨勢。

研究區2020—2060年月均徑流總量模擬預測結果如圖9，研究發現未來氣候情景下RCP45徑流量高于RCP85，年內月均徑流總量均值分別為450.8 m3(RCP45)和401.2 m3(RCP85)。預測結果顯示，未來氣候變化情景下研究區徑流呈增加趨勢，由圖10MK檢驗可知，氣候變化下徑流呈現顯著的豐枯水期差異性，RCP85情景模式下，枯水期無明顯突變現象，豐水期在2034年出現徑流突變，突變前后豐水期月均徑流總量分別為315 m3，418.6 m3，增幅為33.2%。RCP85情景模式下，枯水期無明顯突變現象，豐水期在2051年出現徑流突變，突變前后豐水期月均徑流總量分別為337.4 m3、398.8 m3，增幅為18.2%。

圖9 RCP45/RCP85情景模式下2020—2060年五營站徑流變化趨勢圖

圖10 RCP45/RCP85情景模式下2020—2060年五營站徑流突變性檢驗

水質背景值避免應用模型預測水質所需的大量參數和實測數據，應用回歸關系曲線預測水質背景值簡化了水質背景值形成的復雜過程且由回歸系數可知模擬結果具有一定的可靠性，便于在(無)缺資料地區應用。

2)徑流-背景值響應關系構建。SWAT模型難以對COD、CODMn進行精準預測，對于一些偏遠且缺失資料地區而言，一些經驗方法，例如水質水量關系法、平均濃度法、污染物輸出系數法等用于污染物輸出更適用，即集總式模型，該類模型將影響污染物輸出過程與流域空間異質性概化為單一的綜合因子，忽略了復雜的機理過程，具有一定的精度，方法簡單且易用于流域非點源污染負荷估算，是一種經驗方法。本章節應用五營站(位于湯旺河源頭水保護區下游出口處)2005—2014年每月一次的水質水量監測數據建立背景污染物濃度與流量關系作為未來氣候情景下流域背景污染負荷演變趨勢的預測工具。

由2005—2014年湯旺河源頭水保護區下游控制斷面水質水量監測數據得到月均流量與污染物月均濃度關系，關系曲線如圖11。COD、高錳酸鹽指數、氨氮與流量呈顯著相關性，相關系數分別為0.820 3、0.801 8、0.707。

圖11 湯旺河源頭水保護區五營站水質水量響應關系

3)背景值表征范圍優化調整。由2.2節分別計算了湯旺河源頭水保護區豐枯水期地表水中COD、CODMn以及NH3-N背景值表征范圍，并以此提出了考慮背景值影響的水功能區水質達標評價技術流程。本節根據徑流對未來RCP45與RCP85 2種情景模式下響應過程可知，未來氣候變化情景下湯旺河源頭水保護區枯水期流量無明顯突變現象，豐水期突變點分別為2034年(RCP45)、2051年(RCP85)，變幅分別為33.2%、18.2%。因此，建議以2034年和2051年為時間節點對湯旺河源頭水保護區豐水期背景值表征范圍進行合理優化調整。根據流域徑流-背景污染物響應關系，未來氣候情景模式下湯旺河源頭水保護區豐水期背景值表征范圍建議調整為COD：14.7～63.8 mg/L、CODMn：4.1～21.6 mg/L、NH3-N：0.17～1.12 mg/L(RCP45)與COD：13～58.5 mg/L、CODMn：3.7～19.8 mg/L、NH3-N：0.15～1.05 mg/L(RCP85)，枯水期背景值表征范圍保持不變。

3 結論

為解決地表水環境背景值與最嚴格水資源管理制度的矛盾沖突，本文以黑龍江省湯旺河源頭水保護區作為典型區域，結合中國水環境管理評價體系，對水質背景值的表征確定方法、應用技術流程、演變過程等進行了全面系統研究，主要結論如下。

1)識別了背景值對湯旺河源頭水保護區水質達標率的負面影響，并計算了背景值表征范圍。

2)依據全國重要江河湖泊水功能區水質達標評價技術方案分別提出了河流源頭區域與下游區域水功能區水質達標評價方法，實現了背景值調查研究成果應用性。

3)鑒于自然環境是背景值的主控因素，本文建立了湯旺河流域水文模型，并應用該模型以未來2種氣候情景模式為模型輸入條件，預測了未來時段內湯旺河背景值表征范圍變化趨勢，為研究區未來水質背景值表征范圍調整提供參考。