白洋淀水环境容量核算及上游容量分配

张慧，席北斗*，高如泰，姜磊，王靖飞，许其功

1.中国环境科学研究院，北京 100012

2.河北省环境科学研究院，河北石家庄 050037

白洋淀水环境容量核算及上游容量分配

张慧1，席北斗1*，高如泰1，姜磊1，王靖飞2，许其功1

1.中国环境科学研究院，北京 100012

2.河北省环境科学研究院，河北石家庄 050037

根据多年的水质监测资料、设计水文条件及水质目标等参数，在划分容量分配控制单元的基础上，运用浅水湖泊污染物水环境容量计算方法计算了CODCr和NH3-N的环境容量，并给出了体现社会性、经济性的水环境容量分配方案，采用基尼系数法对分配方案进行公平性评估。结果表明，白洋淀南刘庄、烧车淀、采蒲台各区域的CODCr容量分别为2 526.8，328.5和1 430.8 t/a;NH3-N容量为155.0，73.0和255.5 t/a。白洋淀上游各控制单元指标的基尼系数值均小于0.4，分配结果较为合理。

白洋淀;水环境容量;容量分配;CODCr削减;NH3-N削减

总量控制是改善环境质量、实现经济社会可持续发展的重要途径，也是我国环境管理基本制度之一［1］。而水环境容量的估算及其在污染源区域间的分配是水污染总量控制的基础和核心，是水环境治理优化方案的决策依据，也是制定地方性、专业性水域排放标准的依据之一［2-3］。

陈艳霞等［4-6］分别选用枯水期、平水期、丰水期水文条件分功能区段计算了河流水环境容量。赵淑梅等［7-8］选用湖泊水污染物容量计算模型分功能区计算湖泊水环境容量，再进行容量加和。水环境容量计算是容量总量分配的基础，污染物总量控制指标分配方法有多种［9-19］:吴悦颖等［20］用基尼系数法对全国七大流域的水污染物总量分配进行评价，进而得到合理的削减方案;钱骏等［21］基于公平与效益的原则以沱江流域为研究对象研究污染物总量分配。目前，对白洋淀及上游的这种河流-湖泊组合型研究较少。笔者结合白洋淀浅水碟形湖泊的特点，通过对污染源的调查和水环境过程分析，按照水体功能区划核定了白洋淀不同控制单元的水环境容量，并采用容量分配法对白洋淀上游容量进行分配，采用基尼系数法对分配结果进行评估。

1 白洋淀流域概况

1.1 自然地理

白洋淀位于河北省中部平原，地处115°38'E～116°07'E，38°43'N～39°02'N。四周以堤坝为界，东至千里堤，西至四门堤，北至新安北堤，南至淀南新堤，东西长39.5 km，南北宽28.5 km，主要由大小不等的143个淀泊和3 700多条沟壑组成。该区属暖温带半湿润大陆性季风气候区，多年平均降水量为524.9 mm，多年平均蒸发量为169 mm，降水具有明显的季节性，80%的降水集中于夏季［22-23］。白洋淀是上游弃水的必然通道和受纳水体，不仅对上游1 200万人口、经济、社会发展起着重要作用，同时也是淀区30万人赖以生存的环境。

1.2 淀区污染源现状分析

白洋淀污染源可分为淀外污染源和淀区污染源。近年来，随着气候干旱趋势以及工农业用水量的增加，白洋淀入淀河流水量减少，大多数河流已经断流。其中，府河作为径流量最大的入淀河流，主要受纳保定地区的生活污水和工业废水。面源主要是随地表径流进入河道或淀区的污染物，由于在75%和90%保证率下，流域内已无地表径流，因此面源不做统计。淀区污染主要指底泥释放的污染物，以及居民生活、旅游、养殖等排入淀区的污染物。依据2007年污染源调查数据得出，2007年白洋淀上游CODCr和NH3-N 排放量分别为3 150 和1 770 t/a，淀区CODCr和NH3-N排放量分别为6 071和950.2 t/a。

1.3 水环境容量计算指标的确定

根据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》，采用污染指数法，分平水期、丰水期、枯水期对白洋淀进行水质评价。结果表明，参评指标中除CODCr和NH3-N的单项污染指数接近于1外，其余指标均未超过 GB 3838—2002的Ⅲ类水质标准，说明CODCr和NH3-N是白洋淀突出超标污染物，因此，选择CODCr和NH3-N作为白洋淀水环境容量的计算指标。

1.4 白洋淀上游水环境控制单元及淀区污染物控制单元划分

结合白洋淀水域环境功能区划图、白洋淀养殖规划图、白洋淀自然保护区规划图，统筹淀区保护目标与社会经济发展，在Ⅴ类水体和Ⅲ类禁养区不做计算的基础上，按照污染源分布结合功能区划将白洋淀淀区划分成三个控制单元(图1):南刘庄区域(Ⅳ类功能区)，容量主要是分配给白洋淀上游污染源;烧车淀区域(Ⅲ类功能区)，没有外源污染物的输入，主要污染源为底泥，靠自身生态修复;剩余部分称作采蒲台区域(Ⅲ类功能区)，容量分配给淀内生活源和水产养殖。

图1 白洋淀淀区污染物控制单元划分Fig.1 Division of the pollutant control units in Baiyangdian

依据白洋淀水功能区划及生态保护区划管理规定，统筹环境功能与行政区划及流域社会经济发展，将白洋淀上游流域划分为保定市控制单元、金线河控制单元、黄花沟控制单元、满城控制单元、漕河清徐控制单元、府河面源控制单元、漕河满城控制单元(图2)。

图2 白洋淀上游控制单元划分Fig.2 Division of control units in Baiyangdian upstream

2 研究方法和材料

2.1 水环境容量计算模型

湖泊水环境容量包括稀释容量、自净容量和迁移容量。在湖泊水环境系统中，其水位、补给和排泄流量、污染物浓度、降解系数等都具有一定的不确定性，所以湖泊水环境容量难以准确地用一个数值来表示。通常，在假设湖水完全混合的条件下，浅水湖泊污染物水环境容量的计算模型为:

式中，W为湖泊水环境容量，即污染物允许排入量，t/d;Δt为枯水期天数，d;CS为污染物的水环境质量标准限值，mg/L;C0为污染物的起始浓度，mg/L;V为湖泊安全体积，一般取枯水期平均库容，m3;q为在安全库容期间从湖泊中排泄出的流量，m3/d;K为综合衰减系数，s-1。

式(1)右边三项分别为稀释容量、自净容量和迁移容量。按照GB 3838—2002根据白洋淀水功能区划，CODCr和 NH3-N的Ⅲ类水质标准为20和1 mg/L，Ⅳ类水质标准为30和1.5 mg/L。

2.2 模型参数确定

2.2.1 衰减系数

在进行水环境容量的计算过程中，关键的一步是准确确定模型参数。模型参数的准确与否，直接关系到水环境容量的结果。采用污染物在控制单元中的浓度与间隔时间的响应关系，推算出各控制单元污染物衰减系数。

式中，Ca为a月浓度，mg/L;Cb为b月浓度，mg/L;C排入为排入污染物浓度，m3/d;Qa为 a月的水量，m3/d;Q蒸发为蒸发量，m3/d;Q排入为排入的水量，m3/d;t为间隔时间，d。

衰减系数的计算结果表明，在南刘庄、烧车淀和采蒲台控制单元CODCr的衰减系数分别为0.01、0.001和0.001;NH3-N的衰减系数分别为 0.02、0.01和0.01(表1)。

表1 污染物衰减系数Table 1 Pollutants attenuation coefficients

2.2.2 设计流量

根据近16年白洋淀水位统计分析，90%保证率蓄水条件下水位7.04 m;75%保证率蓄水条件下水位7.44 m;根据白洋淀最低生态水位分析结果，白洋淀最低生态水位为7.3 m［24］。采用90%保证率最枯月平均流量，由于白洋淀基本没有排放出的水流量，故迁移容量可忽略不计，即q为0。

2.3 水环境容量分配方法

2.3.1 分配模型

水环境容量的分配应把握公平原则，充分反映水环境容量分配的社会性、经济性和历史性，以保证实际的可操作性。分配中考虑各分配单位的GDP产值体现经济性;以各分配单位所承载的非农业人口作为社会因子参与到分配中;同时尊重历史，考虑各分配单位对流域的污染贡献率。其分配模型如下:

式中，Wn为第n个分配单位分配到的水环境容量，t/a;Sn为第n个分配单位利用水环境资源的社会效益系数，%;Sn'为第n个分配单位的非农业人口，人;En为第n个分配单位利用水环境资源的经济效益系数，%;En'为第n个分配单位的年GDP产值，万元;Dn为第n个分配单位当前的污染贡献率，%;Dn'为第n个分配单位当前的污染物排放量，t/a;α1，α2，α3为各指标权重。

2.3.2 分配结果评估方法

基尼系数(Gini)有多种求法，采用梯形面积法，将洛伦茨曲线下方的面积近似为若干梯形进行计算，公式为:

式中，Xi为评估指标的累积比例，%;Yi为污染物的累积比例，%;i为分配对象数量。

根据式(4)分别计算各控制单元对研究区域的社会、经济和环境贡献率，分别绘制人口、GDP的累积所占比例与水污染物(CODCr、NH3-N)排放量累积所占比例的洛伦茨曲线，计算基尼系数。经济学中，基尼系数低于0.2表示绝对平均;基尼系数为0.2～0.3表示比较平均;基尼系数为0.3～0.4表示相对合理;基尼系数为0.4～0.5表示差距较大;基尼系数大于0.5表示差距悬殊［14］。本研究中的基尼系数为0.2～0.4，属于合理范围，基尼系数等于0.4是警戒值，若高于0.4则应对该因素的基尼系数进行调整，使总量分配在公平原则基础上趋向均衡。

3 结果与讨论

3.1 结果

3.1.1 水环境容量及削减量

将各控制单元的污染物背景浓度、水文参数设计值、污染物降解系数代入式(1)中，计算得到7.3 m水位下白洋淀各控制单元的CODCr和NH3-N水环境容量，再根据各控制单元污染物的排放量计算其在该区域的削减量及削减率，结果见表2。

表2 CODCr和NH3-N的水环境容量及削减量Table 2 CODCrand ammonia nitrogen water environmental capacity and cut quantity

由表2可见，在7.3 m水位下，不同分配功能区划执行水环境质量标准时，南刘庄、烧车淀和采蒲台控制单元的 CODCr容量分别为2 526.8，328.5和1 430.8 t/a，采蒲台控制单元的削减量最大，削减率达到76%;NH3-N容量分别为155.0，73.0和255.5 t/a，与现状排放量相比，南刘庄和烧车淀控制单元的削减率大于80%。

3.1.2 容量分配结果

根据白洋淀容量估算结果，将南刘庄区域的容量分配给白洋淀上游的各控制单元，由于在7.3 m水位下白洋淀很难形成径流，所以面源污染可忽略不计［25-26］，府河面源控制单元不作分配。综合考虑各污染源所承载的就业人口、产业的GDP产值以及对河流污染的贡献率，污染物排放量大且社会和经济效益高的企业较其他企业可以获得更多的水环境容量，但是由于这些企业当前的排污量已经超过分配得到的水环境容量，因而需要对当前的排污量进行削减(表3)。

3.1.3 分配结果公平性评估

以白洋淀上游(南刘庄)人口与CODCr、GDP与CODCr为例，分别绘制人口、GDP累积所占比例与CODCr排放量累积所占比例(表4和表5)的洛伦茨曲线(图3和图4)，计算基尼系数。在绘制曲线时，应注意按单位排放量从小到大为分配对象排序。

用同样的方法计算得人均NH3-N排放量洛伦茨曲线和单位GDP氨氮洛伦茨曲线，得到基尼系数如表6。从表6可以看出，基尼系数最小值为0.192，最大值为0.392，均小于0.4，在界定的公平范围内，故上述分配方案对于流域各控制单元而言是较公平的。

表3 白洋淀上游容量分配结果Table 3 Allocation results of Baiyangdian upstream

表4 各控制单元人均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 各控制单位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 各指标的基尼系数Table 6 The Gini coefficient of each index

4 结论

(1)通过对白洋淀污染现状的研究可知，白洋淀水质污染总体呈下降趋势。南刘庄、烧车淀、采蒲台水环境容量核算结果:CODCr容量分别为2 526.8，328.5和1 430.8 t/a，采蒲台区域的削减量最大，削减率达到76%;NH3-N容量分别为155.0，73.0和255.5 t/a，与现状排放量相比，南刘庄和烧车淀区域的削减率大于80%。绝大多数污染物排放量均超过水环境容量，现状水质已达不到水环境功能区划要求。

(2)以白洋淀上游各控制单元内人口、GDP作为指标，采用基尼系数法对分配结果进行评估，各指标基尼系数均小于0.4，分配方案对各控制单元的经济和人口而言是较为公平的。黄花沟控制单元CODCr的削减率(28.07%)最大，金线河控制单元NH3-N削减率(86.74%)最大，白洋淀上游府河污水处理厂为削减大户。

［1］范平，吴纯德.南方某城市水污染总量控制分配研究［J］.水资源保护，2009(4):20-22.

［2］孔邦杰，章志攀，俞益武.台州长潭水库水环境容量分析［J］.人民长江，2008，39(13):61-64.

［3］仝伟，张志文.水环境容量计算一维模型中设计条件和参数影响分析［J］.广东水利水电，2006(3):9-11.

［4］陈艳霞，高建勇，刘俊民.渭河关中段水环境容量计算研究［J］.人民黄河，2008，30(9):46-49.

［5］熊风，杨立中，罗洁.我国西部内陆河流水环境容量研究［J］.干旱区资源与环境，2007，21(10):88-92.

［6］李亚鹏.白洋淀水环境质量与保护对策研究［D］.保定:河北农业大学资源与环境学院，2006:22-32.

［7］赵淑梅，郑西来，李玲玲，等.青岛小珠山水库水环境容量研究［J］.中国海洋大学学报，2006，36(6):971-974.

［8］田香荣，栾继虹.大伙房水库水环境容量计算［J］.东北水利水电，2008，26(287):32-33.

［9］DURTRAW D，PALMER K，BHARVIRKAR R，et al.The effect on asset values of the allocation of carbon dioxide emission allowances［J］.The Electricity Journal，2002，15(5):51-62.

［10］CRAMTON P，KERR S.Tradeable carbon permit auctions-how and why to auction not grandfather［J］.Energy Policy，2002，30(4):333-345.

［11］HOLMES K J，FRIEDMAN R M.Design alternatives for a domestic carbon trading scheme in the United States［J］.Global Environmental Change，2000，10(4):273-288.

［12］MONTERO J-P.Optimal design of a phase-in emissions trading program［J］.J Public Econmics，2000，759(2):273-291.

［13］JENSEN J，RSMUSSEN T.Allocation of CO2emission permits:a general equilibrium analysis ofpolicy instruments［J］.J Environmental Economics ＆ Management，2000，40(2):111-136.

［14］邱俊永.基尼系数法在黄河中上游流域水污染物总量分配中的应用研究［D］.镇江:江苏大学，2010:22-32.

［15］陈丁江，吕军，金树权，等.河流水环境容量的估算和分配研究［J］.水土保持学报，2007，21(3):123-127.

［16］张丽风.赣江流域水污染物总量分配及控制方案研究:以袁河为例［D］.南昌:南昌大学环境与化学工程学院，2010:24-30.

［17］罗彬，卢龙，王毛兰.江西袁河流域水环境容量分配研究［J］.人民长江，2011，42(5):47-50.

［18］陈丁江，吕军，金树权，等.非点源污染河流的水环境容量估算和分配［J］.环境科学，2007，28(7):1416-1424.

［19］王丽琼.基于公平性的水污染总量分配基尼系数分析［J］.生态环境，2008，17(5):1796-1801.

［20］吴悦颖，李云生，刘伟江.基于公平性的水污染物总量分配评估方法研究［J］.环境科学研究，2006，19(2):66-70.

［21］钱俊，廖瑞雪，佟洪金，等.基于公平性的水环境容量分配研究:以沱江流域为例［J］.成都信息工程学院学报，2009，24(1):67-71.

［22］马寨璞，赵建华，康现江，等.白洋淀水循环特点及其对生态环境的影响［J］.海洋与湖沼，2007，38(5):405-410.

［23］马静，张素珍，王玉坤，等.白洋淀生态承载力研究［J］.南水北调与水利科技，2008，6(5):94-97.

［24］付学功，李瑞森，李娜，等.白洋淀水环境承载力计算机保护措施探讨［J］.水资源保护，2007，23(1):53-83.

［25］崔惠敏.农业面源污染对白洋淀流域水环境的影响分析［J］.现代农业科技，2011(7):297-300.

［26］阎新兴，张素珍，李素丽，等.白洋淀水资源综合承载力最佳水位研究［J］.南水北调与水利科技，2009，7(3):81-83.

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

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07209-007)

张慧(1984—)，女，助理工程师，硕士，主要研究方向为水环境管理，zhanghuiguom@163.com

*责任作者:席北斗(1969—)，男，研究员，博士，主要研究水环境信息管理，xibeidou@263.net