基于非点源污染的密云水源保护区水环境容量核算及其分配*

付 可，胡艳霞，谢建治

(1.河北农业大学资源与环境学院，保定 100072； 2.北京市农林科学院北京草业与环境研究发展中心，北京 100097)

·研究报告·

基于非点源污染的密云水源保护区水环境容量核算及其分配*

付 可1，胡艳霞2※，谢建治1

(1.河北农业大学资源与环境学院，保定 100072； 2.北京市农林科学院北京草业与环境研究发展中心，北京 100097)

根据密云水库一级保护区内河流、水文、污染物特征，采用输出系数法模型进行研究区非点源污染负荷估算，并以COD、氨氮和总磷为控制因子，建立一维河流水质模型，定量计算研究区水环境容量，在此基础上，对研究区水环境剩余容量及污染排放削减量进行分配。结果表明：研究区非点源污染负荷输出总值分别COD433.84t/a、氨氮47.14t/a和总磷40.75t/a， 4种非点源污染类型中畜禽养殖的COD、氨氮和总磷分别占各项总污染负荷的78.6%、60%、87.1%，成为保护区内主要的污染来源，水土流失污染、农村生活污水依次之，民俗旅游的污染负荷贡献率最低； 污染源类型中，生活和民俗旅游污水则主要造成COD污染，而水土流失主要引起氨氮和总磷污染。保护区内COD、氨氮和总磷的水环境容量分别为3170.36t/a、128.20t/a、25.27t/a，相较于污染负荷，水环境容量偏小。其中，总磷的污染风险最大，其环境剩余容量达到负值，应对其进行总量15.48t/a的削减。秉承公平和效益原则，总磷排放量削减分配中，畜禽养殖、生活污水、民俗旅游、水土流失各污染源的削减比例分别为44.26%、10.83%、40.90%、6.15%； 氨氮的水环境剩余容量分配中，畜牧养殖的分配量最小、分配比例最低(14.16t、49.85%)； 畜牧养殖成为研究区内重点削减和控制的污染源。基于非点源污染的水环境容量计算及其分配研究可为保护区水环境控制管理与污染防治提供科学依据与决策支持。对加强密云水库饮水源保护，控制上游污染源，保证水质安全，确保北京市民人体健康和经济发展具有重要意义。

密云水库 水环境容量 非点源污染 氨氮 总磷 污染排放削减 分配

0 引言

水源保护区，是落实国务院《关于环境保护若干问题的决定》的重要措施，对强化城市环保整治、保障人民身体健康具有迫切的现实性和长远意义，并且是我国对饮用水水源进行法律保护的最强手段[1]。我国在水资源开发利用方面存在若干问题，应加强水资源的统一管理和优化配置[2， 3]。水环境容量指在一定的水质目标下，保持水功能用途的前提下，水体对于排放其中的污染物具有的容纳能力，是满足水质标准的最大允许污染负荷量[4]。水环境容量反映了水环境容纳污染物的特性，是水环境自我维持、自我调节能力的反映[5， 6]。水环境容量的量化计算，可为水域污染治理和保护提供决策支撑。随着工业污染源的有效控制，在世界范围内，非点源污染已经成为水环境的重要甚至首要原因。量化流域内非点源污染以确定污染的重点控制区域，是进行非点源污染管理的主要途径[7]，而水环境容量的核算及其在污染源之间的分配，成为控制水污染总量的核心。

近年来，非点源污染对水源保护区污染的贡献率日益加大。相关研究表明，密云水源一级保护区水体污染主要以非点源污染为主[8-10]，包括畜禽养殖排泄物所带来的养分流失，不合理的土地利用及耕作方式所造成的养分流失、表土损失，生活垃圾和污水排放等所造成的污染。研究区内非点源污染的水环境容量和污染排放削减分配鲜有研究。为确保北京市人民群众饮水安全以及保护区的可持续发展，通过建立合适的非点源污染负荷输出模型和水环境容量模型，从公平和效益的角度出发，选择针对非点源污染水环境容量和污染削减的估算方法，对密云水源一级保护区非点源污染和水环境容量进行计算，并且对水环境容量与污染负荷进行对比分析，以及对研究区内水环境剩余容量和污染削减总量进行分配，进而找出密云水源一级保护区污染物排放总量控制的有效方法，为保护区水环境管理以及水污染治理工作提供科学依据和相应策略。

1 材料和研究方法

1.1 研究区概况

密云水库位于京郊密云县城北部山区，距首都北京约100 km，兴建于1958年9月， 1959年汛期拦洪， 1960年基本建成。最大蓄水量为43.75亿 m3，最大水面面积188 km2，是华北地区第一大水库[11]。1995年，北京市颁布实施了《北京市密云水库怀柔水库和京密引水渠保护管理条例》，其中，将密云水库环库公路以内(荞麦峪西侧至口门子村、城子以南至黄土洼以北、前保峪岭至老爷庙背水一侧及鲶鱼沟南背水一侧划定的区域除外)，包括内湖区及环库公路以外由市人民政府划定的近水地带划分为一级保护区。保护区涵盖了7个乡镇46个行政村， 2010年底总人口为5.3009万人， 2.5034万户，保护区内居民以农业人口为主，产业结构以畜牧业为主，工业不发达，主要为制衣业和电子工业，污染少。资料显示，密云水库上游村庄村镇基础设施比较薄弱，无污水处理和排放设施，密云水库一级保护区内46个村庄几乎都安装了污水处理设施，但运行的比较少，生活污水大都没有经过处理，加之近年，密云水库水量大幅减少，水面面积缩减为84 km2，使得水库水环境容量降低。

密云水库一级保护区河流属于潮白河水系，潮白河水系共有13条河流，包括潮河、白河两大干流，其中潮河支流6条：安达木河、牤牛河、红门川河、清水河、汤河、龙潭沟河，白河支流5条：白马关河、蛇鱼川河、西沙河、九道湾、对家河。研究区范围内主要有3条河流，分别为潮河、清水河(潮河水系)和白河(白河水系)。

1.2 数据来源

文中以北京密云一级水源保护区为研究对象，根据密云水源地一级保护区实地调研及区内7个乡镇的3年(2008～2010年)统计资料以获得数据，水质标准根据《地面水环境质量标准》(GB 3838-2002)其他数据取自密云县统计资料、密云统计年鉴、密云水库入库河流水质监测资料、《密云县水资源综合规划》、中国环境规划院在《全国地表水水环境容量核定技术复核要点》(2004年)。

1.3 模型建立

以COD、氨氮和总磷为主要污染因子，采用输出系数法模型对研究区非点源污染负荷进行估算； 同时，根据保护区水文特征、水质现状及水质目标，选取模型并计算密云水源地一级保护区水环境容量。

1.3.1 非点源污染负荷计算模型

为避免非点源污染产生和迁移过程的重复计算，采用输出系数法模型，该方法适用于以流域为单元的长期年均负荷估算[12]。因此，密云水源保护区内畜禽排泄污染、生活废水污染、民俗旅游废水污染和水土流失污染四种非点源污染源类型的污染负荷估算，是以流域为单元的长期年均污染负荷，其中不再考虑汛期与非汛期的非点源污染物入库差异。计算公式如下：

(1)

式中，L为污染物流失总量，kg； Ei为流域内不同类型污染物输出系数，即单位面积或每头(只)畜禽、人均生活污染的污染物年输出量，kg/km2/a； Ai为第i类土地利用类型的面积或第i种牲畜数量、人口数量，km2、头(只)或人； Ii为单位面积或每头(只)畜禽粪便、人均生活污染的第i种污染源污染物量，kg； p为降雨输入的污染物量，kg。文中忽略降雨输入的污染物量。

1.3.2 水环境容量计算模型建立

为使计算简易明了，对一级保护区3条主要入库河流及水库进行系统简化，如图1，假设入境点处河流污染物浓度为该污染物的本底浓度C0，水体在流经一级区河道过程中，污染物沿河道分别排入3条河流，使得河流中污染物浓度增加，到达入库点处污染物浓度为C(C指水库水质标准)，当且仅当C小于等于该物质的水质标准值Cs时，即可认为能够保障一级区内整体水域水质符合水质标准要求。因此，用入库河流的水环境容量代表一级区水环境容量。

密云水源一级保护区内3条入库河流属浅河段，且水量补给少、水流稳定，同时污染物能够在较短时间内基本混合均匀，符合一维水质模型的计算要求，故采用一维河流水环境容量计算模型进行一级区水环境容量核算[13]。文中以COD、氨氮和总磷为水质指标，其中，COD和氨氮为易降解物质，故其水环境容量考虑稀释容量和自净容量两部分[14]，模型见公式2

(2)

式中，W1为河段内COD和氨氮的水环境容量，kg/d； Cs为水环境质量标准； C0为河段背景断面污染物浓度，mg/L； K为污染物降解系数， 1/d； L为河段长度，km； u为河流流速，m/s； Q为河段控制断面平均流量，m3/s。

另外，总磷为难降解无机物质，故其水环境容量只考虑稀释容量，具体公式如下：

W2=31.54×(CS-C0)×Q

(3)

式中，W2为河段内总磷的水环境容量，t/a； 其它参数含义同上。

1.3.3 保护区水环境剩余容量及其污染排放削减量的源分配方法[15]

依照公平和效益原则，统筹兼顾保护区的经济发展、环境保护和社会效益，从研究区内生活人数或者各类污染源所承载的就业人数和所产生的国民生产总值GDP，以及各污染源对保护区污染的贡献率3个角度，制定出研究区各污染源水环境剩余容量和排放削减量的分配方案。

(1)水环境剩余容量分配方法

生活类与生产类污染源之间的分配，计算公式为：

(4)

WECd=WEC-WECp

(5)

式中，WECp为生产类污染源分配到的剩余水环境容量，t； WEC为研究区水环境剩余容量，%； p为生产类污染源的社会效益系数，%； Pp为生产类污染源所承载的就业人数，人； P为研究区中的人口总数，人； c为生产类污染源入河量占总入河量的百分比，%； QIRp为第生产类污染源的污染物入河量，t； QIR 为研究区污染物入河总量，t。式(5)中，WECd为生活污染分配到的剩余水环境容量，t； 其他符号同上。

对生产类污染源之间的分配，用公式表示为：

(6)

式中，WECn为第n个生产类污染源分配到的剩余水环境容量，t； pn为第n个污染源的社会效益系数，%； Pn为第n个生产类污染源所承载的就业人数，人； gn为第n个生产类污染源的经济效益系数，%； Gn为第n个生产类污染源的年GDP产值，万元； cn为第第n个生产类污染源入河量占生产类污染源总入河量的百分比，%； QIRn为第n个生产类污染源的入河量，t； 其他符号同上。

(2)污染物质排放削减量分配方法

生活类与生产类污染源之间的分配，具体公式如下：

DQi=DQ×Si

(7)

生产类污染源之间的分配，用公式表示为：

(8)

1.4 模型参数的确定

1.4.1 污染负荷计算参数的确定

(1)畜禽污染负荷计算的各项参数，如表1所示。输出模型结果指流域COD、氨氮和总磷的入河量，因此需要考虑入河系数对其负荷量的影响，参考相关文献研究成果，COD、氨氮和总磷的入河系数区0.2，乘以各项污染指标的产生量作为流域畜禽养殖的入河污染负荷量[16， 17]。(数据来源于2010年实地调研和密云水库一级区各乡镇统计资料)。

表1 畜禽粪尿产量及污染物平均含量

畜禽种类畜禽数量排泄物种类排泄系数(kg/a/只)粪便产生量(t/a)污染物质含量(kg/t)畜禽污染物负荷量(t/a)COD氨氮总磷COD氨氮总磷肉牛3236肉牛粪2240724931.01.71.244.92.51.7奶牛888奶牛粪9855875131.01.71.254.33.02.1肉鸡447300肉鸡粪4.95221445.04.85.413.70.80.5蛋鸡447100蛋鸡粪40.151795145.04.85.4111.36.14.3猪12022猪粪480577052.03.13.435.82.01.4羊12194羊粪4755792——4.91.4

(2)生活及旅游废水污染参数，生活和旅游废水水质变异大，文中综合参考其它文献确定污水中COD、氨氮、总磷含量分别为150 mg/L、10 mg/L和2 mg/L[18]。

另外，生活污水的产生量以80 L/d、处理率30%、入河系数采用0.5； 民俗旅游污水产生量按181 L/d计算； 2010年研究区总人口为5.3009万，旅游接待人数6000人/d。

(3)水土流失污染负荷参数，密云水库一级保护区不同利用类型土地面积及污染物输出系数[19]如表2所示。

表2 不同利用类型土地面积及污染物输出系数

土地利用类型总面积(km2)污染物输出系数(kg/km2/a)氨氮总磷耕地21.68297.3340.60林地80.8724.121.75园地66.7362.766.83草地0.31157.4812.56

表3 一级保护区各河段流速

表4 水质目标

表5 密云水库一级保护区河段长度及污染物浓度

1.4.2 水环境容量计算参数的确定

(1)流量，根据2011年密云县水情统计资料，潮河、白河、清水河入库段多年平均流量分别为4.52 m3/s、3.12 m3/s和1.5 m3/s。

(2)流速，根据河道水文、水质情况，参照相近河流流量流速经验公式[20]，确定研究区河段流量流速关系为：u=0.2183Q0.2086，得到一级区各河段流速见表3。

(3)水质标准，密云水库为北京市生活饮用水水源地，而研究区为水源地一级保护区，保证其对水源地的生态涵养功能，一级区水环境质量应综合控制在国家《地面水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅱ类水质，具体污染物控制浓度如表4。

(4)综合衰减系数，根据中国环境规划院在《全国地表水水环境容量核定技术复核要点》(2004年)中提出的水质降解系数参考值，一般河流Ⅱ-Ⅲ类水质COD综合衰减系数为0.18～0.25(1/d)，氨氮综合衰减系数为0.15～0.20(1/d)[21]。研究区河段属Ⅱ类水质，COD和氨氮的综合衰减系数K分别取平均值为0.22(1/d)和0.18(1/d)。

(5)其它参数，河段长度应用ArcGIS9.2进行测量得出，断面污染物浓度采用2006年水质监测数据，具体值见表5[22]。

2 结果分析与讨论

2.1 非点源污染负荷结果与差异分析

根据相关数据和公式1计算得到密云水库一级保护区非点源污染负荷输出总量见表6。

(1)根据表6的非点源污染负荷估计，对研究区非点源污染负荷进行总体评价。从非点源污染负荷产生总量来看，畜禽排泄污染COD、氨氮和总磷各项污染指标的排放量均远高于其他污染类型的输出量，分别占各项总污染负荷的78.6%、60%、87.1%，成为保护区内主要污染来源。水土流失此次之，氨氮占26.8%，总磷占3.6%，与耿润哲等在密云水库流域非点源污染负荷估算及特征分析中得到的比例结果相近[23]。农村生活废水的COD占全区COD污染的18.7%，氨氮占全区氨氮污染的11.2%，总磷占全区总磷污染的5.9%。民俗旅游废水污染的污染负荷贡献率最低，各项污染均未超过全区污染的4.1%。

(2)从非点源污染贡献类型来看，生活和旅游废水主要造成COD污染，由于该地区经济的发展以及保护区内部分地区城郊化的加快，带动旅游业的增长，促进人们生活水平的提高，因此导致了农村生活和旅游业污染源所产生的负荷量比例较高； 而水土流失则主要造成氨氮和总磷污染。

表7 密云水库一级保护区不同土地利用类型非点源污染负荷输出值

污染负荷输出量土地利用类型耕地林地园地草地合计COD(t/a)—————氨氮(t/a)6.451.944.190.0512.63总磷(t/a)0.880.140.460.0041.484

表8 密云水库一级保护区各指标水环境容量

表9 密云水库一级保护区非点源污染负荷输出总量与其环境容量的对比

COD氨氮总磷污染物输出总量(t/a)433.8447.1440.75水环境容量(t/a)3170.36128.2025.27环境剩余容量*(t/a)2736.5281.06-15.48环境容量剩余比重(%)86.3163.23-61.26

其中，水土流失污染不同土地类型污染负荷输出不同，其具体污染负荷输出值，如表7。

由表7可以看出，水土流失主要造成氨氮、总磷污染，且土地利用类型对水土流失污染负荷输出的影响明显。耕地和园地的氨氮、总磷的输出量分别是6.54t/a、0.88t/a和4.19t/a、0.46t/a，分别占水土流失氨氮、总磷污染负荷总量的51%、59.3%和33.2%、31%，成为水土流失中主要污染来源； 其次是林地，所占比例分别为15.36%和9.43%； 而草地仅为0.4%和0.27%，结果与调查过程中保护区内土地经营模式相一致。

2.2 水环境容量结果与分析

根据相关数据和公式2、3，得出密云水库一级保护区不同河段各指标的水环境容量，如表8。

研究区水环境容量为3条河段水环境容量的总和，其中，COD、氨氮和总磷的水环境容量分别为3170.36t/a、128.20t/a、25.27t/a。表明，为了使密云水库达到饮用水源地的水质控制目标(即Ⅱ类水质标准要求)，每年由水源地一级保护区进入水库的污染物量必须不能超过以上的限制。

此外，保护区内旅游业与农业的发展，加剧对水资源的需求，致使水资源紧张程度加强，水环境容量降低。

2.3 污染负荷输出总值与水环境容量的对比分析

密云水源一级保护区COD、氨氮、总磷的污染负荷输出总量与其环境容量的对比情况见表9。

图2 密云水库一级保护区非点源污染负荷输出总量所占其环境容量比例

由表9、图2可以看出，一级保护区内COD、氨氮和总磷的输出总量分别为433.84t/a、47.14t/a和40.75t/a，所占其水环境容量比例为13.69%、36.77%和161.26%。进而得出COD、氨氮和总磷存在2736.52t/a、81.06t/a和-15.48t/a的剩余容量。不同污染物水环境剩余容量比重大小依次为COD﹥氨氮﹥总磷，总磷的污染风险最大，其污染负荷在Ⅱ类水标准下已无可利用环境容量，需要对其中的15.48t/a进行削减，与王静进行的密云水库水体中总磷迁移转化机理及其承载能力研究中得出结论：按Ⅱ类水质标准计算，水库水体中总磷已无剩余承载能力的观点一致[24]。其次是氨氮，剩余容量为81.06t/a，COD的水环境剩余容量较大，为736.52t/a。

2.4 保护区水环境容量和排放削减量分配估算

表10 密云水库一级保护区氨氮水环境剩余量与总磷排放消减量分配

污染源类型氨氮总磷水环境剩余容量允排增加比例(%)削减量(t/a)削减比例(%)削减后排放量(t/a)畜禽养殖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总计81.06171.96%-15.4837.99%25.27

在一定的水质标准范围内，把水环境容量和排放削减量合理分配至各污染源，是容量总量控制的核心。由表10可以看出，在公平和效益原则相结合的前提下，各污染源的总磷排放量均须不同程度的削减，分别为畜禽养殖44.26%、生活污水10.83%、民俗旅游40.90%、水土流失6.15%的削减比例，削减总量为15.48t。畜禽养殖是总磷污染削减量最大的污染源(14.40t)，同时也是削减比例最大的污染源(44.26%)； 其次是民俗旅游(0.73t， 40.90%)。削减后，4种污染源排放量分别降到20.80t、2.16t、0.29t和1.39t，其中畜禽养殖和民俗旅游的污染贡献率分别下降4.8%和0.4%。对于氨氮而言，研究区内有较多的水环境剩余容量。其中，畜禽养殖的相对剩余容量最小，只有14.16t(49.85%)，其他污染源均有几倍于现排放量的允许排放空间。综合总磷排放削减量和氨氮水环境剩余容量的分配结果分析，畜禽养殖业为研究区域重点控制的污染排放源。

3 结论

(1)保护区内非点源污染中，其中畜禽排泄污染各项污染指标的排放量均明显高于其他污染类型的输出量，分别占各项总污染负荷的78.6%、60%、87.1%，成为保护区内主要的污染来源，生活和旅游废水主要造成COD污染，水土流失则主要造成氨氮和总磷污染。

(2)通过一维河流水质模型计算密云水源一级保护区COD、氨氮和总磷的水环境容量分别为3170.36t/a、128.20t/a、25.27t/a。由污染负荷输出总值与水环境容量的对比分析得出COD、氨氮和总磷的剩余容量为2736.52t/a、81.06t/a和-15.48t/a，总磷污染风险最高，其污染负荷超过水环境允许容量的61.26%，保护区总磷已无剩余容量。

(3)总磷排放量削减分配中，畜禽养殖、生活污水、民俗旅游、水土流失各污染源的总磷排放量削减比例分别为44.26%、10.83%、40.90%、6.15%； 氨氮的水环境剩余容量分配中，畜牧养殖的分配量最小、分配比例最低(14.16t、49.85%)其他污染源均有几倍于现排放量的允许排放空间； 总磷排放削减量的分配和氨氮水环境剩余容量分配两个方面，畜牧养殖均为研究区内重点控制污染源。

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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，硕士研究生。研究方向：环境化学污染与控制。※通讯作者：胡艳霞(1970—)，女，河北衡水人，副研究员。研究方向：生态农业与环境控制。Email：huyx2002@126.com

北京市自然基金“北京浅山地带产业融合的生态效应与承载力研究”(8132028)；北京市科技计划“密云水库保护区生态型产业关键技术研究与示范”(D151100005915002)

X52； S157

A

1005-9121[2016]04-0010-08