基于关键源区识别的饮用水水源保护区划研究

耿润哲，殷培红，马 茜

环境保护部环境与经济政策研究中心，北京 100029

基于关键源区识别的饮用水水源保护区划研究

耿润哲，殷培红*，马 茜1

环境保护部环境与经济政策研究中心，北京 100029

准确划定饮用水水源保护区是实现饮用水安全精细化管理的重要前提．基于源头削减和全过程协同管理的思路，将GIS平台、ArcSWAT模型、成本-效益分析技术相结合，以贵州省红枫湖饮用水水源保护区为例，通过对近5年(2010—2014年)水污染负荷特征进行模拟，识别影响水环境污染控制的关键源区，在此基础上划定水源保护区．结果表明:①研究区总氮、总磷污染负荷主要来源为农业面源，其中农业种植和畜禽养殖的负荷贡献分别达到89．7%和91．8%，总氮和总磷负荷高风险区主要集中在流域西北部地势较高且农业耕作活动频繁区域;②污染控制措施的成本效益分析表明，测土配方施肥、1°～15°坡耕地等高植物篱、保护性耕作、植被缓冲带的成本-效益比较高，在该区域水环境污染控制中具有较高的推广应用价值;③基于水污染关键源区识别结果，划定饮用水源四级风险区，其中一级、二级风险区总面积为97．6 km2，仅占原饮用水水源一、二级保护区面积的41．4%，可削减总氮、总磷负荷的60%～70%，所需的搬迁成本仅为原划定方案的35%．研究结果可为我国中西部人口密度大且逐水而居的地区饮用水水源保护区及管控政策的制订提供理论基础和技术参考．

饮用水源;SWAT模型;关键源区识别;面源污染

近年来，由于工业化进程的加快，国内很多饮用水源地周围环境遭到污染．2015年中国环境状况公报显示，全国967个地表水国控断面(点位)Ⅳ类以上水质断面占35．5%［1］，严重影响人民群众的身体健康，饮用水水源保护区划工作已迫在眉睫，而划定饮用水源保护区则是一种行之有效的保护措施［2-5］．

目前国内外划定饮用水源保护区的方法主要有经验值法和计算机模型法．经验值法具有使用简便、数据需求量低等特点，在我国饮用水水源保护区划分研究中应用较为普遍［6-7］．数学模拟法是根据研究水源地的水文、地质、污染等条件，建立数学模型，利用试验数据，按照不同保护区水质要求确定各级保护区的范围［8-9］．以上方法虽然对部分区域的饮用水源地保护发挥了重要作用，但还存在三个方面的不足:①划分的指导性原则不够精确，多基于HJT 338—2007《饮用水水源保护区划分技术规范》［10］，采用辐射性方法进行“一刀切”式的划分，空间上与流域整体特点匹配不够，也未考虑水环境污染的区域性差异和空间异质性，认为所规定范围内均为潜在的污染高风险区，不利于饮用水源保护区范围内精细化管理措施的制订和实施［11］;②存在较高的政策执行风险，“一刀切”式的划分方法会导致库区民众的迁出问题，不但搬迁的经济成本较高，而且还存在较高的社会风险，尤其在我国中西部逐水而居的地区，由于水源保护区及附近的人口密度较大，这一风险更为突出;③对流域整体管理的考虑不足，现行方法仅是针对湖泊、水库本身一定范围内的保护策略，并未考虑湖泊、水库所控制的上游流域集水区整体的污染物传输过程对水质的影响，常常出现饮用水源保护区内严格管控、保护区外污染照旧的现象，导致饮用水源的水环境质量并未出现明显改善［12］．

研究表明，针对饮用水源保护区所控制的流域整体而言，少数区域(通常只占流域总面积的20%～30%)的污染物输出量通常占据全流域负荷总量的绝大比例(约占污染物负荷总量的80%)［13-14］．水环境污染关键源区(critical source areas，CSAs)是指对流域内水环境整体状况有决定性影响的污染敏感区域［15-17］．从流域整体角度对水环境污染进行控制，明确水环境污染物的主要来源和时空分布特征，已成为当前流域水环境污染控制的核心理念和关键所在［18-20］．

通过对流域整体水污染控制关键源区的识别，对饮用水水源保护区进行精细化划分，是实现饮用水源保护成本-效益最大化的有效途径．现有研究多是采用风险评价或模型模拟的方法来识别关键源区．风险评价通过确定污染物流失的风险水平，分级划分流域的关键源区．磷指数(Phosphorus Index，PI)法是比较有代表性的一种风险评价方法．Lemunyon等［21-22］在综合考虑了多因子的相互作用后，首先提出了用磷指数评价法确定农业地区磷元素流失的风险性．磷指数法由于不使用复杂的数学模型，简便实用，主要应用于地块和小流域尺度的关键源区识别［15，23］．模型模拟方法是进行关键源区识别的另一种有效途径．此类研究多是将GIS与ANSWERS、AGNPS、HSPF、SWAT等机理模型集成，在空间和时间序列上对非点源污染的产生机理进行模拟分析，从而确定流域的关键源区．机理模型虽然相对较为复杂，对数据资料的种类和精度也有较高要求，但它可以得到污染物流失量，并且精度较高，因此被广泛应用于流域尺度的关键源区识别［24-27］．

该研究尝试构建基于水环境污染物关键源区识别的饮用水水源保护风险区划方法，以机理模型和GIS平台为基础，对贵州省红枫湖水库饮用水水源保护区所辖流域整体的水环境污染物关键源区进行识别，进而对不同情景下的污染控制措施效率进行评估，并采用工程经济分析方法对不同情景下的水源保护区风险控制方案进行成本-效益分析，提出成本-效益最优的饮用水水源保护风险区划方案，这对在我国人多地少的现实国情下实现饮用水源保护区精确化管理具有一定的理论和现实意义．

1 研究区概况

研究区位于贵阳市西部(106°00'E～106°30'E、26°10'N～26°30'N)，包括4个区县，共16个乡镇，流域面积约为1 124．6 km2(见图1)．红枫湖是贵阳市最大的水源地，水源保护区一、二级面积235．7 km2，每天向贵阳市的城市供水量为4×105m3，供水量占贵阳市用水总量的70%以上，整个区域的中部地区均为水环境高度敏感区，具有重要的生态和社会经济价值．区域内水环境的主要污染物为总氮和总磷，而COD和氨氮在大多数断面均不超标［28］，因此该研究仅针对总氮、总磷污染进行分析．

2 研究方法

2．1 数据来源

以RS、GIS技术为支持，建立红枫湖流域空间及社会经济数据库．空间数据库主要包括数字高程模型图(DEM)、土地利用类型分布图(见图2)、土壤类型图及相关属性数据等;社会经济数据库主要包括各乡镇人口、畜禽养殖、点源污染等(见表1)．

2．2 研究方法

2．2．1 关键源区识别

该研究采用ArcSWAT模型作为流域水环境污染关键源区识别的工具，ArcSWAT模型是一个连续的半分布式流域水文模型，在全球范围内应用广泛［29-31］．以红枫湖水库入库点黄猫村水文站2010—2014年的逐日流量和逐月泥沙、总氮及总磷监测数据，对建立的SWAT模型校准和验证，其中2010—2012年作为模型的校准期，2013—2014年作为验证期．计算纳什效率系数(NE)和相对误差(RE)对模型模拟效果进行评价(见表2)，根据Moriasi的模型效率评价指标，确定径流模拟的精度相对误差在25%以内，泥沙和营养物的相对误差控制50%以内，并且Ens≥0．5，表明模型模拟结果是可接受的，具体校验结果见笔者所在课题组发表的红枫湖流域水环境污染控制系列研究论文［32］．基于校验后的ArcSWAT模型识别红枫湖流域水环境污染的关键源区．

2．2．2 污染控制措施削减效率评估

基于流域水环境污染的关键源区配置最佳管理措施(best management practices，BMPs)，是实现饮用水源保护成本—效益最大化的重要途径，而BMPs削减效率作为实现BMPs有效配置的基础数据，会受到不同区域下垫面条件、气候条件以及措施实施规模等的影响，需要对基于特定点-位的BMPs效率进行评估，ArcSWAT模型作为一种较为成熟的半分布式水文模型，在世界各地的非点源污染BMPs配置工作中得到了广泛的应用［23，33］，并取得了不错的结果．该研究中拟实施BMPs的ArcSWAT模拟，主要基于各项措施的运行机制，进而调整模型中与之相对应的参数进行模拟，各项措施的运行机制及ArcSWAT模型模拟方法见表3．

2．2．3 不同情景下饮用水源保护区划方案成本-效益分析

该研究所采用的BMPs成本主要包括固定投资和生命周期内的运行维护成本两部分［34］．其中，固定投资反映建造工程措施的一次性固定资产投入水平，主要包括人力资本、土地应用成本及建设费用三项内容．

式中:Ctd为措施总成本，元 (hm2·a);C0为固定投资，元 a;rm为维护成本，一般以所占总成本的比例表示(如缓冲带为1%)［35］;s为固定年利率，该研究中参考中国人民银行2013年一年期年利率为6．40%;td为措施生命周期，a．

在BMPs的成本-效益分析中，如何将措施的环境效益进行货币化表示，是成本-效益分析中的关键环节．该研究拟参考王晓燕等［36-37］在密云水库水源保护区内BMPs效益的评价方法，采用影子成本法对红枫湖流域污染控制措施的环境效益进行货币化计算，并采用经济效益费用比(BECR)、内部收益率、经济净现值及经济净现值率等动态评价方法，在考虑资金时间价值的基础上，对不同情境下的水源保护区风险区划方案进行评价，筛选最优控制方案．

式中:Ei为N、P养分流失所损失的价值，元;i为N、P两种元素;Ti为污染物流失总量，t;Si为N、P折算为磷酸二铵的系数;Pi为磷酸二铵肥料的价格，元．根据课题组现场调研结果，目前贵州省磷酸二铵的市场价格为3 600～4 000元 t，该研究中取折中价3 800元 t;TN和TP负荷量折算成纯氮、磷化肥的比例分别为132 14和132 31［38］．

3 结果与讨论

3．1 关键源区识别结果

3．1．1 重点污染源

红枫湖流域2013年总氮、总磷负荷产生量分别为16 278．5和1 742．3 t a，其中农业面源污染重的种植业污染负荷产生量最高，分别占负荷总量的71．03%和47．40%，为水环境污染物产生的关键来源;其次为养殖业，占负荷总量的18．64%和44．36%;农村生活和点源污染负荷产生量较低，仅占污染负荷总量的10．32%和8．23%(见图3)．因此，可以认为红枫湖流域水环境污染物主要来自于农业面源污染，并且主要污染源为种植业和畜禽养殖．

3．1．2 污染物风险空间分布特征

从污染物的空间分布特征(见图4)来看，将总氮、总磷负荷量占流域面积70%～80%的区域确定为水环境污染的关键区域．总氮污染的高风险区域集中于羊昌河流域的刘官乡、黄腊乡、旧州镇，经课题组实地调研发现，这些乡镇的农业活动较为频繁，并且距河道较近，是红枫湖上游流域主要粮食主产区，部分高风险区域化肥的施用量达到750 kg hm2，化肥的过量施用是导致总氮负荷较高的主要因素．总磷污染的高风险区主要集中在蔡官镇、乐平乡、天龙镇及十字乡，这些乡镇的总磷负荷量均超过了磷流失的风险阈值(2 kg hm2)［18］，这些乡镇多位于地形起幅较大的区域，多年来较为严重的采矿活动导致地表植被覆盖度较低，加速了土壤侵蚀的发生，作为面源污染的主要驱动因素，土壤侵蚀的加剧可能是导致这一区域总磷负荷量较高的主要因素．

3．2 BMPs污染物削减效率评估

采用ArcSWAT模型对红枫湖流域水环境污染控制BMPs措施评估结果表明，平衡施肥技术对总氮的削减效率最高，达到了66．7%;30～100 m宽河岸缓冲带对总磷的削减效率最高，可达72．1%．保护性耕作技术的污控表现较为均衡，总氮、总磷的削减效率分别为39．2%和30．1%．同时，这三项措施的自然资源保护价值也是最高的，完全实施后所获取的环境效益总价值达到了15×108元以上，具有较好的经济价值(见表4)．

3．3 不同情景下饮用水源保护区划方案成本-效益分析

综合对比分析选择的多项控制措施，从经济上和技术上综合分析方案的可行性，选择最优的非点源控制方法及组合，以期在经济效益最优的情况下，使污染物的削减达到最优．其中，技术因素包括对污染物的去除效率(总氮、总磷);经济因素包括控制措施的经济效益、成本-效益比、投资回收期、内部收益率、资金限制等．

各项措施累计净现值最高的三项措施为测土配方施肥、1°～15°坡耕地等高植物篱和保护性耕作，相应的这三项措施的效费比也是最高的，并且投资回收期最短，均为1 a即可收回全部投资．但是畜禽粪便储存设施和30 m缓冲带的内部收益率是最高的，其次为15°～25°坡耕地变果园和25°以上坡耕地还林，并且有五项措施的内部收益率大于社会折现率(12%)，表明这种情况下的方案在经济上是可接受的．对于禁养措施和25°以上荒草坡还林而言，虽然其经济收益为负值且投资回收期超过5 a，但是这两项措施的单位面积污染负荷削减效率是较高的，同时在水源保护区内实施禁养措施也可满足国家和地方有关政策规定的要求，因此，可在充分考虑居民可接受度的情况下进行推广使用(见表5)．

3．4 基于关键源区识别的饮用水高风险区的划定

综合考虑用地规模的经济性和红枫湖饮用水水源保护区的划定和BMPs措施的成本效益评估结果，尝试以红枫湖上游流域水环境污染关键源区和河湖岸缓冲带为基础，结合原有饮用水水源保护区划定方式，重新划定红枫湖饮用水源风险控制分区，针对不同污染源提出相应的分区管控措施并进行政策成本核算(见表6、7)．具体划定方法:①一级风险区，原一级保护区、原二级保护区内的河湖岸缓冲带;②二级风险区，原二级保护区内的水污染关键源区;③三级风险区，原二级保护区内除水污染关键源区和河湖岸缓冲带外的区域、原二级保护区外的河湖岸缓冲带;

基于3．3节BMPs的成本效益分析结果，饮用水源高风险区内的污染控制措施拟采用测土配方施肥、农田保护性耕作、植被缓冲带建设、削减畜禽数量、畜禽粪便储存设施结合现有的分散式农村生活污水处理站建设及升级改造、农村生活污水、垃圾储运体系建设等共同构建红枫湖流域饮用水源高风险区污染控制措施体系．经过测算可知，措施配置的总体成本约为17×108元，进一步按照已划定的红枫湖饮用水水源保护区方案计算政策成本，其中仅移民搬迁一项的总成本就高达48×108元，并且其所控制区域的总氮、总磷污染负荷量仅占流域总体负荷量的15．7% 和13．2%，因此，采用极高的经济成本并承担相应的社会风险来针对饮用水水源保护区进行严格管控，对于进入红枫湖库区的污染物削减效率很低，不具备成本-效益上的可行性．

4 结论

a)红枫湖流域水环境污染物的主要来源为农业面源，其中农业种植和畜禽养殖对总氮、总磷的贡献达到了89．7%和91．8%．水环境污染物的关键源区识别结果表明，流域水环境污染物空间差异较大，上游及中游偏下区域负荷较为严重，刘官乡、黄腊乡、旧州镇、蔡官镇、乐平乡、天龙镇及十字乡是水环境污染关键源区，考虑污染物的空间分布差异性，应当从流域整体的角度来划分饮用水水源保护区．

b)污染控制措施的成本-效益分析结果表明，测土配方施肥、1°～15°坡耕地等高植物篱、保护性耕作、植被缓冲带的成本-效益比较高，在该区域水环境污染控制中具有较高的推广应用价值，另外，由于畜禽养殖作为该区域水环境污染的主要来源，即使削减畜禽数量的成本较高，考虑到控制措施成本的差异性，应当在不同风险区内采取精细化的措施配置方案，但在关键源区还是需要采取严格的禁养措施来降低其对水环境安全的风险．

c)水环境污染的自然属性特征决定了对其采用“一刀切”的管理方法会导致总成本投入的大幅度增加，而实际产生的生态效益却较为有限．考虑空间管控和精细化管理原则，重新划定的饮用水水源一级、二级风险区的面积为97．6 km2，仅占原水源一级、二级保护区面积的41．4%，所产生的搬迁成本仅为原先的35%．有效地避免了由于搬迁成本过高所导致的资金投入及社会压力．

d)基于水环境污染关键源区识别来划定饮用水水源保护高风险区是实现饮用水源保护成本效益最大化的有效途径，也是符合水环境自然属性规律的重要技术方法，可在今后的饮用水水源保护区规划及其他区域的相关问题研究中加以拓展应用．同时，受限于管理措施类型及部分社会经济数据的可获得性，该研究暂未能将包括地下水区划等在内的影响饮用水水源高风险区划的所有影响因素加以考虑，这也是课题组今后研究要解决的主要问题．

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Drinking Water Source Divisions Based on Identification of Critical Source Areas

GENG Runzhe，YIN Peihong*，MA Qian
Policy Research Center for Environment and Economy，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100029，China

With safe drinking water essential for human well-being，a holistic and adaptive framework is necessary to protect drinking water sources and consumer supply infrastructure．In this paper，GIS technology，the Soil and Water Assessment Tool(SWAT)nonpoint source model，and remedial cost-effectiveness analysis were used to assess strategies for rezoning drinking water source areas in the upper watershed of the Hongfenghu Reservoir．This reservoir is the major drinking water source for Guiyang City．The results show that:(1) Agricultural non-point sources were the major cause of water pollution;Total nitrogen(TN)and phosphorus(TP)load from tillage and livestock sources accounted for 89.7%and 91.8%，respectively;TN and TP loads were primarily from the towns of Liuguang，Huangla，Jiuzhou and Baiyun，which were identified as the critical towns for water pollution control．(2)Soil testing and fertilizer recommendations，contour hedgerow strips，conservation tillage，and buffer strips were the most cost-effective control practices in the reservoir watershed;(3) Four grade zones for drinking water source protection in the reservoir watershed were divided into divisional zones．The area of first and second grade zones was 97．6 km2and accounted for 41.4%of the original drinking water protection zones，where a 60%-70%reduction in pollutant load could be achieved through implementation of best management practices(BMPs)in the identified critical source areas．In the first grade zones，district policy to protect the Hongfenghu Reservoir should be implemented，including enforcement of immigrant relocation and reduction of livestock numbers，and returning land tilled for grain forestry．In the second grade zones，a series of less restrictive policies including optional partial migration(this policy can save 35%of the total cost for migration)and elimination of livestock should be implemented．In the third and fourth grade zones，a number of comprehensive policies should be implemented to achieve the most cost-beneficial actions balancing drinking water protection and local economic development．These include construction of manure storage facilities，soil testing to determineappropriate fertilizer applications，and an improvement of sewage treatment facilities of rural communities．This research can provide a theoretical and technical basis for drinking water source area protection in similar regions of the country，where water quality is impaired and protection is required．

drinking water sources;SWAT model;critical source areas identification;non-point source pollution

X321

1001-6929(2017)03-0329-11

A

10．13198 j．issn．1001-6929．2017．01．72

耿润哲，殷培红，马茜．基于关键源区识别的饮用水水源保护区划研究［J］．环境科学研究，2017，30(3):329-339．

GENG Runzhe，YIN Peihong，MA Qian．Drinking water source divisions based on identification of critical source areas［J］．Research of Environmental Sciences，2017，30(3):329-339．

2016-11-22

2016-12-17

国家自然科学基金青年科学基金项目(41601551);环境保护部第三批城环总规试点项目(YGCQ-GGQY-201418);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07602-002)

耿润哲(1987-)，男，山西临汾人，助理研究员，博士，主要从事流域水环境管理与控制研究，cnugengrunzhe@outlook．com．

*责任作者，殷培红(1968-)，女(回族)，北京人，研究员，博士，主要从事环境演变与资源研究，yinpeihong@sina．com