赤水河流域(云南省境内)水环境承载能力测算研究

王 万 宾，管 堂 珍，梁 启 斌，张 星 梓，刘 岳 雄，李 森，刘 芳，3

(1.云南省生态环境科学研究院 环境规划研究中心，云南 昆明 650034； 2.西南林业大学 生态与环境学院，云南 昆明 650224； 3.云南师范大学 旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500)

赤水河作为长江上游南岸的重要支流，为我国长江经济带发展战略部署的重要组成部分[1]。赤水河发源于云南省昭通市境内的镇雄县，流经贵州、四川两省，下游有包括茅台酒厂在内的众多中国知名白酒企业，也是红军四渡赤水战役之地，被誉为“淌酒的河”和“红色的河”。作为赤水河的源头和上游地区，上游优良水质供给直接关联下游产业发展。2018年3月，云南与贵州、四川三省联合签订了《赤水河流域横向生态保护补偿协议》，为长江流域第一个跨省的横向流域生态补偿机制试点区域。随后2018年12月，云南省财政厅、生态环境厅等4部门联合印发了《建立赤水河流域云南省内生态补偿机制实施方案》(云财建〔2018〕342号)。当前，SWAT模型已经广泛用于流域水文过程模拟，取得较好的应用效果[2-4]。水环境容量是水环境承载力的主要量化指标，但目前水环境容量核算方法存在对水文过程的动态变化(包括时间和空间)考虑不全的问题[5-7]。本文以赤水河流域(云南省)为研究区域，首先利用SWAT模型对径流时空特征进行了模拟。在此基础上，结合污染源调查与核算方法及水环境容量计算方法，进行了研究区域的水环境承载能力测算，以期为区域的生态环境保护与治理提供参考依据，为流域动态、精细化的水环境管理提供技术支撑。

1 研究区概况、数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

赤水河在云南省境内流经昭通市镇雄县东北部地区以及威信县东南部，流域范围主要包括镇雄县14个乡镇(街道)及威信县的3个乡镇。流域总面积为1 891.91 km2，其中在镇雄县和威信县的面积分别为1 413.86，478.05 km2，分别占镇雄县、威信县国土面积的38.25%和34.15%。流域内河谷深切狭窄，山势陡峻，河谷交错发育(见图1)。流域属北亚热带气候，全年日照少，湿润多阴雨，年均降水量1 067.1 mm左右。流域内水资源丰富，河流纵横交错，有岔坝河、铜车河、扎西河、倒流河等支流。流域土地类型主要以耕地和林地为主(见图2)，林地和耕地面积分别约占流域总面积的41.30%和52.81%。流域威信境内森林覆盖率44%，镇雄境内森林覆盖率仅为29%，森林覆盖率较低。

图1 赤水河流域(云南省境内)DEMFig.1 DEM of Chishui River Basin in Yunnan

图2 赤水河流域(云南省境内)土地利用类型Fig.2 Land use types of Chishui River Basin in Yunnan

1.2 数据来源

基础数据来源于镇雄县、威信县统计部门提供的统计年鉴、社会经济统计公报、环境统计数据等。数字高程模型图(DEM)通过镇雄县和威信县等高线提取，土地利用类型图来源于2017年镇雄县和威信县的土地变更数据库，土壤数据(1∶10万)来源于世界土壤数据库(HWSD)[8]，流域内部2个气象站点2017年的逐日气象观测数据及CMADS数据库中2008～2016年的气象数据作为直接输入数据[9]，包括日降水量、最高最低气温、气压、风速、日照时数和相对湿度。

1.3 研究方法

1.3.1SWAT模型

河流径流量的时空模拟采用SWAT模型，平台为ArcSWAT。SWAT模型是美国农业部(USDA)农业研究局(ARS)开发的流域尺度模型，SWAT模型主要包括水文过程子模型、土壤侵蚀子模型和污染负荷子模型，它主要用于模拟地表水和地下水的水质和水量，长期预测土地管理措施对具有多种土境、土地利用和管理条件的大面积复杂流域的水文、泥沙和农业化学物质产量的影响[10-12]。模型先将流域划分为子流域，再根据土地利用、土壤类型和坡度来划分水文响应单元，根据水量平衡方程模拟流域的水文循环过程[13-14]。

(1)

式中：SWt表示土壤最终含水量，SW0表示第i天土壤初始含水量，t表示时间，Rday表示第i天的降水量，Qsurf表示第i天地表径流，Ea表示第i天的蒸散发量，wseep表示第i天离开土壤剖面底部的渗透水流和旁通水流水量，Qgw表示第i天回归流的水量。

1.3.2污染负荷核算

结合流域现场调研，按照城镇生活点源、工业点源、规模化畜禽养殖点源、农村生活非点源、散养畜禽非点源、种植业非点源6个主要污染源对研究区域的污染源入河量进行核算，研究确定流域污染源结构及特征，识别影响流域生态环境的主要污染源。

(1) 城镇生活点源。城镇生活考虑生活污水和生活垃圾，污染物排放量采用人均排污系数法计算，排污系数参考《第一次全国污染源普查：城镇生活源产排污系数手册》。计算公式如下：

Wc=365×POPc×αc

(2)

式中：Wc是城镇生活污染物产排量，t/a；POPc是城镇人口；αc是城镇生活污染物产排系数。

(2) 工业点源及规模化畜禽养殖点源。工业点源及规模化畜禽养殖点源排放数据来源于环保部门提供的环境统计数据和污染源普查数据，以及农业部门提供的规模化养殖场(小区)的资料。

(3) 农村生活非点源、散养畜禽非点源、种植业非点源。采用土壤流失系数和肥料流失系数，结合肥料施用量，计算种植业非点源污染排放量，系数参考《第一次全国污染源普查：农业污染源肥料流失系数手册》。采用排污系数法核算农村生活污水、生活垃圾污染物排放量及散养畜禽排放量，排放系数参考《第一次全国污染源普查：畜禽养殖业污染源产排污系数手册》。

根据《全国水环境容量核定技术指南》[15]，城镇生活点源、工业点源、规模化畜禽养殖点源污染物入河系数取值为0.9。根据《水体达标方案编制技术指南》[16]，结合流域实际情况，假设非点源污染物入河系数与距河道距离呈递减关系，采用监测断面污染物通量核定，确定农村生活非点源、散养畜禽非点源、种植业非点源污染物入河系数列于表1。统计各污染源类别排放量，然后乘以入河系数，计算污染负荷入河量。

表1 距河道不同距离入河系数[16]Tab.1 The rate loss of non-point source pollution loads at different distance of entering river

流域监测数据可获得量较少，采用统计估算法复核水污染物最终入河量。公式如下[16]：

(3)

式中：OPA为监测断面污染物通量，t/a；R为径流量，万m3/a；PC为实测污染物浓度，mg/L；m为监测次数。

1.3.3水环境承载能力

根据《全国水环境容量核定技术指南》[15]，水环境容量通常可分为理想水环境容量、(实际)水环境容量和剩余环境容量。理想水环境容量是指通过模型正向计算得出的水体的环境容量，是水体的最大允许容纳的各类污染源排放的污染物总量；(实际)环境容量是指在理想水环境容量扣除控制单元非点源(面源)污染物入河量后剩余的环境容量，是点污染源的最大污染物入河量；按照各控制单元点源入河平均系数，反向折算到陆上，得到最大允许排放量。当(实际)环境容量大于点源现状入河量时，(实际)环境容量减去点源现状入河量为剩余环境容量，而当(实际)环境容量小于点源现状入河量时，(实际)环境容量减去点源现状入河量为削减量。本研究利用最大允许排放量及剩余环境容量表征研究区域的水环境承载能力状况。

(1) 计算因子。根据国家和地方规定，重点污染因子筛选确定为COD、NH3-N和TP。

(2) 水质模型。水环境容量的计算是通过水质模型对污染物在水体中的运动进行模拟，把排污量以及排污口位置等作为模型的输入条件，通过正向模拟，求得水体水质的输出结果。目前的水质数学模型有零维模型、一维模型、二维模型等[17]，对每个水环境功能区，可根据其空间形态、水文、水质特征选择合适的水环境容量计算模型。由于赤水河干流平均河宽在50～100 m之间，自然径流量适中，污染物浓度只在河流纵向上发生变化，横向断面上变化不大，横向和垂向的污染物浓度梯度可以忽略。根据适用条件，本次研究对赤水河干流及支流选用河流一维水质模型。

一维水质模型如下：

C=C0e-Kx/u

(4)

式中：u为河流平均流速，m/s；x为沿程距离，m；K为污染物综合降解系数，d-1；C为沿程污染物浓度，mg/L；C0为水质本底浓度，mg/L。

河流的水文条件年际、月际变化非常大。为使河流水环境容量测算更具有保证性及符合实际情况，采用SWAT模型模拟出多年平均每月的河流流量空间数据，然后根据曼宁公式测算河流的流速。曼宁公式为

(5)

式中：V是速度；k是转换常数，国际单位制中值为1；n是糙率，取值0.03；Rh是水力半径，是流体截面积与湿周长的比值；S指明渠的坡度。

根据相关文献研究结果，污染物COD、NH3-N、TP的降解系数与流速之间呈幂函数关系[21]。该研究以污染物COD、NH3-N、TP的降解系数与流速之间呈幂函数关系为基础，测算研究区域不同月份的降解系数。COD、NH3-N、TP污染物的降解系数统计如表2所列。

表2 污染物降解系数Tab.2 Degradation coefficient of different pollutant d-1

(3) 水环境容量计算方程。采用一维水质模型得到水环境容量的计算公式为[15]

(6)

式中：Wi为第i个控制单元水环境容量，t/a；Ci为河段第i个控制单元的上游水质浓度，mg/L；C为水质目标，为GB3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准要求限值，mg/L；Qi为第i个控制单元河道流量，m3/s；Qj为第i个控制单元废水入河量，m3/s；u为第i个控制单元的河流流速，m/s；x为第i个控制单元的河流长度，m。

2 结果与讨论

2.1 水环境质量现状特征

赤水河流域(云南省)上游为洗白河，扎西河、双河、倒流河、铜车河等为重要支流。目前，赤水河干流跨界监测断面为岔河渡口断面(监测断面布置示意见图3)，扎西河常设水质监测断面为马林光沟(上游)、建设局(上游)、石坎(下游)断面，洗白河常设断面为洗白断面，地表水功能区划要求全部为GB3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准要求。但是，《建立赤水河流域云南省内生态补偿机制实施方案》明确规定2020年底，岔河渡口、洗白、石坎水质监测断面需稳定达到GB3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准要求。2011～2017年，水质监测数据显示：赤水河干流水质较好，年均达到GB3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准要求；扎西河上游水质年均为劣Ⅴ类，而下游水质年均为Ⅲ类(见图4)。

图3 主要河流水质监测断面分布示意Fig.3 Distribution diagram of water quality monitoring section of main rivers in Chishui River Basin (Yunnan territory)

图4 2011～2017年主要河流断面水质类别示意Fig.4 Water quality status of the main rivers in Chishui River Basin(Yunnan territory)during 2011～2017

建设局断面位于扎西河威信县城城区段，2011～2015年(2016年后未监测)，该断面COD、NH3-N、TP、高锰酸盐指数及五日生化需氧量最大超标倍数分别为5.76，9.90，4.80，0.93和10.75，水质状况常年为劣Ⅴ类。2011～2017年，跨界断面岔河渡口高锰酸盐指数及五日生化需氧量两项指标均满足GB3838-2002《地表水环境质量标准》中Ⅱ类标准，COD、NH3-N及TP等3项指标则偶有超过Ⅱ类标准，超标月份集中在春夏两季，丰水期降水将面源污染物冲刷入河是岔河渡口断面水质超标的主要原因之一。洗白断面除高锰酸盐指数外，其余指标监测结果均有月份不同程度超出GB3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准，超标时段无明显季节变化规律。石坎断面除高锰酸盐指数外的其余水质监测指标均出现超出GB3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准的现象，且超标的月份无明显季节分布规律。2011～2017年，马林光沟断面水质状况较好，COD、NH3-N、TP、高锰酸盐指数、五日生化需氧量水质达到GB3838-2002《地表水环境质量标准》中Ⅲ类标准的月份数占总监测次数比例分别为97.62%、100%、100%、100%及95.24%。

2.2 水环境控制单元划定

基于GIS和数字高程模型(DEM)，结合流域水文特征，采用ArcGIS的Hydrology模块，选取适当阈值划分汇水单元。在流域水系分析的基础上，考虑行政区划、水环境功能区划、监测点位、排污特征等因素，结合水源保护区等高功能水体保护区，充分考虑工业园区、县城城区、污水处理厂排污口、各县区及乡镇主体功能区划，将研究区域划分为26个水环境控制单元，如图5所示。

图5 研究区域水环境控制单元细化分布示意Fig.5 Detailed spatial distribution of controlling units of water environment

2.3 河流径流量时空模拟

利用SWAT模型模拟流域地表流量分布如图6所示，SWAT模型重要参数校正结果列于表3。由于流域水文数据较为缺乏，采用昭通市水文局提供的流域多年河流水文数据进行验证与校核(见图7)。验证结果显示：赤水河干流、倒流水河、扎西河、妥泥河、铜车河、母享河的相对误差为-8.78%，6.70%，-7.75%，34.73%，-20.38%，-25.91%，SWAT模型模拟结果基本合理可靠。模拟结果显示：研究区域水资源较为丰富，赤水河干流、重要支流扎西河、倒流河、铜车河、双河多年地表平均径流量依次为7.00亿、1.58亿、2.97亿、2.00亿、0.21亿m3。赤水河流域不同月份河流径流分布差异较为明显，6～9月是丰水期，10月～11月平水期，11月至次年4月为枯水期，河流径流量空间分布差异较为明显。

图6 研究区域多年流量时空分布示意(单位：m3/s)Fig.6 Temporal and spatial distribution diagram of multi-year runoff

图7 SWAT地表径流模拟验证示意Fig.7 Observed and simulated annual runoff during 2008～2017

表3 SWAT地表径流模拟校正参数结果Tab.3 Correction results of the main calibration parameters in SWAT model

2.4 污染负荷特征分析

2017年，流域内COD、NH3-N、TP排放量分别为20 027.14，1 355.41，526.93 t；COD、NH3-N、TP入河总量分别为5 330.89，500.46，102.52 t(见表4)，城镇生活源污染物入河量占比较大。扎西镇、赤水源镇、坡头镇、大湾镇、母享镇污染物入河量占全流域污染物入河总量的比例较高(约占入河总量的比例为47.7%)，水田镇、鱼洞乡、黑树镇、花朗乡、尖山乡入河量占比较小(约占入河总量的比例为16%)。除威信扎西镇外，流域内16个乡镇“两污”处理设施接近空白，城镇生活源已成为流域第一大污染来源。

表4 研究区域污染负荷入河量构成表Tab.4 Pollution loads from different pollution sources into river

2.5 水环境承载能力计算

赤水河流域COD、NH3-N、TP的理想水环境容量分别为26 001.69，1 771.88，403.75 t/a，流域总体理想环境容量较大，与丰富的水资源密切相关。26个控制单元中，倒流河双河乡控制单元、倒流河水田镇控制单元、赤水河坡头镇控制单元、赤水河水田镇控制单元4个控制单元的理想环境容量较大，占流域总理想环境容量的50%以上；双河双河乡控制单元、母享河支流母享镇控制单元的理想环境容量较小，小于流域总理想环境容量的1%；扎西河所属控制单元理想环境容量占流域总理想环境容量的7%以上，COD、NH3-N、TP的理想水环境容量分别为1 930.89，132.45，30.20 t/a。

赤水河流域COD、NH3-N、TP的允许排放总量为26 328.99，1 834.38，402.09 t/a。26个控制单元中，倒流河双河乡控制单元、倒流河水田镇控制单元、赤水河坡头镇控制单元、赤水河水田镇控制单元4个控制单元的允许排放量较大，占流域总允许排放量的54%以上；赤水河果珠乡控制单元、大湾镇坡头镇控制单元的允许排放量较小，小于流域总允许排放量的1%；扎西河所属控制单元允许排放量占流域总允许排放量的9%以上，COD、NH3-N、TP的允许排放量分别为2 482.89，166.59，37.01 t/a。各控制单元最大允许排放量列于表5。

赤水河流域COD、NH3-N、TP的剩余水环境容量分别为13 833.98，696.59，129.46 t/a。26个控制单元中，倒流河双河乡控制单元、倒流河水田镇控制单元、赤水河坡头镇控制单元、赤水河水田镇控制单元4个控制单元的剩余环境容量较大，占流域总剩余环境容量的50%以上。由于污染物入河量超过其理想环境容量，扎西河上游扎西镇控制单元COD、NH3-N、TP污染物无剩余水环境容量，扎西河中游扎西镇控制单元、扎西河下游扎西镇控制单元TP污染物无剩余水环境容量(见表5)。目前威信县城(扎西镇)每年仍有39.67万t未经处理的生活污水直接排入扎西河，且所产生的4.75万t生活垃圾仅运至县城生活垃圾堆放场进行简易堆放处置，县城城区长时间维持合流制排水系统，雨季合流污水溢流严重，污水收集管网覆盖率低，生活污水处理能力不足，这是导致扎西镇(扎西河)已基本无水环境剩余容量，水环境承载状态为已超载的主要原因。

表5 研究区域控制单元允许排放量和剩余环境容量分布Tab.5 Permissible emissions and residual environmental capacity of controlling units t/a

3 结 论

(1) 在流域SWAT模型径流时空模拟的基础上，测算流域内COD、NH3-N、TP的允许排放总量为26 328.99，1 834.38，402.09 t/a，流域COD、NH3-N、TP的剩余水环境容量分别为13 833.98，696.59，129.46 t/a，流域总体水环境承载能力较强。

(2) 流域理想水环境容量、最大允许排放量和剩余环境容量的时空分布能为流域水环境精细管理提供重要参考。扎西镇扎西河已基本无水环境剩余容量，流域城镇污水垃圾收集处理率普遍较低，城镇生活源已成为流域第一大污染来源，水环境承载力局部已呈超载状态。

致 谢

昭通市生态环境局张宁和杨凌波提供了有益的建议和鼎力支持，特表感谢!