付 可，胡艷霞，謝建治

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，保定 100072； 2.北京市農(nóng)林科學(xué)院北京草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心，北京 100097)

·研究報(bào)告·

基于非點(diǎn)源污染的密云水源保護(hù)區(qū)水環(huán)境容量核算及其分配*

付 可1，胡艷霞2※，謝建治1

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，保定 100072； 2.北京市農(nóng)林科學(xué)院北京草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心，北京 100097)

根據(jù)密云水庫一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)河流、水文、污染物特征，采用輸出系數(shù)法模型進(jìn)行研究區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算，并以COD、氨氮和總磷為控制因子，建立一維河流水質(zhì)模型，定量計(jì)算研究區(qū)水環(huán)境容量，在此基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)水環(huán)境剩余容量及污染排放削減量進(jìn)行分配。結(jié)果表明：研究區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷輸出總值分別COD433.84t/a、氨氮47.14t/a和總磷40.75t/a， 4種非點(diǎn)源污染類型中畜禽養(yǎng)殖的COD、氨氮和總磷分別占各項(xiàng)總污染負(fù)荷的78.6%、60%、87.1%，成為保護(hù)區(qū)內(nèi)主要的污染來源，水土流失污染、農(nóng)村生活污水依次之，民俗旅游的污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率最低； 污染源類型中，生活和民俗旅游污水則主要造成COD污染，而水土流失主要引起氨氮和總磷污染。保護(hù)區(qū)內(nèi)COD、氨氮和總磷的水環(huán)境容量分別為3170.36t/a、128.20t/a、25.27t/a，相較于污染負(fù)荷，水環(huán)境容量偏小。其中，總磷的污染風(fēng)險(xiǎn)最大，其環(huán)境剩余容量達(dá)到負(fù)值，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行總量15.48t/a的削減。秉承公平和效益原則，總磷排放量削減分配中，畜禽養(yǎng)殖、生活污水、民俗旅游、水土流失各污染源的削減比例分別為44.26%、10.83%、40.90%、6.15%； 氨氮的水環(huán)境剩余容量分配中，畜牧養(yǎng)殖的分配量最小、分配比例最低(14.16t、49.85%)； 畜牧養(yǎng)殖成為研究區(qū)內(nèi)重點(diǎn)削減和控制的污染源。基于非點(diǎn)源污染的水環(huán)境容量計(jì)算及其分配研究可為保護(hù)區(qū)水環(huán)境控制管理與污染防治提供科學(xué)依據(jù)與決策支持。對(duì)加強(qiáng)密云水庫飲水源保護(hù)，控制上游污染源，保證水質(zhì)安全，確保北京市民人體健康和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

密云水庫 水環(huán)境容量 非點(diǎn)源污染 氨氮 總磷 污染排放削減 分配

0 引言

水源保護(hù)區(qū)，是落實(shí)國務(wù)院《關(guān)于環(huán)境保護(hù)若干問題的決定》的重要措施，對(duì)強(qiáng)化城市環(huán)保整治、保障人民身體健康具有迫切的現(xiàn)實(shí)性和長遠(yuǎn)意義，并且是我國對(duì)飲用水水源進(jìn)行法律保護(hù)的最強(qiáng)手段[1]。我國在水資源開發(fā)利用方面存在若干問題，應(yīng)加強(qiáng)水資源的統(tǒng)一管理和優(yōu)化配置[2， 3]。水環(huán)境容量指在一定的水質(zhì)目標(biāo)下，保持水功能用途的前提下，水體對(duì)于排放其中的污染物具有的容納能力，是滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的最大允許污染負(fù)荷量[4]。水環(huán)境容量反映了水環(huán)境容納污染物的特性，是水環(huán)境自我維持、自我調(diào)節(jié)能力的反映[5， 6]。水環(huán)境容量的量化計(jì)算，可為水域污染治理和保護(hù)提供決策支撐。隨著工業(yè)污染源的有效控制，在世界范圍內(nèi)，非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為水環(huán)境的重要甚至首要原因。量化流域內(nèi)非點(diǎn)源污染以確定污染的重點(diǎn)控制區(qū)域，是進(jìn)行非點(diǎn)源污染管理的主要途徑[7]，而水環(huán)境容量的核算及其在污染源之間的分配，成為控制水污染總量的核心。

近年來，非點(diǎn)源污染對(duì)水源保護(hù)區(qū)污染的貢獻(xiàn)率日益加大。相關(guān)研究表明，密云水源一級(jí)保護(hù)區(qū)水體污染主要以非點(diǎn)源污染為主[8-10]，包括畜禽養(yǎng)殖排泄物所帶來的養(yǎng)分流失，不合理的土地利用及耕作方式所造成的養(yǎng)分流失、表土損失，生活垃圾和污水排放等所造成的污染。研究區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源污染的水環(huán)境容量和污染排放削減分配鮮有研究。為確保北京市人民群眾飲水安全以及保護(hù)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，通過建立合適的非點(diǎn)源污染負(fù)荷輸出模型和水環(huán)境容量模型，從公平和效益的角度出發(fā)，選擇針對(duì)非點(diǎn)源污染水環(huán)境容量和污染削減的估算方法，對(duì)密云水源一級(jí)保護(hù)區(qū)非點(diǎn)源污染和水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算，并且對(duì)水環(huán)境容量與污染負(fù)荷進(jìn)行對(duì)比分析，以及對(duì)研究區(qū)內(nèi)水環(huán)境剩余容量和污染削減總量進(jìn)行分配，進(jìn)而找出密云水源一級(jí)保護(hù)區(qū)污染物排放總量控制的有效方法，為保護(hù)區(qū)水環(huán)境管理以及水污染治理工作提供科學(xué)依據(jù)和相應(yīng)策略。

1 材料和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

密云水庫位于京郊密云縣城北部山區(qū)，距首都北京約100 km，興建于1958年9月， 1959年汛期攔洪， 1960年基本建成。最大蓄水量為43.75億 m3，最大水面面積188 km2，是華北地區(qū)第一大水庫[11]。1995年，北京市頒布實(shí)施了《北京市密云水庫懷柔水庫和京密引水渠保護(hù)管理?xiàng)l例》，其中，將密云水庫環(huán)庫公路以內(nèi)(蕎麥峪西側(cè)至口門子村、城子以南至黃土洼以北、前保峪嶺至老爺廟背水一側(cè)及鯰魚溝南背水一側(cè)劃定的區(qū)域除外)，包括內(nèi)湖區(qū)及環(huán)庫公路以外由市人民政府劃定的近水地帶劃分為一級(jí)保護(hù)區(qū)。保護(hù)區(qū)涵蓋了7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)46個(gè)行政村， 2010年底總?cè)丝跒?.3009萬人， 2.5034萬戶，保護(hù)區(qū)內(nèi)居民以農(nóng)業(yè)人口為主，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以畜牧業(yè)為主，工業(yè)不發(fā)達(dá)，主要為制衣業(yè)和電子工業(yè)，污染少。資料顯示，密云水庫上游村莊村鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施比較薄弱，無污水處理和排放設(shè)施，密云水庫一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)46個(gè)村莊幾乎都安裝了污水處理設(shè)施，但運(yùn)行的比較少，生活污水大都沒有經(jīng)過處理，加之近年，密云水庫水量大幅減少，水面面積縮減為84 km2，使得水庫水環(huán)境容量降低。

密云水庫一級(jí)保護(hù)區(qū)河流屬于潮白河水系，潮白河水系共有13條河流，包括潮河、白河兩大干流，其中潮河支流6條：安達(dá)木河、牤牛河、紅門川河、清水河、湯河、龍?zhí)稖虾?，白河支?條：白馬關(guān)河、蛇魚川河、西沙河、九道灣、對(duì)家河。研究區(qū)范圍內(nèi)主要有3條河流，分別為潮河、清水河(潮河水系)和白河(白河水系)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

文中以北京密云一級(jí)水源保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，根據(jù)密云水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)實(shí)地調(diào)研及區(qū)內(nèi)7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的3年(2008～2010年)統(tǒng)計(jì)資料以獲得數(shù)據(jù)，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)其他數(shù)據(jù)取自密云縣統(tǒng)計(jì)資料、密云統(tǒng)計(jì)年鑒、密云水庫入庫河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料、《密云縣水資源綜合規(guī)劃》、中國環(huán)境規(guī)劃院在《全國地表水水環(huán)境容量核定技術(shù)復(fù)核要點(diǎn)》(2004年)。

1.3 模型建立

以COD、氨氮和總磷為主要污染因子，采用輸出系數(shù)法模型對(duì)研究區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行估算； 同時(shí)，根據(jù)保護(hù)區(qū)水文特征、水質(zhì)現(xiàn)狀及水質(zhì)目標(biāo)，選取模型并計(jì)算密云水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)水環(huán)境容量。

1.3.1 非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算模型

為避免非點(diǎn)源污染產(chǎn)生和遷移過程的重復(fù)計(jì)算，采用輸出系數(shù)法模型，該方法適用于以流域?yàn)閱卧拈L期年均負(fù)荷估算[12]。因此，密云水源保護(hù)區(qū)內(nèi)畜禽排泄污染、生活廢水污染、民俗旅游廢水污染和水土流失污染四種非點(diǎn)源污染源類型的污染負(fù)荷估算，是以流域?yàn)閱卧拈L期年均污染負(fù)荷，其中不再考慮汛期與非汛期的非點(diǎn)源污染物入庫差異。計(jì)算公式如下：

(1)

式中，L為污染物流失總量，kg； Ei為流域內(nèi)不同類型污染物輸出系數(shù)，即單位面積或每頭(只)畜禽、人均生活污染的污染物年輸出量，kg/km2/a； Ai為第i類土地利用類型的面積或第i種牲畜數(shù)量、人口數(shù)量，km2、頭(只)或人； Ii為單位面積或每頭(只)畜禽糞便、人均生活污染的第i種污染源污染物量，kg； p為降雨輸入的污染物量，kg。文中忽略降雨輸入的污染物量。

1.3.2 水環(huán)境容量計(jì)算模型建立

為使計(jì)算簡易明了，對(duì)一級(jí)保護(hù)區(qū)3條主要入庫河流及水庫進(jìn)行系統(tǒng)簡化，如圖1，假設(shè)入境點(diǎn)處河流污染物濃度為該污染物的本底濃度C0，水體在流經(jīng)一級(jí)區(qū)河道過程中，污染物沿河道分別排入3條河流，使得河流中污染物濃度增加，到達(dá)入庫點(diǎn)處污染物濃度為C(C指水庫水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))，當(dāng)且僅當(dāng)C小于等于該物質(zhì)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值Cs時(shí)，即可認(rèn)為能夠保障一級(jí)區(qū)內(nèi)整體水域水質(zhì)符合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，用入庫河流的水環(huán)境容量代表一級(jí)區(qū)水環(huán)境容量。

密云水源一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)3條入庫河流屬淺河段，且水量補(bǔ)給少、水流穩(wěn)定，同時(shí)污染物能夠在較短時(shí)間內(nèi)基本混合均勻，符合一維水質(zhì)模型的計(jì)算要求，故采用一維河流水環(huán)境容量計(jì)算模型進(jìn)行一級(jí)區(qū)水環(huán)境容量核算[13]。文中以COD、氨氮和總磷為水質(zhì)指標(biāo)，其中，COD和氨氮為易降解物質(zhì)，故其水環(huán)境容量考慮稀釋容量和自凈容量兩部分[14]，模型見公式2

(2)

式中，W1為河段內(nèi)COD和氨氮的水環(huán)境容量，kg/d； Cs為水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)； C0為河段背景斷面污染物濃度，mg/L； K為污染物降解系數(shù)， 1/d； L為河段長度，km； u為河流流速，m/s； Q為河段控制斷面平均流量，m3/s。

另外，總磷為難降解無機(jī)物質(zhì)，故其水環(huán)境容量只考慮稀釋容量，具體公式如下：

W2=31.54×(CS-C0)×Q

(3)

式中，W2為河段內(nèi)總磷的水環(huán)境容量，t/a； 其它參數(shù)含義同上。

1.3.3 保護(hù)區(qū)水環(huán)境剩余容量及其污染排放削減量的源分配方法[15]

依照公平和效益原則，統(tǒng)籌兼顧保護(hù)區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和社會(huì)效益，從研究區(qū)內(nèi)生活人數(shù)或者各類污染源所承載的就業(yè)人數(shù)和所產(chǎn)生的國民生產(chǎn)總值GDP，以及各污染源對(duì)保護(hù)區(qū)污染的貢獻(xiàn)率3個(gè)角度，制定出研究區(qū)各污染源水環(huán)境剩余容量和排放削減量的分配方案。

(1)水環(huán)境剩余容量分配方法

生活類與生產(chǎn)類污染源之間的分配，計(jì)算公式為：

(4)

WECd=WEC-WECp

(5)

式中，WECp為生產(chǎn)類污染源分配到的剩余水環(huán)境容量，t； WEC為研究區(qū)水環(huán)境剩余容量，%； p為生產(chǎn)類污染源的社會(huì)效益系數(shù)，%； Pp為生產(chǎn)類污染源所承載的就業(yè)人數(shù)，人； P為研究區(qū)中的人口總數(shù)，人； c為生產(chǎn)類污染源入河量占總?cè)牒恿康陌俜直龋?； QIRp為第生產(chǎn)類污染源的污染物入河量，t； QIR 為研究區(qū)污染物入河總量，t。式(5)中，WECd為生活污染分配到的剩余水環(huán)境容量，t； 其他符號(hào)同上。

對(duì)生產(chǎn)類污染源之間的分配，用公式表示為：

(6)

式中，WECn為第n個(gè)生產(chǎn)類污染源分配到的剩余水環(huán)境容量，t； pn為第n個(gè)污染源的社會(huì)效益系數(shù)，%； Pn為第n個(gè)生產(chǎn)類污染源所承載的就業(yè)人數(shù)，人； gn為第n個(gè)生產(chǎn)類污染源的經(jīng)濟(jì)效益系數(shù)，%； Gn為第n個(gè)生產(chǎn)類污染源的年GDP產(chǎn)值，萬元； cn為第第n個(gè)生產(chǎn)類污染源入河量占生產(chǎn)類污染源總?cè)牒恿康陌俜直龋?； QIRn為第n個(gè)生產(chǎn)類污染源的入河量，t； 其他符號(hào)同上。

(2)污染物質(zhì)排放削減量分配方法

生活類與生產(chǎn)類污染源之間的分配，具體公式如下：

DQi=DQ×Si

(7)

生產(chǎn)類污染源之間的分配，用公式表示為：

(8)

1.4 模型參數(shù)的確定

1.4.1 污染負(fù)荷計(jì)算參數(shù)的確定

(1)畜禽污染負(fù)荷計(jì)算的各項(xiàng)參數(shù)，如表1所示。輸出模型結(jié)果指流域COD、氨氮和總磷的入河量，因此需要考慮入河系數(shù)對(duì)其負(fù)荷量的影響，參考相關(guān)文獻(xiàn)研究成果，COD、氨氮和總磷的入河系數(shù)區(qū)0.2，乘以各項(xiàng)污染指標(biāo)的產(chǎn)生量作為流域畜禽養(yǎng)殖的入河污染負(fù)荷量[16， 17]。(數(shù)據(jù)來源于2010年實(shí)地調(diào)研和密云水庫一級(jí)區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計(jì)資料)。

表1 畜禽糞尿產(chǎn)量及污染物平均含量

畜禽種類畜禽數(shù)量排泄物種類排泄系數(shù)(kg/a/只)糞便產(chǎn)生量(t/a)污染物質(zhì)含量(kg/t)畜禽污染物負(fù)荷量(t/a)COD氨氮總磷COD氨氮總磷肉牛3236肉牛糞2240724931.01.71.244.92.51.7奶牛888奶牛糞9855875131.01.71.254.33.02.1肉雞447300肉雞糞4.95221445.04.85.413.70.80.5蛋雞447100蛋雞糞40.151795145.04.85.4111.36.14.3豬12022豬糞480577052.03.13.435.82.01.4羊12194羊糞4755792——4.91.4

(2)生活及旅游廢水污染參數(shù)，生活和旅游廢水水質(zhì)變異大，文中綜合參考其它文獻(xiàn)確定污水中COD、氨氮、總磷含量分別為150 mg/L、10 mg/L和2 mg/L[18]。

另外，生活污水的產(chǎn)生量以80 L/d、處理率30%、入河系數(shù)采用0.5； 民俗旅游污水產(chǎn)生量按181 L/d計(jì)算； 2010年研究區(qū)總?cè)丝跒?.3009萬，旅游接待人數(shù)6000人/d。

(3)水土流失污染負(fù)荷參數(shù)，密云水庫一級(jí)保護(hù)區(qū)不同利用類型土地面積及污染物輸出系數(shù)[19]如表2所示。

表2 不同利用類型土地面積及污染物輸出系數(shù)

土地利用類型總面積(km2)污染物輸出系數(shù)(kg/km2/a)氨氮總磷耕地21.68297.3340.60林地80.8724.121.75園地66.7362.766.83草地0.31157.4812.56

表3 一級(jí)保護(hù)區(qū)各河段流速

表4 水質(zhì)目標(biāo)

表5 密云水庫一級(jí)保護(hù)區(qū)河段長度及污染物濃度

1.4.2 水環(huán)境容量計(jì)算參數(shù)的確定

(1)流量，根據(jù)2011年密云縣水情統(tǒng)計(jì)資料，潮河、白河、清水河入庫段多年平均流量分別為4.52 m3/s、3.12 m3/s和1.5 m3/s。

(2)流速，根據(jù)河道水文、水質(zhì)情況，參照相近河流流量流速經(jīng)驗(yàn)公式[20]，確定研究區(qū)河段流量流速關(guān)系為：u=0.2183Q0.2086，得到一級(jí)區(qū)各河段流速見表3。

(3)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，密云水庫為北京市生活飲用水水源地，而研究區(qū)為水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)，保證其對(duì)水源地的生態(tài)涵養(yǎng)功能，一級(jí)區(qū)水環(huán)境質(zhì)量應(yīng)綜合控制在國家《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅱ類水質(zhì)，具體污染物控制濃度如表4。

(4)綜合衰減系數(shù)，根據(jù)中國環(huán)境規(guī)劃院在《全國地表水水環(huán)境容量核定技術(shù)復(fù)核要點(diǎn)》(2004年)中提出的水質(zhì)降解系數(shù)參考值，一般河流Ⅱ-Ⅲ類水質(zhì)COD綜合衰減系數(shù)為0.18～0.25(1/d)，氨氮綜合衰減系數(shù)為0.15～0.20(1/d)[21]。研究區(qū)河段屬Ⅱ類水質(zhì)，COD和氨氮的綜合衰減系數(shù)K分別取平均值為0.22(1/d)和0.18(1/d)。

(5)其它參數(shù)，河段長度應(yīng)用ArcGIS9.2進(jìn)行測(cè)量得出，斷面污染物濃度采用2006年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，具體值見表5[22]。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 非點(diǎn)源污染負(fù)荷結(jié)果與差異分析

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)和公式1計(jì)算得到密云水庫一級(jí)保護(hù)區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷輸出總量見表6。

(1)根據(jù)表6的非點(diǎn)源污染負(fù)荷估計(jì)，對(duì)研究區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行總體評(píng)價(jià)。從非點(diǎn)源污染負(fù)荷產(chǎn)生總量來看，畜禽排泄污染COD、氨氮和總磷各項(xiàng)污染指標(biāo)的排放量均遠(yuǎn)高于其他污染類型的輸出量，分別占各項(xiàng)總污染負(fù)荷的78.6%、60%、87.1%，成為保護(hù)區(qū)內(nèi)主要污染來源。水土流失此次之，氨氮占26.8%，總磷占3.6%，與耿潤哲等在密云水庫流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算及特征分析中得到的比例結(jié)果相近[23]。農(nóng)村生活廢水的COD占全區(qū)COD污染的18.7%，氨氮占全區(qū)氨氮污染的11.2%，總磷占全區(qū)總磷污染的5.9%。民俗旅游廢水污染的污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率最低，各項(xiàng)污染均未超過全區(qū)污染的4.1%。

(2)從非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)類型來看，生活和旅游廢水主要造成COD污染，由于該地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及保護(hù)區(qū)內(nèi)部分地區(qū)城郊化的加快，帶動(dòng)旅游業(yè)的增長，促進(jìn)人們生活水平的提高，因此導(dǎo)致了農(nóng)村生活和旅游業(yè)污染源所產(chǎn)生的負(fù)荷量比例較高； 而水土流失則主要造成氨氮和總磷污染。

表7 密云水庫一級(jí)保護(hù)區(qū)不同土地利用類型非點(diǎn)源污染負(fù)荷輸出值

污染負(fù)荷輸出量土地利用類型耕地林地園地草地合計(jì)COD(t/a)—————氨氮(t/a)6.451.944.190.0512.63總磷(t/a)0.880.140.460.0041.484

表8 密云水庫一級(jí)保護(hù)區(qū)各指標(biāo)水環(huán)境容量

表9 密云水庫一級(jí)保護(hù)區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷輸出總量與其環(huán)境容量的對(duì)比

COD氨氮總磷污染物輸出總量(t/a)433.8447.1440.75水環(huán)境容量(t/a)3170.36128.2025.27環(huán)境剩余容量*(t/a)2736.5281.06-15.48環(huán)境容量剩余比重(%)86.3163.23-61.26

其中，水土流失污染不同土地類型污染負(fù)荷輸出不同，其具體污染負(fù)荷輸出值，如表7。

由表7可以看出，水土流失主要造成氨氮、總磷污染，且土地利用類型對(duì)水土流失污染負(fù)荷輸出的影響明顯。耕地和園地的氨氮、總磷的輸出量分別是6.54t/a、0.88t/a和4.19t/a、0.46t/a，分別占水土流失氨氮、總磷污染負(fù)荷總量的51%、59.3%和33.2%、31%，成為水土流失中主要污染來源； 其次是林地，所占比例分別為15.36%和9.43%； 而草地僅為0.4%和0.27%，結(jié)果與調(diào)查過程中保護(hù)區(qū)內(nèi)土地經(jīng)營模式相一致。

2.2 水環(huán)境容量結(jié)果與分析

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)和公式2、3，得出密云水庫一級(jí)保護(hù)區(qū)不同河段各指標(biāo)的水環(huán)境容量，如表8。

研究區(qū)水環(huán)境容量為3條河段水環(huán)境容量的總和，其中，COD、氨氮和總磷的水環(huán)境容量分別為3170.36t/a、128.20t/a、25.27t/a。表明，為了使密云水庫達(dá)到飲用水源地的水質(zhì)控制目標(biāo)(即Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求)，每年由水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)進(jìn)入水庫的污染物量必須不能超過以上的限制。

此外，保護(hù)區(qū)內(nèi)旅游業(yè)與農(nóng)業(yè)的發(fā)展，加劇對(duì)水資源的需求，致使水資源緊張程度加強(qiáng)，水環(huán)境容量降低。

2.3 污染負(fù)荷輸出總值與水環(huán)境容量的對(duì)比分析

密云水源一級(jí)保護(hù)區(qū)COD、氨氮、總磷的污染負(fù)荷輸出總量與其環(huán)境容量的對(duì)比情況見表9。

圖2 密云水庫一級(jí)保護(hù)區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷輸出總量所占其環(huán)境容量比例

由表9、圖2可以看出，一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)COD、氨氮和總磷的輸出總量分別為433.84t/a、47.14t/a和40.75t/a，所占其水環(huán)境容量比例為13.69%、36.77%和161.26%。進(jìn)而得出COD、氨氮和總磷存在2736.52t/a、81.06t/a和-15.48t/a的剩余容量。不同污染物水環(huán)境剩余容量比重大小依次為COD﹥氨氮﹥總磷，總磷的污染風(fēng)險(xiǎn)最大，其污染負(fù)荷在Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)下已無可利用環(huán)境容量，需要對(duì)其中的15.48t/a進(jìn)行削減，與王靜進(jìn)行的密云水庫水體中總磷遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理及其承載能力研究中得出結(jié)論：按Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，水庫水體中總磷已無剩余承載能力的觀點(diǎn)一致[24]。其次是氨氮，剩余容量為81.06t/a，COD的水環(huán)境剩余容量較大，為736.52t/a。

2.4 保護(hù)區(qū)水環(huán)境容量和排放削減量分配估算

表10 密云水庫一級(jí)保護(hù)區(qū)氨氮水環(huán)境剩余量與總磷排放消減量分配

污染源類型氨氮總磷水環(huán)境剩余容量允排增加比例(%)削減量(t/a)削減比例(%)削減后排放量(t/a)畜禽養(yǎng)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總計(jì)81.06171.96%-15.4837.99%25.27

在一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，把水環(huán)境容量和排放削減量合理分配至各污染源，是容量總量控制的核心。由表10可以看出，在公平和效益原則相結(jié)合的前提下，各污染源的總磷排放量均須不同程度的削減，分別為畜禽養(yǎng)殖44.26%、生活污水10.83%、民俗旅游40.90%、水土流失6.15%的削減比例，削減總量為15.48t。畜禽養(yǎng)殖是總磷污染削減量最大的污染源(14.40t)，同時(shí)也是削減比例最大的污染源(44.26%)； 其次是民俗旅游(0.73t， 40.90%)。削減后，4種污染源排放量分別降到20.80t、2.16t、0.29t和1.39t，其中畜禽養(yǎng)殖和民俗旅游的污染貢獻(xiàn)率分別下降4.8%和0.4%。對(duì)于氨氮而言，研究區(qū)內(nèi)有較多的水環(huán)境剩余容量。其中，畜禽養(yǎng)殖的相對(duì)剩余容量最小，只有14.16t(49.85%)，其他污染源均有幾倍于現(xiàn)排放量的允許排放空間。綜合總磷排放削減量和氨氮水環(huán)境剩余容量的分配結(jié)果分析，畜禽養(yǎng)殖業(yè)為研究區(qū)域重點(diǎn)控制的污染排放源。

3 結(jié)論

(1)保護(hù)區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源污染中，其中畜禽排泄污染各項(xiàng)污染指標(biāo)的排放量均明顯高于其他污染類型的輸出量，分別占各項(xiàng)總污染負(fù)荷的78.6%、60%、87.1%，成為保護(hù)區(qū)內(nèi)主要的污染來源，生活和旅游廢水主要造成COD污染，水土流失則主要造成氨氮和總磷污染。

(2)通過一維河流水質(zhì)模型計(jì)算密云水源一級(jí)保護(hù)區(qū)COD、氨氮和總磷的水環(huán)境容量分別為3170.36t/a、128.20t/a、25.27t/a。由污染負(fù)荷輸出總值與水環(huán)境容量的對(duì)比分析得出COD、氨氮和總磷的剩余容量為2736.52t/a、81.06t/a和-15.48t/a，總磷污染風(fēng)險(xiǎn)最高，其污染負(fù)荷超過水環(huán)境允許容量的61.26%，保護(hù)區(qū)總磷已無剩余容量。

(3)總磷排放量削減分配中，畜禽養(yǎng)殖、生活污水、民俗旅游、水土流失各污染源的總磷排放量削減比例分別為44.26%、10.83%、40.90%、6.15%； 氨氮的水環(huán)境剩余容量分配中，畜牧養(yǎng)殖的分配量最小、分配比例最低(14.16t、49.85%)其他污染源均有幾倍于現(xiàn)排放量的允許排放空間； 總磷排放削減量的分配和氨氮水環(huán)境剩余容量分配兩個(gè)方面，畜牧養(yǎng)殖均為研究區(qū)內(nèi)重點(diǎn)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，碩士研究生。研究方向：環(huán)境化學(xué)污染與控制?！ㄓ嵶髡撸汉G霞(1970—)，女，河北衡水人，副研究員。研究方向：生態(tài)農(nóng)業(yè)與環(huán)境控制。Email：huyx2002@126.com

北京市自然基金“北京淺山地帶產(chǎn)業(yè)融合的生態(tài)效應(yīng)與承載力研究”(8132028)；北京市科技計(jì)劃“密云水庫保護(hù)區(qū)生態(tài)型產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(D151100005915002)

X52； S157

A

1005-9121[2016]04-0010-08