基于SWAT模型對(duì)武烈河流域不同水期的水環(huán)境治理項(xiàng)目效益分析研究

趙翠平 白 輝 趙琰鑫 韋大明 陳 巖

(環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012)

長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)的城市發(fā)展和工業(yè)布局過(guò)于密集，污染物排放相對(duì)較集中，局部水域空間內(nèi)承載了過(guò)量的污染物，超過(guò)了水資源的稀釋自凈能力，水環(huán)境受到污染[1]。《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[2]明確提出工作目標(biāo)和治理主要指標(biāo)。2015年，各省已和環(huán)境保護(hù)部簽訂水污染目標(biāo)責(zé)任書，對(duì)各省的考核斷面提出一定的要求。考核斷面的水質(zhì)是否能達(dá)標(biāo)，如果不達(dá)標(biāo)，需要哪些水環(huán)境治理項(xiàng)目，成為目前的研究課題之一。大部分的環(huán)境效益分析側(cè)重社會(huì)經(jīng)濟(jì)，水環(huán)境本身的效益分析較少。本研究考慮多種環(huán)境要素的綜合效益，研究流域水環(huán)境效益凈值，為地方水環(huán)境管理提供數(shù)據(jù)支持。

灤河作為京津水源地水源涵養(yǎng)重要區(qū)，生態(tài)環(huán)境直接關(guān)系京津地區(qū)水源安全[3]。武烈河是承德市“母親河”，屬灤河重要支流，地處國(guó)家重點(diǎn)流域水污染防治“十二五”規(guī)劃的水質(zhì)維護(hù)型單元，水質(zhì)目標(biāo)的完成關(guān)系海河流域和河北省水污染防治總體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。本研究以武烈河作為研究對(duì)象，從保障水環(huán)境安全出發(fā)、以水質(zhì)達(dá)標(biāo)為目的，定量分析區(qū)域不同水期的水環(huán)境效益，并提出水環(huán)境承載調(diào)控的若干意見和建議。

1 研究區(qū)域概況

武烈河流域位于華北平原東北部、灤河中游，是海河水系灤河流域一級(jí)支流，屬承德市境內(nèi)河流。流域涉及承德市雙橋區(qū)、承德縣和隆化縣，地理位置介于東經(jīng)117°42′～118°26′、北緯40°53′～41°42′[4]。武烈河發(fā)源于圍場(chǎng)縣道至溝，流經(jīng)雙峰寺鎮(zhèn)后縱貫承德市雙橋區(qū)，至大石廟鎮(zhèn)雹神廟村匯入灤河，干流全長(zhǎng)114 km，流域面積2 580 km2。流域平均年徑流量2.172 4億m3，降水年內(nèi)分布不均勻，連續(xù)最大4個(gè)月降水量出現(xiàn)在每年的5—8月，占年降水量的80%以上。流域上游主要有興隆河、鸚鵡河、玉帶河3條支流，呈扇形分布，其中興隆河主河道長(zhǎng)19 km，流域面積241 km2；鸚鵡河主河道長(zhǎng)70 km，流域面積765 km2；玉帶河主河道長(zhǎng)55 km，流域面積727 km2。流域內(nèi)污染源以城鎮(zhèn)生活排污和畜禽養(yǎng)殖排污為主，工業(yè)企業(yè)排污較少。流域概況具體見圖1，其中DEM為數(shù)字高程模型。

圖1 流域概況Fig.1 The overview diagram of basin

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究中，SWAT模型所用的流域地理數(shù)據(jù)包括：中國(guó)科學(xué)院數(shù)據(jù)應(yīng)用中心的STRM 90 m的DEM、1∶100 000土地利用圖和1∶1 000 000土壤圖。圖形庫(kù)中所有地圖的投影、坐標(biāo)系統(tǒng)一設(shè)置，采用高斯克魯格投影，北京1954坐標(biāo)系，單位為m。此外，數(shù)據(jù)還包括從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)下載的承德氣象站2000—2012年的日最高溫、日最低溫、日平均溫、降水量、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)，以及承德(二)站2000—2012年的流量、泥沙數(shù)據(jù)。水質(zhì)采用高寺臺(tái)和雹神廟兩個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)。污染物排放量數(shù)據(jù)根據(jù)《2012年承德市環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》[5]、《“十二五”主要污染物總量減排核算細(xì)則》[6]和實(shí)際調(diào)查等進(jìn)行確定。

3 研究方法

在流域模型效應(yīng)中，很多環(huán)境要素都起到了作用，相互作用所得的共同效應(yīng)就是超過(guò)各因子單獨(dú)作用時(shí)效應(yīng)之和的那部分效應(yīng)。這種方法符合尋求最大凈效應(yīng)值的最佳方案原則和邊際理論。以兩要素為例，相互作用后的水文要素效應(yīng)應(yīng)滿足式(1)。

W≥WS=WSI+WSA

(1)

式中：W為I因子綜合作用所增加的效應(yīng)；WS為A因子單獨(dú)作用下分別產(chǎn)生的效應(yīng)之和；WSI為I因子單獨(dú)產(chǎn)生的效應(yīng)；WSA為A因子單獨(dú)產(chǎn)生的效應(yīng)。

其中，W=WS的機(jī)遇極少，經(jīng)常遇到的情況是W≠WS。兩者之差就是共同作用的水文要素效應(yīng)(WC)，需要合理分?jǐn)偟囊舱沁@部分效應(yīng)，即：

WC=W-WS

(2)

兩者共同作用的水文要素應(yīng)按照某單個(gè)變化因子最后改變的效應(yīng)與所有改變一個(gè)因子后再改變另一變化因子增加的效應(yīng)之和的比值進(jìn)行分?jǐn)?，并將所得共同效?yīng)分?jǐn)傊导由蠁我蜃訂为?dú)作用的效應(yīng)作為該因子的全部效應(yīng)。即：

WI=WSI+WCI

(3)

WA=WSA+WCA

(4)

WC=WCI+WCA

(5)

(6)

(7)

式中：WI、WA分別為綜合分?jǐn)偤驣、A因子的效應(yīng)；WCI、WCA分別為共同作用的效應(yīng)分?jǐn)傇贗、A因子上的效應(yīng)；WAI為A因子變化情況下產(chǎn)生的效應(yīng)增加值；WIA為I因子變化情況下產(chǎn)生的效應(yīng)增加值。

4 水環(huán)境治理項(xiàng)目清單

本研究中的水環(huán)境治理項(xiàng)目清單來(lái)自《承德市武烈河流域水污染防治規(guī)劃》，通過(guò)初步篩選，選擇20個(gè)工程項(xiàng)目，涉及7個(gè)畜禽養(yǎng)殖污染防治項(xiàng)目、7個(gè)城鎮(zhèn)生活污染治理項(xiàng)目和6個(gè)農(nóng)村面源污染治理項(xiàng)目，具體見表1。

5 結(jié)果分析與討論

根據(jù)流域不同治理項(xiàng)目，分別計(jì)算各工程在不同水期對(duì)流域出口雹神廟斷面的COD和氨氮質(zhì)量濃度的降低值，以此表征斷面水質(zhì)改善程度，結(jié)果見表2和圖2。由表2和圖2可見，水環(huán)境治理項(xiàng)目建設(shè)對(duì)考核斷面水質(zhì)的改善情況在不同水期存在一定的差異性，與水文條件有關(guān)。豐水期的COD和氨氮是枯水期的2～16倍，是平水期的1～3倍；平水期的COD和氨氮是枯水期的1～8倍。在枯水期，畜禽養(yǎng)殖污染防治和農(nóng)村面源污染治理與城鎮(zhèn)生活污染治理相比，水質(zhì)改善程度相對(duì)較??；在平水期，對(duì)雹神廟斷面COD和氨氮的改善貢獻(xiàn)程度是城鎮(zhèn)生活污染治理項(xiàng)目>農(nóng)村面源污染治理項(xiàng)目>畜禽養(yǎng)殖污染防治項(xiàng)目；在豐水期，對(duì)雹神廟斷面COD和氨氮的改善貢獻(xiàn)程度是農(nóng)村面源污染治理項(xiàng)目>城鎮(zhèn)生活污染治理項(xiàng)目>畜禽養(yǎng)殖污染防治項(xiàng)目?？梢?，在豐水期，農(nóng)村面源污染是治理重點(diǎn)，而農(nóng)村面源污染中農(nóng)田種植面源污染對(duì)斷面水質(zhì)影響總體最大。

表1 水環(huán)境治理項(xiàng)目清單

表2 水環(huán)境治理項(xiàng)目在不同水期的COD和氨氮改善程度

圖2 武烈河不同水期水環(huán)境治理項(xiàng)目對(duì)COD和氨氮的改善Fig.2 The ability of water environment governance projects to improve quality of COD and ammonia nitrogen in Wulie river basin in different stage

控制單元代碼控制單元名稱范圍A1茅荊壩鄉(xiāng)水土涵養(yǎng)功能單元茅荊壩鄉(xiāng)A2荒地鄉(xiāng)種養(yǎng)循環(huán)推廣單元荒地鄉(xiāng)B1磴上鄉(xiāng)和三家鄉(xiāng)農(nóng)村生活污染治理單元磴上鄉(xiāng)、三家鄉(xiāng)B2兩家鄉(xiāng)和崗子鄉(xiāng)畜禽養(yǎng)殖污染防治單元兩家鄉(xiāng)、崗子鄉(xiāng)B3章吉營(yíng)鄉(xiāng)和七家鎮(zhèn)典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)治理單元章吉營(yíng)鄉(xiāng)、七家鎮(zhèn)、中關(guān)鎮(zhèn)(部分)C1頭溝鎮(zhèn)礦山生態(tài)恢復(fù)治理單元頭溝鎮(zhèn)C2韓麻營(yíng)鎮(zhèn)和中關(guān)鎮(zhèn)礦企治理能力提升與支流生態(tài)恢復(fù)單元韓麻營(yíng)鎮(zhèn)、中關(guān)鎮(zhèn)(部分)C3高寺臺(tái)鎮(zhèn)礦區(qū)治理與礦企環(huán)境治理單元高寺臺(tái)鎮(zhèn)D1雙峰寺鎮(zhèn)水庫(kù)周邊生活污染治理與生態(tài)農(nóng)業(yè)示范單元雙峰寺鎮(zhèn)D2水泉溝鎮(zhèn)和獅子溝鎮(zhèn)城鄉(xiāng)結(jié)合部治理單元水泉溝鎮(zhèn)、獅子溝鎮(zhèn)D3城區(qū)環(huán)境治理能力提升單元中華和新華路街口、牛圈子溝鎮(zhèn)、大石廟鎮(zhèn)

中國(guó)流域水環(huán)境管理將逐漸由粗放式的行政管理轉(zhuǎn)向以控制單元為載體的精細(xì)化管理。為了強(qiáng)化質(zhì)量目標(biāo)管理，實(shí)現(xiàn)流域考核斷面水質(zhì)改善，建立武烈河流域控制單元的污染治理項(xiàng)目與出口斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)間的響應(yīng)關(guān)系。武烈河流域的控制單元?jiǎng)澐智闆r見表3。各控制單元水環(huán)境治理項(xiàng)目在不同水期對(duì)COD和氨氮的改善見表4。

武烈河干流源頭的控制單元A1內(nèi)無(wú)任何水環(huán)境治理項(xiàng)目，鸚鵡河源頭的控制單元A2涉及農(nóng)村面源污染治理，這兩個(gè)控制單元水質(zhì)現(xiàn)狀為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅱ類，其水環(huán)境治理項(xiàng)目的建設(shè)在全年對(duì)出口斷面水質(zhì)改善貢獻(xiàn)幾乎沒有，但是這兩個(gè)控制單元卻是生態(tài)重點(diǎn)維護(hù)單元。

控制單元B1和B2只涉及畜禽養(yǎng)殖污染防治項(xiàng)目和農(nóng)村面源污染治理項(xiàng)目?jī)深?，與出口斷面間的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，除豐水期外，對(duì)其他水期斷面的水質(zhì)改善作用較小。

控制單元B3、C1、C2、C3和D1包含了畜禽養(yǎng)殖污染防治項(xiàng)目、城鎮(zhèn)生活污染治理項(xiàng)目和農(nóng)村面源污染治理項(xiàng)目，與平水期和枯水期相比，豐水期內(nèi)水環(huán)境治理水質(zhì)改善效果較明顯；控制單元C1的水環(huán)境治理作用不是很明顯，可能與玉帶河上游來(lái)水量有關(guān)；控制單元B3和控制單元C2的農(nóng)村面源污染治理較明顯，主要與種植面源的有效治理有關(guān)?？刂茊卧狣1城鎮(zhèn)生活污染治理和農(nóng)村面源污染治理對(duì)水質(zhì)改善效果較明顯。

控制單元D2和D3無(wú)畜禽養(yǎng)殖污染防治項(xiàng)目，城鎮(zhèn)生活污染治理項(xiàng)目對(duì)水質(zhì)改善效果要好于農(nóng)村面源污染治理項(xiàng)目。

由此可見，出口斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，各控制單元的治理側(cè)重點(diǎn)也不同。

6 結(jié) 論

(1) 水環(huán)境治理對(duì)考核斷面水質(zhì)的改善情況，在不同水期存在一定的差異性。豐水期的COD和氨氮是枯水期的2～16倍，是平水期的1～3倍；平水期的COD和氨氮是枯水期的1～8倍。在枯水期，畜禽養(yǎng)殖污染防治和農(nóng)村面源污染治理與城鎮(zhèn)生活污染治理相比，水質(zhì)改善程度相對(duì)較?。辉谄剿?/p>

表4 各控制單元水環(huán)境治理項(xiàng)目在不同水期對(duì)COD和氨氮的改善

期，對(duì)雹神廟斷面COD和氨氮的改善貢獻(xiàn)程度是城鎮(zhèn)生活污染治理項(xiàng)目>農(nóng)村面源污染治理項(xiàng)目>畜禽養(yǎng)殖污染防治項(xiàng)目；在豐水期，對(duì)雹神廟斷面COD和氨氮的改善貢獻(xiàn)程度是農(nóng)村面源污染治理項(xiàng)目>城鎮(zhèn)生活污染治理項(xiàng)目>畜禽養(yǎng)殖污染防治項(xiàng)目。

(2) 出口斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，武烈河流域各控制單元的治理側(cè)重點(diǎn)也不同。

[1] 中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì).中國(guó)城市承載力及其危機(jī)管理研究報(bào)告[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

[2] 環(huán)境保護(hù)部.水污染防治行動(dòng)計(jì)劃[A].北京：環(huán)境保護(hù)部,2015.

[3] 李麗娟，鄭紅星.海灤河流域河流系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算[J].海河水利，2000，55(4)：495-500.

[4] 秦天玲，侯佑澤，郝彩蓮，等.基于主成分分析法的武烈河流域水質(zhì)評(píng)價(jià)研究[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2011，37(6)：102-105.

[5] 承德市環(huán)境保護(hù)局.2012年承德市環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒[Z].承德：承德市環(huán)境保護(hù)局，2012.

[6] 環(huán)境保護(hù)部.“十二五”主要污染物總量減排核算細(xì)則[A].北京：環(huán)境保護(hù)部，2011.