基于生態(tài)系統(tǒng)凈化與人為調控耦合作用的水環(huán)境承載力評估

高 偉,陳 巖,嚴長安,李金城

1 云南大學生態(tài)學與環(huán)境學院,云南省高原山地生態(tài)與退化環(huán)境修復重點實驗室,昆明 650091

2 生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院,北京 100012

3 昆明市環(huán)境科學研究院,昆明 650032

4 北京大學環(huán)境科學與工程學院,北京 100871

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展,水資源短缺、水污染、水生態(tài)破壞等水環(huán)境問題日益突出,已成為制約人類社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。我國最嚴格水管理制度的提出從水資源開發(fā)、用水效率和水功能區(qū)納污三個角度設定管理目標,推動經(jīng)濟社會與水環(huán)境承載能力協(xié)調發(fā)展[1-2]。水環(huán)境承載力(Water Environment Carrying Capacity,WECC)作為衡量區(qū)域經(jīng)濟社會與水環(huán)境協(xié)調發(fā)展程度,判定區(qū)域可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)的重要指標,對區(qū)域水資源管理、水環(huán)境優(yōu)化、水生態(tài)恢復具有指導意義。

目前,水環(huán)境承載力評價尚未形成統(tǒng)一完整的評價體系,常用的評價方法有多目標規(guī)劃模型、模糊綜合評價模型、結構方程模型、壓力-狀態(tài)-響應模型等,由于研究出發(fā)的角度不同,其構建的評價指標體系也存在諸多差異。趙衛(wèi)等人以水環(huán)境系統(tǒng)所能承載的最大經(jīng)濟規(guī)模為目標,采用多目標優(yōu)化模型評價了遼河流域水環(huán)境承載力,運用情景分析法探討水環(huán)境承載力優(yōu)化途徑,其在排污結構優(yōu)化的過程中未將生態(tài)系統(tǒng)凈化功能與人為調控污染削減功能區(qū)分[3]。藍希等人以水資源環(huán)境、水污染控制和社會經(jīng)濟承載3個子系統(tǒng)構建城市水環(huán)境承載力指標評價體系,采用熵權法和均方差決策法確定指標權重,評價武漢市城市水環(huán)境承載力,其所構建的評價指標體系的23個指標中包含了城鎮(zhèn)污水處理等人為調控指標,但缺乏濕地等生態(tài)系統(tǒng)污染凈化相關指標[4]。崔丹等人以水環(huán)境承載力和水環(huán)境壓力準則層確定水環(huán)境承載力綜合評價指標,采用結構方程模型確定各指標權重,評估了湟水流域小峽橋斷面以上的水環(huán)境承載力,其評估指標中包含水質凈化能力相關指標,但缺乏人為調控污染削減相關指標[5]。徐志清等人從社會經(jīng)濟、水資源和水生態(tài)3個子系統(tǒng)中選取18個指標構建水環(huán)境承載力評價指標體系并采用熵權法確定指標權重,利用模糊綜合評價模型對南京市水環(huán)境承載力進行評價,其指標體系中涉及了污水處理率、綠化覆蓋率等人為調控指標,缺乏生態(tài)凈化相關指標[6]。眾多專家學者在水環(huán)境承載力計算過程中未能突顯生態(tài)系凈化作用與人為調控作用在流域環(huán)境承載力中的重要性。截止2015年,我國共建設污水處理廠5343座,污水處理量達到507.78億m3/a,污水處理、再生水利用、濕地工程等環(huán)保設施不斷完善,已成為改善流域水環(huán)境質量,提高水環(huán)境承載力最為重要的手段[7-8]。第二次全國濕地調查結果顯示,全國濕地總面積 5360.26萬hm2,濕地率為5.58%,人工濕地生態(tài)系統(tǒng)對污水有十分重要的凈化作用,已成為改善我國地表水環(huán)境措施中重要的一環(huán)[9- 11]。如何在水環(huán)境承載力評估方法體系中凸顯生態(tài)系統(tǒng)和人為調控雙重作用顯得十分關鍵。

針對當前水環(huán)境承載力評估方法體系中未突顯生態(tài)凈化作用與人為調控作用重要性的問題,本論文提出基于生態(tài)系統(tǒng)凈化—人為調控耦合作用的流域水環(huán)境承載力評估模型,并以滇池流域為案例做簡要分析,以期為流域水環(huán)境承載力評價提供新的思路與方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

滇池流域(24°29′—25°28′N,102°29′—103°01′E)地處長江、紅河、珠江三大水系分水嶺地帶,地勢北高南低,平均海拔1900 m,面積2920 km2。流域所處區(qū)域為亞熱帶濕潤季風氣候區(qū),多年平均降水量978.8 mm(1951—2015年,昆明氣象站)。流域全部位于昆明市境內(nèi),2015年常住人口為407.34萬人,其中城鎮(zhèn)369.68萬人,城鎮(zhèn)化率高達90.76%,流域國內(nèi)生產(chǎn)總值達到3003.13億元,占昆明市的75.65%。

2015年滇池流域土地利用中面積最大的是林地,為992.09 km2,占總面積的34.43%,其次是建筑用地,耕地,草地和水域,分別占總面積的19.72%,18.66%,15.52%和11.67%。滇池多年平均水資源量5.30×108m3,2015年人均水資源量僅244 m3,遠低于國際公認的人均500 m3的“極度缺水”標準[4],因此,滇池流域水質受到了自然條件和經(jīng)濟社會的雙重壓力。

1.2 流域水環(huán)境承載力模型

從流域生態(tài)系統(tǒng)凈化和人為調控兩個角度出發(fā),綜合物質流分析和生態(tài)經(jīng)濟評估模,提出流域水環(huán)境承載力評估模型,公式如下：

WECC=ESV+HAV

(1)

式中,WECC為流域環(huán)境承載力(t/a)；ESV(Watershed Ecosystem Pollution Purification Capacity)為流域生態(tài)系統(tǒng)污染凈化能力(t/a)；HAV(Watershed Human Pollution Reduction Capacity)為流域人為調控污染削減能力(t/a)。

本研究采用水環(huán)境承載力綜合指數(shù)作為評價流域是否超載的定量指標,公式如下：

(2)

式中,WECSI(Comprehensive Index of Water Environment Carrying Capacity)為水環(huán)境承載力綜合指數(shù)；WPD(Watershed Pollutant Discharge)為污染物排放量(t/a)；WECC為水環(huán)境承載力(t/a)；下標i、j分別為污染源類型和污染物類型。

1.3 流域生態(tài)系統(tǒng)污染凈化能力評估方法

污染物在生態(tài)環(huán)境中降解是一個十分復雜的過程,本研究采用物料平衡法評估流域生態(tài)系統(tǒng)污染凈化能力。物料平衡法又稱物料衡算法,根據(jù)質量守恒定律產(chǎn)生,原理是在生產(chǎn)過程中,物質的輸入和輸出保持不變,其廣泛應用于河流上下游監(jiān)測斷面間污染物變化,準確得到區(qū)域內(nèi)污染物的排放和降解情況[12]。物料平衡法在國外以成功應用于Calumet Lake[13]、Black River[14]等流域,國內(nèi)成功應用于三峽水庫氮遷移轉化[15]、黃海近岸多環(huán)芳烴源解析[16]等。物料平衡法原理如圖1所示,流域污染物徑流輸出量與降解量之和等于流域污染物排放量與徑流輸入量之和[17-18]。

圖1 基于物料平衡法生態(tài)系統(tǒng)凈化能力原理示意

根據(jù)物料平衡原理,流域多年污染物蓄變量為零,即污染物輸入與輸出相等。因此,生態(tài)系統(tǒng)污染凈化能力計算公式如下：

(3)

式中,ESV(Degradation of Pollutants in Ecosystems)為生態(tài)系統(tǒng)污染物降解量(t/a)；WPD為污染物排放量(t/a)；UPI(Pollutant Input of Upstream Runoff)為上游徑流污染物輸入量(t/a)；WTI(Input Pollutant from Outer Watershed Water Transfer)為外流域調水污染物輸入量(t/a)；HAV為人為調控污染物削減量(t/a)；OPA(Output Pollutant of Runoff)為污染物徑流輸出量(t/a)。

1.3.1污染物排放量計算方法

污染物的排放量可分為點源和非點源,本研究中點源包括：城鎮(zhèn)生活、工業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖,非點源包括：農(nóng)村生活、散養(yǎng)畜禽、農(nóng)業(yè)種植。其中,城鎮(zhèn)生活、第三產(chǎn)業(yè)、農(nóng)村生活污染物排放量計算參照《生活源產(chǎn)排污系數(shù)及使用說明》[19],散養(yǎng)畜禽污染物排放量計算參照《中國有機肥料養(yǎng)分志》[20],農(nóng)業(yè)種植污染物排放采用標準農(nóng)田修正法,參照《全國水環(huán)境容量核定技術指南》[21],規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖點源污染物排放量可從污染源普查數(shù)據(jù)中獲得。

1.3.2污染物輸出量計算方法

本研究采用 The Load Estimator Model (LOADEST模型)估算河流出境斷面的污染物通量。該模型基于實測污染物濃度、流量數(shù)據(jù)和監(jiān)測日期三個變量,建立污染物濃度與其他兩個變量的回歸關系,以此為基礎,計算出境斷面污染物通量[22- 24]。當水質監(jiān)測數(shù)據(jù)信息不完整,出現(xiàn)缺失數(shù)據(jù)時,采用修正最大似然估算法消除這種誤差；當模型殘差符合正態(tài)分布時,使用最大似然法和修正最大似然法；當模型殘差不符合正態(tài)分布時,采用最小絕對偏差法。

1.3.3流域人為調控污染削減能力計算方法

本研究從減排角度,提出流域人為調控能力等于流域污染物削減能力,即流域內(nèi)污染控制工程所發(fā)揮的污染物削減功能,計算公式如下：

HAVj=HAVPj+HAVNPj

(4)

式中,HAV為流域人類調控污染削減能力(t/a)；HAVP為點源污染物削減能力(t/a)；HAVNP為非點源污染物削減能力(t/a)；下標j為污染物類型。

點源污染削減能力計算包括污水處理廠類削減量和非污水類排放源的削減量,計算公式如下：

(5)

式中,WT為污水處理廠等點源污染削減工程的污水處理量(萬m3/a)；IC和OC分別為污水處理設施的進口和出口污染物濃度(mg/L)；PT為規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖廠的設施污染物削減量(t/a)。

畜禽養(yǎng)殖業(yè)的污染排放方式以固體(糞便)和液體(糞尿)為主,削減能力的計算方式也有所差別。本研究基于《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理工程技術規(guī)范(HJ497—2009)》和《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準(GB 18596—2001)》中提供的處理方式和參數(shù)提出規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖的污染削減計算公式,公式如下：

(6)

式中,LVS為畜禽養(yǎng)殖規(guī)模(頭或只或羽)；LSR和LLR分別為糞便和尿液中的污染物排放系數(shù)(kg 只-1a-1)；LVSS為畜禽存欄規(guī)模；LPW為污水排放系數(shù)(L 只-1d-1)；LWC為畜禽養(yǎng)殖場排放污水中的污染物濃度(mg/L)；r為畜禽類型。

非點源主要包括散養(yǎng)畜禽、農(nóng)村生活、農(nóng)業(yè)種植等。非點源污染削減計算相對困難,本研究主要計算可量化評估的工程措施。非點源工程措施分為污水處理設施類、濕地工程類和其他類3個部分,計算公式如下：

HAVNPj=NPWWj+NPWTj+NPOTj

(7)

式中,NPWW為污水處理類工程的污染物削減量(t/a)；NPWT為濕地類工程的污染物削減量(t/a)；NPOT為其他工程的污染物削減量(t/a)。

污水處理設施類工程是指農(nóng)村生活污水處理設備,其計算方法與城鎮(zhèn)污水處理廠類似,計算公式如下：

(8)

式中,RWT為農(nóng)村生活污水處理廠等非點源污染削減工程的污水處理量(萬m3/a)；RIC和ROC分別為污水處理設施的進口和出口年均污染物濃度(mg/L)。

濕地類工程是指河口或湖岸的濕地,其削減量的計算方法與污水處理設施計算方法相同。

其他污染源是指散養(yǎng)畜禽。散養(yǎng)畜禽的污染處理尚無相關規(guī)范和標準,農(nóng)村地區(qū)也難以建設集中式污染處理設備,本研究主要考慮散養(yǎng)畜禽糞便的綜合利用,如沼氣和堆肥。

(9)

式中,LVS為畜禽養(yǎng)殖規(guī)模(頭或只或羽)；LSR和LLR分別為糞便和尿液中的污染物排放系數(shù)(kg 只-1a-1)；MT為糞便處理量(t/a)；LSE為畜禽糞污系數(shù)(kg 只-1a-1)；RT為畜禽養(yǎng)殖周期(d)；k為研究區(qū)的畜禽糞便處理設施編號。

2 案例研究

2.1 滇池流域生態(tài)系統(tǒng)污染凈化能力評估

2.1.1污染物排放量

根據(jù)上文中污染物排放量計算方法,對滇池流域的主要污染源排放量進行計算,具體結果如表1所示。滇池流域的化學需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)、氨氮(Ammoniac Nitrogen, NH3-N)、總磷(Total Phosphorus, TP)排放量分別達到120740、14228、2342 t/a。污染物排放以點源排放為主,COD、NH3-N、TP排放量分別占總排放量的95%、94%、82%,而點源排放中以城鎮(zhèn)生活排放為主,分別占總排放量的80.46%、90.18%、77.07%。表1中未對滇池流域規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污染物排放進行統(tǒng)計,原因是昆明市頒布《在“一湖兩江”流域禁止畜禽養(yǎng)殖的規(guī)定》[25],自2008年6月30日起,禁止任何單位和個人在滇池流域2920km2范圍內(nèi)進行大規(guī)模畜禽養(yǎng)殖。

表1 滇池流域主要污染源污染物排放量/(t/a)

2.1.2流域出境污染物量

滇池流域出口有2個,海口河與西園隧洞,基于2000—2015年逐日流量和逐月水質監(jiān)測數(shù)據(jù),采用LOADEST模型,估算出流域出境逐日輸出負荷,并統(tǒng)計多年平均污染物輸出負荷量,最后將2個出口的負荷進行加和處理,作為流域出境污染物通量值。經(jīng)計算,滇池流域COD、NH3-N、TP出境污染物多年平均值分別為17693.43、899.42、401.63 t/a。其中?？诤覥OD逐日輸出負荷多年平均值為9137.06 kg/d,變化范圍為501—68503 kg/d,NH3-N逐日輸出負荷的多年平均值為574.03 kg/d,變化范圍為14—1451 kg/d,TP逐日輸出負荷的多年平均值為141.91 kg/d,變化范圍為10—1753 kg/d。具體結果如圖2所示,?？诤又鹑瘴廴疚镓摵闪磕觌H和年內(nèi)波動較大,主要與徑流量有關,其中2010—2013年滇池流域出現(xiàn)較嚴重的干旱,導致該時期的污染物輸出量較低。

西園站COD逐日輸出負荷多年平均值為8556.49 kg/d,變化范圍為0—47049 kg/d,NH3-N逐日輸出負荷的多年平均值為325.39 kg/d,變化范圍為0—749 kg/d,TP逐日輸出負荷的多年平均值為259.72 kg/d,變化范圍為0—862 kg/d。具體結果如圖2所示,西園隧洞逐日污染物負荷變化規(guī)律與?？诤酉嗨?年際和年內(nèi)變化較大,與?？诤硬煌氖俏鲌@隧洞出流量與負荷在干旱期間未出現(xiàn)顯著下,主要原因是該區(qū)域污水來自于城鎮(zhèn)生活。

圖2 ?？谡?、西園站逐日流量及負荷

2.1.3外流域調水污染物輸入量

滇池流域于2007年啟動掌鳩河供水工程,年均調水量1.75億m3,2012年啟動清水海供水工程,年均調水量0.68億m3。2013年啟動牛欄江調水工程,2015年向滇池流域補水5.27億m3,滇池2011—2015年調水量如圖3中所示,2014年后牛欄江調水工程已超過總調水量的50%。滇池流域2011—2015年調水水質如圖3中所示,調水水質年際變化大,COD、NH3-N含量整體呈下降趨勢。外流域調水的一方面緩解了流域內(nèi)水資源短缺和水污染問題,另一方面也帶來污染負荷。經(jīng)計算,滇池流域2015年COD、NH3-N、TP污染物輸入負荷分別為1039.76、524.29、167.33 t/a。

圖3 滇池流域2011—2015年調水量及水質

根據(jù)1.3節(jié)公式(3),計算得到滇池流域2015年COD、NH3-N、TP三種污染物生態(tài)系統(tǒng)凈化能力分別為17935.21、6187.58、700.37 t/a。

2.2 滇池流域人為調控污染削減能力評估

2015年底,滇池流域已建成23座污水處理廠,污水處理能力達到199萬m3/d。未納入主城污水處理廠納污范圍的集鎮(zhèn)建設污水處理站10個,處理能力為1.23萬m3/d,開發(fā)區(qū)、工業(yè)園區(qū)建成5個園區(qū)污水處理廠,處理能力為9.5萬m3/d。全流域已建成885個村莊生活污水收集處理設施,484座再生水利用實施。根據(jù)流域人為調控能力計算方法,計算得到2015年滇池流域的COD、NH3-N和TP的削減量分別為86151、7665、1407 t/a。各子流域污染物削減能力分布如圖4所示,整體呈現(xiàn)北高南低,其中COD削減能力大于NH3-N大于TP,因昆明市主城區(qū)分布在滇池北岸,污水處理設施完善,污染物削減量高。南部地區(qū)為昆明市農(nóng)田耕種區(qū),污水收集處理率低,污染物削減量少。

圖4 滇池流域子流域污染物削減量

2.3 滇池流域水環(huán)境承載力評估

根據(jù)水環(huán)境承載力計算模型,滇池流域環(huán)境承載力由滇池流域生態(tài)系統(tǒng)污染凈化能力和滇池流域人為調控污染削減能力。滇池流域2015年COD、NH3-N、TP環(huán)境承載力分別為104086.21、13852.58、2107.37t/a,其中生態(tài)系統(tǒng)污染凈化能力分別為17935.21、6187.58、700.37t/a,人為調控削減能力分別為86151、7665、1407 t/a,分別占總承載力的82.77%、55.33%、66.77%,人為調控污染削減能力已經(jīng)超過生態(tài)系統(tǒng)污染削減能力,成為流域環(huán)境管理重要的手段。滇池流域各子流域環(huán)境承載力如圖5所示,3種污染物承載能力分布上均呈北高南低,與人為調控污染削減能力分布類似。北部地區(qū)以森林、草地為主,產(chǎn)流能力高,南部耕地面積多,產(chǎn)流能力低,相應的生態(tài)系統(tǒng)污染凈化能力北部比南部高。

圖5 滇池流域子流域環(huán)境承載力

滇池流域COD、NH3-N和TP水環(huán)境承載指數(shù)分別為1.16、1.09和1.11,均大于1,處于超載狀態(tài)。根據(jù)流域水環(huán)境承載力綜合指數(shù)為所有指標中的最大值,滇池流域2015年水環(huán)境承載力綜合指數(shù)為1.16,超載16%。

滇池流域15個主要入湖河流子流域中有6個子流域水環(huán)境承載力綜合指數(shù)大于1,占流域陸域面積的54%,具體分布如圖6所示,其中最大值是草海子流域,為1.98,最小值是海河子流域,為0.22,水環(huán)境承載力綜合指數(shù)空間分布上呈現(xiàn)北部高,中部低的特征,這與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展模式和污染源分布有關。從污染物排放格局中發(fā)現(xiàn),排放強度以城區(qū)為中心呈放射狀分布。各子流域水環(huán)境承載力制約因子分布如圖6所示,整體上COD制約因子的流域面積多于TP,其中北部子流域以COD制約因子為主,南部子流域以TP制約因子為主,主要原因是為北部為昆明市主城區(qū),城鎮(zhèn)生活污染壓力大,南部為昆明市耕地集中區(qū),農(nóng)業(yè)面源污染嚴重,且南部為富磷區(qū),因此TP為制約因子。

圖6 滇池流域子流域水環(huán)境承載力綜合指數(shù)與制約因子

本研究構建的流域水環(huán)境承載力模型計算得到的水環(huán)境承載力會高于目前常用模型,如石建屏等人從水資源承載力和水質量承載力兩個角度采用層次分析法和指標體系法評估了滇池流域2003—2010年水環(huán)境承載力,其計算的水環(huán)境承載力低于本研究[26]。鄧偉明等人以水資源和水環(huán)境承載力作為廣義水環(huán)境承載力,采用水環(huán)境承載率評估滇池流域2008年水環(huán)境承載狀態(tài),其計算的水環(huán)境承載力低于本研究[27]。造成差異的主要原因是本研究水環(huán)境承載力中包含人為調控污染削減能力,而目前常用的水環(huán)境承載力評估模型在計算污染物排放量時將削減量直接扣除,即壓力中包含了污染削減能力,導致水環(huán)境承載力計算結果低于本研究。2015年滇池流域開展牛欄江調水工程以改善滇池水污染現(xiàn)狀,調水水質COD、NH3-N、TP含量年平均值明顯低于滇池出流水質,調入清潔水資源增大了滇池流域水環(huán)境承載力。根據(jù)調水水量水質與流域出流水量水質,計算得到調水出境攜帶COD、NH3-N、TP分別為16654、375、235t,相當于水環(huán)境承載力的16.00%、2.71%、11.13%,調水工程對滇池流域污染狀況的改善具有一定的推動作用。

3 結論

本研究以水環(huán)境質量改善為核心,從生態(tài)系統(tǒng)凈化作用和人為調控削減作用兩個角度出發(fā),提出了基于生態(tài)系統(tǒng)凈化-人為調控耦合作用的水環(huán)境承載力評估模型,重點突出人為調控作用在流域水環(huán)境承載力評估中的重要性,并對滇池流域水環(huán)境承載力進行了評估,主要結論如下：

(1)滇池流域2015年水環(huán)境承載狀態(tài)為超載,3項污染指標的水環(huán)境承載力綜合指數(shù)中COD最大。滇池流域超載的入湖河流子流域面積超過總面積的50%,空間分布上呈現(xiàn)北高中低。流域北部制約因子以COD為主,南部以TP為主。

(2)滇池流域2015年水環(huán)境承載力評估中,人為調控作用下3類污染物削減量已超過水環(huán)境承載力的50%,COD削減量所占比例高達83%,人為調控作用對流域水環(huán)境質量改善至關重要,已成為流域水環(huán)境承載力評估過程中不可忽視的組成部分。

(3)由于缺乏調水、濕地工程水質等日監(jiān)測數(shù)據(jù),可能導致滇池流域水環(huán)境承載力評估結果偏小,今后可增補詳實的水質監(jiān)測數(shù)據(jù)和可靠的非點源削減社會調研數(shù)據(jù)增加滇池流域環(huán)境承載力評估結果的準確性。