杞麓湖流域污染負(fù)荷及水環(huán)境容量估算研究*

王萬賓 管堂珍 梁啟斌 張星梓# 劉岳雄 李 森 劉 芳,3

(1.云南省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，云南 昆明 650034；2.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650224；3.云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

入湖河流是湖泊污染負(fù)荷的重要來源[1-3]，湖泊流域陸域點、面源的排放是入湖河流污染的直接來源，摸清污染物從產(chǎn)生、排放到入河，最終入湖的遷移轉(zhuǎn)化過程至為重要。其中，面源污染物入河(入湖)污染負(fù)荷估算是重點和難點，當(dāng)前估算方法主要有水文水質(zhì)模型(AGNPS、HSPF、SWAT等)、輸出系數(shù)模型、調(diào)查系數(shù)法等。輸出系數(shù)模型在很大程度上反映了流域面源污染綜合輸出強度，避開了面源污染發(fā)生的復(fù)雜過程，所需參數(shù)少、操作簡便，具有一定的精度和廣泛的適用性[4]。然而，輸出系數(shù)模型中，輸出系數(shù)是最重要也最難以確定的參數(shù)，確定合理的輸出系數(shù)是輸出系數(shù)模型法的關(guān)鍵[5]。當(dāng)前普遍使用的面源污染輸出系數(shù)確定方法包括3類：查閱文獻(xiàn)法、野外監(jiān)測法和數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析法，數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析法因引入馬爾科夫鏈蒙特卡羅(MCMC)抽樣與貝葉斯統(tǒng)計方法而受到關(guān)注。在了解流域污染負(fù)荷的基礎(chǔ)上，合理確定流域環(huán)境容量對環(huán)境規(guī)劃管理與決策尤為重要。目前，地表水水環(huán)境容量研究過程中產(chǎn)生了5大類計算方法：公式法、模型試錯法、系統(tǒng)最優(yōu)化法、概率稀釋模型法和未確知數(shù)學(xué)法[6]，其中，采用穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型直接計算的公式法應(yīng)用最廣[7-8]。在水環(huán)境容量的測算過程中，污染物綜合降解系數(shù)確定是必不可少的。當(dāng)前，綜合降解系數(shù)的研究方法分為實驗室模擬法、現(xiàn)場測定法和經(jīng)驗公式法等[9-10]。近些年，MCMC抽樣與貝葉斯統(tǒng)計方法廣泛地應(yīng)用到水環(huán)境不確定性問題研究中[11-16]，該方法的優(yōu)勢在于將水環(huán)境的不確定性問題轉(zhuǎn)化成對模型參數(shù)的估計量，建立不確定性和估計概率之間的關(guān)聯(lián)，以聯(lián)合后驗分布的數(shù)值代表不確定事件發(fā)生概率，該方法可以提升水質(zhì)管理的有效性。

杞麓湖為高原封閉型斷陷湖泊，是云南省9大高原湖泊中污染較嚴(yán)重的4個湖泊之一，處于通?？h主城下游，是流域生活污水、農(nóng)業(yè)施肥廢水等集中排放吸納的場所。近幾年，杞麓湖水質(zhì)基本達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002) Ⅴ類水質(zhì)要求，紅旗河等主要入湖河道污染較為嚴(yán)重，河道水質(zhì)類別均為劣Ⅴ類。本研究將MCMC抽樣、貝葉斯統(tǒng)計方法與污染負(fù)荷模型相結(jié)合，結(jié)合杞麓湖流域污染實際情況，在對輸出系數(shù)及綜合降解系數(shù)進行全面整理與分析的基礎(chǔ)上，對流域輸出系數(shù)及河流綜合降解系數(shù)進行估計，研究流域主要水污染物產(chǎn)生及遷移降解過程，科學(xué)估算污染負(fù)荷。針對流域點源與面源污染的情況，建立了入湖河流的水環(huán)境容量模型，結(jié)合湖泊水環(huán)境容量測算結(jié)果，為流域產(chǎn)業(yè)空間規(guī)劃、精準(zhǔn)治污提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)

杞麓湖位于云南省玉溪市通海縣，流域面積354.22 km2，流域四周農(nóng)田與城鎮(zhèn)環(huán)繞，為典型的高原湖盆地。流域?qū)儆谥衼啛釒О霛駶櫢咴撅L(fēng)氣候，年平均溫度15.6 ℃，屬于珠江流域西江水系，主要入湖河流有紅旗河、者灣河、大新河和中河等。流域土地類型主要為耕地和林地，分別占流域總面積的27.57%和33.80%。流域多年平均水資源量11 700萬m3，人均占有水資源量323 m3，僅為全國的15%、全省的7.1%，屬嚴(yán)重缺水地區(qū)。作為云南省最大的蔬菜生產(chǎn)基地和西南地區(qū)蔬菜集散地，流域以全縣46%的土地面積承載了93%的人口和93%的地區(qū)生產(chǎn)總值，是9大高原湖泊流域中人口高度密集、城市化程度較高、受資源環(huán)境約束較大的地區(qū)。本研究根據(jù)入湖河流特征，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研，將流域劃分為紅旗河、者灣河、大新河和中河子流域，流域土地利用類型見圖1。

圖1 杞麓湖流域土地利用類型

1.2 數(shù)據(jù)來源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(人口、經(jīng)濟、污染物排放、環(huán)境質(zhì)量等)來源于通?？h相關(guān)部門提供的統(tǒng)計年鑒、社會經(jīng)濟統(tǒng)計公報、環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)及流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟統(tǒng)計報表、監(jiān)測數(shù)據(jù)等。土地利用類型圖及影像圖來源于2017年通?？h的土地變更數(shù)據(jù)庫。水文數(shù)據(jù)來源于《通?？h水資源綜合利用規(guī)劃》。

1.3 研究方法

1.3.1 污染負(fù)荷模型

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研，流域主要污染源包括點源(集中生活源、工業(yè)源、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖源)及面源(農(nóng)村生活源、畜禽散養(yǎng)源、種植業(yè)源)共2大類6小類。根據(jù)2018年環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，流域內(nèi)排污工業(yè)企業(yè)共9家，COD、TN排放量分別為102.63、0.4 t/a，排放量較小，故本研究不考慮工業(yè)源污染負(fù)荷。由于流域內(nèi)畜禽排放(包括規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖源)大部分用于農(nóng)業(yè)種植，故流域污染源概化為點源(集中生活源)、農(nóng)業(yè)面源(畜禽散養(yǎng)源、規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖源、農(nóng)村生活源、種植業(yè)源)2大類。由于4條主要入湖河流平均河寬約為7～24 m，自然徑流量適中，假設(shè)污染物濃度只在河流縱向上發(fā)生變化，忽略橫向和垂向的污染物濃度梯度變化，選用河流一維水質(zhì)模型模擬污染物濃度沿程變化。基于一維水質(zhì)模型，農(nóng)業(yè)面源根據(jù)其沿河分布情況，假設(shè)其沿入湖河道呈線性分布，建立污染負(fù)荷模型如式(1)所示：

(1)

式中：Ld為河流入湖總污染負(fù)荷，kg/月，污染物包括COD、TN、TP；Lu為河流上游本底(背景)負(fù)荷，kg/月；k為河流中污染物的綜合降解系數(shù)，d-1；X為河流總長度(上游至入湖口)，m；u為河流平均流速，m/s；Ea為河流子流域農(nóng)業(yè)面源的污染物輸出系數(shù)，kg/(hm2·月)；A為子流域面積，hm2；Lp，i為河流子流域第i點源的入河負(fù)荷，kg/月；Xi為第i點源至入湖口的距離，m。

河流入湖總污染負(fù)荷根據(jù)河流污染物通量進行核算，集中生活源污染負(fù)荷根據(jù)《第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》，結(jié)合流域污水處理廠排放數(shù)據(jù)進行核算。

1.3.2 貝葉斯統(tǒng)計與MCMC抽樣參數(shù)估計模型

貝葉斯統(tǒng)計方法越來越多地應(yīng)用到環(huán)境問題解決方案中，提供了一種計算假設(shè)概率的方法。該方法是基于假設(shè)的先驗概率、給定假設(shè)下觀察到不同數(shù)據(jù)的概率以及觀察到的數(shù)據(jù)本身而得出的。該方法將關(guān)于未知參數(shù)的先驗信息與樣本信息綜合，根據(jù)貝葉斯公式得出后驗信息，再根據(jù)后驗信息推斷未知參數(shù)。基于流域污染負(fù)荷模型，流域污染負(fù)荷參數(shù)估計模型可定義為式(2)：

(2)

假定估計參數(shù)為正態(tài)分布，誤差線獨立，則待估參數(shù)k及Ea的似然函數(shù)見式(3)，2016—2018年共36個樣本。

(3)

采用貝葉斯統(tǒng)計與MCMC抽樣方法對待估參數(shù)進行估計，軟件平臺為Open BUGS。

1.3.3 水環(huán)境容量模型

水環(huán)境容量估算包括4條入湖河流及杞麓湖湖體兩部分，其中入湖河流水環(huán)境容量是在現(xiàn)狀污染源分布情景下，以入湖河流口水質(zhì)達(dá)標(biāo)為約束，現(xiàn)狀污染源允許入河的最大污染物總量；湖體水環(huán)境容量為湖體水質(zhì)達(dá)標(biāo)前提下，湖體能容納的污染物最大允許入湖量。

(1) 入湖河流水環(huán)境容量模型

流域涉及到點源及農(nóng)業(yè)面源，基于河流一維水質(zhì)模型，假設(shè)農(nóng)業(yè)面源沿入湖河道呈線性分布，推導(dǎo)入湖河流口的水環(huán)境質(zhì)量模型如式(4)所示：

(4)

式中：C為入湖河流口污染物質(zhì)量濃度，mg/L，用于計算水環(huán)境容量時，C取值為入湖河流的水質(zhì)目標(biāo)，《杞麓湖流域“十三五”環(huán)境保護規(guī)劃》規(guī)定為GB 3838—2002 Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)值；Q為河流流量，m3/月。

當(dāng)C達(dá)到入湖河流的水質(zhì)目標(biāo)時，農(nóng)業(yè)面源(EaA)和點源(Lp，i)最大允許入河量之和為河流的環(huán)境容量，假設(shè)Lp，i=αEaA，α為點源與農(nóng)業(yè)面源現(xiàn)狀入河量之比，則農(nóng)業(yè)面源的最大允許入河量模型如式(5)所示：

(5)

根據(jù)農(nóng)業(yè)面源的最大允許入河量，最終可推算河流的水環(huán)境容量。

(2) 杞麓湖湖體水環(huán)境容量模型

由于杞麓湖水域面積較小，水深較淺，水體水質(zhì)空間總體上分布比較均勻，湖泊基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，符合Vollenweider模型和Dillon模型水質(zhì)平衡基本方程適用條件，因此選用Vollenweider模型[17]1398,[18]85(見式(6))計算COD水環(huán)境容量，選用Dillon模型[17]1398,[18]85,[19](見式(7))計算TN和TP的水環(huán)境容量。

W=Cs(KV+Qin)×10-6

(6)

(7)

式中：W為杞麓湖水環(huán)境容量，t/a；K為COD降解系數(shù)，a-1，取值為1.46 a-1[20]；V為多年湖泊平均庫容，m3；Qin為多年入湖流量，m3/a；Win為TN、TP的多年入湖平均總量，t/a；Wout為TN、TP的多年出湖平均總量，t/a；S為湖泊水面面積，m2；H為湖泊的多年平均水深，m；Cs為水質(zhì)目標(biāo)，mg/L，根據(jù)《云南省水污染防治工作方案》，取GB 3838—2002 Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 流域水質(zhì)水文現(xiàn)狀特征

2016—2018年，湖體COD、TN、TP變化趨勢不明顯，其平均質(zhì)量濃度分別為35.07、0.08、2.33 mg/L，COD、TP年均值達(dá)到GB 3838—2002 Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(≤40、≤0.2 mg/L)，而TN為劣Ⅴ類(>2.0 mg/L)，超標(biāo)率為38.89%。除TN外，COD、TP每月監(jiān)測濃度均滿足《云南省水污染防治工作方案》2020年水質(zhì)目標(biāo)要求。紅旗河COD、TP、TN平均質(zhì)量濃度分別為32.14、0.61、11.82 mg/L，TP、TN為劣Ⅴ類，超標(biāo)率分別為63.89%、100.00%。大新河COD、TP、TN平均質(zhì)量濃度分別為38.76、1.00、18.10 mg/L，TP、TN為劣Ⅴ類，超標(biāo)率分別為91.67%、100.00%。者彎河COD、TP、TN平均質(zhì)量濃度分別為40.76、0.64、12.90 mg/L，均為劣Ⅴ類，超標(biāo)率依次為41.67%、72.22%、100.00%。中河COD、TP、TN平均質(zhì)量濃度分別為42.50、0.97、15.48 mg/L，均為劣Ⅴ類，超標(biāo)率依次為55.56%、88.89%、100.00%。

根據(jù)《通?？h水資源綜合利用規(guī)劃》，杞麓湖流域徑流系數(shù)為0.23，其中紅旗河、大新河、者彎河、中河多年徑流量分別為3 816萬、891萬、820萬、599萬m3/a，分別占流域總徑流量的52%、12%、11%、8%。4條主要入湖河流豐水期為每年5—9月，其余時間段為平水期，豐水期流量占總流量75%左右，研究豐水期、平水期的污染負(fù)荷及水環(huán)境容量非常重要。根據(jù)實地調(diào)研及資料收集得知4條主要河流的坡降比、平均河寬等數(shù)據(jù)，利用曼寧公式，糙率取值0.031[21-23]，換算每條河流的平均流速分別為0.33、0.28、0.32、0.14 m/s，總體流速較緩。

2.2 流域污染物輸出系數(shù)及綜合降解系數(shù)

為確定流域污染物COD、TN、TP的輸出系數(shù)及綜合降解系數(shù)，通過文獻(xiàn)檢索，重點檢索農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重湖泊流域滇池、洱海、太湖等，最終搜集到TN、TP的輸出系數(shù)的數(shù)據(jù)樣本分別為39、37個，COD、TN、TP的綜合降解系數(shù)數(shù)據(jù)樣本為59、42、36個[24-44]。綜合降解系數(shù)、輸出系數(shù)樣本分別經(jīng)平方根轉(zhuǎn)化、對數(shù)轉(zhuǎn)化后符合正態(tài)分布規(guī)律。

以污染物輸出系數(shù)及綜合降解系數(shù)樣本分布函數(shù)為基礎(chǔ)，利用2016—2018年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)建立4條主要河流污染物入湖污染負(fù)荷模型，通過污染負(fù)荷模型估算杞麓湖流域污染物輸出系數(shù)及綜合降解系數(shù)。模型迭代收斂性通過迭代軌跡、迭代歷史、自相關(guān)函數(shù)進行判斷[45-46]，結(jié)果顯示COD、TN、TP的污染負(fù)荷模型迭代軌跡及迭代歷史基本趨于穩(wěn)定，迭代10 000次后自相關(guān)函數(shù)接近于0，故模型收斂。流域4條主要河流農(nóng)業(yè)面源污染物COD、TN、TP輸出系數(shù)平均約為5.99、1.39、0.10 kg/(hm2·月)，豐水期的輸出系數(shù)大于平水期(見圖2)。4條河流，COD、TN、TP綜合降解系數(shù)平均約為0.12、0.06、0.06 d-1，豐水期和平水期污染物綜合降解系數(shù)差異不明顯，表明4條河流水文水動力特性差異不大。采用估計的輸出系數(shù)及綜合降解系數(shù)的平均值、2.5%和97.5%置信區(qū)間分別預(yù)測4條河流入湖負(fù)荷，與實測負(fù)荷進行對比，可決系數(shù)分別為0.94、0.92、0.90，可見污染負(fù)荷模型預(yù)測較為準(zhǔn)確，所估模型參數(shù)較為合理。

2.3 流域污染負(fù)荷分析

根據(jù)《杞麓湖基礎(chǔ)調(diào)查報告》，流域主要污染源(點源、農(nóng)業(yè)面源)污染物COD、TN、TP產(chǎn)生量合計為52 530.65、17 617.29、5 336.76 t/a。經(jīng)過污水處理設(shè)備削減、農(nóng)田作物吸收等，利用污染負(fù)荷模型測算最終進入4條河流的COD、TN、TP為1 604.59、622.08、34.34 t/a，其中紅旗河子流域COD、TN、TP入河量最大，分別占總?cè)牒恿康?7.97%、55.95%、53.35%。COD、TN、TP在河流中降解后，最終入湖量分別為1 566.12、617.23、34.02 t/a，河流的污染物降解能力非常有限，詳細(xì)見表1。流域農(nóng)業(yè)面源污染物COD、TN、TP產(chǎn)生量占總產(chǎn)生量的92.73%、95.50%、98.16%，入河量占總?cè)牒恿康?3.83%、81.20%、70.65%。2017年流域農(nóng)作物單位播種面積化肥施用量達(dá)到516.69 kg/hm2，大大超出國際公認(rèn)的225 kg/hm2化肥施用生態(tài)安全上限[47-48]，也大大超出全國平均用量(262 kg/hm2)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染非常嚴(yán)重。

注：上、下端黑色橫線為97.5%置信區(qū)間。

2.4 流域水環(huán)境容量測算

利用河流水環(huán)境容量模型估算得知：紅旗河、大新河、者彎河、中河河流的COD、TN、TP水環(huán)境容量合計為1 799.83、88.16、17.59 t/a(見表2)，2020年COD、TN、TP合計需削減33.07、533.93、16.75 t(其中紅旗河、大新河COD無削減量)，流域入湖河流水環(huán)境承載能力嚴(yán)重超載。入湖河流TN削減比例較大，這是因為4條主要入湖河流的TN濃度約為水質(zhì)目標(biāo)的6～9倍，超標(biāo)嚴(yán)重。其中紅旗河COD、TN、TP水環(huán)境容量分別為1 151.23、56.15、11.25 t/a，均占河流水環(huán)境容量的64%左右。杞麓湖湖體的COD、TN、TP的水環(huán)境容量分別為6 318.88、727.32、114.92 t/a，2020年TN需削減16.34 t。由此可知，由于湖體水環(huán)境容量較大，當(dāng)入湖河流污染源完成既定削減任務(wù)，能保證湖體水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。4條河流水環(huán)境容量豐水期占75%左右，污染物入河量豐水期占76%左右，季節(jié)性污染不太明顯，這與流域常年多輪蔬菜種植有關(guān)。對水環(huán)境容量參數(shù)(綜合降解系數(shù)、河流流量、流速)進行全局敏感性分析，發(fā)現(xiàn)對于COD、TN、TP的水環(huán)境容量而言，流量的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)均大于0.99，而綜合降解系數(shù)、流速的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)均小于0.10，表明流量是影響水環(huán)境容量的重要因子。

表1 流域污染負(fù)荷

表2 水環(huán)境容量

3 結(jié) 語

(1) 杞麓湖流域主要河流COD、TN、TP入河量分別為1 604.59、622.08、34.34 t/a，入湖量分別為1 566.12、617.23、34.02 t/a，河流的污染物降解能力較弱。流域農(nóng)業(yè)面源COD、TN、TP入河量占總?cè)牒恿康?3.83%、81.20%、70.65%，流域農(nóng)業(yè)面源污染較為嚴(yán)重。

(2) 紅旗河、大新河、者彎河、中河的COD、TN、TP水環(huán)境容量合計為1 799.83、88.16、17.59 t/a，2020年分別需削減33.07、533.92、16.75 t，流域入湖河流水環(huán)境承載能力嚴(yán)重超載。杞麓湖湖體的COD、TN、TP的水環(huán)境容量分別為6 318.88、727.32、114.92 t/a，2020年TN需削減16.34 t。為使入湖河流水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，必須大力控制與削減面源污染物TN的入河。