特殊區(qū)域地表水環(huán)境背景值問題及其演變趨勢(shì)研究

段茂慶，苑飛燕，李欣蕊，劉振環(huán)，趙軍利，張 俊

(生態(tài)環(huán)境部海河流域北海海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與科學(xué)研究中心，天津，300170)

0 引言

水環(huán)境問題已成為制約我國水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵問題，進(jìn)入21世紀(jì)以來，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加之先前粗放式水資源管理模式，導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量不斷惡化，無論從哪一方面來看(水資源總量-水環(huán)境質(zhì)量-水生態(tài)狀況)，中國均面臨著嚴(yán)重的水危機(jī)問題。為此，2009年全國水資源工作會(huì)議上提出要實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度以解決水資源利用與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展之間的矛盾沖突[1-2]。制度從水資源數(shù)量、水環(huán)境質(zhì)量以及用水效率三方面嚴(yán)格要求，并建立了相應(yīng)的制度實(shí)施考核機(jī)制。該制度的提出標(biāo)志著中國正式進(jìn)入水資源管理新時(shí)代高度[3-4]。

然而，最嚴(yán)格水資源管理制度實(shí)施過程中仍存在一些較為突出的問題[5]，其中對(duì)水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率的要求即省區(qū)范圍2030年水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率提高到95%以上，但由于中國水環(huán)境管理與評(píng)價(jià)體系中依據(jù)統(tǒng)一的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與單因子評(píng)價(jià)方法，導(dǎo)致存在水環(huán)境背景值影響嚴(yán)重的區(qū)域水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率遠(yuǎn)不能及制度考核要求，且大部分區(qū)域人為污染影響日益嚴(yán)重，環(huán)境背景值對(duì)水質(zhì)達(dá)標(biāo)的影響相對(duì)不突出，因此在水質(zhì)管理中往往沒有引起重視[6-8]。因此，為保障最嚴(yán)格水資源管理制度實(shí)施的可持續(xù)性，亟需對(duì)特殊區(qū)域水環(huán)境背景值問題展開調(diào)查研究以解決因標(biāo)準(zhǔn)制度的不完善以及水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的缺陷而導(dǎo)致的區(qū)域水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際水環(huán)境污染狀況存在較大偏差的問題。

黑龍江省位于我國東北地區(qū)，特殊的氣候條件以及豐富的森林資源形成了高腐殖質(zhì)含量的下墊面條件，陸源有機(jī)質(zhì)在徑流侵蝕沖刷下導(dǎo)致河流水質(zhì)好氧有機(jī)物質(zhì)濃度升高，造成一些地區(qū)水功能區(qū)水質(zhì)在無人類活動(dòng)干擾或較少人類活動(dòng)干擾情況下已經(jīng)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[9-10]，且該問題在自然環(huán)境維持較為良好的源頭水保護(hù)區(qū)體現(xiàn)的尤為明顯，背景值的影響開始受到水環(huán)境管理部門的關(guān)注。本研究以黑龍江省湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，開展地表水環(huán)境背景值問題及發(fā)展趨勢(shì)研究工作，為解決背景值問題對(duì)流域水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的影響以及完善我國水環(huán)境管理體系提供一定的理論與技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)來源與分析

1.1 研究區(qū)概況

湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)位于黑龍江省小興安嶺地區(qū)(圖1)，保護(hù)區(qū)集水面積5 123 km2，平均高程600 m，流域出口設(shè)有五營(yíng)水文站。林草地面積占流域總面積的96.81%，保護(hù)區(qū)內(nèi)土壤類型主要為有機(jī)質(zhì)含量較高的暗棕壤土，其次為草甸土，水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)為Ⅱ類水，由于保護(hù)區(qū)內(nèi)森林覆蓋面積較大，受森林陸源有機(jī)質(zhì)輸入的影響河流水質(zhì)化學(xué)需氧量(COD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)以及氨氮(NH3-N)常年表現(xiàn)出高濃度水平而導(dǎo)致水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率低[11]。

圖1 湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)地理位置及DEM分布圖

1.2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

五營(yíng)站2004—2015年逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(COD、CODMn、NH3-N)來自黑龍江省水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心；逐月流量數(shù)據(jù)來自松花江流域水文年鑒；排污口排污數(shù)據(jù)來自黑龍江省水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心；湯旺河水源保護(hù)區(qū)土地利用數(shù)據(jù)利用LANDSAT2014衛(wèi)星遙感圖像解譯獲??；DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。

水質(zhì)評(píng)價(jià)采用單因子評(píng)價(jià)法[12]，以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3838—2002[13]對(duì)各監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行類別統(tǒng)計(jì)；徑流預(yù)測(cè)采用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型，以未來2種排放情景(RCP45與RCP85)為輸入條件預(yù)測(cè)未來氣候變化下湯旺河流域徑流變化趨勢(shì)，背景值變化情況以水質(zhì)水量相關(guān)關(guān)系進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 流域水環(huán)境背景問題

2.1.1 主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目濃度類別 湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)出口五營(yíng)站2004—2015年逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)COD、CODMn以及NH3-N濃度范圍分別為5～94.2 mg/L、3.2～41.4 mg/L、0.06～1.37 mg/L，均值為28.6 mg/L、10.9 mg/L以及0.64 mg/L，已超出Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值要求(COD<=15 mg/L、CODMn<=4 mg/L、NH3-N<=0.5 mg/L)。全年11—3月作為枯水期，4—10月作為豐水期，3個(gè)主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)枯水期濃度明顯高于豐水期，主要污染指標(biāo)全年及豐枯水期水質(zhì)類別占比見表1。

表1 2004—2015年五營(yíng)站主要超標(biāo)項(xiàng)目水質(zhì)類別比例/%

2.1.2 保護(hù)區(qū)內(nèi)污染源調(diào)查 黑龍江省境內(nèi)共26個(gè)源頭水保護(hù)區(qū)，根據(jù)土地利用情況反映，保護(hù)區(qū)內(nèi)林草地面積占比大于80%。就湯旺河而言，2014年土地利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)顯示，林草地占比為96.81%，耕地占比1.5%，居民用地占比1.04%，其余占地0.65%。保護(hù)區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)相對(duì)較低，自然環(huán)境因素是影響地表水環(huán)境的主要因素。且湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)內(nèi)部污染物年排放量較少，污徑比僅為0.000034%，排污口污水排放對(duì)湯旺河水質(zhì)的影響基本上可以忽略不計(jì)(見表2)。

表2 湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)內(nèi)排污情況

2.1.3 背景值對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)的影響 湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)水質(zhì)目標(biāo)是Ⅱ類(COD<=15 mg/L、CODMn<=4 mg/L、NH3-N<=0.5 mg/L)，以Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，對(duì)五營(yíng)站水質(zhì)數(shù)據(jù)的COD、CODMn以及NH3-N濃度進(jìn)行分析可知，115次監(jiān)測(cè)結(jié)果中3個(gè)指標(biāo)達(dá)標(biāo)率分別為20%、5.2%、34.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最嚴(yán)格水資源管理制度對(duì)2030年水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率的要求(95%以上)。且豐水期達(dá)標(biāo)率低于枯水期(見表1)。由此可見，由豐水期徑流驅(qū)動(dòng)是背景污染物濃度上升的主要影響因素。

由表3可知，黑龍江省源頭水保護(hù)區(qū)2014—2016年水質(zhì)達(dá)標(biāo)率低于其它類型的水功能區(qū)，3 a僅為5.7%，遠(yuǎn)低于整體達(dá)標(biāo)率(36.5%)，然而，源頭水保護(hù)區(qū)自然環(huán)境條件優(yōu)于其它類型水功能區(qū)，人類活動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其它類型水功能區(qū)，由此得出結(jié)論：湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)五營(yíng)站COD、CODMn以及NH3-N常年超標(biāo)是由于林草地產(chǎn)生的枯枝落葉自然源經(jīng)降雨-徑流驅(qū)動(dòng)作用而導(dǎo)致的。

表3 黑龍江省2014—2016年各類水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率統(tǒng)計(jì)表/%

2.2 背景值影響下水質(zhì)評(píng)價(jià)方案

目前，關(guān)于地表水環(huán)境背景值的確定與計(jì)算方法已有報(bào)道，大多數(shù)報(bào)道以背景水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與數(shù)理統(tǒng)計(jì)來確定某一區(qū)域環(huán)境背景值范圍，本方法通過不斷迭代將數(shù)據(jù)集中遠(yuǎn)離正態(tài)分布圖上直線的點(diǎn)剔除，從而使剩余數(shù)據(jù)逼近標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，并將剩余數(shù)據(jù)考慮為環(huán)境背景值的表征范圍，計(jì)算流程如圖2。經(jīng)計(jì)算，枯水期COD、CODMn以及NH3-N背景值表征范圍分別為COD：5～23 mg/L、CODMn：2～9.1 mg/L、NH3-N：0.09～0.54 mg/L(枯水期)；COD：11～52 mg/L、CODMn：3.1～17.7 mg/L、NH3-N：0.13～0.96 mg/L(豐水期)。

圖2 迭代標(biāo)準(zhǔn)差法計(jì)算背景值表征范圍流程圖

文湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)五營(yíng)站及其上游人類活動(dòng)對(duì)地表水環(huán)境的影響可忽略不計(jì)，因此其水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可代表背景監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。其表征范圍采用迭代標(biāo)準(zhǔn)差法[14]，以2004—2015年地表水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分豐枯水期計(jì)算了湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)COD、CODMn以及NH3-N的背景值表征范圍。

《全國重要江河湖泊水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)技術(shù)方案》[15]中提及受背景值影響的水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)按照修正后的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，但由于背景值問題差異性的存在，根據(jù)什么修正？如何進(jìn)行修正？在方案中未作出具體說明。因此，如何消除背景值對(duì)水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率的影響，如何將背景值納入到區(qū)域水環(huán)境管理與評(píng)價(jià)體系當(dāng)中是水環(huán)境背景值后續(xù)研究的重點(diǎn)工作，也是背景值研究工作的最終服務(wù)目標(biāo)。

對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)其最終目的是為了識(shí)別地表水環(huán)境受人類活動(dòng)污染程度，水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中包括人類活動(dòng)部分與自然環(huán)境影響部分，因此，對(duì)于背景值問題較為嚴(yán)重的水功能區(qū)而言，建議可在本月實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上扣除自然環(huán)境影響部分(背景數(shù)據(jù))，對(duì)余下部分進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。

一般而言，河流源頭區(qū)域地表水環(huán)境背景值較為容易確定，而由于上下游關(guān)系的水里連通性，下游區(qū)域的水功能區(qū)(如保留區(qū)、緩沖區(qū)、開發(fā)利用區(qū)等)也在不同程度上受到來自源頭水保護(hù)區(qū)背景值的影響，本文提出對(duì)于這些水功能區(qū)，則可以應(yīng)用水質(zhì)降解模型確定下游區(qū)域來自保護(hù)區(qū)的背景值，考慮到背景值在水質(zhì)管理與評(píng)價(jià)方面的可行性與應(yīng)用性，本文建議采用一維水質(zhì)降解模型來確定下游區(qū)域水功能區(qū)背景值表征范圍。提出的水功能區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)方案與河流不同河段水功能區(qū)背景值確定方案見圖3、圖4。

圖3 背景值影響下水功能區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)方案

圖4 不同類型水功能區(qū)背景值表征范圍計(jì)算方案

2.3 背景值演變趨勢(shì)分析

地表水環(huán)境由自然因素與人類活動(dòng)共同驅(qū)動(dòng)，由于源頭水保護(hù)區(qū)人類活動(dòng)強(qiáng)度較低，自然環(huán)境是影響河流水質(zhì)背景值的主要因素，且由研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于受森林腐殖質(zhì)影響的河流背景值大小與徑流具有非常顯著的關(guān)系。因此，本節(jié)中選取對(duì)河流徑流影響較大的水文要素(降雨)與氣象要素(溫度)結(jié)合SWAT水文模型進(jìn)行研究[16-17]，從而分析判斷今后一段時(shí)間內(nèi)河流水質(zhì)背景值演變趨勢(shì)，以便對(duì)今后背景值在水質(zhì)管理與評(píng)價(jià)中應(yīng)用方案進(jìn)行調(diào)整。

2.3.1 流域水文模型構(gòu)建

1)水文參數(shù)提取。本文在開展氣候變化下水質(zhì)背景值演變趨勢(shì)研究中以“未來時(shí)期氣候變化—徑流過程對(duì)氣候變化的響應(yīng)關(guān)系—水質(zhì)水量關(guān)系預(yù)測(cè)背景值演變趨勢(shì)”為研究思路。首先建立湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)水文模型，空間數(shù)據(jù)庫包括DEM高程數(shù)據(jù)(圖1)、土地利用數(shù)據(jù)(流域LANDSAT2014年遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯)以及土壤數(shù)據(jù)(圖5)。

圖5 湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)土壤類型與土地利用類型分布圖

屬性數(shù)據(jù)庫主要包括：日最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫?cái)?shù)據(jù)、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)、太陽輻射數(shù)據(jù)、風(fēng)速數(shù)據(jù)等。由于湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)內(nèi)無氣象站分布，流域內(nèi)缺少長(zhǎng)系列氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，本研究以再分析數(shù)據(jù)(氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)再分析數(shù)據(jù)，CFSR)替代研究區(qū)氣候數(shù)據(jù)輸入條件[18]，CFSR是由美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)開發(fā)，并由美國德州農(nóng)工大學(xué)(Texas A&M University，TAMU)整理為SWAT數(shù)據(jù)輸入格式，以其高分辨率和數(shù)據(jù)易獲取性，近年來已成為資料缺失地區(qū)的替代降水輸入手段。

本文依托SWAT模型流域自動(dòng)劃分功能將湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)共劃分61個(gè)子流域，同時(shí)，模型根據(jù)不同的土地利用類型、土壤類型、坡度對(duì)子流域內(nèi)具有同一屬性的柵格單元組合成水文響應(yīng)單元(HRU)，相同的HRU具有相同的產(chǎn)流機(jī)制。在輸入屬性數(shù)據(jù)前確定其參考空間為WGS_1984_UTM_Zone_45N，土壤類型數(shù)據(jù)按照usersoil數(shù)據(jù)庫中要求編寫，土地利用類型數(shù)據(jù)按照土地利用SWAT分類對(duì)照表分類，坡度按閾值百分比為0～15、15～9 999兩級(jí)。最后將3個(gè)分類屬性疊加產(chǎn)生唯一組合的土壤類型、土地利用與坡度的HRU。為避免較小的HRU出現(xiàn)，將Multiple HRUs 3個(gè)屬性均設(shè)定為5%，最終劃定出600個(gè)水文響應(yīng)單元，各子流域劃分結(jié)果如圖6。

圖6 湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)內(nèi)水系及子流域分布圖

2)參數(shù)校準(zhǔn)與驗(yàn)證。研究區(qū)水文數(shù)據(jù)為2005—2014年五營(yíng)水文站逐月徑流數(shù)據(jù)，模型參數(shù)設(shè)置與徑流模擬參數(shù)敏感性分析見圖7。

圖7 SWAT模型運(yùn)行界面與徑流模擬參數(shù)敏感性分析結(jié)果圖

參數(shù)率定通過擬合模擬值與實(shí)測(cè)值來確定各參數(shù)值對(duì)水文過程的影響，其結(jié)果決定了模型模擬的精度。五營(yíng)水文站位于湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)下游區(qū)域，是整個(gè)集水區(qū)的傾瀉點(diǎn)，水文站實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映了保護(hù)區(qū)內(nèi)徑流的變化，故以五營(yíng)水文站的實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)獲得各參數(shù)最佳模擬值。最終率定的參數(shù)見表4，徑流模擬、實(shí)測(cè)對(duì)比見圖8。

表4 湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)流域SWAT模擬部分參數(shù)率定結(jié)果

圖8 湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)五營(yíng)站2006—2013年月徑流實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

3)模型適用性評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)模擬結(jié)果一般采用相關(guān)系數(shù)(R2)、校對(duì)誤差(Re)、納什效率系數(shù)(Ens)等精度指標(biāo)來描述模型在研究區(qū)的適用性[19]。Ens越接近于1，說明模型的可信度越高；反之，模型模擬值比實(shí)測(cè)值效果要差。湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)流域徑流月模擬參數(shù)見表5，模擬情況良好，模擬值能夠反映了湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)內(nèi)的實(shí)際徑流變化情況，可為后續(xù)的水文過程分析提供較為科學(xué)的水量信息數(shù)據(jù)。

表5 湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)流域徑流月模擬參數(shù)表

2.3.2 評(píng)價(jià)方法優(yōu)化調(diào)整

1)徑流模擬。應(yīng)用已建立的流域水文模型，對(duì)未來氣候變化下湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)徑流變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，本章節(jié)選取典型濃度路徑情景RCP45(中排放強(qiáng)度：2100年輻射強(qiáng)度4.5 W/m2，CO2濃度650 ppm)與RCP85(高排放強(qiáng)度：2100年輻射強(qiáng)度8.5 W/m2，CO2濃度1 370 ppm)2種排放情景下模擬未來氣候變化[20]。未來2種排放情景下BNU-ESM模式數(shù)據(jù)作為SWAT模型氣候輸入數(shù)據(jù)以驅(qū)動(dòng)模型模擬預(yù)測(cè)未來流域徑流演變，從而研究背景值問題演變規(guī)律。2種排放情景下(RCP45與RCP85)，未來時(shí)段內(nèi)(2020—2060)降雨和氣溫?cái)?shù)據(jù)來自https://cds.nccs.nasa.gov/nex-gddp用以分析湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)21世紀(jì)中葉氣候變化趨勢(shì)。

研究區(qū)2020—2060年月均徑流總量模擬預(yù)測(cè)結(jié)果如圖9，研究發(fā)現(xiàn)未來氣候情景下RCP45徑流量高于RCP85，年內(nèi)月均徑流總量均值分別為450.8 m3(RCP45)和401.2 m3(RCP85)。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，未來氣候變化情景下研究區(qū)徑流呈增加趨勢(shì)，由圖10MK檢驗(yàn)可知，氣候變化下徑流呈現(xiàn)顯著的豐枯水期差異性，RCP85情景模式下，枯水期無明顯突變現(xiàn)象，豐水期在2034年出現(xiàn)徑流突變，突變前后豐水期月均徑流總量分別為315 m3，418.6 m3，增幅為33.2%。RCP85情景模式下，枯水期無明顯突變現(xiàn)象，豐水期在2051年出現(xiàn)徑流突變，突變前后豐水期月均徑流總量分別為337.4 m3、398.8 m3，增幅為18.2%。

圖9 RCP45/RCP85情景模式下2020—2060年五營(yíng)站徑流變化趨勢(shì)圖

圖10 RCP45/RCP85情景模式下2020—2060年五營(yíng)站徑流突變性檢驗(yàn)

水質(zhì)背景值避免應(yīng)用模型預(yù)測(cè)水質(zhì)所需的大量參數(shù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用回歸關(guān)系曲線預(yù)測(cè)水質(zhì)背景值簡(jiǎn)化了水質(zhì)背景值形成的復(fù)雜過程且由回歸系數(shù)可知模擬結(jié)果具有一定的可靠性，便于在(無)缺資料地區(qū)應(yīng)用。

2)徑流-背景值響應(yīng)關(guān)系構(gòu)建。SWAT模型難以對(duì)COD、CODMn進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，對(duì)于一些偏遠(yuǎn)且缺失資料地區(qū)而言，一些經(jīng)驗(yàn)方法，例如水質(zhì)水量關(guān)系法、平均濃度法、污染物輸出系數(shù)法等用于污染物輸出更適用，即集總式模型，該類模型將影響污染物輸出過程與流域空間異質(zhì)性概化為單一的綜合因子，忽略了復(fù)雜的機(jī)理過程，具有一定的精度，方法簡(jiǎn)單且易用于流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算，是一種經(jīng)驗(yàn)方法。本章節(jié)應(yīng)用五營(yíng)站(位于湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)下游出口處)2005—2014年每月一次的水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立背景污染物濃度與流量關(guān)系作為未來氣候情景下流域背景污染負(fù)荷演變趨勢(shì)的預(yù)測(cè)工具。

由2005—2014年湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)下游控制斷面水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到月均流量與污染物月均濃度關(guān)系，關(guān)系曲線如圖11。COD、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮與流量呈顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.820 3、0.801 8、0.707。

圖11 湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)五營(yíng)站水質(zhì)水量響應(yīng)關(guān)系

3)背景值表征范圍優(yōu)化調(diào)整。由2.2節(jié)分別計(jì)算了湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)豐枯水期地表水中COD、CODMn以及NH3-N背景值表征范圍，并以此提出了考慮背景值影響的水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)技術(shù)流程。本節(jié)根據(jù)徑流對(duì)未來RCP45與RCP85 2種情景模式下響應(yīng)過程可知，未來氣候變化情景下湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)枯水期流量無明顯突變現(xiàn)象，豐水期突變點(diǎn)分別為2034年(RCP45)、2051年(RCP85)，變幅分別為33.2%、18.2%。因此，建議以2034年和2051年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)豐水期背景值表征范圍進(jìn)行合理優(yōu)化調(diào)整。根據(jù)流域徑流-背景污染物響應(yīng)關(guān)系，未來氣候情景模式下湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)豐水期背景值表征范圍建議調(diào)整為COD：14.7～63.8 mg/L、CODMn：4.1～21.6 mg/L、NH3-N：0.17～1.12 mg/L(RCP45)與COD：13～58.5 mg/L、CODMn：3.7～19.8 mg/L、NH3-N：0.15～1.05 mg/L(RCP85)，枯水期背景值表征范圍保持不變。

3 結(jié)論

為解決地表水環(huán)境背景值與最嚴(yán)格水資源管理制度的矛盾沖突，本文以黑龍江省湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)作為典型區(qū)域，結(jié)合中國水環(huán)境管理評(píng)價(jià)體系，對(duì)水質(zhì)背景值的表征確定方法、應(yīng)用技術(shù)流程、演變過程等進(jìn)行了全面系統(tǒng)研究，主要結(jié)論如下。

1)識(shí)別了背景值對(duì)湯旺河源頭水保護(hù)區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率的負(fù)面影響，并計(jì)算了背景值表征范圍。

2)依據(jù)全國重要江河湖泊水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)技術(shù)方案分別提出了河流源頭區(qū)域與下游區(qū)域水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)了背景值調(diào)查研究成果應(yīng)用性。

3)鑒于自然環(huán)境是背景值的主控因素，本文建立了湯旺河流域水文模型，并應(yīng)用該模型以未來2種氣候情景模式為模型輸入條件，預(yù)測(cè)了未來時(shí)段內(nèi)湯旺河背景值表征范圍變化趨勢(shì)，為研究區(qū)未來水質(zhì)背景值表征范圍調(diào)整提供參考。