雁棲河流域水質(zhì)的關(guān)鍵影響因素研究

班靜雅，程 銳，馬 巍，孫 磊

（1.中國水利水電科學研究院 水生態(tài)環(huán)境研究所，北京 100038；2.中國水利學會，北京 100053）

1 研究背景

北京市山區(qū)是首都主要的水源區(qū)，水源保護是山區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的主要任務(wù)［1-2］。為了有效應(yīng)對北京市水資源缺乏、水污染嚴重的形勢［3］，北京市從2003年起開展了生態(tài)清潔小流域的建設(shè)工作，并取得了顯著生態(tài)、經(jīng)濟、社會效益［1，3-6］。生態(tài)清潔小流域作為北京山區(qū)發(fā)展的重要助推器，在改善山區(qū)生態(tài)環(huán)境的同時，通過打造觀光型特色經(jīng)濟溝，帶動了一大批山區(qū)小流域的經(jīng)濟發(fā)展［4］。然而，隨著近年來首都經(jīng)濟圈經(jīng)濟社會快速發(fā)展，人類活動日趨頻繁，外源輸入逐漸增加，很多觀光型山區(qū)小流域由此出現(xiàn)了新的水環(huán)境壓力。我國山區(qū)小流域受制于自然條件與人為因素［7］，水質(zhì)等相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)不健全，基礎(chǔ)資料匱乏［8］，山區(qū)小流域研究主要針對暴雨山洪［9］等問題，關(guān)于流域生態(tài)環(huán)境方面的研究相對較少。目前，對于觀光型山區(qū)小流域的研究主要集中在水環(huán)境承載力研究方面［10-12］，而流域水質(zhì)狀況是水環(huán)境容量的重要約束，是流域水環(huán)境承載力研究的基礎(chǔ)。

雁棲河流域是典型的以休閑旅游為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的山區(qū)小流域，日趨頻繁的人類活動逐漸超過了區(qū)域環(huán)境可承載的能力范圍，流域水環(huán)境問題開始不斷累積，水資源短缺問題凸顯、水質(zhì)逐步變差、富營養(yǎng)化問題突出［10］。亟需針對上述水環(huán)境問題，加強監(jiān)測與監(jiān)控，以不斷改善流域水環(huán)境狀況。本文通過分析雁棲河流域入湖河流的水質(zhì)變化過程、入湖污染源特點，在入湖污染負荷計算的基礎(chǔ)上模擬分析了雁棲湖湖區(qū)水質(zhì)的水質(zhì)演變特征，并識別了影響流域水質(zhì)的關(guān)鍵因素，為改善雁棲河流域水環(huán)境狀況，保障流域可持續(xù)發(fā)展需求提供了依據(jù)和借鑒。

2 流域概況

雁棲河流域位于北京市懷柔區(qū)雁棲鎮(zhèn)（見圖1），流域總面積128.7 km2。雁棲河是北京北部一條重要的山區(qū)河流，發(fā)源于懷柔區(qū)八道溝鄉(xiāng)，主河道長為42.1 km，主要支流長園河長約8 km［12］。雁棲河由北而南蜿蜒匯入雁棲湖（北臺上水庫），落差1300 m。雁棲湖由東、西兩個湖區(qū)組成，水面寬闊，湖容量3830萬m3，水面積達230 hm2，湖岸線超過20 km，壩前最大水深25 m，因每年春季常有成群的大雁在此棲息而得名［13］。

圖1 雁棲河地理位置及水質(zhì)監(jiān)測斷面示意圖

雁棲河流域有5個民俗村，耕地資源少（共有15.9 hm2），沒有規(guī)?；男笄蒺B(yǎng)殖污染源。雁棲河流域產(chǎn)業(yè)以虹鱒魚養(yǎng)殖、民俗接待及休閑旅游業(yè)為主［12］，年接待旅游人次超過百萬。近年來，隨著流域旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，魚場養(yǎng)殖排水、生活污水、垃圾污染十分嚴重［14］。

3 研究方法

3.1 流域水質(zhì)監(jiān)測 雁棲河流域僅在雁棲湖中心有一個常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測點，水質(zhì)資料匱乏，為了解流域水質(zhì)時空分布特點，在流域設(shè)置了多個水質(zhì)監(jiān)測斷面，對流域水質(zhì)狀況進行了為期1年（2016—2017年）的連續(xù)監(jiān)測。雁棲河主河道及其支流長園河選擇了13個具有代表性水質(zhì)監(jiān)測斷面，雁棲湖區(qū)共設(shè)置4個水質(zhì)監(jiān)測點，其中16號點為常規(guī)監(jiān)測站點。各監(jiān)測點布設(shè)位置見圖1所示。雁棲河水質(zhì)監(jiān)測指標主要包括CODMn（高錳酸鹽指數(shù)）、TN（總氮）、TP（總磷）和NH3-N（氨氮）；雁棲湖水質(zhì)監(jiān)測指標為水溫、PH、BOD5（5日生化需氧量）、CODMn、TP、TN、NH3-N、SD（透明度）及Chla（葉綠素a）。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，雁棲湖東湖區(qū)TN指標存在超標嚴重情況，2015年11月—2016年9月均超過Ⅲ類水質(zhì)標準，最高超標倍數(shù)為1.24倍；TP指標在3、4月份存在超標現(xiàn)象，最大超標倍數(shù)約為1.2倍；西湖區(qū)TP在2016年3、4月存在嚴重超標，最大超標倍數(shù)為1.28倍?？梢?，TP和TN指標是雁棲河流域水質(zhì)的控制性指標［15］，因此本文主要對流域TP、TN指標的時空變化規(guī)律進行分析。

3.2 入湖污染負荷估算 雁棲河流域耕地資源少，沒有規(guī)?；男笄蒺B(yǎng)殖污染源，面源污染物很少。入湖河道沿岸建立了多家規(guī)模較大的餐飲企業(yè)、休閑俱樂部等，同時適應(yīng)于雁棲河流域獨特的泉水資源并服務(wù)于旅游發(fā)展而衍生的虹鱒魚和鱘魚養(yǎng)殖也是雁棲河流域的重要入河污染物來源。對于雁棲湖，其外源污染物主要來自入湖河流，在環(huán)湖截污的作用下，湖區(qū)周邊不存在的外源污染物匯入。

沿湖主要餐飲企業(yè)、民俗接待所排放的污染負荷的入河量為污水處理站尾水排放量與尾水水質(zhì)濃度的乘積：

式中：Qi為第i個排污單位排放入河的尾水量，m3/a；Ci為第i個排污單位排放入河的污染物濃度，mg/L；n為排污單元個數(shù)。污水排放量和污染物排放濃度均根據(jù)現(xiàn)場采樣監(jiān)測結(jié)果結(jié)合污水處理站污水排放標準確定。

漁場養(yǎng)殖廢污水排放的入河污染負荷，一般采用人工投放餌料的營養(yǎng)物質(zhì)含量與養(yǎng)殖對象吸收的營養(yǎng)物量進行折算獲得。以網(wǎng)箱養(yǎng)魚為例：養(yǎng)殖水體污染負荷量=總投餌量×餌料中營養(yǎng)物質(zhì)所占比重-漁獲物體重增加量×魚類單位體重中的營養(yǎng)物質(zhì)所占比重。

3.3 湖區(qū)水動力學-水質(zhì)模型 流域水環(huán)境模型是研究污染源排放與水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系的重要工具，能定量化模擬表達整個水環(huán)境系統(tǒng)及其內(nèi)部發(fā)生的復(fù)雜過程［16］。

3.3.1 二維模型搭建 采用MIKE21［17］構(gòu)建雁棲湖平面二維水動力學模型，采用實測地形數(shù)據(jù)，對雁棲湖地形進行概化（見圖2）。根據(jù)實測地形數(shù)據(jù)，雁棲湖壩前水深超過20 m，壩前可能存在熱分層［18］，但此次研究主要關(guān)注湖區(qū)水質(zhì)整體在時間和空間上的變化規(guī)律，因此二維平面模型已足夠適用。污染物在湖體內(nèi)的輸移擴散等特性，很大程度上決定于湖流運動規(guī)律［19-20］，雁棲湖屬小型湖泊，入湖水量小，基本無出流，風是湖流運動的主要驅(qū)動力。采用實測風速和風向的多年平均值作為湖區(qū)風場。模型模擬預(yù)測水質(zhì)指標采用TP和TN。模型網(wǎng)格采用20 m×20 m矩形網(wǎng)格，模擬范圍為2.6 km×3.2 km，高程85.5 m以下為水下地，水下地形網(wǎng)格全部參與計算，實際計算水域面積2.36 km2，計算網(wǎng)格5890個。模型開邊界為雁棲河入流，不存在點源源匯項。降雨、蒸發(fā)來自柏崖廠水文站，總降雨量252.3 mm，總蒸發(fā)量1567.4 mm。

圖2 雁棲湖地形概化圖

3.3.2 模型率定和驗證 以2015年10月1日實測水位85.5 m和10月份庫區(qū)實測水質(zhì)為模型初始條件，以2015年10月到2016年7月雁棲河的實測逐日入湖水量過程和逐月水質(zhì)過程為邊界條件，模擬庫區(qū)的水動力學水質(zhì)狀況，計算的時間步長為1800 s。采用模擬期間湖區(qū)的逐日水位資料和水質(zhì)監(jiān)測點的水質(zhì)資料對模型進行參數(shù)率定與模型驗證，確保建立的雁棲湖水環(huán)境數(shù)學模型能較好地反映雁棲湖的水動力特征和水質(zhì)動態(tài)演變規(guī)律。模型率定和驗證結(jié)果見表1，模型計算水位與實測水位相對誤差在0.15%范圍內(nèi)，計算水質(zhì)濃度與實測水質(zhì)濃度相對誤差基本控制在15%以內(nèi)，模擬效果良好（見圖3和圖4）。

圖3 湖區(qū)實測水位與模擬水位對比

圖4 湖區(qū)實測水質(zhì)與模擬水質(zhì)對比

表1 雁棲湖模型參數(shù)率定結(jié)果

4 研究結(jié)果及分析

4.1 流域水質(zhì)時空分布特征

4.1.1 雁棲河水質(zhì)沿程變化過程 根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，雁棲河沿程水質(zhì)總體上呈下降趨勢，而長園河水質(zhì)總體呈上升趨勢（見圖5和圖6）。長園河受沿岸民俗接待村、規(guī)模化餐飲企業(yè)和大型養(yǎng)殖漁場排污的影響，長園河氮、磷濃度明顯高于雁棲河，水質(zhì)相對較差，導(dǎo)致長園河匯入雁棲河后，雁棲河水質(zhì)濃度有明顯上升（見圖5，7斷面）。長園河9斷面—10斷面（見圖6）之間河段存在兩家大型漁場，TP、TN濃度有明顯上升趨勢，可見大型漁場對流域水質(zhì)有很大的影響。雁棲河4斷面TP指標濃度上升顯著，分析發(fā)現(xiàn)主要是由于2017年2月的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果中該斷面TP標濃度明顯偏高而引起的，原因是此次監(jiān)測期屬旅游淡季，該斷面上游河段污染源主要是官地行政村常住人口生活排污，明顯高于其他河段排污，且該河段存在嚴重的垃圾傾倒的現(xiàn)象。

圖5 雁棲河水質(zhì)沿程變化過程

圖6 長園河水質(zhì)沿程變化過程

4.1.2 雁棲河入湖水質(zhì)年內(nèi)變化過程 神堂峪出口處（7斷面）TP濃度年內(nèi)變化不大，春、夏季為旅游旺季，長園河出口處（13斷面）受旅游排污的影響濃度較高，秋季10月份之后為旅游淡季，TP濃度開始有所降低，冬季則維持相對較低的狀態(tài)；雁棲河入湖口斷面（14斷面）TP濃度主要受長園河支流匯入的影響，與長園河TP指標年內(nèi)變化過程相似，同時由于空間的后移，其峰值在時間上較長園河出口存在一定的滯后性，見圖7（a）。

圖7 雁棲河水質(zhì)濃度年內(nèi)變化過程

神堂峪出口和長園河出口處TN濃度變化趨勢相似，雁棲河入湖口斷面TN濃度受神堂峪和長園河的共同影響。春季、秋季和冬季TN濃度較為穩(wěn)定，其中春季末期到夏季初期各河出口處TN濃度較低，到夏季末期有大幅度升高，其變化過程與流域降雨徑流過程有高度的一致性。降雨徑流一方面將攜帶部分面源污染負荷至河道；另一方面將造成河道底泥污染物不斷釋放，見圖7（b）。

TP、TN濃度受降雨徑流的影響程度不同，TN濃度變化過程與流域降雨徑流過程有高度的一致性；而TP指標可能由于背景含量較低，更易被高流量所稀釋，導(dǎo)致TP濃度與降雨徑流的相關(guān)關(guān)系不顯著。

4.1.3 湖區(qū)水質(zhì)時空分布規(guī)律 雁棲湖東湖區(qū)和西湖區(qū)TP指標變化過程存在顯著差異，東湖區(qū)（15—17號監(jiān)測點）TP濃度在4、5月份有所升高，6月之后隨雨季的到來濃度有所下降，總體來說年內(nèi)變化不大；西湖區(qū)（18號監(jiān)測點）TP指標為影響湖區(qū)水質(zhì)的關(guān)鍵指標，3、4月份西湖濃度較高，分析原因主要是期間湖區(qū)水量少，內(nèi)源釋放占主導(dǎo)因素，導(dǎo)致TP濃度偏高，之后隨雨季到來水量不斷增加濃度有明顯下降，見圖8（a）。

東湖區(qū)TN濃度全年均處于較高的濃度狀態(tài)，是影響雁棲湖整體水質(zhì)的關(guān)鍵性控制指標，夏季（5—8月）濃度較高。從年內(nèi)變化過程來看，除雨季（7—8月）湖區(qū)的TN濃度受上游來水影響明顯偏高外，年內(nèi)其余月份湖區(qū)的TN濃度變化不顯著；西湖區(qū)TN濃度全年變化不大，一直處于相對較低的濃度狀態(tài)，見圖8（b）。

圖8 雁棲湖水質(zhì)年內(nèi)變化過程

4.2 入河污染負荷估算

4.2.1 餐飲企業(yè)排污入河污染負荷估算 通過對主要排污口進行流量監(jiān)測，結(jié)合實際規(guī)模人數(shù)，得到飲企業(yè)在旅游旺季人均日排污量為202.68 L/人。目前流域年接待外來旅游規(guī)模約230萬人次，結(jié)合污水處理后的排放濃度，按人均排污貢獻3 h，在此條件下估算得到由外來旅游人口就餐導(dǎo)致的TP、TN入河污染負荷量分別為203.69 kg/a、1895.43 kg/a。計算結(jié)果見表2。

表2 雁棲河流域周邊度假村入河污染負荷量

4.2.2 漁場養(yǎng)殖排污入河污染負荷估算 根據(jù)各漁場供水量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，估算得到雁棲河漁場養(yǎng)殖年排污量為514萬噸。為研究餌料投放量與漁場排水負荷增加量而引起的N、P負荷流失量的關(guān)系，對典型漁場進行了為期3天的現(xiàn)場監(jiān)測。根據(jù)對典型漁場養(yǎng)殖規(guī)模、餌料投放量等基本情況調(diào)查，結(jié)合現(xiàn)場水質(zhì)采樣和排水負荷監(jiān)測結(jié)果，確定長園河漁場養(yǎng)殖投放餌料流失引起受納水體N、P污染負荷增量系數(shù)均為0.60；虹鱒魚及鱘魚養(yǎng)殖的餌料系數(shù)分別為1.60、1.74；漁場養(yǎng)殖全價飼料含氮量為6.4%、含磷量為1.2%［21-23］。根據(jù)上述分析結(jié)果，計算得到流域內(nèi)各漁場養(yǎng)殖排水共增加的入河污染負荷量TP為1265.38kg/a、TN為6748.72kg/a。計算結(jié)果見表3。

表3 漁場養(yǎng)殖排污入河染負荷量

4.2.3 民俗接待排污入河污染負荷估算 通過對民俗村典型污水處理站進行的排污監(jiān)測和水樣采集，結(jié)合其實際接待規(guī)模，推得民俗接待在旅游旺季人均日排污量為241.55 L/d，民俗接待村因人類活動增加的入河污染負荷量TP為0.002 52 g/s/千人，TN為0.029 79 g/s/千人。民俗村年最大接待人數(shù)約70萬人次，據(jù)此計算得到由民俗接待村開展旅游活動所帶來的入河污染負荷增量TP為82.45 kg/a，TN為975.80 kg/a，估算結(jié)果見表4。

表4 雁棲河流域民俗村入河污染負荷量

4.3 入湖污染物遷移擴散規(guī)律 根據(jù)入湖污染負荷計算結(jié)果，旅游季節(jié)與非旅游節(jié)入湖污染負荷差異很大，因此本文設(shè)置旅游季節(jié)和非旅游季節(jié)兩種工況分析入湖污染物的遷移擴散規(guī)律。旅游季節(jié)入湖污染物包括旅游排污（餐飲企業(yè)和民俗接待）、常住人口排污和漁場排污，非旅游季節(jié)僅包括常住人口排污和漁場排污。根據(jù)兩種工況下的入湖污染負荷計算結(jié)果，結(jié)合入湖水量過程，分別計算兩種工況的入湖水質(zhì)并以此為邊界進行湖區(qū)水質(zhì)模擬。模擬結(jié)果如圖9與圖10所示。

圖9 旅游季節(jié)雁棲湖水質(zhì)濃度分布圖

圖10 非旅游季節(jié)雁棲湖水質(zhì)濃度分布圖

雁棲河是雁棲湖唯一的入湖河流，入湖污染負荷由雁棲河從北部入湖，使雁棲湖水質(zhì)濃度空間分布呈現(xiàn)自北向南逐漸降低的規(guī)律［24］。根據(jù)平面二維水質(zhì)模型計算結(jié)果，雁棲湖整體水質(zhì)較好，在旅游季節(jié)受入湖污染負荷的影響，西北部水質(zhì)濃度較高。雁棲湖南部主湖區(qū)部分TP濃度沒有明顯差異，TN濃度非旅游季節(jié)濃度高于旅游季節(jié)，說明東湖區(qū)TN濃度在枯水期（非旅游季節(jié)）受內(nèi)源釋放影響較大。西湖區(qū)TP濃度在兩種工況下差異不明顯，TN濃度在旅游季節(jié)稍高于非旅游季節(jié)，總體來講，西湖區(qū)基本不受入湖水質(zhì)的影響，污染物沉降吸附作用和內(nèi)源釋放是西湖區(qū)水質(zhì)變化的主導(dǎo)因素。

4.4 流域水質(zhì)的關(guān)鍵影響因素

4.4.1 污染源排放的影響 雁棲河點源污染源包括餐飲企業(yè)、民俗接待和常住人口以及漁場養(yǎng)殖，其中魚場養(yǎng)殖是流域最主要的污染源，污染負荷約占總負荷的70%，見圖11。根據(jù)流域污染源調(diào)查結(jié)果，魚場排污主要集中在長園河，存在4家大型漁場，導(dǎo)致長園河入河污染負荷量約是神堂峪溝的4倍。受大型魚場排污的影響，長園河TP、TN濃度明顯高于神堂峪溝，且大型漁場河段的水質(zhì)濃度有明顯的上升趨勢。因此，魚場排污是影響流域水質(zhì)的關(guān)鍵因素。

圖11 雁棲河流域點源污染貢獻率

4.4.2 降雨徑流的影響 目前，長園河、神堂峪溝兩條溝內(nèi)均有超過30條以上的攔水堰。大量的攔水堰形成了面積和庫容大小不等的壅水區(qū)，延緩了河道水流流速，增加了壅水河段的水力停留時間，為污染物在池塘內(nèi)沉積提供了水動力條件，導(dǎo)致大量污染物在河道內(nèi)沉積。到暴雨徑流季節(jié)，降雨沖刷河道底泥，污染物釋放重新進入河道，造成污染物濃度的大幅度升高。因此，降雨徑流是影響流域水質(zhì)季節(jié)性變化的關(guān)鍵因素。其中TN指標背景濃度高，沉積在底泥中的含量較多，受降雨徑流的影響較大，與降雨徑流變化過程有高度的一致性，呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性特點。TN濃度隨降雨徑流的變化過程詳見圖12。

圖12 TN指標濃度與徑流量的季節(jié)性變化過程

4.4.3 內(nèi)源釋放的影響 在水質(zhì)監(jiān)測和污染源調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，雁棲河流域規(guī)?；瘽O場養(yǎng)殖廢污水中含有大量的顆粒態(tài)污染物，入河后大量沉積在河道和壅水區(qū)內(nèi)，并在強降雨時段與河道內(nèi)的植物腐殖質(zhì)一起隨降雨徑流進入雁棲湖，逐漸累積并轉(zhuǎn)化為湖泊內(nèi)源，從而出現(xiàn)枯水期雁棲湖TN指標濃度遠大于上游河道來水水質(zhì)濃度的現(xiàn)象。同時，結(jié)合二維水質(zhì)模型的計算結(jié)果，進一步證明湖區(qū)在枯水期受內(nèi)源影響較大。因此，內(nèi)源釋放是影響湖區(qū)水質(zhì)的重要因素之一。

5 結(jié)論

（1）TP、TN指標是影響雁棲湖水質(zhì)的控制性指標，根據(jù)雁棲河流域水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，雁棲河沿程水質(zhì)（以TP、TN為代表）主要受沿岸旅游餐飲企業(yè)和大型養(yǎng)殖漁場排污的影響，且入湖水質(zhì)受降雨徑流顯著影響。

（2）雁棲河主要點源污染源包括餐飲企業(yè)、民俗接待和常住人口以及漁場養(yǎng)殖。根據(jù)流域污染負荷估算結(jié)果，由這三類點源污染排放所導(dǎo)致的入河污染負荷增量TP共計1551.52 kg/a，TN共計9619.95 kg/a。其中魚場養(yǎng)殖是流域最主要的污染源，污染負荷約占總負荷的70%。魚場排污主要集中在長園河，長園河入河污染負荷量約是神堂峪溝的4倍。

（3）根據(jù)湖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果和平面二維水質(zhì)模型計算結(jié)果，雁棲湖整體水質(zhì)較好，在旅游季節(jié)受入湖污染負荷的影響，西北部水質(zhì)濃度較高。東湖區(qū)TN濃度在枯水期（非旅游季節(jié)）受內(nèi)源釋放影響較大。西湖區(qū)相對封閉，且無直接的外源輸入，基本不受入湖水質(zhì)的影響，污染物沉降吸附作用和內(nèi)源釋放是西湖區(qū)水質(zhì)變化的主導(dǎo)因素。

（4）結(jié)合對流域水質(zhì)的連續(xù)監(jiān)測、污染負荷估算和平面二維水動力水質(zhì)模型的研究結(jié)果，提出流域水質(zhì)的關(guān)鍵影響因素是漁場養(yǎng)殖污水直排；受降雨徑流影響，水質(zhì)存在明顯的季節(jié)性特征；而內(nèi)源釋放是影響湖區(qū)水質(zhì)的重要因素之一。