以北运河(北京段)为例模拟评估北京市“水十条”水质改善效果

王 刚，齐 珺，何晓燕，潘 涛,4，任明磊，路献品

1.中国水利水电科学研究院，北京 1000382.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心,北京 1000383.北京市环境保护科学研究院，北京 1000374.天津大学环境科学与工程学院，天津 3000725.河南天成环保科技股份有限公司，河南 平顶山 467000

以北运河(北京段)为例模拟评估北京市“水十条”水质改善效果

王 刚1，2,3，齐 珺3，何晓燕1，2，潘 涛3,4，任明磊1,2，路献品5

1.中国水利水电科学研究院，北京 1000382.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心,北京 1000383.北京市环境保护科学研究院，北京 1000374.天津大学环境科学与工程学院，天津 3000725.河南天成环保科技股份有限公司，河南 平顶山 467000

基于MIKE11构建北运河(北京段)一维水质模型，以氨氮、COD为目标污染物，建立污染源与水质响应关系。以2013年为基准年，考虑不同人口疏解情景预测2020年北运河(北京段)流域人口，并结合北京市“水十条”设置减排情景方案，对2020年水质改善效果进行量化评估。模拟结果表明：北京市“水十条”可实现显著的水质改善效果，到2020年，在中人口疏解方案下，北运河氨氮、COD平均质量浓度相比2013年分别下降40.8%～77.7%、39.3%～59.7%。COD质量浓度可稳定达标，氨氮质量浓度离达标还有一定差距，但日浓度可稳定在8mg/L以下，基本消除了黑臭水体。

MIKE11；氨氮；COD；水质改善；评估；北运河

尽管“十五”以来，北京市对重点污染物实施总量控制，加大了对城镇污水处理厂建设的投资力度，但随着城市化进程加快，水污染治理成本和难度增大，尤其是在2008年北京奥运会以后，水质达标率徘徊不前，水质改善进入平台期[1-2]。按照国家“十二五”污染减排核算范围统计，北京市主要污染物氨氮、COD的排放量分别从2011年的2.13×104、19.32×104t，下降到2015年的1.65×104、16.15×104t，下降幅度分别为22.5%和16.4%，但北京市下游不达标水体主要污染物浓度未明显下降。2015年不达标水体氨氮、COD平均质量浓度分别为9.2、64.1 mg/L，相对地表水Ⅴ类水质标准，氨氮超标3.6倍，COD超标60%，北京市城市下游河道水污染严重的局面未根本改变[3]。

国家《水污染防治行动计划》明确提出以改善水环境质量为核心，以水质达标倒逼任务措施，促使水环境管理由总量控制向质量目标管理转型。摸清污染源排放与水质之间响应关系是科学计算允许排放量和要求削减量的基础，而通过数学模型方法建立污染排放与水质响应关系是当前国内相关研究的主流。

王亚炜等[4]以氨氮为目标污染物，基于QUAL2K河流水质模型对温榆河污染防治和水质改善措施的效果进行了量化评估。逄勇等[5]基于MIKE11构建了浙江东官河水质模型，综合考虑污染物削减和区域外调水，对东官河近期、远期水质达标情况进行模拟分析。徐敏等[6]以COD为评价因子，采用一维水质模型定量评估了“十一五”期间总量减排的水质改善效益。单保庆等[7]基于QUAL2K构建滏阳河邢台段水质模型，提出不同水质目标情景下针对工业企业、污水处理厂、农村生活等污染排放控制的河流治理方案。殷洪等[8]以太浦河为例，假设了枯水期污染物蓄积、降雨导致面源释放和突发性水污染事故引起的水质超标3种情景，基于WASP模型模拟分析调水和抽水等不同调控措施与水质改善效果的响应关系。卿晓霞等[9]基于MIKE模型对伏牛溪主要污染物氨氮和CODMn进行数值模拟，对点源截污、污水处理厂尾水深度处理等措施降低主要污染物浓度效果进行评价。赵轩等[10]基于一维水质模型分析了常州市平原河网水质与上游引水、污染源、水体自净能力3个要素的响应关系。

北京市目前已颁布实施《北京市水污染防治工作方案》(简称北京市“水十条”)，提出了明确的分阶段工作目标、防治任务、保障措施及组织实施方案[11]。从流域治理的角度来说，北京市“水十条”水污染防治措施方案的水质改善效果，是当前工程人员和决策者尤为关心的问题。研究将北运河流域(北京段)划分为10个子流域，采用MIKE11构建一维水质模型，以氨氮、COD为主要评价因子，建立污染源排放与水质响应关系，以2013年为基准年，基于北京市“水十条”设置主要污染物减排情景方案，对2020年水质改善效果进行模拟评价，为科学决策与系统治理流域水环境提供技术支撑。

1 北运河流域概况

北运河发源于燕山南麓，是北京市五大水系中唯一发源于市域境内的水系。北运河上游为温榆河，从通州北关闸始称北运河，于通州杨洼闸附近出北京界，在北京市境内干流全长94 km，流域面积为4 249 km2(图1)。

图1 北运河(北京段)概况示意图Fig.1 The overview of the North Canal River (Beijing section)

按照“西蓄东排”的水系格局，北运河承担了北京市主要的排水任务，其主要支流(清河、坝河、通惠河、凉水河等)均流经中心城区，近10 a以来，从北运河出境水量占北京市全部出境水量的72%～90%[12]。

北京市为严重缺水城市，水资源开发利用程度高，城市下游平原河道几乎没有天然径流，而是以污水处理厂退水和其他类型污水为主要水源，水体基本没有自净容量。北运河水系水质为五大水系中最差，历年平均达标率仅为17.6%。2013年北运河Ⅳ类水体氨氮浓度均值为6.1 mg/L，Ⅴ类水体氨氮浓度均值为12.1 mg/L，分别相对于水功能区水体目标浓度超标3.06和5.05倍。根据北京市2013年地表水环境质量评价结果，北运河主要评价河段均为劣Ⅴ类。按照住房和城乡建设部发布的《城市黑臭水体整治工作指南》中给出的标准，温榆河上段属于轻度黑臭水体(氨氮浓度为8～15 mg/L)，温榆河下段和北运河干流均属于重度黑臭水体(氨氮浓度大于15 mg/L)[13]。北运河各主要支流中，除通惠河污染相对较轻，氨氮超标2.05倍以外，清河、坝河、小中河和凉水河污染都相当严重，氨氮超标4.64～9.11倍。北京市公布的首批黑臭水体治理名单绝大多数分布在北运河流域。

2 研究数据与方法

2.1污染源排放信息

研究涉及的污染源排放信息包括工业源、农业源、生活源和城市面源4大类，其中前3类为环境统计口径污染源。工业源包括纳入监管的重点工业企业和非重点工业源；农业源包括农业种植、畜禽养殖和水产养殖，按目前的环境统计口径，种植业污染物流失量未统计COD，畜禽养殖主要统计养殖场(小区)及养殖专业户，暂不考虑散养；生活源包括集中处理设施排放和生活直排环境量，其中集中处理设施排放包括污水处理厂退水和垃圾填埋场渗滤液，生活直排量包括城镇生活和农村生活。相比国家“十二五”减排核算范围，研究增加农村生活排放和城市面源污染负荷，基本涵盖了全部污染源。

基于2013年北京市环境统计资料，对北运河流域2013年各类污染源的排放基数进行统计。在环境统计资料中，工业源、污水处理厂、垃圾填埋场和畜禽养殖场(小区)列为点源，可根据各类源的空间坐标和受纳水体将其污染物排放量纳入北运河相应的子流域。养殖专业户及水产业、种植业的排放则依据环境统计汇总的北京市各区县的排放量，按照各子流域中各区县的面积比例进行分配。城镇生活直排环境量按照生活污染物总产生量减去进污水处理厂的量得到。其中，总产生量根据各子流域城镇人口按产污系数法计算，氨氮、COD的产污系数分别取9.7、79 g/(人·d)[14]，各区县人口资料由北京统计信息网下载。城镇生活污水由污水处理厂收集处理的部分通过污水处理厂实际处理的生活污水量乘以相应的COD、氨氮生活污水进口浓度得到。对于农村生活源，由于农村污水处理设施的设备完好率和运行率普遍偏低，农村污水处理率及处理深度很低，所以研究暂按农村生活污染物全部直排环境计算，农村生活污染物直排量等于其产生量，氨氮、COD的农村生活产污系数分别取4、16.4 g/(人·d)[15]。

城市面源采用改进的JOHNES输出系数法估算[16]，计算公式如式(1)所示：

(1)

式中：L为城市面源污染物的输出负荷，t；Cij为第j种降雨类型下、第i类城市下垫面类型对应的某污染物的平均质量浓度，mg/L；Ai为第i类城市下垫面的面积，km2；Hj为第j种降雨类型降雨量，mm；φ为综合降雨径流系数；103为单位转换系数。

研究将城市下垫面划分为6种类型，分别为道路、广场、停车场、屋面、林地、草地。按照雨强划分标准，研究中涉及5种降雨类型，分别为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨。污染物平均质量浓度根据2009—2012年对北京市海淀区、东城区、大兴区、顺义区和丰台区等13次降雨过程、29个典型监测点位的现场监测结果得到。综合降雨径流系数参照《室外排水设计规范》(GB 50014)和《雨水控制与利用工程设计规范》(DB 11/685)给出的不同汇水面种类径流系数进行加权平均计算得到。

2.2减排情景方案设置依据

研究中的减排情景方案主要是依据《北京市水污染防治工作方案》进行设置的。北京市“水十条”对2020年水污染防治目标有明确的要求，对工业源达标排放、农业源集中整治、城镇生活污染强化治理、城市面源污染控制等都有量化的任务指标或具体的防治措施，对2030、2050年等远景水平年主要从水生态系统功能恢复及实现良性循环的角度进行展望。鉴于北京市“水十条”的近期防治目标主要是消除黑臭水体、实现水环境质量阶段性改善，更为贴近老百姓的期待和关切，任务措施也更为明确具体，并且水质改善也是实现远景水生态环境状况好转的基础。因此，研究主要对2020年减排情景方案进行模拟评估。

2.32020年人口预测

生活源排放在目前各类污染源排放中占比最大，对未来人口数量变化进行合理预测是准确预测规划水平年污染物排放量的关键[12]。

《京津冀协同发展规划纲要》提出2020年北京市常住人口必须控制在2 300万以内，并力争实现中心城区疏解15%的人口。《关于制定北京市国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》明确提出“十三五”期间北京市城六区常住人口相对于2014年底减少15%，即相当于疏解近200万的人口。而城六区86%的区域分布在北运河流域，按面积测算，这部分区域将疏解165万左右的常住人口。

此外，考虑北京市将设通州“副中心”，人口迁移以及带动区域经济发展引起的人口聚集，也会使通州区人口有较快的增长。同时，北京市还规划昌平、顺义、大兴3个新城区，将按照新型城镇化规划，承接中心城区功能和人口疏解。因此，城六区及周边地区未来城镇人口变化主要受人口疏解调控政策的影响。

相对于城镇人口，农村人口一般分布在远郊区县，受人口调控政策的影响较小，根据2013年的人口基数，按2020年2 300万的人口总量控制红线，“十三五”期间年平均人口增长率不能超过1.2%，北运河流域农村人口的增量规模为10万左右。同时，受城乡结合部、城中村、棚户区改造及国家新型城镇化建设推进的影响，农村人口数量在现有基础上可能还会出现无明显变化甚至不增反降的情况。

因此，根据未来人口变化中存在的较大的不确定性因素，设置弱、中、强3种人口疏解情景方案，在3种人口疏解方案中，城六区范围内子流域的常住人口按照-15%、-18%、-20%等不同比例进行削减，而中心城区外围区域常住人口按照18%、15%、10%等不同比例增加，其中涉及行政副中心、新城区的子流域适当上调增长幅度。农村人口在弱、中、强3种人口方案中则分别按照正增长、零增长、负增长分别设置，从而整体上形成较为合理的、差异化的常住人口变化方案。

2.4MIKE11模型

应用MIKE11模型中的水动力学模块(HD Module)和平流-扩散模块(AD Module)构建北运河流域(北京段)的水动力、水质模型。模型以上游流量和下游水位为外边界条件，同时综合考虑了10座闸坝、12条沟渠、支流汇入，53个污染源直接汇入干流，28个污染源汇入清河、通惠河、凉水河等主要支流的内边界条件。除点源以外，模型还考虑以线源形式随降雨径流汇入河网的城市面源和农业面源污染。限于篇幅，不对模型基本原理和方法以及建模过程展开论述，模型水动力率定、水质率定及验证可参考文献[17]。总体上，模拟水位与实测水位吻合较好，多数水质率定和验证断面氨氮、COD模拟浓度误差控制在±15%以内，可基于模型开展减排情景模拟分析。

2.5设计流量条件及水质指征断面

北运河作为排水河道，几乎没有天然径流，影响北运河水动力、水质模拟的流量条件实为不同的排水情景。因此，研究没有选取某一保证率的天然径流量作为设计水文条件，而是选用流量资料较全的2010年排水条件作为设计流量条件。根据近10 a左右北京市年降水、径流资料的排频计算结果，2010年是枯水年之一，相当于90%降雨保证率年份。

根据水质指征断面特征污染物的模拟浓度来反映研究河段的水质达标情况。北运河上游的温榆河上段与温榆河下段的水体功能不同，水质目标也不同。温榆河下段与北运河下游河段水体功能虽然相同，但是河道较长，且沿途有通惠河、凉水河等支流汇入，对干流不同河段水质影响较大。为了更加合理、全面反映水质模拟的空间分布，以保证当所选指征断面的污染物浓度达标时，其所代表的整个河段的水质也全部达标，研究共选取3个典型断面(土沟桥中心、后苇沟桥、榆林庄)分别作为温榆河上段、温榆河下段、北运河干流的水质指征断面。

3 结果分析

3.1基准年氨氮、COD排放

北运河10个子流域分区各类污染源氨氮、COD排放测算结果如表1和表2所示。2013年，北运河流域氨氮、COD的总排放量分别为1.21×104、12.37×104t。氨氮排放构成中，生活源排放占81%，其中，集中处理设施排放接近40%，其余直排环境；农业源排放占氨氮总排放的10%，其中，畜禽养殖排放量最大，占农业源总排放的近90%；工业源排放不足2%；城市面源氨氮污染负荷占总排放量的6%。COD排放构成中，生活源排放占比为57%，其中集中处理设施排放约为50%，其余直排环境；农业源排放占比约为20%，其中畜禽养殖排放占农业源总排放的95%以上；工业源排放占比为3%；城市面源COD污染负荷占比超过20%。集中处理设施中，污水处理厂排放占95%以上，其余为垃圾填埋场渗滤液排放。

表1 北运河流域各子流域分区各类污染源2013年氨氮排放基数Table 1 The ammonia emission of different pollution sources of the ten sub-basins of North Canal River in 2013 t

表2 北运河流域各子流域分区各类污染源2013年COD排放基数Table 2 The COD emission of different pollution sources of the ten sub-basins of North Canal River in 2013 t

3.22020年人口预测结果

不同强度人口疏解方案下北运河各子流域分区人口预测结果如表3所示。

在弱人口疏解方案下，北运河流域常住人口总体减少77万，相对基准年(2013年)减少5%，其中城镇人口减少87.7万，农村人口增加10.7万。在中等人口疏解方案下，北运河流域常住人口总体减少124万，相对基准年(2013年)减少8%，农村人口保持不变。在强人口疏解方案下，北运河流域常住人口总体减少166万，相对基准年(2013年)减少11%，其中城镇人口减少157万，农村人口减少9.6万。受人口调控政策主导，常住人口(尤其是城镇人口)减少的区域主要分布在中心城区所在的坝河、通惠河、清河、凉水河等子流域，而对于北运河干流、凤河流域、小中河流域、沙河流域等涉及行政副中心建设和承接中心城区功能疏解的子流域，城镇人口明显增加。

表3 不同强度人口疏解方案下北运河流域各子流域分区2020年人口预测Table 3 Results of population projections of the ten sub-basins of North Canal River in 2020 according to different intensity of population regulation scenarios

3.3减排情景方案设置

基于遏制严重污染态势、全面消除黑臭水体的阶段目标，主要依据北京市“水十条”的要求和目标，设置涵盖工业源、农业源、生活源和城市面源的综合措施方案。具体而言：

工业源：工业企业污水排放执行《北京市水污染综合排放标准》(DB 11/307—2013)，全部实现达标排放，氨氮、COD的排放限值分别为1.5、30 mg/L。

农业源：严格控制畜禽养殖规模，全市禁止新建、扩建规模化畜禽养殖场；六环路以内(包括坝河、清河、通惠河、凉水河、温榆河干流等子流域的全部和沙河流域的海淀地区)为禁养区，依法关闭或搬迁禁养区内的畜禽养殖场；到2020年，逐步完成全市规模化猪场、牛场粪便污水治理，并实现资源化利用。中心城区(坝河、清河和通惠河流域的全部及凉水河流域的约50%)农业种植、水产养殖不保留，中心城区以外区域保持2013年规模不变。

生活源：按照北京市“十三五”水务发展规划提出的用水管控思路，人均居民生活用水量零增长。全面提升城镇生活污染治理水平，到2020年，全市城镇生活污水处理率达到94%，污水处理厂出水执行《北京市公共污水处理厂污染物排放标准》(DB 11/890—2012)，达到地表水Ⅳ类标准。对于农村生活污水处理，北京市“水十条”提出“到2019年，城乡结合部村庄、水源地所在村、民俗旅游村实现村村有污水处理设施，基本消除污水直排”，但未明确提出农村生活污水处理能力及水平指标。为便于统计分析，研究按2020年全市农村生活污水处理率65%计算，排放浓度执行《北京市水污染综合排放标准》(DB 11/307—2013)比较宽松的氨氮(8 mg/L)、COD(60 mg/L)限值标准。

城市面源：根据住房和城乡建设部2014年10月发布的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》(以下简称《指南》)，要求通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术，有效控制城市雨水径流量及径流污染。北京市并非海绵城市建设第一批试点城市，对径流控制率没有明确的指标要求，北京市“水十条”及“十三五”水务发展规划提出推进初期雨水搜集处理和资源化利用，但也没有具体的量化指标。为方便起见，研究根据《指南》建议提出在2020年实现径流控制率70%。径流控制将同步降低悬浮物(SS)、COD、总氮(TN)、总磷(TP)等径流污染物的入河量，考虑到径流污染物变化的随机性和复杂性，径流污染控制率统一按60%计算。

3.4水质模拟预测结果分析

表4为弱、中、强3种人口疏解方案下2020年北运河氨氮、COD模拟结果。总体上，落实北京市“水十条”的水污染防治工作方案，可以取得良好的水质改善效果。与3种人口调控方案下的主要污染物排放情景相对应，氨氮、COD模拟浓度排序为弱人口疏解方案>中人口疏解方案>高人口疏解方案。以中人口疏解方案为例，温榆河上段土沟桥中心氨氮、COD日均模拟质量浓度分别为4.5、26.1 mg/L，与2013年的年均值相比，分别下降40.8%、39.3%。温榆河下段后苇沟桥断面氨氮、COD日均模拟质量浓度分别为3.3、24.7 mg/L，分别比2013年的年均值下降77.7%、50.1%。北运河榆林庄断面氨氮、COD日均模拟质量浓度为4.1、19.9 mg/L，与2013年的年均值相比，分别下降73.7%、59.7%。以上3个断面的COD全年达标天数分别为358、362、365 d，基本能稳定达标，氨氮全年质量浓度低于8 mg/L，基本上消除了黑臭水体。尽管氨氮质量浓度离达标(地表水Ⅳ类为1.5 mg/L，Ⅴ类为2 mg/L)还有一定的差距，但在3种人口疏解方案下，不同水质指征断面氨氮浓度低于轻度黑臭水体浓度限值(8～15 mg/L)的天数达到99%以上，水质状况明显好转。图2是中人口疏解方案下不同水质断面氨氮、COD模拟浓度变化结果。

表4 不同人口疏解方案下北运河2020年氨氮、COD模拟预测结果Table 4 Forecast of the simulation results of ammonia and COD in the North Canal River in 2020 according to different intensity of population regulation scenarios mg/L

图2 2020年减排方案下北运河典型水质断面氨氮、COD质量浓度变化Fig.2 The changing curves of ammonia and COD concentrations of typical sections of the North Canal River under the 2020 reduction programs

4 结论

1)北京市“水十条”减排措施方案整体可实现显著的水质改善效果。在实施工业源达标排放、农业源集中整治，强化城镇生活污染治理、城市面源污染控制等综合减排措施下，到2020年，在中人口疏解方案下，可使北运河典型水质断面氨氮平均浓度下降3.1～11.5 mg/L，COD平均浓度下降16.9～29.5 mg/L，降幅分别为40.8%～77.7%和39.3%～59.7%。COD可基本稳定达标，氨氮浓度低于8 mg/L的天数达到99%以上，基本消除了黑臭水体。

2)单纯从总量减排的角度不足以实现氨氮达标，还需在实施上述减排措施方案的基础上，进一步强化节水，减少生活源排放，增加河流生态用水规模，保障生态基流，尽快形成水系连通格局，提高水体自净和纳污能力，在外调水源支持下，有条件地实施生态补水增容，改善污染物稀释降解的水动力条件，提升流域水环境承载力。

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SimulationandAssessmentofWaterQualityImprovementEffectoftheActionPlanforPreventionandControlofWaterPollutioninBeijingTakingtheNorthCanalRiver(BeijingSection)asanExample

WANG Gang1,2,3,QI Jun3,HE Xiaoyan1,2,PAN Tao3,4,REN Minglei1,2,LU Xianpin5

1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038，China2.Research Center on Flood and Drought Disaster Reduction of the Ministry of Water Resources,Beijing 100038，China3.Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection,Beijing 100037，China4.School of Environmental Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072，China5.Henan Tiancheng Environmental Polytron Technologies Inc.,Pingdingshan 467000，China

A one-dimensional water quality model of the North Canal River (Beijing section) was established by MIKE11. Ammonia nitrogen and COD were selected as target pollutants to build the response relationship between pollution sources and water quality. Taking 2013 as the base year, population of the North Canal River (Beijing section) basin by 2020 was projected according to different intensity of population regulation scenarios. In addition, emission reduction scenarios were set based on the action plan for prevention and control of water pollution in Beijing. Then the improvement effect of water quality in 2020 was quantitatively evaluated. Simulation results showed that water quality could be effectively improved after the implementation of the Beijing’s action plan. Under the medium population regulation scenario, the average concentration of ammonia nitrogen and COD in the North Canal River by 2020 would decrease by 40.8%-77.7% and 39.3%-59.7%, respectively, compared with those in 2013. Meanwhile, COD would achieve the goal of water quality improvement. Ammonia nitrogen with daily concentration below 8 mg/L would not reach the water quality standard; however, the black and odorous water bodies would be eliminated.

MIKE 11 model;ammonia nitrogen;COD;water quality improvement;assessment;North Canal River

X824

A

1002-6002(2017)05- 0116- 08

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.05.17

2016-05-31;

2016-09-23

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07203-001-01)；国家自然科学基金青年基金项目(51509268)；北京市环境保护科学研究院基金资助项目(2012-B-08)；中国水利水电科学研究院国际水利水电科技发展动态调研专项(JZ0145C042016)

王 刚(1985-)，男，河南平顶山人，博士，助理研究员。

齐 珺