杞麓湖流域污染负荷及水环境容量估算研究*

王万宾 管堂珍 梁启斌 张星梓# 刘岳雄 李 森 刘 芳,3

(1.云南省生态环境科学研究院，云南 昆明 650034；2.西南林业大学生态与环境学院，云南 昆明 650224；3.云南师范大学旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500)

入湖河流是湖泊污染负荷的重要来源[1-3]，湖泊流域陆域点、面源的排放是入湖河流污染的直接来源，摸清污染物从产生、排放到入河，最终入湖的迁移转化过程至为重要。其中，面源污染物入河(入湖)污染负荷估算是重点和难点，当前估算方法主要有水文水质模型(AGNPS、HSPF、SWAT等)、输出系数模型、调查系数法等。输出系数模型在很大程度上反映了流域面源污染综合输出强度，避开了面源污染发生的复杂过程，所需参数少、操作简便，具有一定的精度和广泛的适用性[4]。然而，输出系数模型中，输出系数是最重要也最难以确定的参数，确定合理的输出系数是输出系数模型法的关键[5]。当前普遍使用的面源污染输出系数确定方法包括3类：查阅文献法、野外监测法和数学统计分析法，数学统计分析法因引入马尔科夫链蒙特卡罗(MCMC)抽样与贝叶斯统计方法而受到关注。在了解流域污染负荷的基础上，合理确定流域环境容量对环境规划管理与决策尤为重要。目前，地表水水环境容量研究过程中产生了5大类计算方法：公式法、模型试错法、系统最优化法、概率稀释模型法和未确知数学法[6]，其中，采用稳态水质模型直接计算的公式法应用最广[7-8]。在水环境容量的测算过程中，污染物综合降解系数确定是必不可少的。当前，综合降解系数的研究方法分为实验室模拟法、现场测定法和经验公式法等[9-10]。近些年，MCMC抽样与贝叶斯统计方法广泛地应用到水环境不确定性问题研究中[11-16]，该方法的优势在于将水环境的不确定性问题转化成对模型参数的估计量，建立不确定性和估计概率之间的关联，以联合后验分布的数值代表不确定事件发生概率，该方法可以提升水质管理的有效性。

杞麓湖为高原封闭型断陷湖泊，是云南省9大高原湖泊中污染较严重的4个湖泊之一，处于通海县主城下游，是流域生活污水、农业施肥废水等集中排放吸纳的场所。近几年，杞麓湖水质基本达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002) Ⅴ类水质要求，红旗河等主要入湖河道污染较为严重，河道水质类别均为劣Ⅴ类。本研究将MCMC抽样、贝叶斯统计方法与污染负荷模型相结合，结合杞麓湖流域污染实际情况，在对输出系数及综合降解系数进行全面整理与分析的基础上，对流域输出系数及河流综合降解系数进行估计，研究流域主要水污染物产生及迁移降解过程，科学估算污染负荷。针对流域点源与面源污染的情况，建立了入湖河流的水环境容量模型，结合湖泊水环境容量测算结果，为流域产业空间规划、精准治污提供支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区

杞麓湖位于云南省玉溪市通海县，流域面积354.22 km2，流域四周农田与城镇环绕，为典型的高原湖盆地。流域属于中亚热带半湿润高原季风气候，年平均温度15.6 ℃，属于珠江流域西江水系，主要入湖河流有红旗河、者湾河、大新河和中河等。流域土地类型主要为耕地和林地，分别占流域总面积的27.57%和33.80%。流域多年平均水资源量11 700万m3，人均占有水资源量323 m3，仅为全国的15%、全省的7.1%，属严重缺水地区。作为云南省最大的蔬菜生产基地和西南地区蔬菜集散地，流域以全县46%的土地面积承载了93%的人口和93%的地区生产总值，是9大高原湖泊流域中人口高度密集、城市化程度较高、受资源环境约束较大的地区。本研究根据入湖河流特征，结合现场调研，将流域划分为红旗河、者湾河、大新河和中河子流域，流域土地利用类型见图1。

图1 杞麓湖流域土地利用类型

1.2 数据来源

基础数据(人口、经济、污染物排放、环境质量等)来源于通海县相关部门提供的统计年鉴、社会经济统计公报、环境统计数据及流域各乡镇农业经济统计报表、监测数据等。土地利用类型图及影像图来源于2017年通海县的土地变更数据库。水文数据来源于《通海县水资源综合利用规划》。

1.3 研究方法

1.3.1 污染负荷模型

结合现场调研，流域主要污染源包括点源(集中生活源、工业源、规模化畜禽养殖源)及面源(农村生活源、畜禽散养源、种植业源)共2大类6小类。根据2018年环境统计数据显示，流域内排污工业企业共9家，COD、TN排放量分别为102.63、0.4 t/a，排放量较小，故本研究不考虑工业源污染负荷。由于流域内畜禽排放(包括规模化畜禽养殖源)大部分用于农业种植，故流域污染源概化为点源(集中生活源)、农业面源(畜禽散养源、规模化畜禽养殖源、农村生活源、种植业源)2大类。由于4条主要入湖河流平均河宽约为7～24 m，自然径流量适中，假设污染物浓度只在河流纵向上发生变化，忽略横向和垂向的污染物浓度梯度变化，选用河流一维水质模型模拟污染物浓度沿程变化。基于一维水质模型，农业面源根据其沿河分布情况，假设其沿入湖河道呈线性分布，建立污染负荷模型如式(1)所示：

(1)

式中：Ld为河流入湖总污染负荷，kg/月，污染物包括COD、TN、TP；Lu为河流上游本底(背景)负荷，kg/月；k为河流中污染物的综合降解系数，d-1；X为河流总长度(上游至入湖口)，m；u为河流平均流速，m/s；Ea为河流子流域农业面源的污染物输出系数，kg/(hm2·月)；A为子流域面积，hm2；Lp，i为河流子流域第i点源的入河负荷，kg/月；Xi为第i点源至入湖口的距离，m。

河流入湖总污染负荷根据河流污染物通量进行核算，集中生活源污染负荷根据《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》，结合流域污水处理厂排放数据进行核算。

1.3.2 贝叶斯统计与MCMC抽样参数估计模型

贝叶斯统计方法越来越多地应用到环境问题解决方案中，提供了一种计算假设概率的方法。该方法是基于假设的先验概率、给定假设下观察到不同数据的概率以及观察到的数据本身而得出的。该方法将关于未知参数的先验信息与样本信息综合，根据贝叶斯公式得出后验信息，再根据后验信息推断未知参数。基于流域污染负荷模型，流域污染负荷参数估计模型可定义为式(2)：

(2)

假定估计参数为正态分布，误差线独立，则待估参数k及Ea的似然函数见式(3)，2016—2018年共36个样本。

(3)

采用贝叶斯统计与MCMC抽样方法对待估参数进行估计，软件平台为Open BUGS。

1.3.3 水环境容量模型

水环境容量估算包括4条入湖河流及杞麓湖湖体两部分，其中入湖河流水环境容量是在现状污染源分布情景下，以入湖河流口水质达标为约束，现状污染源允许入河的最大污染物总量；湖体水环境容量为湖体水质达标前提下，湖体能容纳的污染物最大允许入湖量。

(1) 入湖河流水环境容量模型

流域涉及到点源及农业面源，基于河流一维水质模型，假设农业面源沿入湖河道呈线性分布，推导入湖河流口的水环境质量模型如式(4)所示：

(4)

式中：C为入湖河流口污染物质量浓度，mg/L，用于计算水环境容量时，C取值为入湖河流的水质目标，《杞麓湖流域“十三五”环境保护规划》规定为GB 3838—2002 Ⅴ类标准值；Q为河流流量，m3/月。

当C达到入湖河流的水质目标时，农业面源(EaA)和点源(Lp，i)最大允许入河量之和为河流的环境容量，假设Lp，i=αEaA，α为点源与农业面源现状入河量之比，则农业面源的最大允许入河量模型如式(5)所示：

(5)

根据农业面源的最大允许入河量，最终可推算河流的水环境容量。

(2) 杞麓湖湖体水环境容量模型

由于杞麓湖水域面积较小，水深较浅，水体水质空间总体上分布比较均匀，湖泊基本处于稳定状态，符合Vollenweider模型和Dillon模型水质平衡基本方程适用条件，因此选用Vollenweider模型[17]1398,[18]85(见式(6))计算COD水环境容量，选用Dillon模型[17]1398,[18]85,[19](见式(7))计算TN和TP的水环境容量。

W=Cs(KV+Qin)×10-6

(6)

(7)

式中：W为杞麓湖水环境容量，t/a；K为COD降解系数，a-1，取值为1.46 a-1[20]；V为多年湖泊平均库容，m3；Qin为多年入湖流量，m3/a；Win为TN、TP的多年入湖平均总量，t/a；Wout为TN、TP的多年出湖平均总量，t/a；S为湖泊水面面积，m2；H为湖泊的多年平均水深，m；Cs为水质目标，mg/L，根据《云南省水污染防治工作方案》，取GB 3838—2002 Ⅴ类标准值。

2 结果与讨论

2.1 流域水质水文现状特征

2016—2018年，湖体COD、TN、TP变化趋势不明显，其平均质量浓度分别为35.07、0.08、2.33 mg/L，COD、TP年均值达到GB 3838—2002 Ⅴ类标准(≤40、≤0.2 mg/L)，而TN为劣Ⅴ类(>2.0 mg/L)，超标率为38.89%。除TN外，COD、TP每月监测浓度均满足《云南省水污染防治工作方案》2020年水质目标要求。红旗河COD、TP、TN平均质量浓度分别为32.14、0.61、11.82 mg/L，TP、TN为劣Ⅴ类，超标率分别为63.89%、100.00%。大新河COD、TP、TN平均质量浓度分别为38.76、1.00、18.10 mg/L，TP、TN为劣Ⅴ类，超标率分别为91.67%、100.00%。者弯河COD、TP、TN平均质量浓度分别为40.76、0.64、12.90 mg/L，均为劣Ⅴ类，超标率依次为41.67%、72.22%、100.00%。中河COD、TP、TN平均质量浓度分别为42.50、0.97、15.48 mg/L，均为劣Ⅴ类，超标率依次为55.56%、88.89%、100.00%。

根据《通海县水资源综合利用规划》，杞麓湖流域径流系数为0.23，其中红旗河、大新河、者弯河、中河多年径流量分别为3 816万、891万、820万、599万m3/a，分别占流域总径流量的52%、12%、11%、8%。4条主要入湖河流丰水期为每年5—9月，其余时间段为平水期，丰水期流量占总流量75%左右，研究丰水期、平水期的污染负荷及水环境容量非常重要。根据实地调研及资料收集得知4条主要河流的坡降比、平均河宽等数据，利用曼宁公式，糙率取值0.031[21-23]，换算每条河流的平均流速分别为0.33、0.28、0.32、0.14 m/s，总体流速较缓。

2.2 流域污染物输出系数及综合降解系数

为确定流域污染物COD、TN、TP的输出系数及综合降解系数，通过文献检索，重点检索农业面源污染严重湖泊流域滇池、洱海、太湖等，最终搜集到TN、TP的输出系数的数据样本分别为39、37个，COD、TN、TP的综合降解系数数据样本为59、42、36个[24-44]。综合降解系数、输出系数样本分别经平方根转化、对数转化后符合正态分布规律。

以污染物输出系数及综合降解系数样本分布函数为基础，利用2016—2018年的水质监测数据建立4条主要河流污染物入湖污染负荷模型，通过污染负荷模型估算杞麓湖流域污染物输出系数及综合降解系数。模型迭代收敛性通过迭代轨迹、迭代历史、自相关函数进行判断[45-46]，结果显示COD、TN、TP的污染负荷模型迭代轨迹及迭代历史基本趋于稳定，迭代10 000次后自相关函数接近于0，故模型收敛。流域4条主要河流农业面源污染物COD、TN、TP输出系数平均约为5.99、1.39、0.10 kg/(hm2·月)，丰水期的输出系数大于平水期(见图2)。4条河流，COD、TN、TP综合降解系数平均约为0.12、0.06、0.06 d-1，丰水期和平水期污染物综合降解系数差异不明显，表明4条河流水文水动力特性差异不大。采用估计的输出系数及综合降解系数的平均值、2.5%和97.5%置信区间分别预测4条河流入湖负荷，与实测负荷进行对比，可决系数分别为0.94、0.92、0.90，可见污染负荷模型预测较为准确，所估模型参数较为合理。

2.3 流域污染负荷分析

根据《杞麓湖基础调查报告》，流域主要污染源(点源、农业面源)污染物COD、TN、TP产生量合计为52 530.65、17 617.29、5 336.76 t/a。经过污水处理设备削减、农田作物吸收等，利用污染负荷模型测算最终进入4条河流的COD、TN、TP为1 604.59、622.08、34.34 t/a，其中红旗河子流域COD、TN、TP入河量最大，分别占总入河量的57.97%、55.95%、53.35%。COD、TN、TP在河流中降解后，最终入湖量分别为1 566.12、617.23、34.02 t/a，河流的污染物降解能力非常有限，详细见表1。流域农业面源污染物COD、TN、TP产生量占总产生量的92.73%、95.50%、98.16%，入河量占总入河量的73.83%、81.20%、70.65%。2017年流域农作物单位播种面积化肥施用量达到516.69 kg/hm2，大大超出国际公认的225 kg/hm2化肥施用生态安全上限[47-48]，也大大超出全国平均用量(262 kg/hm2)，导致农业面源污染非常严重。

注：上、下端黑色横线为97.5%置信区间。

2.4 流域水环境容量测算

利用河流水环境容量模型估算得知：红旗河、大新河、者弯河、中河河流的COD、TN、TP水环境容量合计为1 799.83、88.16、17.59 t/a(见表2)，2020年COD、TN、TP合计需削减33.07、533.93、16.75 t(其中红旗河、大新河COD无削减量)，流域入湖河流水环境承载能力严重超载。入湖河流TN削减比例较大，这是因为4条主要入湖河流的TN浓度约为水质目标的6～9倍，超标严重。其中红旗河COD、TN、TP水环境容量分别为1 151.23、56.15、11.25 t/a，均占河流水环境容量的64%左右。杞麓湖湖体的COD、TN、TP的水环境容量分别为6 318.88、727.32、114.92 t/a，2020年TN需削减16.34 t。由此可知，由于湖体水环境容量较大，当入湖河流污染源完成既定削减任务，能保证湖体水质稳定达标。4条河流水环境容量丰水期占75%左右，污染物入河量丰水期占76%左右，季节性污染不太明显，这与流域常年多轮蔬菜种植有关。对水环境容量参数(综合降解系数、河流流量、流速)进行全局敏感性分析，发现对于COD、TN、TP的水环境容量而言，流量的标准回归系数均大于0.99，而综合降解系数、流速的标准回归系数均小于0.10，表明流量是影响水环境容量的重要因子。

表1 流域污染负荷

表2 水环境容量

3 结 语

(1) 杞麓湖流域主要河流COD、TN、TP入河量分别为1 604.59、622.08、34.34 t/a，入湖量分别为1 566.12、617.23、34.02 t/a，河流的污染物降解能力较弱。流域农业面源COD、TN、TP入河量占总入河量的73.83%、81.20%、70.65%，流域农业面源污染较为严重。

(2) 红旗河、大新河、者弯河、中河的COD、TN、TP水环境容量合计为1 799.83、88.16、17.59 t/a，2020年分别需削减33.07、533.92、16.75 t，流域入湖河流水环境承载能力严重超载。杞麓湖湖体的COD、TN、TP的水环境容量分别为6 318.88、727.32、114.92 t/a，2020年TN需削减16.34 t。为使入湖河流水质稳定达标，必须大力控制与削减面源污染物TN的入河。