雁栖河流域水质的关键影响因素研究

班静雅，程 锐，马 巍，孙 磊

（1.中国水利水电科学研究院 水生态环境研究所，北京 100038；2.中国水利学会，北京 100053）

1 研究背景

北京市山区是首都主要的水源区，水源保护是山区生态环境建设的主要任务［1-2］。为了有效应对北京市水资源缺乏、水污染严重的形势［3］，北京市从2003年起开展了生态清洁小流域的建设工作，并取得了显著生态、经济、社会效益［1，3-6］。生态清洁小流域作为北京山区发展的重要助推器，在改善山区生态环境的同时，通过打造观光型特色经济沟，带动了一大批山区小流域的经济发展［4］。然而，随着近年来首都经济圈经济社会快速发展，人类活动日趋频繁，外源输入逐渐增加，很多观光型山区小流域由此出现了新的水环境压力。我国山区小流域受制于自然条件与人为因素［7］，水质等相关监测数据不健全，基础资料匮乏［8］，山区小流域研究主要针对暴雨山洪［9］等问题，关于流域生态环境方面的研究相对较少。目前，对于观光型山区小流域的研究主要集中在水环境承载力研究方面［10-12］，而流域水质状况是水环境容量的重要约束，是流域水环境承载力研究的基础。

雁栖河流域是典型的以休闲旅游为主导产业的山区小流域，日趋频繁的人类活动逐渐超过了区域环境可承载的能力范围，流域水环境问题开始不断累积，水资源短缺问题凸显、水质逐步变差、富营养化问题突出［10］。亟需针对上述水环境问题，加强监测与监控，以不断改善流域水环境状况。本文通过分析雁栖河流域入湖河流的水质变化过程、入湖污染源特点，在入湖污染负荷计算的基础上模拟分析了雁栖湖湖区水质的水质演变特征，并识别了影响流域水质的关键因素，为改善雁栖河流域水环境状况，保障流域可持续发展需求提供了依据和借鉴。

2 流域概况

雁栖河流域位于北京市怀柔区雁栖镇（见图1），流域总面积128.7 km2。雁栖河是北京北部一条重要的山区河流，发源于怀柔区八道沟乡，主河道长为42.1 km，主要支流长园河长约8 km［12］。雁栖河由北而南蜿蜒汇入雁栖湖（北台上水库），落差1300 m。雁栖湖由东、西两个湖区组成，水面宽阔，湖容量3830万m3，水面积达230 hm2，湖岸线超过20 km，坝前最大水深25 m，因每年春季常有成群的大雁在此栖息而得名［13］。

图1 雁栖河地理位置及水质监测断面示意图

雁栖河流域有5个民俗村，耕地资源少（共有15.9 hm2），没有规模化的畜禽养殖污染源。雁栖河流域产业以虹鳟鱼养殖、民俗接待及休闲旅游业为主［12］，年接待旅游人次超过百万。近年来，随着流域旅游产业的发展，鱼场养殖排水、生活污水、垃圾污染十分严重［14］。

3 研究方法

3.1 流域水质监测 雁栖河流域仅在雁栖湖中心有一个常规水质监测点，水质资料匮乏，为了解流域水质时空分布特点，在流域设置了多个水质监测断面，对流域水质状况进行了为期1年（2016—2017年）的连续监测。雁栖河主河道及其支流长园河选择了13个具有代表性水质监测断面，雁栖湖区共设置4个水质监测点，其中16号点为常规监测站点。各监测点布设位置见图1所示。雁栖河水质监测指标主要包括CODMn（高锰酸盐指数）、TN（总氮）、TP（总磷）和NH3-N（氨氮）；雁栖湖水质监测指标为水温、PH、BOD5（5日生化需氧量）、CODMn、TP、TN、NH3-N、SD（透明度）及Chla（叶绿素a）。根据水质监测结果，雁栖湖东湖区TN指标存在超标严重情况，2015年11月—2016年9月均超过Ⅲ类水质标准，最高超标倍数为1.24倍；TP指标在3、4月份存在超标现象，最大超标倍数约为1.2倍；西湖区TP在2016年3、4月存在严重超标，最大超标倍数为1.28倍。可见，TP和TN指标是雁栖河流域水质的控制性指标［15］，因此本文主要对流域TP、TN指标的时空变化规律进行分析。

3.2 入湖污染负荷估算 雁栖河流域耕地资源少，没有规模化的畜禽养殖污染源，面源污染物很少。入湖河道沿岸建立了多家规模较大的餐饮企业、休闲俱乐部等，同时适应于雁栖河流域独特的泉水资源并服务于旅游发展而衍生的虹鳟鱼和鲟鱼养殖也是雁栖河流域的重要入河污染物来源。对于雁栖湖，其外源污染物主要来自入湖河流，在环湖截污的作用下，湖区周边不存在的外源污染物汇入。

沿湖主要餐饮企业、民俗接待所排放的污染负荷的入河量为污水处理站尾水排放量与尾水水质浓度的乘积：

式中：Qi为第i个排污单位排放入河的尾水量，m3/a；Ci为第i个排污单位排放入河的污染物浓度，mg/L；n为排污单元个数。污水排放量和污染物排放浓度均根据现场采样监测结果结合污水处理站污水排放标准确定。

渔场养殖废污水排放的入河污染负荷，一般采用人工投放饵料的营养物质含量与养殖对象吸收的营养物量进行折算获得。以网箱养鱼为例：养殖水体污染负荷量=总投饵量×饵料中营养物质所占比重-渔获物体重增加量×鱼类单位体重中的营养物质所占比重。

3.3 湖区水动力学-水质模型 流域水环境模型是研究污染源排放与水质响应关系的重要工具，能定量化模拟表达整个水环境系统及其内部发生的复杂过程［16］。

3.3.1 二维模型搭建 采用MIKE21［17］构建雁栖湖平面二维水动力学模型，采用实测地形数据，对雁栖湖地形进行概化（见图2）。根据实测地形数据，雁栖湖坝前水深超过20 m，坝前可能存在热分层［18］，但此次研究主要关注湖区水质整体在时间和空间上的变化规律，因此二维平面模型已足够适用。污染物在湖体内的输移扩散等特性，很大程度上决定于湖流运动规律［19-20］，雁栖湖属小型湖泊，入湖水量小，基本无出流，风是湖流运动的主要驱动力。采用实测风速和风向的多年平均值作为湖区风场。模型模拟预测水质指标采用TP和TN。模型网格采用20 m×20 m矩形网格，模拟范围为2.6 km×3.2 km，高程85.5 m以下为水下地，水下地形网格全部参与计算，实际计算水域面积2.36 km2，计算网格5890个。模型开边界为雁栖河入流，不存在点源源汇项。降雨、蒸发来自柏崖厂水文站，总降雨量252.3 mm，总蒸发量1567.4 mm。

图2 雁栖湖地形概化图

3.3.2 模型率定和验证 以2015年10月1日实测水位85.5 m和10月份库区实测水质为模型初始条件，以2015年10月到2016年7月雁栖河的实测逐日入湖水量过程和逐月水质过程为边界条件，模拟库区的水动力学水质状况，计算的时间步长为1800 s。采用模拟期间湖区的逐日水位资料和水质监测点的水质资料对模型进行参数率定与模型验证，确保建立的雁栖湖水环境数学模型能较好地反映雁栖湖的水动力特征和水质动态演变规律。模型率定和验证结果见表1，模型计算水位与实测水位相对误差在0.15%范围内，计算水质浓度与实测水质浓度相对误差基本控制在15%以内，模拟效果良好（见图3和图4）。

图3 湖区实测水位与模拟水位对比

图4 湖区实测水质与模拟水质对比

表1 雁栖湖模型参数率定结果

4 研究结果及分析

4.1 流域水质时空分布特征

4.1.1 雁栖河水质沿程变化过程 根据水质监测结果，雁栖河沿程水质总体上呈下降趋势，而长园河水质总体呈上升趋势（见图5和图6）。长园河受沿岸民俗接待村、规模化餐饮企业和大型养殖渔场排污的影响，长园河氮、磷浓度明显高于雁栖河，水质相对较差，导致长园河汇入雁栖河后，雁栖河水质浓度有明显上升（见图5，7断面）。长园河9断面—10断面（见图6）之间河段存在两家大型渔场，TP、TN浓度有明显上升趋势，可见大型渔场对流域水质有很大的影响。雁栖河4断面TP指标浓度上升显著，分析发现主要是由于2017年2月的水质监测结果中该断面TP标浓度明显偏高而引起的，原因是此次监测期属旅游淡季，该断面上游河段污染源主要是官地行政村常住人口生活排污，明显高于其他河段排污，且该河段存在严重的垃圾倾倒的现象。

图5 雁栖河水质沿程变化过程

图6 长园河水质沿程变化过程

4.1.2 雁栖河入湖水质年内变化过程 神堂峪出口处（7断面）TP浓度年内变化不大，春、夏季为旅游旺季，长园河出口处（13断面）受旅游排污的影响浓度较高，秋季10月份之后为旅游淡季，TP浓度开始有所降低，冬季则维持相对较低的状态；雁栖河入湖口断面（14断面）TP浓度主要受长园河支流汇入的影响，与长园河TP指标年内变化过程相似，同时由于空间的后移，其峰值在时间上较长园河出口存在一定的滞后性，见图7（a）。

图7 雁栖河水质浓度年内变化过程

神堂峪出口和长园河出口处TN浓度变化趋势相似，雁栖河入湖口断面TN浓度受神堂峪和长园河的共同影响。春季、秋季和冬季TN浓度较为稳定，其中春季末期到夏季初期各河出口处TN浓度较低，到夏季末期有大幅度升高，其变化过程与流域降雨径流过程有高度的一致性。降雨径流一方面将携带部分面源污染负荷至河道；另一方面将造成河道底泥污染物不断释放，见图7（b）。

TP、TN浓度受降雨径流的影响程度不同，TN浓度变化过程与流域降雨径流过程有高度的一致性；而TP指标可能由于背景含量较低，更易被高流量所稀释，导致TP浓度与降雨径流的相关关系不显著。

4.1.3 湖区水质时空分布规律 雁栖湖东湖区和西湖区TP指标变化过程存在显著差异，东湖区（15—17号监测点）TP浓度在4、5月份有所升高，6月之后随雨季的到来浓度有所下降，总体来说年内变化不大；西湖区（18号监测点）TP指标为影响湖区水质的关键指标，3、4月份西湖浓度较高，分析原因主要是期间湖区水量少，内源释放占主导因素，导致TP浓度偏高，之后随雨季到来水量不断增加浓度有明显下降，见图8（a）。

东湖区TN浓度全年均处于较高的浓度状态，是影响雁栖湖整体水质的关键性控制指标，夏季（5—8月）浓度较高。从年内变化过程来看，除雨季（7—8月）湖区的TN浓度受上游来水影响明显偏高外，年内其余月份湖区的TN浓度变化不显著；西湖区TN浓度全年变化不大，一直处于相对较低的浓度状态，见图8（b）。

图8 雁栖湖水质年内变化过程

4.2 入河污染负荷估算

4.2.1 餐饮企业排污入河污染负荷估算 通过对主要排污口进行流量监测，结合实际规模人数，得到饮企业在旅游旺季人均日排污量为202.68 L/人。目前流域年接待外来旅游规模约230万人次，结合污水处理后的排放浓度，按人均排污贡献3 h，在此条件下估算得到由外来旅游人口就餐导致的TP、TN入河污染负荷量分别为203.69 kg/a、1895.43 kg/a。计算结果见表2。

表2 雁栖河流域周边度假村入河污染负荷量

4.2.2 渔场养殖排污入河污染负荷估算 根据各渔场供水量的监测数据，估算得到雁栖河渔场养殖年排污量为514万吨。为研究饵料投放量与渔场排水负荷增加量而引起的N、P负荷流失量的关系，对典型渔场进行了为期3天的现场监测。根据对典型渔场养殖规模、饵料投放量等基本情况调查，结合现场水质采样和排水负荷监测结果，确定长园河渔场养殖投放饵料流失引起受纳水体N、P污染负荷增量系数均为0.60；虹鳟鱼及鲟鱼养殖的饵料系数分别为1.60、1.74；渔场养殖全价饲料含氮量为6.4%、含磷量为1.2%［21-23］。根据上述分析结果，计算得到流域内各渔场养殖排水共增加的入河污染负荷量TP为1265.38kg/a、TN为6748.72kg/a。计算结果见表3。

表3 渔场养殖排污入河染负荷量

4.2.3 民俗接待排污入河污染负荷估算 通过对民俗村典型污水处理站进行的排污监测和水样采集，结合其实际接待规模，推得民俗接待在旅游旺季人均日排污量为241.55 L/d，民俗接待村因人类活动增加的入河污染负荷量TP为0.002 52 g/s/千人，TN为0.029 79 g/s/千人。民俗村年最大接待人数约70万人次，据此计算得到由民俗接待村开展旅游活动所带来的入河污染负荷增量TP为82.45 kg/a，TN为975.80 kg/a，估算结果见表4。

表4 雁栖河流域民俗村入河污染负荷量

4.3 入湖污染物迁移扩散规律 根据入湖污染负荷计算结果，旅游季节与非旅游节入湖污染负荷差异很大，因此本文设置旅游季节和非旅游季节两种工况分析入湖污染物的迁移扩散规律。旅游季节入湖污染物包括旅游排污（餐饮企业和民俗接待）、常住人口排污和渔场排污，非旅游季节仅包括常住人口排污和渔场排污。根据两种工况下的入湖污染负荷计算结果，结合入湖水量过程，分别计算两种工况的入湖水质并以此为边界进行湖区水质模拟。模拟结果如图9与图10所示。

图9 旅游季节雁栖湖水质浓度分布图

图10 非旅游季节雁栖湖水质浓度分布图

雁栖河是雁栖湖唯一的入湖河流，入湖污染负荷由雁栖河从北部入湖，使雁栖湖水质浓度空间分布呈现自北向南逐渐降低的规律［24］。根据平面二维水质模型计算结果，雁栖湖整体水质较好，在旅游季节受入湖污染负荷的影响，西北部水质浓度较高。雁栖湖南部主湖区部分TP浓度没有明显差异，TN浓度非旅游季节浓度高于旅游季节，说明东湖区TN浓度在枯水期（非旅游季节）受内源释放影响较大。西湖区TP浓度在两种工况下差异不明显，TN浓度在旅游季节稍高于非旅游季节，总体来讲，西湖区基本不受入湖水质的影响，污染物沉降吸附作用和内源释放是西湖区水质变化的主导因素。

4.4 流域水质的关键影响因素

4.4.1 污染源排放的影响 雁栖河点源污染源包括餐饮企业、民俗接待和常住人口以及渔场养殖，其中鱼场养殖是流域最主要的污染源，污染负荷约占总负荷的70%，见图11。根据流域污染源调查结果，鱼场排污主要集中在长园河，存在4家大型渔场，导致长园河入河污染负荷量约是神堂峪沟的4倍。受大型鱼场排污的影响，长园河TP、TN浓度明显高于神堂峪沟，且大型渔场河段的水质浓度有明显的上升趋势。因此，鱼场排污是影响流域水质的关键因素。

图11 雁栖河流域点源污染贡献率

4.4.2 降雨径流的影响 目前，长园河、神堂峪沟两条沟内均有超过30条以上的拦水堰。大量的拦水堰形成了面积和库容大小不等的壅水区，延缓了河道水流流速，增加了壅水河段的水力停留时间，为污染物在池塘内沉积提供了水动力条件，导致大量污染物在河道内沉积。到暴雨径流季节，降雨冲刷河道底泥，污染物释放重新进入河道，造成污染物浓度的大幅度升高。因此，降雨径流是影响流域水质季节性变化的关键因素。其中TN指标背景浓度高，沉积在底泥中的含量较多，受降雨径流的影响较大，与降雨径流变化过程有高度的一致性，呈现明显的季节性特点。TN浓度随降雨径流的变化过程详见图12。

图12 TN指标浓度与径流量的季节性变化过程

4.4.3 內源释放的影响 在水质监测和污染源调查中发现，雁栖河流域规模化渔场养殖废污水中含有大量的颗粒态污染物，入河后大量沉积在河道和壅水区内，并在强降雨时段与河道内的植物腐殖质一起随降雨径流进入雁栖湖，逐渐累积并转化为湖泊内源，从而出现枯水期雁栖湖TN指标浓度远大于上游河道来水水质浓度的现象。同时，结合二维水质模型的计算结果，进一步证明湖区在枯水期受内源影响较大。因此，内源释放是影响湖区水质的重要因素之一。

5 结论

（1）TP、TN指标是影响雁栖湖水质的控制性指标，根据雁栖河流域水质监测结果，雁栖河沿程水质（以TP、TN为代表）主要受沿岸旅游餐饮企业和大型养殖渔场排污的影响，且入湖水质受降雨径流显著影响。

（2）雁栖河主要点源污染源包括餐饮企业、民俗接待和常住人口以及渔场养殖。根据流域污染负荷估算结果，由这三类点源污染排放所导致的入河污染负荷增量TP共计1551.52 kg/a，TN共计9619.95 kg/a。其中鱼场养殖是流域最主要的污染源，污染负荷约占总负荷的70%。鱼场排污主要集中在长园河，长园河入河污染负荷量约是神堂峪沟的4倍。

（3）根据湖区水质监测结果和平面二维水质模型计算结果，雁栖湖整体水质较好，在旅游季节受入湖污染负荷的影响，西北部水质浓度较高。东湖区TN浓度在枯水期（非旅游季节）受内源释放影响较大。西湖区相对封闭，且无直接的外源输入，基本不受入湖水质的影响，污染物沉降吸附作用和内源释放是西湖区水质变化的主导因素。

（4）结合对流域水质的连续监测、污染负荷估算和平面二维水动力水质模型的研究结果，提出流域水质的关键影响因素是渔场养殖污水直排；受降雨径流影响，水质存在明显的季节性特征；而内源释放是影响湖区水质的重要因素之一。