白洋淀水環境容量核算及上游容量分配

張慧，席北斗*，高如泰，姜磊，王靖飛，許其功

1.中國環境科學研究院，北京 100012

2.河北省環境科學研究院，河北石家莊 050037

白洋淀水環境容量核算及上游容量分配

張慧1，席北斗1*，高如泰1，姜磊1，王靖飛2，許其功1

1.中國環境科學研究院，北京 100012

2.河北省環境科學研究院，河北石家莊 050037

根據多年的水質監測資料、設計水文條件及水質目標等參數，在劃分容量分配控制單元的基礎上，運用淺水湖泊污染物水環境容量計算方法計算了CODCr和NH3-N的環境容量，并給出了體現社會性、經濟性的水環境容量分配方案，采用基尼系數法對分配方案進行公平性評估。結果表明，白洋淀南劉莊、燒車淀、采蒲臺各區域的CODCr容量分別為2 526.8，328.5和1 430.8 t/a;NH3-N容量為155.0，73.0和255.5 t/a。白洋淀上游各控制單元指標的基尼系數值均小于0.4，分配結果較為合理。

白洋淀;水環境容量;容量分配;CODCr削減;NH3-N削減

總量控制是改善環境質量、實現經濟社會可持續發展的重要途徑，也是我國環境管理基本制度之一［1］。而水環境容量的估算及其在污染源區域間的分配是水污染總量控制的基礎和核心，是水環境治理優化方案的決策依據，也是制定地方性、專業性水域排放標準的依據之一［2-3］。

陳艷霞等［4-6］分別選用枯水期、平水期、豐水期水文條件分功能區段計算了河流水環境容量。趙淑梅等［7-8］選用湖泊水污染物容量計算模型分功能區計算湖泊水環境容量，再進行容量加和。水環境容量計算是容量總量分配的基礎，污染物總量控制指標分配方法有多種［9-19］:吳悅穎等［20］用基尼系數法對全國七大流域的水污染物總量分配進行評價，進而得到合理的削減方案;錢駿等［21］基于公平與效益的原則以沱江流域為研究對象研究污染物總量分配。目前，對白洋淀及上游的這種河流-湖泊組合型研究較少。筆者結合白洋淀淺水碟形湖泊的特點，通過對污染源的調查和水環境過程分析，按照水體功能區劃核定了白洋淀不同控制單元的水環境容量，并采用容量分配法對白洋淀上游容量進行分配，采用基尼系數法對分配結果進行評估。

1 白洋淀流域概況

1.1 自然地理

白洋淀位于河北省中部平原，地處115°38'E～116°07'E，38°43'N～39°02'N。四周以堤壩為界，東至千里堤，西至四門堤，北至新安北堤，南至淀南新堤，東西長39.5 km，南北寬28.5 km，主要由大小不等的143個淀泊和3 700多條溝壑組成。該區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，多年平均降水量為524.9 mm，多年平均蒸發量為169 mm，降水具有明顯的季節性，80%的降水集中于夏季［22-23］。白洋淀是上游棄水的必然通道和受納水體，不僅對上游1 200萬人口、經濟、社會發展起著重要作用，同時也是淀區30萬人賴以生存的環境。

1.2 淀區污染源現狀分析

白洋淀污染源可分為淀外污染源和淀區污染源。近年來，隨著氣候干旱趨勢以及工農業用水量的增加，白洋淀入淀河流水量減少，大多數河流已經斷流。其中，府河作為徑流量最大的入淀河流，主要受納保定地區的生活污水和工業廢水。面源主要是隨地表徑流進入河道或淀區的污染物，由于在75%和90%保證率下，流域內已無地表徑流，因此面源不做統計。淀區污染主要指底泥釋放的污染物，以及居民生活、旅游、養殖等排入淀區的污染物。依據2007年污染源調查數據得出，2007年白洋淀上游CODCr和NH3-N 排放量分別為3 150 和1 770 t/a，淀區CODCr和NH3-N排放量分別為6 071和950.2 t/a。

1.3 水環境容量計算指標的確定

根據GB 3838—2002《地表水環境質量標準》，采用污染指數法，分平水期、豐水期、枯水期對白洋淀進行水質評價。結果表明，參評指標中除CODCr和NH3-N的單項污染指數接近于1外，其余指標均未超過 GB 3838—2002的Ⅲ類水質標準，說明CODCr和NH3-N是白洋淀突出超標污染物，因此，選擇CODCr和NH3-N作為白洋淀水環境容量的計算指標。

1.4 白洋淀上游水環境控制單元及淀區污染物控制單元劃分

結合白洋淀水域環境功能區劃圖、白洋淀養殖規劃圖、白洋淀自然保護區規劃圖，統籌淀區保護目標與社會經濟發展，在Ⅴ類水體和Ⅲ類禁養區不做計算的基礎上，按照污染源分布結合功能區劃將白洋淀淀區劃分成三個控制單元(圖1):南劉莊區域(Ⅳ類功能區)，容量主要是分配給白洋淀上游污染源;燒車淀區域(Ⅲ類功能區)，沒有外源污染物的輸入，主要污染源為底泥，靠自身生態修復;剩余部分稱作采蒲臺區域(Ⅲ類功能區)，容量分配給淀內生活源和水產養殖。

圖1 白洋淀淀區污染物控制單元劃分Fig.1 Division of the pollutant control units in Baiyangdian

依據白洋淀水功能區劃及生態保護區劃管理規定，統籌環境功能與行政區劃及流域社會經濟發展，將白洋淀上游流域劃分為保定市控制單元、金線河控制單元、黃花溝控制單元、滿城控制單元、漕河清徐控制單元、府河面源控制單元、漕河滿城控制單元(圖2)。

圖2 白洋淀上游控制單元劃分Fig.2 Division of control units in Baiyangdian upstream

2 研究方法和材料

2.1 水環境容量計算模型

湖泊水環境容量包括稀釋容量、自凈容量和遷移容量。在湖泊水環境系統中，其水位、補給和排泄流量、污染物濃度、降解系數等都具有一定的不確定性，所以湖泊水環境容量難以準確地用一個數值來表示。通常，在假設湖水完全混合的條件下，淺水湖泊污染物水環境容量的計算模型為:

式中，W為湖泊水環境容量，即污染物允許排入量，t/d;Δt為枯水期天數，d;CS為污染物的水環境質量標準限值，mg/L;C0為污染物的起始濃度，mg/L;V為湖泊安全體積，一般取枯水期平均庫容，m3;q為在安全庫容期間從湖泊中排泄出的流量，m3/d;K為綜合衰減系數，s-1。

式(1)右邊三項分別為稀釋容量、自凈容量和遷移容量。按照GB 3838—2002根據白洋淀水功能區劃，CODCr和 NH3-N的Ⅲ類水質標準為20和1 mg/L，Ⅳ類水質標準為30和1.5 mg/L。

2.2 模型參數確定

2.2.1 衰減系數

在進行水環境容量的計算過程中，關鍵的一步是準確確定模型參數。模型參數的準確與否，直接關系到水環境容量的結果。采用污染物在控制單元中的濃度與間隔時間的響應關系，推算出各控制單元污染物衰減系數。

式中，Ca為a月濃度，mg/L;Cb為b月濃度，mg/L;C排入為排入污染物濃度，m3/d;Qa為 a月的水量，m3/d;Q蒸發為蒸發量，m3/d;Q排入為排入的水量，m3/d;t為間隔時間，d。

衰減系數的計算結果表明，在南劉莊、燒車淀和采蒲臺控制單元CODCr的衰減系數分別為0.01、0.001和0.001;NH3-N的衰減系數分別為 0.02、0.01和0.01(表1)。

表1 污染物衰減系數Table 1 Pollutants attenuation coefficients

2.2.2 設計流量

根據近16年白洋淀水位統計分析，90%保證率蓄水條件下水位7.04 m;75%保證率蓄水條件下水位7.44 m;根據白洋淀最低生態水位分析結果，白洋淀最低生態水位為7.3 m［24］。采用90%保證率最枯月平均流量，由于白洋淀基本沒有排放出的水流量，故遷移容量可忽略不計，即q為0。

2.3 水環境容量分配方法

2.3.1 分配模型

水環境容量的分配應把握公平原則，充分反映水環境容量分配的社會性、經濟性和歷史性，以保證實際的可操作性。分配中考慮各分配單位的GDP產值體現經濟性;以各分配單位所承載的非農業人口作為社會因子參與到分配中;同時尊重歷史，考慮各分配單位對流域的污染貢獻率。其分配模型如下:

式中，Wn為第n個分配單位分配到的水環境容量，t/a;Sn為第n個分配單位利用水環境資源的社會效益系數，%;Sn'為第n個分配單位的非農業人口，人;En為第n個分配單位利用水環境資源的經濟效益系數，%;En'為第n個分配單位的年GDP產值，萬元;Dn為第n個分配單位當前的污染貢獻率，%;Dn'為第n個分配單位當前的污染物排放量，t/a;α1，α2，α3為各指標權重。

2.3.2 分配結果評估方法

基尼系數(Gini)有多種求法，采用梯形面積法，將洛倫茨曲線下方的面積近似為若干梯形進行計算，公式為:

式中，Xi為評估指標的累積比例，%;Yi為污染物的累積比例，%;i為分配對象數量。

根據式(4)分別計算各控制單元對研究區域的社會、經濟和環境貢獻率，分別繪制人口、GDP的累積所占比例與水污染物(CODCr、NH3-N)排放量累積所占比例的洛倫茨曲線，計算基尼系數。經濟學中，基尼系數低于0.2表示絕對平均;基尼系數為0.2～0.3表示比較平均;基尼系數為0.3～0.4表示相對合理;基尼系數為0.4～0.5表示差距較大;基尼系數大于0.5表示差距懸殊［14］。本研究中的基尼系數為0.2～0.4，屬于合理范圍，基尼系數等于0.4是警戒值，若高于0.4則應對該因素的基尼系數進行調整，使總量分配在公平原則基礎上趨向均衡。

3 結果與討論

3.1 結果

3.1.1 水環境容量及削減量

將各控制單元的污染物背景濃度、水文參數設計值、污染物降解系數代入式(1)中，計算得到7.3 m水位下白洋淀各控制單元的CODCr和NH3-N水環境容量，再根據各控制單元污染物的排放量計算其在該區域的削減量及削減率，結果見表2。

表2 CODCr和NH3-N的水環境容量及削減量Table 2 CODCrand ammonia nitrogen water environmental capacity and cut quantity

由表2可見，在7.3 m水位下，不同分配功能區劃執行水環境質量標準時，南劉莊、燒車淀和采蒲臺控制單元的 CODCr容量分別為2 526.8，328.5和1 430.8 t/a，采蒲臺控制單元的削減量最大，削減率達到76%;NH3-N容量分別為155.0，73.0和255.5 t/a，與現狀排放量相比，南劉莊和燒車淀控制單元的削減率大于80%。

3.1.2 容量分配結果

根據白洋淀容量估算結果，將南劉莊區域的容量分配給白洋淀上游的各控制單元，由于在7.3 m水位下白洋淀很難形成徑流，所以面源污染可忽略不計［25-26］，府河面源控制單元不作分配。綜合考慮各污染源所承載的就業人口、產業的GDP產值以及對河流污染的貢獻率，污染物排放量大且社會和經濟效益高的企業較其他企業可以獲得更多的水環境容量，但是由于這些企業當前的排污量已經超過分配得到的水環境容量，因而需要對當前的排污量進行削減(表3)。

3.1.3 分配結果公平性評估

以白洋淀上游(南劉莊)人口與CODCr、GDP與CODCr為例，分別繪制人口、GDP累積所占比例與CODCr排放量累積所占比例(表4和表5)的洛倫茨曲線(圖3和圖4)，計算基尼系數。在繪制曲線時，應注意按單位排放量從小到大為分配對象排序。

用同樣的方法計算得人均NH3-N排放量洛倫茨曲線和單位GDP氨氮洛倫茨曲線，得到基尼系數如表6。從表6可以看出，基尼系數最小值為0.192，最大值為0.392，均小于0.4，在界定的公平范圍內，故上述分配方案對于流域各控制單元而言是較公平的。

表3 白洋淀上游容量分配結果Table 3 Allocation results of Baiyangdian upstream

表4 各控制單元人均CODCr排放量排序及所占比例Table 4 Per capita CODCrdischarge load of control unit taxis and percentage statistics

表5 各控制單位GDP的CODCr排放量排序及所占比例Table 5 GDP and CODCrdischarge load of control unit taxis and percentage statistics

表6 各指標的基尼系數Table 6 The Gini coefficient of each index

4 結論

(1)通過對白洋淀污染現狀的研究可知，白洋淀水質污染總體呈下降趨勢。南劉莊、燒車淀、采蒲臺水環境容量核算結果:CODCr容量分別為2 526.8，328.5和1 430.8 t/a，采蒲臺區域的削減量最大，削減率達到76%;NH3-N容量分別為155.0，73.0和255.5 t/a，與現狀排放量相比，南劉莊和燒車淀區域的削減率大于80%。絕大多數污染物排放量均超過水環境容量，現狀水質已達不到水環境功能區劃要求。

(2)以白洋淀上游各控制單元內人口、GDP作為指標，采用基尼系數法對分配結果進行評估，各指標基尼系數均小于0.4，分配方案對各控制單元的經濟和人口而言是較為公平的。黃花溝控制單元CODCr的削減率(28.07%)最大，金線河控制單元NH3-N削減率(86.74%)最大，白洋淀上游府河污水處理廠為削減大戶。

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Water Environmental Capacity Accounting and Upstream Capacity Allocation of Baiyangdian Lake

ZHANG Hui1，XI Bei-dou1，GAO Ru-tai1，JIANG Lei1，WANG Jing-fei2，XU Qi-gong1
1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
2.Hebei Research Academy of Environmental Sciences，Shijiazhuang 050037，China

According to years of water quality monitoring data，designed hydrologic conditions and parameters such as water quality targets，and based on division of the control unit of distributed capacity，the capacities of chemical oxygen demand(CODCr)and ammonia nitrogen(NH3-N)were calculated using the method of pollutant capacity estimation in shallow lakes.The water environmental capacity allocation strategies reflecting social and economic features were given and their fairness evaluated using Gini coefficient.The results showed that the capacity of CODCrin Nanliuzhuang，Shaochedian and Caiputai was 2 526.8，328.5 and 1 430.8 t/a，respectively，and the capacity of ammonia nitrogen was 155.0，73.0 and 255.5 t/a，respectively.The Gini coefficients of the control units in the upstream of Baiyangdian Lake were all smaller than 0.4 and the allocation strategies were relatively rational.

Baiyangdian Lake;water environmental capacity;capacity allocation;CODCrreduction;ammonia nitrogen reduction

X524

A

10.3969/j.issn.1674-991X.2012.04.049

1674-991X(2012)04-0313-06

2011-12-21

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2008ZX07209-007)

張慧(1984—)，女，助理工程師，碩士，主要研究方向為水環境管理，zhanghuiguom@163.com

*責任作者:席北斗(1969—)，男，研究員，博士，主要研究水環境信息管理，xibeidou@263.net