杞麓湖流域污染负荷及水环境容量估算研究

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2张星梓'#刘岳雄' 李 森' 刘 芳'!
（1云南省生态环境科学研究院，云南 昆明650034&.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）
摘要以云南省9大高原湖泊中的杞麓湖流域为研究区域，利用马尔科夫链蒙特卡罗（MCMC ）抽样与贝叶斯统计方法对
流域典型污染因子COD 、TN 、TP 输出系数及综合降解系数进行参数估计，并在此基础上，估算了流域污染负荷及水环境容量，结 果表明!1）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 入河量分别占总入河量的73.83%、81.20%、70.65% # $）流域入湖河
流 COD 、TN 、TP 水环境容量为 1 799.83、88.16、17.59 t/a,2020 年 COD 、TN 、TP 需分别削减 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,湖体2020年TN 需削减16.34 t #
关键词杞麓湖污染负荷水环境容量估算
DOI ： 10.15985/ki. 10013865.2020.11.024
Study on the estimation of pollution loads and water environmental capacity in Qilu Lake watershed WANG Wanbin 1 , GUAN Tangzhen ' ,LIANG Qibin 2 ,ZHANG Xingzi ' , LIU Yuexiong 1 , LI Sen 1 , LIU Fang'"
. ('.Yunnan Research
Academy of Eco-environmental Sciencss , Kunming Yunnan 650034； 2. College of Ecology and Environment ,
Southxvest Frrestry University , Kunming Yunnan 650224 ； 3. College of Tourism & Geographic Sciencss , Yunnan
Normal University ■, Kunming Yunnan 650500)
Abstract : The Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulation and Bayesian statistical method were used to
esimaIepo l uIanIexporIcoe f icienIsandcomprehensivedegradaioncoe f icienIsforIheIypicalnon-poinIpo l uion facIors of COD "TN "TP in Qilu Lake waIershed "oneofIhe nine plaIeau lakes in Yunnan Province.Then "Ihe
po l uionloadsandwaIerenvironmenIalcapaciywereesimaIed.TheresulIsshowedIhaI :(1)IheinflowamounIsof COD "TN and TP ofIhe rivers were 1 604.59 622.08 34.34I /a respec ively andIhe inflow amounIs ofIhe lake were
1 566.1
2 617.2
3 34.02I /a respec ively.The degrada ion capaci y of po l uIanIs inIhe rivers was weak.AgriculIural non-point source pollutions accounted for 73.83 % ,81.20% and 70.65 % of the total inflow amounts of the rivers for COD "TN and TP respectively.(2) The water environment capacity oKCOD "TN and TP oKthe rivers were 1 799.83"
88.16 17.59 t /a.In 2020"COD "TN and TP needed to be reduced by 33.07 533.92 16.75 t respectively.The water
environmentalcapacityoKtheriverswasseriouslyoverloaded.ThewaterenvironmentalcapacityoKCOD "TNandTP inQiluLakewere6318.88 727.32114.92t /arespectivelyandTN wouldbereducedby16.34tin2020.
Keywords : Qilu Lake ； pollution loads ； water environmental capacity ； estimation
入湖河流是湖泊污染负荷的重要来源）13
*
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
第一作者：王万宾，男，1988年生，硕士，工程师，研究方向为数学模型在资源环境承载能力中的应用」通讯作者#
*云南省科技厅青年项目（No.2018FD152）；云南省应用基础研究计划面上项目（No.2016FB072） #
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
• 1436 +
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⑷，其中，采用稳态水质模型直接计算的公式法应用最广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）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［1116］，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2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》（GB3838—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352.22km2,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15.6Z，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11700万m3,人均占有水资源量323m3,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26%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。

N
n
o
a
z
r
Tl-z
N-
-O
O
I。

寸
Z N
=0
E-
r k
z
N-
o-
s b
z
N=
o
cn-
z o
b z
102°32'30"E102°37'30"E102°42'30"E102°47'30"E102°52'30"E
图1杞麓湖流域土地利用类型
Fig.1Landuse types of Qilu Lake watershed
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》。

13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,C0D、TN排放量分别为102.63,0.2t/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2条主要入湖河流平均河宽约为7〜22m,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：
k,86200E a Au k, L d=L u e_k60u+（1—e_k8640u）+
,k
・1237
・
L p " e —V s6400u
(1)
式中：L d 为河流入湖总污染负荷，kg/月，污染物包
括COD 、TN 、TP ；L ”为河流上游本底(背景)负荷,
kg/月&为河流中污染物的综合降解系数，d -'；X 为河流总长度(上游至入湖口)，m ；u 为河流平均流
速，m/s ；E a 为河流子流域农业面源的污染物输出系 数，kg/(hm 2 •月)；A 为子流域面积，hm 2；L p ”为河 流子流域第-点源的入河负荷，kg/月；X ,为第-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):
L d =L d +s
(2)
式中:Ld 为河流入湖总污染负荷通量，kg/月，通过
河流入河水质及流量进行估算&为正态分布误差
项，kg/月"平均值为0,方差为
假定估计参数为正态分布，误差线独立，则待估
参数V 及E a 的似然函数见式(3),2016—2018年共
36个样本#
L d l
N %
2*2 槡22
(3)
式中：为待估参数V 或Ea ；P (?)为描述L n 与0
统计关系的似然函数#
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• 1438 •
P (t )=
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：
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 -类标准值；Q 为河流流量，m 3/月#
当C 达到入湖河流的水质目标时，农业面源
(E ”A )和点源(L p ”)最大允许入河量之和为河流的 环境容量，假设L p , t =#E a A, #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：
E a A =
XV (QC —L u e —V E ；)
,x . , X,
86 400 000u (' — e *86 400”)+1 000#XV Xe V 86 400.
(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rw 8，'8*
5 (见式⑹)计算COD 水环境容量，选用
Dillon 模型)17]1398 "'邙5 ”'9*(见式(7))计算 TN 和 TP
的水环境容量。

W = C s (KV +Q ln )X10—6 (6)
Q in
C s X S X H X 寻
W =-------------------------------------------------- (7)
1 000 000W out /W ln
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)0* ；V 为多年湖泊平均库容,
m 3 ；Q n 为多年入湖流量‘m /a W n 为TN 、TP 的多年
入湖平均总量,t/a ；W °“为TN 、TP 的多年出湖平均总
量,t/a ；S 为湖泊水面面积,m?；H 为湖泊的多年平均 水深,m ；C s 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 -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（#20、#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 32.12、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3& 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20.76、0.62、12.90 mg/L ,均为劣V 类, 超标率依次为21.67% , 72.22% , 100.00%。

中河
COD 、TP 、TN 平均质量浓度分别为22.50、0.97、 15.28 mg/L ,均为劣V 类，超标率依次为55.56%、 8&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m 3/a,分别占流域总径流量的52%、12%、11%、
8% #2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2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）123],换算每条河流的平均流速分别为
0.33、0.28、0.32、0.12 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、22、 36个综合降解系数、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
2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）546*
,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2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/（hm 2 •月），丰水期的输出系数大于平水期（见 图2）。

2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2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2条
河流入湖负荷，与实测负荷进行对比，可决系数分别 为0.92、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2条河流的COD 、TN 、TP 为1 602.59、
622.08,32.32 t/a,其中红旗河子流域COD 、TN 、TP
0TN 丰水期 is TP 平水期
b
lo'
M lo-lo-lo -
(
啦•早卫k )
蠢矗田s BCOD 平水期 SCOD 丰水期红旗河□ TN 平水期■ TP 丰水期
大新河 者弯河 中河
河流
（a ）输出系数
B COD 平水期 0 COD 丰水期 口 TN 平水期0 TN 丰水期 ® TP 平水期 ■）TP 丰水期
5
0 5 0 5
2 2 1100 0 0 0 0（b ）综合降解系数
Fig.注：上、下端黑色横线为97.5%置信区间#
图2污染物输出系数及综合降解系数
Export coefficients and comprehensive degradation coefficients of pollutants
• 1239
•
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1566.J2、617.23、34.02t/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516.69kg/hm z，大大超出国际公认的225kg/hm z 化肥施用生态安全上限）748],也大大超出全国平均用量（262kg/hm2）,导致农业面源污染非常严重。

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1799.83、8816、17.59t/a（见表2）,2020年COD、TN、TP合计需削减33.07、533.93、16.75t （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1151.23、56.15、1125t/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631888,727.32,114.92t/a,2020年TN需削减16.4t。

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
表1流域污染负荷
Table1Po l uIionloadsofwaIershed
河流污染负荷COD/$-a')TN/$-a')TP/$・a')
点源产生量1172.39243.8430.22
农村生活源806.17168.362103农业面源产生量畜禽散养源及规模化畜禽养殖源15794.412852.8407.83
红旗河
种植业源4712.253248.31559.76
点源入河量130.6725.38 2.9
农业面源入河量799.1322.6516.4
降解量26.72 3.300.20
入湖量903.46344.731812
点源产生量334.7769.628.63
农村生活源557.47116.4214.4农业面源产生量畜禽散养源及规模化畜禽养殖源6163.91043.7152.20者弯河
种植业源3150.422544.71956.87
点源入河量110.3321.43 1.85
农业面源入河量52.0231.3 1.7
降解量 2.10.250.02
入湖量159.8452.71 3.00
点源产生量354.373.739.4
农村生活源685.26143.1117.87农业面源产生量畜禽散养源及规模化畜禽养殖源7484.901278.73182.96大新河
种植业源2971.442542.61013.27
点源入河量66.4426.05 2.24
农业面源入河量164.8289.83 3.69
降解量 4.440.610.04
入湖量226.82115.27 5.90
点源产生量1953.3406.3050.36
农村生活源000农业面源产生量畜禽散养源及规模化畜禽养殖源4139.98801.95119.5中河
种植业源2249.942084.48792.3
点源入河量112.544.2 3.80
农业面源入河量168.2561.0 3.26
降解量 4.800.690.06
入湖量276.00104.37.00
・1440・
表2水环境容量
Table2Water environmental capacity
项目
红旗河大新河者弯河中河
湖体平水期丰水期平水期丰水期平水期丰水期平水期丰水期
COD2886886255592217930368911090652419705631888
水环境容量TN
1400421528788518255032297572732 TP28084505617503511006319511492
COD93018231261623528080188689
入河(湖)量tn
348031158852961052274366 TP18325943027064098
COD00145618510 (削减里TN
2918810416456492251634 TP7073631574480
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#
3结语
(1)杞麓湖流域主要河流COD、TN、TP入河量分别为1602.59、622.08、32.32t/a,入湖量分别为1566.12、617.23、32.02t/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1799.83,8&16、17.59 t/a,2020年分别需削减33.07、533.92、16.75t,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6318.88、727.32,112.92t/a,2020年TN需削减16.32t。

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。

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