王 剛，齊 珺，何曉燕，潘 濤,4，任明磊，路獻(xiàn)品

1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 1000382.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心,北京 1000383.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 1000374.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 3000725.河南天成環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，河南 平頂山 467000

以北運(yùn)河(北京段)為例模擬評估北京市“水十條”水質(zhì)改善效果

王 剛1，2,3，齊 珺3，何曉燕1，2，潘 濤3,4，任明磊1,2，路獻(xiàn)品5

1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 1000382.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心,北京 1000383.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 1000374.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 3000725.河南天成環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆幽?平頂山 467000

基于MIKE11構(gòu)建北運(yùn)河(北京段)一維水質(zhì)模型，以氨氮、COD為目標(biāo)污染物，建立污染源與水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系。以2013年為基準(zhǔn)年，考慮不同人口疏解情景預(yù)測2020年北運(yùn)河(北京段)流域人口，并結(jié)合北京市“水十條”設(shè)置減排情景方案，對2020年水質(zhì)改善效果進(jìn)行量化評估。模擬結(jié)果表明：北京市“水十條”可實(shí)現(xiàn)顯著的水質(zhì)改善效果，到2020年，在中人口疏解方案下，北運(yùn)河氨氮、COD平均質(zhì)量濃度相比2013年分別下降40.8%～77.7%、39.3%～59.7%。COD質(zhì)量濃度可穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，氨氮質(zhì)量濃度離達(dá)標(biāo)還有一定差距，但日濃度可穩(wěn)定在8mg/L以下，基本消除了黑臭水體。

MIKE11；氨氮；COD；水質(zhì)改善；評估；北運(yùn)河

盡管“十五”以來，北京市對重點(diǎn)污染物實(shí)施總量控制，加大了對城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)的投資力度，但隨著城市化進(jìn)程加快，水污染治理成本和難度增大，尤其是在2008年北京奧運(yùn)會(huì)以后，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率徘徊不前，水質(zhì)改善進(jìn)入平臺(tái)期[1-2]。按照國家“十二五”污染減排核算范圍統(tǒng)計(jì)，北京市主要污染物氨氮、COD的排放量分別從2011年的2.13×104、19.32×104t，下降到2015年的1.65×104、16.15×104t，下降幅度分別為22.5%和16.4%，但北京市下游不達(dá)標(biāo)水體主要污染物濃度未明顯下降。2015年不達(dá)標(biāo)水體氨氮、COD平均質(zhì)量濃度分別為9.2、64.1 mg/L，相對地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，氨氮超標(biāo)3.6倍，COD超標(biāo)60%，北京市城市下游河道水污染嚴(yán)重的局面未根本改變[3]。

國家《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》明確提出以改善水環(huán)境質(zhì)量為核心，以水質(zhì)達(dá)標(biāo)倒逼任務(wù)措施，促使水環(huán)境管理由總量控制向質(zhì)量目標(biāo)管理轉(zhuǎn)型。摸清污染源排放與水質(zhì)之間響應(yīng)關(guān)系是科學(xué)計(jì)算允許排放量和要求削減量的基礎(chǔ)，而通過數(shù)學(xué)模型方法建立污染排放與水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系是當(dāng)前國內(nèi)相關(guān)研究的主流。

王亞煒等[4]以氨氮為目標(biāo)污染物，基于QUAL2K河流水質(zhì)模型對溫榆河污染防治和水質(zhì)改善措施的效果進(jìn)行了量化評估。逄勇等[5]基于MIKE11構(gòu)建了浙江東官河水質(zhì)模型，綜合考慮污染物削減和區(qū)域外調(diào)水，對東官河近期、遠(yuǎn)期水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況進(jìn)行模擬分析。徐敏等[6]以COD為評價(jià)因子，采用一維水質(zhì)模型定量評估了“十一五”期間總量減排的水質(zhì)改善效益。單保慶等[7]基于QUAL2K構(gòu)建滏陽河邢臺(tái)段水質(zhì)模型，提出不同水質(zhì)目標(biāo)情景下針對工業(yè)企業(yè)、污水處理廠、農(nóng)村生活等污染排放控制的河流治理方案。殷洪等[8]以太浦河為例，假設(shè)了枯水期污染物蓄積、降雨導(dǎo)致面源釋放和突發(fā)性水污染事故引起的水質(zhì)超標(biāo)3種情景，基于WASP模型模擬分析調(diào)水和抽水等不同調(diào)控措施與水質(zhì)改善效果的響應(yīng)關(guān)系。卿曉霞等[9]基于MIKE模型對伏牛溪主要污染物氨氮和CODMn進(jìn)行數(shù)值模擬，對點(diǎn)源截污、污水處理廠尾水深度處理等措施降低主要污染物濃度效果進(jìn)行評價(jià)。趙軒等[10]基于一維水質(zhì)模型分析了常州市平原河網(wǎng)水質(zhì)與上游引水、污染源、水體自凈能力3個(gè)要素的響應(yīng)關(guān)系。

北京市目前已頒布實(shí)施《北京市水污染防治工作方案》(簡稱北京市“水十條”)，提出了明確的分階段工作目標(biāo)、防治任務(wù)、保障措施及組織實(shí)施方案[11]。從流域治理的角度來說，北京市“水十條”水污染防治措施方案的水質(zhì)改善效果，是當(dāng)前工程人員和決策者尤為關(guān)心的問題。研究將北運(yùn)河流域(北京段)劃分為10個(gè)子流域，采用MIKE11構(gòu)建一維水質(zhì)模型，以氨氮、COD為主要評價(jià)因子，建立污染源排放與水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系，以2013年為基準(zhǔn)年，基于北京市“水十條”設(shè)置主要污染物減排情景方案，對2020年水質(zhì)改善效果進(jìn)行模擬評價(jià)，為科學(xué)決策與系統(tǒng)治理流域水環(huán)境提供技術(shù)支撐。

1 北運(yùn)河流域概況

北運(yùn)河發(fā)源于燕山南麓，是北京市五大水系中唯一發(fā)源于市域境內(nèi)的水系。北運(yùn)河上游為溫榆河，從通州北關(guān)閘始稱北運(yùn)河，于通州楊洼閘附近出北京界，在北京市境內(nèi)干流全長94 km，流域面積為4 249 km2(圖1)。

圖1 北運(yùn)河(北京段)概況示意圖Fig.1 The overview of the North Canal River (Beijing section)

按照“西蓄東排”的水系格局，北運(yùn)河承擔(dān)了北京市主要的排水任務(wù)，其主要支流(清河、壩河、通惠河、涼水河等)均流經(jīng)中心城區(qū)，近10 a以來，從北運(yùn)河出境水量占北京市全部出境水量的72%～90%[12]。

北京市為嚴(yán)重缺水城市，水資源開發(fā)利用程度高，城市下游平原河道幾乎沒有天然徑流，而是以污水處理廠退水和其他類型污水為主要水源，水體基本沒有自凈容量。北運(yùn)河水系水質(zhì)為五大水系中最差，歷年平均達(dá)標(biāo)率僅為17.6%。2013年北運(yùn)河Ⅳ類水體氨氮濃度均值為6.1 mg/L，Ⅴ類水體氨氮濃度均值為12.1 mg/L，分別相對于水功能區(qū)水體目標(biāo)濃度超標(biāo)3.06和5.05倍。根據(jù)北京市2013年地表水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)結(jié)果，北運(yùn)河主要評價(jià)河段均為劣Ⅴ類。按照住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《城市黑臭水體整治工作指南》中給出的標(biāo)準(zhǔn)，溫榆河上段屬于輕度黑臭水體(氨氮濃度為8～15 mg/L)，溫榆河下段和北運(yùn)河干流均屬于重度黑臭水體(氨氮濃度大于15 mg/L)[13]。北運(yùn)河各主要支流中，除通惠河污染相對較輕，氨氮超標(biāo)2.05倍以外，清河、壩河、小中河和涼水河污染都相當(dāng)嚴(yán)重，氨氮超標(biāo)4.64～9.11倍。北京市公布的首批黑臭水體治理名單絕大多數(shù)分布在北運(yùn)河流域。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1污染源排放信息

研究涉及的污染源排放信息包括工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、生活源和城市面源4大類，其中前3類為環(huán)境統(tǒng)計(jì)口徑污染源。工業(yè)源包括納入監(jiān)管的重點(diǎn)工業(yè)企業(yè)和非重點(diǎn)工業(yè)源；農(nóng)業(yè)源包括農(nóng)業(yè)種植、畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖，按目前的環(huán)境統(tǒng)計(jì)口徑，種植業(yè)污染物流失量未統(tǒng)計(jì)COD，畜禽養(yǎng)殖主要統(tǒng)計(jì)養(yǎng)殖場(小區(qū))及養(yǎng)殖專業(yè)戶，暫不考慮散養(yǎng)；生活源包括集中處理設(shè)施排放和生活直排環(huán)境量，其中集中處理設(shè)施排放包括污水處理廠退水和垃圾填埋場滲濾液，生活直排量包括城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村生活。相比國家“十二五”減排核算范圍，研究增加農(nóng)村生活排放和城市面源污染負(fù)荷，基本涵蓋了全部污染源。

基于2013年北京市環(huán)境統(tǒng)計(jì)資料，對北運(yùn)河流域2013年各類污染源的排放基數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在環(huán)境統(tǒng)計(jì)資料中，工業(yè)源、污水處理廠、垃圾填埋場和畜禽養(yǎng)殖場(小區(qū))列為點(diǎn)源，可根據(jù)各類源的空間坐標(biāo)和受納水體將其污染物排放量納入北運(yùn)河相應(yīng)的子流域。養(yǎng)殖專業(yè)戶及水產(chǎn)業(yè)、種植業(yè)的排放則依據(jù)環(huán)境統(tǒng)計(jì)匯總的北京市各區(qū)縣的排放量，按照各子流域中各區(qū)縣的面積比例進(jìn)行分配。城鎮(zhèn)生活直排環(huán)境量按照生活污染物總產(chǎn)生量減去進(jìn)污水處理廠的量得到。其中，總產(chǎn)生量根據(jù)各子流域城鎮(zhèn)人口按產(chǎn)污系數(shù)法計(jì)算，氨氮、COD的產(chǎn)污系數(shù)分別取9.7、79 g/(人·d)[14]，各區(qū)縣人口資料由北京統(tǒng)計(jì)信息網(wǎng)下載。城鎮(zhèn)生活污水由污水處理廠收集處理的部分通過污水處理廠實(shí)際處理的生活污水量乘以相應(yīng)的COD、氨氮生活污水進(jìn)口濃度得到。對于農(nóng)村生活源，由于農(nóng)村污水處理設(shè)施的設(shè)備完好率和運(yùn)行率普遍偏低，農(nóng)村污水處理率及處理深度很低，所以研究暫按農(nóng)村生活污染物全部直排環(huán)境計(jì)算，農(nóng)村生活污染物直排量等于其產(chǎn)生量，氨氮、COD的農(nóng)村生活產(chǎn)污系數(shù)分別取4、16.4 g/(人·d)[15]。

城市面源采用改進(jìn)的JOHNES輸出系數(shù)法估算[16]，計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中：L為城市面源污染物的輸出負(fù)荷，t；Cij為第j種降雨類型下、第i類城市下墊面類型對應(yīng)的某污染物的平均質(zhì)量濃度，mg/L；Ai為第i類城市下墊面的面積，km2；Hj為第j種降雨類型降雨量，mm；φ為綜合降雨徑流系數(shù)；103為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

研究將城市下墊面劃分為6種類型，分別為道路、廣場、停車場、屋面、林地、草地。按照雨強(qiáng)劃分標(biāo)準(zhǔn)，研究中涉及5種降雨類型，分別為小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨。污染物平均質(zhì)量濃度根據(jù)2009—2012年對北京市海淀區(qū)、東城區(qū)、大興區(qū)、順義區(qū)和豐臺(tái)區(qū)等13次降雨過程、29個(gè)典型監(jiān)測點(diǎn)位的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果得到。綜合降雨徑流系數(shù)參照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014)和《雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(DB 11/685)給出的不同匯水面種類徑流系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算得到。

2.2減排情景方案設(shè)置依據(jù)

研究中的減排情景方案主要是依據(jù)《北京市水污染防治工作方案》進(jìn)行設(shè)置的。北京市“水十條”對2020年水污染防治目標(biāo)有明確的要求，對工業(yè)源達(dá)標(biāo)排放、農(nóng)業(yè)源集中整治、城鎮(zhèn)生活污染強(qiáng)化治理、城市面源污染控制等都有量化的任務(wù)指標(biāo)或具體的防治措施，對2030、2050年等遠(yuǎn)景水平年主要從水生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)及實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)的角度進(jìn)行展望。鑒于北京市“水十條”的近期防治目標(biāo)主要是消除黑臭水體、實(shí)現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量階段性改善，更為貼近老百姓的期待和關(guān)切，任務(wù)措施也更為明確具體，并且水質(zhì)改善也是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)景水生態(tài)環(huán)境狀況好轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。因此，研究主要對2020年減排情景方案進(jìn)行模擬評估。

2.32020年人口預(yù)測

生活源排放在目前各類污染源排放中占比最大，對未來人口數(shù)量變化進(jìn)行合理預(yù)測是準(zhǔn)確預(yù)測規(guī)劃水平年污染物排放量的關(guān)鍵[12]。

《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》提出2020年北京市常住人口必須控制在2 300萬以內(nèi)，并力爭實(shí)現(xiàn)中心城區(qū)疏解15%的人口?！蛾P(guān)于制定北京市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃的建議》明確提出“十三五”期間北京市城六區(qū)常住人口相對于2014年底減少15%，即相當(dāng)于疏解近200萬的人口。而城六區(qū)86%的區(qū)域分布在北運(yùn)河流域，按面積測算，這部分區(qū)域?qū)⑹杞?65萬左右的常住人口。

此外，考慮北京市將設(shè)通州“副中心”，人口遷移以及帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展引起的人口聚集，也會(huì)使通州區(qū)人口有較快的增長。同時(shí)，北京市還規(guī)劃昌平、順義、大興3個(gè)新城區(qū)，將按照新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃，承接中心城區(qū)功能和人口疏解。因此，城六區(qū)及周邊地區(qū)未來城鎮(zhèn)人口變化主要受人口疏解調(diào)控政策的影響。

相對于城鎮(zhèn)人口，農(nóng)村人口一般分布在遠(yuǎn)郊區(qū)縣，受人口調(diào)控政策的影響較小，根據(jù)2013年的人口基數(shù)，按2020年2 300萬的人口總量控制紅線，“十三五”期間年平均人口增長率不能超過1.2%，北運(yùn)河流域農(nóng)村人口的增量規(guī)模為10萬左右。同時(shí)，受城鄉(xiāng)結(jié)合部、城中村、棚戶區(qū)改造及國家新型城鎮(zhèn)化建設(shè)推進(jìn)的影響，農(nóng)村人口數(shù)量在現(xiàn)有基礎(chǔ)上可能還會(huì)出現(xiàn)無明顯變化甚至不增反降的情況。

因此，根據(jù)未來人口變化中存在的較大的不確定性因素，設(shè)置弱、中、強(qiáng)3種人口疏解情景方案，在3種人口疏解方案中，城六區(qū)范圍內(nèi)子流域的常住人口按照-15%、-18%、-20%等不同比例進(jìn)行削減，而中心城區(qū)外圍區(qū)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、新城區(qū)的子流域適當(dāng)上調(diào)增長幅度。農(nóng)村人口在弱、中、強(qiáng)3種人口方案中則分別按照正增長、零增長、負(fù)增長分別設(shè)置，從而整體上形成較為合理的、差異化的常住人口變化方案。

2.4MIKE11模型

應(yīng)用MIKE11模型中的水動(dòng)力學(xué)模塊(HD Module)和平流-擴(kuò)散模塊(AD Module)構(gòu)建北運(yùn)河流域(北京段)的水動(dòng)力、水質(zhì)模型。模型以上游流量和下游水位為外邊界條件，同時(shí)綜合考慮了10座閘壩、12條溝渠、支流匯入，53個(gè)污染源直接匯入干流，28個(gè)污染源匯入清河、通惠河、涼水河等主要支流的內(nèi)邊界條件。除點(diǎn)源以外，模型還考慮以線源形式隨降雨徑流匯入河網(wǎng)的城市面源和農(nóng)業(yè)面源污染。限于篇幅，不對模型基本原理和方法以及建模過程展開論述，模型水動(dòng)力率定、水質(zhì)率定及驗(yàn)證可參考文獻(xiàn)[17]?？傮w上，模擬水位與實(shí)測水位吻合較好，多數(shù)水質(zhì)率定和驗(yàn)證斷面氨氮、COD模擬濃度誤差控制在±15%以內(nèi)，可基于模型開展減排情景模擬分析。

2.5設(shè)計(jì)流量條件及水質(zhì)指征斷面

北運(yùn)河作為排水河道，幾乎沒有天然徑流，影響北運(yùn)河水動(dòng)力、水質(zhì)模擬的流量條件實(shí)為不同的排水情景。因此，研究沒有選取某一保證率的天然徑流量作為設(shè)計(jì)水文條件，而是選用流量資料較全的2010年排水條件作為設(shè)計(jì)流量條件。根據(jù)近10 a左右北京市年降水、徑流資料的排頻計(jì)算結(jié)果，2010年是枯水年之一，相當(dāng)于90%降雨保證率年份。

根據(jù)水質(zhì)指征斷面特征污染物的模擬濃度來反映研究河段的水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況。北運(yùn)河上游的溫榆河上段與溫榆河下段的水體功能不同，水質(zhì)目標(biāo)也不同。溫榆河下段與北運(yùn)河下游河段水體功能雖然相同，但是河道較長，且沿途有通惠河、涼水河等支流匯入，對干流不同河段水質(zhì)影響較大。為了更加合理、全面反映水質(zhì)模擬的空間分布，以保證當(dāng)所選指征斷面的污染物濃度達(dá)標(biāo)時(shí)，其所代表的整個(gè)河段的水質(zhì)也全部達(dá)標(biāo)，研究共選取3個(gè)典型斷面(土溝橋中心、后葦溝橋、榆林莊)分別作為溫榆河上段、溫榆河下段、北運(yùn)河干流的水質(zhì)指征斷面。

3 結(jié)果分析

3.1基準(zhǔn)年氨氮、COD排放

北運(yùn)河10個(gè)子流域分區(qū)各類污染源氨氮、COD排放測算結(jié)果如表1和表2所示。2013年，北運(yùn)河流域氨氮、COD的總排放量分別為1.21×104、12.37×104t。氨氮排放構(gòu)成中，生活源排放占81%，其中，集中處理設(shè)施排放接近40%，其余直排環(huán)境；農(nóng)業(yè)源排放占氨氮總排放的10%，其中，畜禽養(yǎng)殖排放量最大，占農(nóng)業(yè)源總排放的近90%；工業(yè)源排放不足2%；城市面源氨氮污染負(fù)荷占總排放量的6%。COD排放構(gòu)成中，生活源排放占比為57%，其中集中處理設(shè)施排放約為50%，其余直排環(huán)境；農(nóng)業(yè)源排放占比約為20%，其中畜禽養(yǎng)殖排放占農(nóng)業(yè)源總排放的95%以上；工業(yè)源排放占比為3%；城市面源COD污染負(fù)荷占比超過20%。集中處理設(shè)施中，污水處理廠排放占95%以上，其余為垃圾填埋場滲濾液排放。

表1 北運(yùn)河流域各子流域分區(qū)各類污染源2013年氨氮排放基數(shù)Table 1 The ammonia emission of different pollution sources of the ten sub-basins of North Canal River in 2013 t

表2 北運(yùn)河流域各子流域分區(qū)各類污染源2013年COD排放基數(shù)Table 2 The COD emission of different pollution sources of the ten sub-basins of North Canal River in 2013 t

3.22020年人口預(yù)測結(jié)果

不同強(qiáng)度人口疏解方案下北運(yùn)河各子流域分區(qū)人口預(yù)測結(jié)果如表3所示。

在弱人口疏解方案下，北運(yùn)河流域常住人口總體減少77萬，相對基準(zhǔn)年(2013年)減少5%，其中城鎮(zhèn)人口減少87.7萬，農(nóng)村人口增加10.7萬。在中等人口疏解方案下，北運(yùn)河流域常住人口總體減少124萬，相對基準(zhǔn)年(2013年)減少8%，農(nóng)村人口保持不變。在強(qiáng)人口疏解方案下，北運(yùn)河流域常住人口總體減少166萬，相對基準(zhǔn)年(2013年)減少11%，其中城鎮(zhèn)人口減少157萬，農(nóng)村人口減少9.6萬。受人口調(diào)控政策主導(dǎo)，常住人口(尤其是城鎮(zhèn)人口)減少的區(qū)域主要分布在中心城區(qū)所在的壩河、通惠河、清河、涼水河等子流域，而對于北運(yùn)河干流、鳳河流域、小中河流域、沙河流域等涉及行政副中心建設(shè)和承接中心城區(qū)功能疏解的子流域，城鎮(zhèn)人口明顯增加。

表3 不同強(qiáng)度人口疏解方案下北運(yùn)河流域各子流域分區(qū)2020年人口預(yù)測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減排情景方案設(shè)置

基于遏制嚴(yán)重污染態(tài)勢、全面消除黑臭水體的階段目標(biāo)，主要依據(jù)北京市“水十條”的要求和目標(biāo)，設(shè)置涵蓋工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、生活源和城市面源的綜合措施方案。具體而言：

工業(yè)源：工業(yè)企業(yè)污水排放執(zhí)行《北京市水污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/307—2013)，全部實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，氨氮、COD的排放限值分別為1.5、30 mg/L。

農(nóng)業(yè)源：嚴(yán)格控制畜禽養(yǎng)殖規(guī)模，全市禁止新建、擴(kuò)建規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場；六環(huán)路以內(nèi)(包括壩河、清河、通惠河、涼水河、溫榆河干流等子流域的全部和沙河流域的海淀地區(qū))為禁養(yǎng)區(qū)，依法關(guān)閉或搬遷禁養(yǎng)區(qū)內(nèi)的畜禽養(yǎng)殖場；到2020年，逐步完成全市規(guī)?；i場、牛場糞便污水治理，并實(shí)現(xiàn)資源化利用。中心城區(qū)(壩河、清河和通惠河流域的全部及涼水河流域的約50%)農(nóng)業(yè)種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖不保留，中心城區(qū)以外區(qū)域保持2013年規(guī)模不變。

生活源：按照北京市“十三五”水務(wù)發(fā)展規(guī)劃提出的用水管控思路，人均居民生活用水量零增長。全面提升城鎮(zhèn)生活污染治理水平，到2020年，全市城鎮(zhèn)生活污水處理率達(dá)到94%，污水處理廠出水執(zhí)行《北京市公共污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/890—2012)，達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。對于農(nóng)村生活污水處理，北京市“水十條”提出“到2019年，城鄉(xiāng)結(jié)合部村莊、水源地所在村、民俗旅游村實(shí)現(xiàn)村村有污水處理設(shè)施，基本消除污水直排”，但未明確提出農(nóng)村生活污水處理能力及水平指標(biāo)。為便于統(tǒng)計(jì)分析，研究按2020年全市農(nóng)村生活污水處理率65%計(jì)算，排放濃度執(zhí)行《北京市水污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/307—2013)比較寬松的氨氮(8 mg/L)、COD(60 mg/L)限值標(biāo)準(zhǔn)。

城市面源：根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2014年10月發(fā)布的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》(以下簡稱《指南》)，要求通過滲、滯、蓄、凈、用、排等多種技術(shù)，有效控制城市雨水徑流量及徑流污染。北京市并非海綿城市建設(shè)第一批試點(diǎn)城市，對徑流控制率沒有明確的指標(biāo)要求，北京市“水十條”及“十三五”水務(wù)發(fā)展規(guī)劃提出推進(jìn)初期雨水搜集處理和資源化利用，但也沒有具體的量化指標(biāo)。為方便起見，研究根據(jù)《指南》建議提出在2020年實(shí)現(xiàn)徑流控制率70%。徑流控制將同步降低懸浮物(SS)、COD、總氮(TN)、總磷(TP)等徑流污染物的入河量，考慮到徑流污染物變化的隨機(jī)性和復(fù)雜性，徑流污染控制率統(tǒng)一按60%計(jì)算。

3.4水質(zhì)模擬預(yù)測結(jié)果分析

表4為弱、中、強(qiáng)3種人口疏解方案下2020年北運(yùn)河氨氮、COD模擬結(jié)果?？傮w上，落實(shí)北京市“水十條”的水污染防治工作方案，可以取得良好的水質(zhì)改善效果。與3種人口調(diào)控方案下的主要污染物排放情景相對應(yīng)，氨氮、COD模擬濃度排序?yàn)槿跞丝谑杞夥桨?中人口疏解方案>高人口疏解方案。以中人口疏解方案為例，溫榆河上段土溝橋中心氨氮、COD日均模擬質(zhì)量濃度分別為4.5、26.1 mg/L，與2013年的年均值相比，分別下降40.8%、39.3%。溫榆河下段后葦溝橋斷面氨氮、COD日均模擬質(zhì)量濃度分別為3.3、24.7 mg/L，分別比2013年的年均值下降77.7%、50.1%。北運(yùn)河榆林莊斷面氨氮、COD日均模擬質(zhì)量濃度為4.1、19.9 mg/L，與2013年的年均值相比，分別下降73.7%、59.7%。以上3個(gè)斷面的COD全年達(dá)標(biāo)天數(shù)分別為358、362、365 d，基本能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，氨氮全年質(zhì)量濃度低于8 mg/L，基本上消除了黑臭水體。盡管氨氮質(zhì)量濃度離達(dá)標(biāo)(地表水Ⅳ類為1.5 mg/L，Ⅴ類為2 mg/L)還有一定的差距，但在3種人口疏解方案下，不同水質(zhì)指征斷面氨氮濃度低于輕度黑臭水體濃度限值(8～15 mg/L)的天數(shù)達(dá)到99%以上，水質(zhì)狀況明顯好轉(zhuǎn)。圖2是中人口疏解方案下不同水質(zhì)斷面氨氮、COD模擬濃度變化結(jié)果。

表4 不同人口疏解方案下北運(yùn)河2020年氨氮、COD模擬預(yù)測結(jié)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

圖2 2020年減排方案下北運(yùn)河典型水質(zhì)斷面氨氮、COD質(zhì)量濃度變化Fig.2 The changing curves of ammonia and COD concentrations of typical sections of the North Canal River under the 2020 reduction programs

4 結(jié)論

1)北京市“水十條”減排措施方案整體可實(shí)現(xiàn)顯著的水質(zhì)改善效果。在實(shí)施工業(yè)源達(dá)標(biāo)排放、農(nóng)業(yè)源集中整治，強(qiáng)化城鎮(zhèn)生活污染治理、城市面源污染控制等綜合減排措施下，到2020年，在中人口疏解方案下，可使北運(yùn)河典型水質(zhì)斷面氨氮平均濃度下降3.1～11.5 mg/L，COD平均濃度下降16.9～29.5 mg/L，降幅分別為40.8%～77.7%和39.3%～59.7%。COD可基本穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，氨氮濃度低于8 mg/L的天數(shù)達(dá)到99%以上，基本消除了黑臭水體。

2)單純從總量減排的角度不足以實(shí)現(xiàn)氨氮達(dá)標(biāo)，還需在實(shí)施上述減排措施方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步強(qiáng)化節(jié)水，減少生活源排放，增加河流生態(tài)用水規(guī)模，保障生態(tài)基流，盡快形成水系連通格局，提高水體自凈和納污能力，在外調(diào)水源支持下，有條件地實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水增容，改善污染物稀釋降解的水動(dòng)力條件，提升流域水環(huán)境承載力。

[1] 范清, 孫長虹. 北京市2000—2012年水環(huán)境質(zhì)量及污染規(guī)律研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理,2014,39(7): 54-57.

FAN Qing, SUN Changhong. Research on evolution regularity of water quality and environment pollution of Beijing since 2000[J]. Environmental Science and Management,2014,39(7):54-57.

[2] 孫長虹, 范清, 王永剛, 等. 北京市城市發(fā)展與水環(huán)境演化規(guī)律研究[J].環(huán)境科技,2014,27(4):31-34.

SUN Changhong, FAN Qing, WANG Yonggang, et al. Research on evolution regularity of urban development and water environment of Beijing[J]. Environmental Science and Technology,2014,27(4):31-34.

[3] 北京市環(huán)境保護(hù)局. 2015北京市環(huán)境狀況公報(bào)[EB/OL].(2016-04-15)[2016-05-20]. http://www.bjepb.gov.cn/bjepb/resource/cms/2016/04/2016041514503583104.pdf.

[4] 王亞煒, 杜向群, 郁達(dá)偉, 等. 溫榆河氨氮污染控制措施的效果模擬[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(2):479-486.

WANG Yawei, DU Xiangqun,YU Dawei, et al. Assessment of ammonia nitrogen pollution control in Wenyu River by QUAL2K simulation[J]. Acta Scientiae Circumstantiae,2013,33(2):479-486.

[5] 逄勇, 王瑤瑤, 胡綺玉. 浙江溫黃平原典型河流水質(zhì)改善方案研究[J].水資源保護(hù),2016,32(2):100-105.

PANG Yong, WANG Yaoyao, HU Qiyu. Research on water quality improvement scheme for a typical river in Wenhuang Plain in Zhejiang province[J]. Water Resources Protection,2016,32(2):100-105.

[6] 徐敏, 趙琰鑫, 謝陽村, 等. 基于模型法的松花江流域“十一五”總量減排水質(zhì)改善效益分析研究[J].環(huán)境污染與防治,2015,37(3):80-85.

XU Min,ZHAO Yanxin,XIE Yangcun,et al.Water quality improvement benefit analysis of Songhuajiang River basin in the “11thFive-Year” total pollutant emission reduction base on model approach[J]. Environmental Pollution & Control,2015,37(3):80-85.

[7] 單保慶,王超,李敘勇,等.基于水質(zhì)目標(biāo)管理的河流治理方案制定方法及其案例研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(8):2 314-2 323.

SHAN Baoqing,WANG Chao,LI Xuyong,et al.Method for river pollution control plan based on water quality target management and the case study[J]. Acta Scientiae Circumstantiae,2015,35(8):2 314-2 323.

[8] 殷洪, 錢新, 姚紅, 等. 基于水質(zhì)模型的河流水環(huán)境調(diào)控方案效果評估—以太浦河為例[J]. 環(huán)境保護(hù)科學(xué),2015,41(2):48-52.

YIN Hong, QIAN Xin, YAO Hong, et al. Effect evaluation of the river water environmental risk prevention and control based on WASP by taking Taipu River as an example[J]. Environmental Protection Science,2015,41(2):48-52.

[9] 卿曉霞,張會(huì)波,周健,等.伏牛溪水污染治理效果的數(shù)值模擬研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2015,9(1):65-72.

QING Xiaoxia, ZHANG Huibo, ZHOU Jian, et al. Numerical simulation research of water pollution control effect of Funiu River[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering,2015,9(1):65-72.

[10] 趙軒, 薛祥山, 徐速, 等. 常州市平原環(huán)狀河網(wǎng)水環(huán)境改善方案情景模擬[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào),2015,9(10):4 637-4 642.

ZHAO Xuan, XUE Xiangshan, XU Su, et al. Scenario simulation of water environment improvement for plain river network of Changzhou[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering,2015,9(10):4 637-4 642.

[11] 北京市人民政府關(guān)于印發(fā)《北京市水污染防治工作方案》的通知[EB/OL]. (2015-12-25) [2016-2-20]. http://zhengwu.beijing.gov.cn/gzdt/gggs/t1416691.htm.

[12] 王剛, 潘濤, 齊珺, 等. 北京市主要水污染物排放特征及水質(zhì)改善對策[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測,2016,32(2):81-88.

WANG Gang, PAN Tao, QI Jun, et al. Study on the emission characteristics of main water pollutants in Beijing and measures for water quality improvement[J]. Environmental Monitoring in China,2016,32(2):81-88.

[13] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部 環(huán)境保護(hù)部關(guān)于印發(fā)城市黑臭水體整治工作指南的通知[EB/OL]. (2015-09-11) [2015-12-20]. http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201509/t20150911_224828.html.

[14] 第一次全國污染源普查資料編纂委員會(huì). 污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊[M]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社,2011.

[15] 逄勇, 陸桂華, 吳澤毅, 等. 水環(huán)境容量計(jì)算理論及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[16] JOHNES P J. Evaluation and management of the impact of land use change on the nitrogen and phosphorus load delivered to surface waters: the export coefficient modelling approach[J]. Journal of Hydrology,1996,183:323-349.

[17] 王剛, 齊珺, 潘濤, 等. 北運(yùn)河流域(北京段)主要污染物減排措施效果評估[J]. 環(huán)境污染與防治, 2016,38(6):39-45.

WANG Gang, QI Jun, PAN Tao, et al. Assessment of emission reduction measures of the main pollutants in the North Canal River (Beijing Section)[J]. Environmental Pollution & Control,2016,38(6):39-45.

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

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07203-001-01)；國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51509268)；北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院基金資助項(xiàng)目(2012-B-08)；中國水利水電科學(xué)研究院國際水利水電科技發(fā)展動(dòng)態(tài)調(diào)研專項(xiàng)(JZ0145C042016)

王 剛(1985-)，男，河南平頂山人，博士，助理研究員。

齊 珺