第19卷第2期2021年4月
南水北调与水利科技（中英文）
South-to-North Water Transfers and Water Science
Technology
Vol.19 No. 2 Apr. 2021
DOI ：10.13476/j. cnki. nsbdqk. 2021.0034
325-333. LI Y J ,D U Y L ,L I U P B,et a l . Causes of water pollution from Guishui River to Guanting Reservoir and assessment of loads reduction measures[J]. South-to-North Water Transfers and W a t e r Science Technology,2021,19(2) ：325-333. (in Chi
nese)
妫水河入官厅水库水污染成因及减排措施评估
李亚娟h 2，杜彦良2，刘培斌3，王世岩2，毕二平1，高晓薇3，殷淑华2
(1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院.北京1〇〇〇83;2.中国水利水电科学研究院水生态环境研究所，北京100038;
3.北京市水利规划设计研究院，北京100048)
摘要：为保障妫水河人官厅水库入流水质达标，分析水质成因，分步制订水质改善措施。采用M I K E 21耦合植物作 用的Ecolab 生态水质模型，对妫水河下游人官厅水库断面至东大桥断面、支流三里河水域进行模拟。通过对丰水 期和枯水期监测数据及模拟结果进行分析，流域上游来流水量及水质、区间污染源及河流湿地等自净作用是影响官厅水库人流水质的主要原因，其中：妫水河入流污染负荷对水库人流水质贡献率最大，丰枯水期氨氮、总磷和总氮的 贡献率分别为18. 32%〜45. 76%、9. 31%〜31. 17%和29. 34%〜67. 56%；区间人河污染源氨氮、总磷和总氮削减 率分别为19. 41%、31. 31%和24. 94%；丰枯水期河道自净对氨氮、总磷和总氮削减率分别为44. 85%〜61. 29%、
51. 40%〜77. 92%和8. 40%〜23. 06%。为改善官厅水库人流水质，在流经城市区的妫水河下游及三里河修建了
河流湿地公园，对区域污染源进行截污，使得人库水质可达到m 类水。为长远确保官厅水库的水质，控制来流水质 和加强流域治理是关键，同时营造岸带湿地，对水质改善有积极的作用。研究结果及方法可为水库污染防治及负荷 量削减提供理论依据。
关键词：水体污染；源解析；水质水动力模型；措施评估；北方河流
中图分类号：X 524文献标志码：A 开放科学(资源服务)标志码(O S I D h
北方河流丰枯水期季节性变化较大，气候条件、 流量、人河污染负荷量、岸带植物和水体生物量等都 体现出差异，河流、湖库水体的水质也随之变化。天 然河流水资源年际变化大，年内分配不均。通过水 库、闸坝等对水量调控有效解决水资源供需矛盾[1]， 助推经济发展，但河流水量在时空中再分配后，局部 水质环境的恶化现象时有发生。流域水质水量综合 管理、上下游水污染综合治理，保障水环
境安全是幸 福河湖的迫切需求。在区域水管理中根据水体功能 区要求，通过河湖纳污能力[2]、环境容量[3]、水环境 承载力等[4]的核算，对污染源排放的污染物总量实 行控制[5]。美国的TM DL 提出在满足水质标准情
况下，水体能够接受的某种污染物的最大日负荷 量，为水环境治理提供了依据[6]。河流和湖泊在 丰水期与枯水期水量差异，使得纳污能力或容量 发生变化，平衡经济发展和水环境之间的关系，对 很多河湖在管理中实施动态纳污能力的核算U]。在 提升河湖水质及生态功能，需要进行水质精细化管 理，不仅要对入河污染负荷进行控制，加强生态水量 的调控，还应根据丰枯水期的差异性[8]，评估河流的 自净能力及生态修复工程效果[9]，细化阶段治理目 标及任务。
通过模型工具核算纳污能力、环境容量被广 泛应用于水环境综合治理中[1°11]，在各种边界条
收稿日期：202(H)5-30 修回曰期：2020~07-11 网络出版时间：2020~08-05
网络出版地址：kns. cnki. net/kcms/detail/13. 1430. TV. 20200805. 1340. 002. html 基金项目：国家水体污染与治理科技重大专项（2017ZX07101004)；国家重点研发计划项目（2017YFC0405804)作者简介：李亚娟（1994一），女，河南洛阳人，主要从事水处理技术研究。E-mail:1790073434@qq. com 通信作者：杜彦良（1974—），女，四川南部人，教授级高级工程师，主要从事环境水力学研究。E-mail:dUyl@iwhr .C 〇m
主态与环、境325
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6 7
月份
8 9 10 11 12
water pollution图2 东大桥1995—2002年及2003—2010年 两序列多年平均逐月流量
Fig. 2 Annual average monthly discharge of Dongdaqiao from 1995 to 2002 and from 2003 to 2010
通过现场勘察及资料收集，目前研究区污染负 荷主要由三里河汇入，沿途点源及面源排污口概化 为3个主要污染源(见图1)，污染源流量(0)及生化 需氧量(BOD)、溶解氧(D O )、氨氮(NH4 + -N )、硝酸
受上游白河堡水库及用水的影响导致下游水量
减少，通过连续时间序列月均流量对比(图2)，1995—
2002年为近自然情景。自2003年上游建设水库以 来，河道流量变化大，尤其是丰水期，水量减少了
90%。为形成景观水面，在入官厅水库前，用橡胶 现控制水位，局部区域水体流动性差。妫水河上 游有三里河支流汇人，三里河是北京延庆新城的 一条主要排水河道，沿途流经延庆新城及沿线5 个村庄。受沿途村庄用水及生活污染影响，加上 三里河水量较小，水质较差。2017—2019年，官厅 水库入流总体水质状况为V 类水，氨氮、总磷和总氮 平均质量浓度分别为〇.77、0.14、1.07 m g/L ，相对 于正常湖库水质氮磷质量浓度较高。妫水河下游河 道水质监测结果表明，水质丰枯季节变化不明显，受 丰水期水量影响，入河污染面源增加，出现丰水期水 质略差的现象。
件输入条件下，模拟变化情景下的污染物的迁移 转化及水质状况，开展水环境质量评估[1213]，以 此提出解决方案。诸葛亦斯等[14]利用一维水质 模型优化不同水量下太子河污染物分配；宋芳
等[15]利用SW M M 的非点源污染模型模拟解析 丰枯水期流域内污染负荷构成特征；翟敏婷等[16] 利用Q UA L2K 模型解析各污染源受降水和人类 活动的季节性特征影响呈现年内变化，因地制宜 提出水环境改善措施；王玲[17]使用T M D L 研究 流域内不同流量与污染负荷间的关系并确定消 减量。模型工具不断改进和提高，为准确描述研 究区域水环境演变特性及指导水环境治理打下 基础。
本研究区域为妫水河下游河段，下边界为官厅 水库库尾人流。为确保官厅水库水环境安全，降低 人库氮磷，考虑丰枯水期，河流自净及生态修复工程 的作用，应用MIKE21耦合Ecolab 的二维湿地水质
模型，考虑了湿地植物的作用机理，模型经率定和验 证，对妫水河入库水体水质成因进行解析，分析主要 因子对人库水质的贡献率，提出阶段性措施方案，并 对其进行效果评估。研究为区域分阶段实施水管理 策略和制定提升措施方案提供依据。
1材料与方法
1.1
研究区域概况
妫水河属于永定河水系，是北京市重要的供
水水源河道和水源保护区，是官厅水库的三大人 库河系之一，其流域面积为1 064. 66 km 2，流域土 地利用类型，见图1(a )。流域内林地、草地、耕地、 水域和建设用地占比分别为42. 10%、7.44%、
39. 30%、L 82%和9. 34%，河道周边区域主要为耕 地，农业种植和农村生活污染是流域内主要的污 染来源[18]。
水域■建设用地
▼
、草t
(a )水系和土地利用类型
（b )河道地形
图1妫水河水系和土地利用类型及研究区河道地形
Fig. 1 The Guishui River system, land use types and topography of the Computed domain
(
-n .B )/酬«
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堍
李亚娟，等妫水河入官厅水库水污染成因及减排措施评估
盐(N 〇3 —-N )、亚硝酸盐（N 02'N )和总磷（TP )等 水质指标见表1<
表1污染源流量及各水质指标
Tab. 1 Discharge of pollution sources and water quality indexes
质量浓度八〇^«1.1)
B O D
DC)n h
4+-n N 〇3 -N n o
2--n T P 10. 066. 00 1.502. 500. 600. 10 1.0520. 06 6.001. 50 1.800. 500. 101. 163
0. 06
6. 00
1.00
2. 00
0. 30
0. 10
1. 25
近两年，对妫水河干流中下游进行河道整治和生 态岸带的建设，在河岸带种植了大量的湿地植物构建
景观公园。同时为保障下游生态用水，增加调水，加大 下游水量。为分析官厅水库人库水质成因，设定研究 区为妫水河流域下游河道，上游边界为妫水河东大桥 断面，下游为官厅水库入流橡胶坝断面，设置4个监测 点位，监测点位从上游人流至下游出流分别对应三里 河湿地、三里河汇主干、雅和园和橡胶坝，详见图1(b )。
1. 2 湿地水质模型
在研究区域修建了大量的生态修复工程，湿地 植物种植面积0.56 km 2，挺水植物主要有芦華、香 蒲、菖蒲、鸢尾、水葱、荷花和千屈菜，沉水植物主要 有金鱼藻、狐尾藻、轮叶黑藻、微齿眼子菜和疽草，约 占总面积的15.34%。考虑湿地植物的作用，采用 基于MIKE 21水动力耦合Ecolab 模块的湿地水质 模型。模型的水动力模块采用水深平均的浅水方程
dh ，dhu
+繫=/!Sf
(i )
dhu | Shu2 | dhVii
~a T ~d ^ dy
老(/i 了:) + 老(/i 了々)+ A m s S f
(2)
dhv , dhuv | dhV2
~d T
S x
~d y
d_
d 〇〇
{h T X y )Jt ^{h T y y )-\-h V SS{■，T，A (g +
T =2A
(3)⑷式中为时间，d ;;r 、：y 分别为横、纵轴坐标，分
别为水位、水深，
为沿水深的平均流速，m /s ;
«、v 分别为x 、：y 方向的速度分量，m /s ;g 为重力加速度，〇1/52;/0为水体密度，8/11^;1^、1^、〜、％分别为 •r 、：y 方向的表面风应力和底部切应力，N /m 2，湿地 植物增大了底部切应力；
为源项，kg /(m 3 • s ); m s 、vs
为源项水流流速，m /s; K 为侧向应力，m 2/s 2;
A 为水平涡流黏度，m 2/s 。
湿地水质模块通过Ecolab 的自定义及编辑功 能，参考其他模块中的水质反应方程，根据监测的水
质数据，建立湿地水质的Ecolab 模块。各水质变量 通用的方程为
dc | 9c
d t ^d ^c
+v
S =D r ^+D^+Sc+Pc (5)
式中:c 为Ecolab 中各水质变量的质量浓度，mg /L ， 计算主要水质变量为BOD 、DO 、N H 4 + -N 、N CV -N 、从3厂-1^和丁？，二级变量有总氮（丁队丁1^1包括
n h 4+-n 、n o 2_-n 、n o 3'n
);d :、d ，为各物质在
方向上的扩散系数;S 。为源汇项；为Ecolab 生化反应。
的计算公式为
•P c = dc/d/ = 2 S p ro c e ss
(6)
式中：z '为特定状态变量的进程数;s P r o c e s !S 为水体中 各物质质量浓度变化的生化反应过程，D 〇、BOD 、 NH4 + -N 、N 02'N 、N 〇3 —-N 和 TP 的反应过程[19]
如下。
dSoo /d P 大气复氧一BOD 降解一硝化反应+ P -R —底泥耗氧
（7)dSK )D /d ?= — BOD 降解 （8)dSN H 4/ck=BOD 降解产生一转化亚硝酸盐一微生
物摄取一植物吸收+异养呼吸
（9)d S N ^/dZz 氨氮转化一转化硝酸盐
（10)
d S N ^/d /z 亚硝酸盐转化一反硝化作用（11) d S T p /ck =B ()D 降解产生_微生物摄取一植物
吸收+异养呼吸一颗粒态沉降 （12)
式中:P 为植物产氧量，m g /(m 2 • d );i ?为呼吸耗氧
量，mg /(m 2 • d )〇
1.3模型构建及参数选取
模型采用三角形非结构网格，妫水河人流和三 里河人流为进水断面，官厅水库人流断面为下游出 流边界，详见图1(b )。基于湿地植物作用机理的湿 地模型构建及模型参数取值在文献[20]中介绍。
1.4模型的率定验证
根据年鉴资料以及现场调研结果，计算区域的 流量边界按2019年现场勘踏实测流量给入。考虑 到湿地植物的生长周期受温度影响较大，模拟时间 段为5月1日至10月1日，研究区实测数据为2018
生态与坏堍
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年5、7、10月和2019年5、7、10月，单一年份不能反 应丰水期的水质变化，综合考虑2018—2019年6次 实测水质数据的平均值对模型率定验证。由于研究
区水域面积大，换水周期长，前30 d 为消除水动力
及水质的初始条件。沿三里河人流(上游)至官厅水 库人流断面（下游）间的河道中泓线的纵断面M (见图1)，实测值与计算值的各水质指标对比见图
3，从上游至下游河道长度为13. 47 km 。
(a ) D O
距离/km
(c) TP
距离/km (d) TN Fig. 3图3研究区域纵断面1-1沿程各水质指标实测值与计算值比较
Comparison of measured and calculated water quality indexes along study area profile 1-1
模拟结果与实测数据对比用于率定验证，污染 物沿三里河从上游向下游迁移，质量浓度不断增加， 在污染物汇人妫水河后，经主干道河水稀释及沿程 植物作用，质量浓度逐渐降低。受山区型河流一 三里河的影响，沿途水质质量浓度波动较大。模拟 计算各个断面水质指标（DO 、NH4 + -N 、T P 和TN ) 的计算值与实测值相对误差
e =|y m -y 〇l /y 〇
(1
3
)
式中:Ym 为各水质指标计算值;Y 。为各水质指标实 测值。D 〇、NH4 + -N 、T P 和T N 的计算值与实测值 的平均相对误差分别为17. 13%、13. 89%、28. 41% 和9. 32%。数值模拟结果中计算值与实测值变化 趋势基本一致，各水质模拟结果可信。
2结果与分析
为明确人库水质成因，拟对妫水河与三里河来
流水体、区域污染源、水体的自净，以及湿地植物的 作用等贡献进行分析。根据资料调研，妫水河上游 白河堡水库建设后下游流量大幅减少，尤其在丰水 期，计算设定丰水期和枯水期两个水期进行分析：丰
水期为5 —10月；枯水期为11月一次年4月。考虑 到北方河道冰封期较长，枯水期不计入植物作用，丰 水期与植物生长周期基本重合，丰水期计算时计人
湿地植物作用。丰枯水期河道流量依据妫水河东大 桥水文站多年径流量及调水措施后的流量分别讨
论，见图2。
通过对资料的计算和分析：枯水期三里河多年平 均人流流量为〇. 16 m :i /s ，妫水河多年平均入流流
量 为a 30 m 3/s ，三里河水量占总水量的25. 00%；丰水 期三里河多年平均入流流量为〇. 66 m 3/s，妫水河多 年平均入流流量为2. 10 m 3/s ，三里河水量占总流量 的22. 45%。水质计算边界采用2018年和2019年6 次监测数据的平均值作为人口水质数据。
2. 1 水质作用因子贡献率分析
根据妫水河流域水文相关资料及水质监测数 据，对水质达标率有影响的水质指标为n h ,+-n 、 TP 和TN ，选取上述指标进行分析。根据资料和湿 地调研，考虑丰水期和枯水期水量变化对人库污染负 荷的影响.分水期对污染负荷来源及削减的贡献率进 行核算。在妫水河及支流三里河水量水质模型计算 的基础上，考虑北方河流植物生长期有限，与丰水期 较为吻合。枯水期受冰冻影响，湿地植物凋零，湿地 植物对水体净化作用可以忽略不计，出流水质采用近 2年4次监测数据的平均值；丰水期河道流量增加， 水位抬升，考虑湿地植物及微生物对水质净化的影 响，出流采用近2年6次数据的平均值。为分析流
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李亚娟，等妫水河入官厅水库水污染成因及减排措施评估
域污染物受水量变化的影响，分期计算入流及污染 源对人官厅水库水质负荷贡献率的大小，见表2。
表2各排污口对官厅水库入库污染负荷贡献率统计
Tab. 2 Statistics of pollution load contribution rate of each drain outlet to Quanting Reservoir
水质因子橡胶坝出流贡献率/%
时间实测/模拟/相对妫水河三里河污染源水体植物及(mg • L1)(mg • L 1)误差/%入流人流123自净微生物
n h4+-n0.220.3636.9018.3218.9224. 9017.9319.92—61.29
枯水期T P0.070.0812.509.316.2125. 6328.3230. 53-77.92 T N 1.000.937.5329.348.9324.6718.5318.53-23.06 n h4+-n0. 150.2741.8945. 7630. 079.596.917.67-44. 85-11.09丰水期T P0.030.0531.3131. 1716.6015.8517.5118.87—51.40—13.03 T N0.800.6915.9467. 5612. 128. 136. 106. 10—8.40-5. 86
由表2计算得到，橡胶坝处枯水期和丰水期出流 质量浓度相对误差平均值分别为18.98%和29.71%，模型模拟结果可信。由表2可知：枯水期河道水体对 NH^-^TP和TN的自净率分别为61.29%、77.92% 和23.06%，丰水期河道水体对NH^-I^TP和T N的自净率分别为44.85%、51.40%和8.40%，河道水体对 各污染物的自净率排序为N H4+-N>TP>TN。水体 对NH^-N的自净率远大于T N是因为河道水体流 动过程中经过流速复氧和大气复氧增加水体中DO 质量浓度[21]，有利于好氧细菌降解水体中有机物，NH4+-N在硝化细菌的作用下氧化成NOT-N，河道 中TN质量浓度增加，N H4+ -N质量浓度降低，有助 于水体中NH4+ -N去除;N(V-N在厌氧环境中进一 步转化为氮气，水体中厌氧环境较少，N〇r-N的去 除难度较大[22]，水体对T N的自净率较小。
枯水期，影响妫水河人官厅水库水体NH4+ -N 和T N质量浓度的主要是三里河和妫水河的入流，其次是污染源。对于T P质量浓度的主要因素是污 染源，其次是入流条件。丰水期.影响妫水河出流 NH,+ -N和T N质量浓度的主要是三里河和妫水 河人流，其次是污染源。对T P质量浓度，主要为妫 水河人流，其次是污染源及三里河人流。受水量变 化影响，丰水期妫水河人流和三里河人流携带大量 的污染物进入河道，入流及污染源对入库水质负荷贡献率大小有一定波动，整体上妫水河人流在人库 污染负荷贡献率占比最大，妫水河人流在丰水期和 枯水期对NH4+ -N、T P和T N的贡献率分别为18. 32%〜45. 76%、9.31%〜31. 17%和 29. 34%〜 67.56%。河道流速及岸带湿地植物影响污染物生 化反应[23]，造成河道水体对污染物的自净率呈现丰 枯季节性变化。丰水期和枯水期河道水体中NH4+-N、T
P和T N的自净率分别为44. 85%〜 61. 29%、51. 40%〜77. 92%和 8.40%〜23. 06%。丰水期湿地植物种植后，局部区域流速降低，水体中 颗粒态物质沉降；湿地植物抑制底泥释放营养盐、降 低风浪对底泥扰动[24]；植物及微生物对磷的削减率 达到13.03%。植物和微生物对氮的作用主要体现 在对NH4+ -N的利用，结果显示对NH,+ -N 和T N的削减率分别是11. 09%和5.86%。
2. 2丰枯水期变化分析
针对官厅水库人流负荷量贡献率，妫水河人流 和三里河入流水质对水库入流水质达标影响最大，其次为区域中的污染源排放，提出考虑北方河道受 降雨影响丰枯水期河道人流流量波动较大。为定量 分析水量变化对各水质因子负荷量及负荷削减作用 的变化状况，分水期模拟计算。根据实测数据资料，分别计算丰枯水期不同流量下的河道对NH4+ -N、T P和T N的削减能力变化，见图4。
80 60
40 20 0
0£<
200
-
、、、
t=a TN 、、、
削减率
rn
h、、
n
60
40^
20蝱
(a ) NH/-N
F i g.4
流童/ (m3 •:
(b) TP
2.28 2.94 4.54
流量/ (m3 • s_l)
(c) TN
6.70
图i妫水河流量与污染负荷量和削减率间的关系
The relationship between Guishui River discharge and pollution load and reduction rate
生态与坏堍•329
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