人多水少、水資源時空分布不均是我國的基本國情和水情，而我國北方地區多處于干旱半干旱氣候帶，降水量較少，而蒸發量較大，水資源更為貧乏。除了水資源短缺，北方地區的水污染問題也相當嚴重。
2012 年中國水資源公報顯示，北方水系普遍水質較差，其中，海河區水污染最為嚴重，Ⅰ ～ Ⅲ類水河長比例僅為 34． 6%，劣Ⅴ類水河長比例高達 46． 1%。水污染控制面臨巨大挑戰。
水環境容量是指水體在設計水文條件和規定的環境目標下所能容納的最大污染物量。理論上，水環境容量反映了污染物在水體中的遷移、轉化和積存規律，也反映了特定功能條件下水體對污染物的接納能力。實踐中，水環境容量是水質目標管理的基本依據，是水污染控制規劃的主要約束條件，也是污染物總量控制的關鍵參數。
國內學者對水環境容量的研究主要集中在水環境容量計算方法以及對某一具體區域水環境容量的測算上，案例研究主要以某一河流、湖庫為對象，兩者結合起來計算某一流域水環境容量的研究較少。另外，目前水環境容量研究與具體水環境管理存在一定的脫節，研究者只是針對特定區域計算水環境容量，但沒有進一步分析水環境容量對該區域水污染治理的啟示作用。文中以官廳水庫及其上游流域為例，通過河流一維穩態水質模型和物料衡算模型，分別求出官廳水庫及其上游流域各功能區段 COD和 NH3－ N 的水環境容量，并基于對水環境容量計算結果的分析提出流域內水污染治理的相應措施，以期使流域盡快達到目標水質，為流域內人民的健康生活以及北京張家口冬奧會的成功申辦創造有利條件。
1、 材料與研究方法
1． 1 研究區概況
官廳水庫地處北京和張家口的交界處，其上游流域包括永定河及其支流桑干河、洋河，屬于海河水系。
官廳水庫于 1954 年 5 月竣工，是新中國成立后建設的第一座大型水庫。水庫中心坐標為北緯 40°20'43″，東經115°42'49″，海拔490m，面積可達280km2，設計總庫容41． 6 億 m3，控制流域總面積4． 34 萬 km2，具有防洪、供水、發電、灌溉等多種功能。永定河上游有桑干河和洋河兩大支流，兩河在張家口市懷來縣匯合后稱永定河。文中主要研究張家口市境內的官廳水庫上游流域，并按照河北省水功能區劃將官廳水庫上游流域河流分成 13 個水功能區\\(圖 1\\) 。
根據 2012 年海河流域水資源質量公報，全年官廳水庫水質基本穩定在 IV 類水。官廳水庫上游流域監測斷面數據顯示，2012 年洋河各監測斷面水質多位于 IV類水標準，個別處于 V 類水標準。桑干河水質總體略好于洋河。官廳水庫上游流域污染情況調查資料顯示，流域內污染源主要為城鎮、農村生活污染，工業廢水污染和農業面源污染，2012 年官廳水庫上游流域入河污染負荷 COD 為 10297． 81t，NH3－ N 為 1219． 63t。
1． 2 數據來源
文中以官廳水庫及其上游流域各功能區為研究對象計算其水環境容量。官廳水庫上游流域水功能區劃及水質目標來源于《河北省水功能區劃》，河流流量取自洋河響水堡水文站和桑干河石匣里水文站監測數據，流域內各監測斷面污染物濃度取自《張家口市 2012 年環境質量報告》。官廳水庫相關水文資料取自張家口市環保局。部分水環境容量模型參數參考相關文獻。
1． 3 研究方法
文中以 COD、NH3－ N 為主要污染因子，根據水功能區劃以及水文特征，選取模型計算河流水環境容量; 根據庫區水文特征、水質現狀及水質目標，通過模型計算官廳水庫水環境容量，兩者之和即為官廳水庫及其上游流域的水環境總容量。
1． 3． 1 官廳水庫上游河流水環境容量模型
官廳水庫上游流域河流屬于中小河流，多年平均流量小于 3m3/ s，且同時滿足以下條件: 1\\) 寬深比較小; 2\\) 污染物在較短的時間內基本能混合均勻; 3\\) 污染物濃度在斷面橫向方向變化不大，橫向和垂向的污染物濃度梯度可以忽略。因而，污染物的濃度變化可以由一維穩態水質模型進行描述。
式中: u 為河流斷面平均流速，m/s; x 為沿河段的縱向距離，m; Cx為流經 x 距離后的污染物濃度，mg / L; K 為污染物綜合衰減系數，1 / d; C0為上游斷面的污染物濃度，mg/L。
在每個功能區段可能有多處污染源。為解決排污口分布所帶來的環境容量計算的復雜性，將各功能區內的多個排污口概化為位于河段中點處的一個集中的排污口。概化后的污染物濃度公式為:
式中: Cx = L為計算河段下斷面污染物濃度，mg/L; L 為功能區河段長度，m; m 為污染物入河速率，g/s; Q 為河道斷面設計流量，m3/ s; M 為水環境容量，g / s; Cs為功能區河段下斷面水質目標濃度值，mg/L。
1． 3． 2 官廳水庫庫區水環境容量模型
根據官廳水庫多年平均水質監測結果，其水質空間分布比較均勻，宜采用均勻混合模型計算庫區水環境容量，根據物料衡算方程，得到官廳水庫水環境容量計算公式:
式中: W 為水環境容量; W1、W2、W3分別代表稀釋容量、降解容量和輸移容量。Cs為目標水質值，mg / L; C0為庫區水質現值，mg/L; V0為現庫容，億 m3; qin為入庫水量，萬 m3; K 為污染物綜合降解系數，1 / d。
1． 3． 3 模型參數選取
\\(1\\) 河流模型主要參數選取。官廳水庫上游流域主要處于山區和平原河網間的過渡區，河流斷面平均流速 u 取 0． 2m/s; 設計流量采用 90%的保證率，河道斷面設計流量取洋河響水堡水文站和桑干河石匣里水文站的 10 年最枯月平均流量; 河流綜合消減系數 KCOD、KNH3－ N參考相關文獻\\(表 1\\) 。
\\(2\\) 庫區模型主要參數選取。官廳水庫的目標水質為Ⅲ類水，現狀水質為Ⅳ類水。由于官廳水庫上游流域主要河流為桑干河和洋河，且兩河交匯后經八號橋斷面流入官廳水庫，因此八號橋斷面的年流量值可近似為官廳水庫年入庫水量。庫區綜合消減系數 KCOD、KNH3－ N參考相關文獻\\(表 2\\) 。
2、 結果與分析
2． 1 結果
根據相關數據及公式\\(3\\) ，計算得到 2012 年官廳水庫上游流域各功能區段水環境容量\\(表 3\\) 。
將相關數據帶入公式\\(4\\) ，分別得到官廳水庫庫區在Ⅱ類水和Ⅲ類水標準下的水環境容量\\(表 4\\) 。
2． 2 不同水功能區段環境容量的差異分析
流域內不同功能區段的水環境容量差異較大。功能區的水環境容量與河段長度、水質目標有很大關系，一般來說，功能區河段越長，水質目標越低，水環境容量越大。如表 3 所示，僅洋河張家口農業用水區與清水河張家口開發利用區的 COD 環境容量就占了洋河水環境容量的 41． 2%; 而桑干河張家口開發利用區與壺流河張家口開發利用區的 COD 環境容量高達桑干河水環境容量的 77． 8%?？紤]不同功能區水環境容量差異，根據水環境容量合理安排污染負荷，可以使各功能區段盡快恢復目標水質，有效率有針對性地治理水污染。
2． 3 水環境容量與污染負荷的比較分析
水體的環境容量與其污染負荷的比較是實施總量控制的重要依據。官廳水庫目標水質為Ⅲ類水，因此，流域內水環境總容量為官廳水庫上游流域各功能區段水環境容量與Ⅲ類水標準下官廳水庫水環境容量相加之和。圖 2 顯示了流域內水環境總容量與入河污染負荷的比較。
官廳水庫主要污染來源為洋河和桑干河，而八號橋斷面為洋河和桑干河匯合入官廳水庫的國控斷面。因此，每年通過八號橋斷面的污染物量可近似為官廳水庫污染負荷量。經計算，官廳水庫污染負荷中 COD 為 2267． 80t，NH3－ N 為 54． 32t，其與水環境容量比較\\(圖 3\\) 。
可以發現，官廳水庫上游流域 COD 和 NH3－ N 的入河污染負荷均超過了總的水環境容量，且 NH3－ N 的污染負荷遠高于其環境容量。官廳水庫庫區的水環境容量較小，COD 的污染負荷分別是Ⅲ類和Ⅱ類水標準下環境容量的 1． 7 倍和 24． 8 倍; NH3－ N 在Ⅱ類水標準下已無環境容量，其污染負荷是Ⅲ類水標準下環境容量的 1． 6 倍。
2． 3． 1 水環境容量較小的原因分析
水環境容量的大小與水體流量密切相關。而官廳水庫來水量呈現出明顯的遞減趨勢\\(圖 4\\) ，直接導致水環境容量降低。分析其原因，除了流域內降水量逐年減少的自然因素外，人為因素可以歸結為以下兩點:
\\(1\\) 上游流域大興水利工程。隨著經濟社會的發展，上游農田灌溉和生活需水量不斷增加，同時為了解決流域十年九旱的缺水境況，流域上游大力興建水庫。幾十年來，張家口市境內陸續修建水庫96 座，總庫容7． 18 億 m3。
水庫的集中建設隔斷了水的正常流動，分流了大量水資源，使官廳水庫上游流域流量逐年減少，部分河段甚至斷流。另外，上游流域的兩個大型水庫\\(冊田水庫和友誼水庫\\) 分別歸山西和內蒙古主管，由于屬地管理和地方利益保護，近年來兩個水庫幾乎不放水，使官廳水庫來水量雪上加霜。
\\(2\\) 農業用水量大，利用效率低。2012 年張家口全市農業用水量 7． 72 億 m3，占總用水量的 73． 1%，比全國平均水平高出 9． 5%。盡管"十一五"期間張家口市實施了"首水規劃"農業節水項目等一大批以渠道防滲、低壓管道輸水、噴灌為主的農業節水工程，但官廳水庫上游流域地區農業灌溉仍然存在大水漫灌等現象，灌溉水利用系數不高。張家口市地表水的平均渠系水利用系數在 0． 4 左右，生產糧食量不足 1． 5kg/m3，而發達地區為 2． 5kg/m3，個別發達地區可達 4kg/m3。較低的水利用效率使農業用水量居高不下，從而導致官廳水庫上游流域流量減少。
2． 3． 2 污染負荷較大的原因分析
\\(1\\) 產業結構不盡合理。官廳水庫上游流域以傳統型產業為主，高新技術企業相對較少，低消耗、低污染、高效益的節約型產業比重低，目前流域內支柱產業仍以"兩高一資"的黑色金屬冶煉及壓延、礦山采選和電力為主，產業結構不合理。鋼鐵、水泥、化工、制藥、電力等高污染、高消耗企業主要分布于上游流域兩條主要支流洋河與桑干河附近，對河流水質影響較大，進而對官廳水庫水環境產生不利影響。
\\(2\\) 農村面源污染未得到有效控制。官廳水庫上游流域農村面源污染問題越來越突出。在農業生產活動中，氮、磷等營養物質和農藥通過農田地表徑流、滲漏或揮發形成污染。具體地，2012 年官廳水庫上游流域農用化肥施用量 82418t，占張家口全市農用化肥施用量的 80． 02%，其中氮肥施用量41411t。由于近年來畜禽養殖業的快速發展，流域內分散養殖逐漸變為規?；s養殖，但是相應的污染物集中處置設施建設相對不足，由此產生的污染問題比較嚴重; 另外，農村生活污水處理尚未有效開展，大部分農村生活污水無處理排放，成為流域內重要污染源之一。
3、 討論
文中采用了河流一維穩態水質模型和物料衡算模型計算了官廳水庫及其上游流域水環境容量，這一研究視角是對當前單純研究河流或湖庫水環境容量的有效補充。文中參照水功能區劃將官廳水庫上游流域劃分為 13 個功能區段，根據水文特征和水質目標分別求出各個功能區段水環境容量，加總的結果應比直接計算整個上游流域的水環境容量更準確，且從管理的角度更具有針對性。文中著重分析了流域內水環境容量與污染負荷差異較大的原因，為流域水污染控制與管理指明了方向，也為其他地區從環境容量視角研究污染控制問題提供借鑒。
從前面的分析可以看出，為了使流域內各功能區達到目標水質，一方面應當采取措施提高水環境容量，即"擴容"; 另一方面，應當采取污染物削減措施，即"減排"。
\\(1\\) 通過和上游地區水權交易來增加流域內來水水量。同時，大力發展節水型農業，提高灌溉水利用系數。充分發揮水價的調節作用，基于全成本定價，實行工商業和居民差別水價，以節約用水。這些措施將增加流域內河水流量和水庫蓄水量，從而提高水環境容量。
\\(2\\) 為降低污染負荷，應開展流域產業結構調整，淘汰高耗水、重污染、低效益的企業。同時，減少經濟作物大面積種植造成的氮磷污染，加強規?；笄蒺B殖廠污染物集中處理設施建設。在官廳水庫上游流域增加人工濕地項目，以解決傳統污水處理廠難以處理的 NH3－ N 消減問題。根據水環境容量的差異性，新增企業應建立在水環境容量較大的功能區內，環境容量較小的功能區應減少或禁止新建排污企業。
工業點源污染物排放應參考流域內各個水功能區段的水質目標和環境容量，執行更加嚴格的排放標準。
流域內宜實行污染物總量控制，將所有排污企業納入總量控制范圍，以水功能區段水環境容量為基礎將排污量進行科學分配，探索并逐步放開排污權交易。
4、 結論
\\(1\\) 通過河流一維穩態水質模型和物料衡算模型計算的流域內水環境總容量 COD 為 5097． 82t/a，NH3－ N 為 268． 18t / a，明顯小于該流域內對應的污染物負荷。
\\(2\\) 流域內不同功能區段的水環境容量差異較大。應根據水環境容量合理分配不同功能區的污染負荷，有針對性的解決流域水污染問題。
\\(3\\) 流域內水環境容量較小的主要人為因素是上游流域大興水利工程，農業用水量大且用水效率低;污染負荷較大的主要原因在于流域內產業結構不合理，農業面源污染未得到有效控制。水污染控制和管理應同時做好"擴容"和"減排"。
