岷江悅來渡口控制單元水體總磷達標分析

韋婭儷，陳亞平，岳艾儒，楊長軍，朱建超

(1.四川省生態環境科學研究院，成都 610041;2.四川省環保科技工程有限責任公司,成都 610041 3.中國環境科學研究院,北京 100012)

1 前 言

2015年4月，國務院印發《水污染防治行動計劃》(以下稱《水十條》)，要求未達到水質目標要求的地區制定達標方案。環保部與四川省人民政府簽署的《四川省水污染防治目標責任書》中明確提出眉山市岷江悅來渡口控制單元的水質控制斷面悅來渡口斷面應于2020年底前實現“總磷≤0.32mg/L，其他指標為IV類”的水質目標。四川省人民政府與眉山市人民政府簽訂的《眉山市水污染防治目標責任書》中增加提出岷江思蒙河口斷面應于2019年實現“總磷≤0.3mg/L，其他指標為Ⅲ類”的水質目標；岷江醴泉河口斷面應于2020年實現“Ⅳ類”水質目標；橋江橋斷面應于2019年實現“總磷≤0.33mg/L，其他指標為IV類”的水質目標。悅來渡口控制單元涉及的水系包括岷江干流，岷江一級支流醴泉河、思蒙河、毛河、金牛河；涉及的行政區域包括眉山市丹棱縣4個鄉鎮，東坡區全域26個鄉鎮，彭山區7個鄉鎮，青神縣全域10個鄉鎮，仁壽縣6個鄉鎮，共計53個鄉鎮。岷江眉山段承接成都來水與區域內小流域匯水污染負荷，悅來渡口斷面作為岷江眉山入樂山考核斷面，水質常年處在V類水質狀態，主要污染因子為總磷，不滿足《四川省水污染防治目標責任書》要求。本研究通過對悅來渡口控制單元總磷濃度變化的分析、總磷入河量及水環境容量的計算，識別主要環境問題和成因，確定水質改善目標和指標，提出水環境改善的工作思路，支撐《四川省水污染防治目標責任書》的實現。

2 水質變化分析

岷江悅來渡口控制單元納入國家考核的監測斷面有1個，為悅來渡口斷面；納入省考核的監測斷面有3個，分別是思蒙河口斷面、醴泉河口斷面、橋江橋斷面。悅來渡口斷面為岷江眉山入樂山考核斷面，思蒙河口斷面為思蒙河匯入岷江斷面，醴泉河口斷面為醴泉河匯入岷江斷面，橋江橋斷面為毛河匯入岷江斷面。研究河段水系圖及國、省控斷面的位置見圖1，控制單元內各考核斷面(點位)水質類別變化見表1。

監測斷面201120122013201420152016悅來渡口ⅤⅤⅤⅤⅤⅣ思蒙河口Ⅴ劣ⅤⅤ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ醴泉河口劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ橋江橋ⅤⅤ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ

2.1 悅來渡口斷面水質分析

悅來渡口斷面為國考斷面，該斷面為岷江眉山入樂山斷面，根據斷面水質評價，悅來渡口斷面從2011～2015年一直保持為Ⅴ類水體，2016年改善為Ⅳ類，該斷面主要污染因子為總磷。悅來渡口斷面總磷濃度年度及月度變化趨勢分別見圖2、圖3。

圖2 悅來渡口斷面總磷濃度年度變化趨勢Fig.2 Annual variation trend of TP concentration of Yuelaidukou Section

《水污染防治目標責任書》確定的悅來渡口斷面水質目標為“總磷≤0.32mg/L，其他指標為Ⅳ類”，從圖1可以看出，按照濃度年均值，總磷濃度從2011～2016年總體呈下降趨勢，2011年到2014年總磷濃度年均值不能達到水質目標要求，但2015年、2016年總磷濃度年均值已降到目標值以下，滿足水質目標要求。從月度變化趨勢來看，斷面總磷超標呈周期性變化，每年1～5月總磷超標嚴重，6～10月總磷濃度基本能達到水質目標要求。

2.2 三條小流域斷面水質分析

岷江思蒙河、岷江醴泉河、岷江毛河為岷江的3條一級支流，均納入四川省重點整治的24條小流域。思蒙河接納了丹棱縣3個鄉鎮、東坡區7個鄉鎮、青神縣2個鄉鎮的污染負荷；醴泉河接納了東坡區6個鄉鎮的污染負荷，毛河接納了彭山區4個鄉鎮的污染負荷，從斷面水質類別來看，這3條小流域匯入岷江的控制斷面思蒙河口、醴泉河口、橋江橋從2011～2016年一直保持為Ⅴ類、劣Ⅴ類水質，這3個斷面均為省考斷面，3個斷面總磷濃度變化趨勢見圖4.

圖4 3條小流域省考斷面總磷濃度變化趨勢Fig.4 Annual variation trend of TP concentrations of the three provincial assessed Sections

根據《眉山市水污染防治目標責任書》，思蒙河口斷面總磷濃度應于2019年達到0.3mg/L，醴泉河口斷面總磷濃度應于2020年達到即0.3mg/L，毛河橋江橋斷面應于2019年達0.33mg/L。從圖3的變化趨勢看出，這三個斷面均不能滿足水質目標要求。醴泉河口斷面總磷濃度超標最嚴重，但近幾年有好轉趨勢，相反，思蒙河口和橋江橋斷面總磷濃度有升高趨勢。

3 污染源調查

污染源調查包括對污染源排放去向(對應水環境功能區/控制子單元)和排放量、入河量的調查。從分析水體上下游關系入手，水陸并重，從水環境功能區水域～入河排污口～陸上匯流區域三個層次進行污染源、入河排污口、水域的對應關系調查，弄清影響水域水質的主要入河排污口和主要污染源。

3.1 控制子單元劃分

以水環境功能區劃為基礎，通過入河排污口將水環境功能區和對應的陸上匯流區進行連接，按照輸入響應關系，構成控制子單元[1]。本文將悅來渡口控制單元劃分為3個控制分區，分別為岷江干流上段、岷江干流中段、岷江干流下段。再同時結合小流域和行政區劃，將每個控制分區劃分控制子單元，岷江上游區為1個控制子單元，岷江中游區劃分為3個控制子單元，岷江下游區劃分為4個控制子單元，見表2。控制子單元劃分圖見圖5。

表2 悅來渡口斷面控制子單元劃分Tab.2 Control subunits division of Yuelaidukou section

圖5 控制子單元劃分圖Fig.5 Map of control subunits division

通過選擇適當的水質模型，建立基于控制子單元的污染物排放與水環境質量的輸入響應關系，在一定的排污條件下，計算各控制子單元的水環境容量，并結合環境管理需求，確定排污削減量，以水質達標倒逼任務措施。

3.2 污染物入河量計算

以2015年為基準年，本研究通過實地調查、資料收集、資料填報的方式，計算出研究范圍內各鄉鎮的工業污染源、城鎮生活污水污染源、城鎮生活垃圾污染源、城市面源污染源、規模化畜禽養殖污染源、農村生活污水污染源、散養畜禽污染源、水產養殖污染源、農村生活垃圾污染源及農業面源污染源共10種污染源的污染物排放量。然后根據《全國水環境容量核定技術指南》中的規定，結合流域情況選取各類污染源的入河系數，分析水陸響應單元的污染物陸上排放量的對應入河量。由于岷江悅來渡口控制單元內工業污染源，污水直排入河，入河系數取1。城鎮生活污水污染源和規模化畜禽養殖污染源由于靠近河邊，入河系數取0.8。畜禽散養污水、農村生活污水、水產養殖污水、農田面源和生活垃圾視實際情況分別取0.2、0.2、0.1、0.08和0.05[2]。由此計算出各控制子單元污染物入河量，見表3。

表3 悅來渡口斷面各控制子單元總磷入河量統計表Tab.3 The TP pollution load of each subunit in Yuelaidukou section (t/a)

由表3可知，2015年，悅來渡口控制單元總磷入河量為429.29t。其中總磷排放最多的控制子單元是思蒙河東坡區-丹棱縣片區控制子單元，每年排放90.31t總磷進入控制單元水體，占控制單元內總磷負荷總量的21.03%；其次是東坡區江西片區控制子單元，每年排放88.36t總磷進入控制單元水體，占控制單元內總磷負荷總量的20.58%；再次是毛河彭山縣片區控制子單元和東坡區江東片區控制子單元。

根據以上4個控制子單元污染源入河量占比分析，各污染源入河量如表4所示。

表4 總磷入河量較大的4個控制子單元各污染源占比分析Tab.4 Proportion of pollution sources of four subunits which have higher TP load (t/a)

毛河彭山縣片區控制子單元總磷排放主要來自于規模化畜禽養殖污染。東坡區江西片區控制子單元總磷排放主要來自于規模化畜禽養殖污染，其次是城鎮生活污水污染和畜禽散養污染。東坡區江東片區控制子單元總磷排放主要來自于畜禽散養，其次是城鎮生活污水。思蒙河東坡區-丹棱縣片區子控制單元總磷排放主要來自于畜禽散養、其次是規模化畜禽養殖。

4 水體達標系統分析

4.1 環境容量計算

針對控制分區岷江眉山段特點，選取DHI-MIKE 11一維水質模型。通過控制方程的選擇、有限體的離散以及動量方程和連續方程的耦合，模型可以很好的模擬流速、水位、污染物濃度的時空變化，即可模擬一段河道的流動，還可以模擬復雜區域的流動，還可以考慮到露灘等問題，比如支流匯流口、分叉流動等[3]。

4.1.1 模型方程

對影響水質的要素進行了合理概化，對于各種物理化學和生物作用過程對水質的影響，統一概化為綜合衰減，并由綜合衰減系數K表征。通過一系列合理的概化，建立了描述模擬河段水質的一維非恒定流數學模型。

c(x)|ζ=c1

c(t)|t=0=c0

式中，C為污染物濃度；D為擴散系數；ν為斷面平均流速；K為綜合衰減系數；S為源匯項；C1、C0分別為邊界和初始濃度。

模型采用的 MIKE 11 軟件系統中描述水質變化規律的對流擴散方程，采用完全時間和空間中心隱式差分格式進行離散，線性方程組的求解采用雙重掃描算法，在流量節點和水位節點上都求解模擬變量。對流擴散方程采用了無條件穩定差分格式，同時為了減少三階截斷誤差，引入一個校正項，使得帶有梯度較大濃度前鋒面的對流擴散問題得以求解。

4.1.2 初邊界條件

水動力模型中計算域的邊界包括入流邊界，出流邊界以及岸邊界。一般在入流邊界給定上游來量以及濃度值，在出流邊界給定水位條件，在岸邊界直接給定陸地邊界條件。

岷江選擇府河與金馬河匯合口下游100m為上邊界，悅來渡口作為下邊界，上邊界采用多年平均日流量過程，下邊界采用悅來渡口多年平均日水位過程。中間主要支流毛河、醴泉河、思蒙河匯入，采用多年平均日流量過程。毛河選擇謝家鎮毛河上游為上邊界，毛河匯入岷江口為下邊界。上邊界采用多年平均日流量過程，下邊界采用毛河匯入岷江干流斷面的多年平均日水位過程。醴泉河選擇太平村醴泉河上游為上邊界，醴泉河匯入岷江口為下邊界。上邊界采用多年平均日流量過程，下邊界采用醴泉河匯入岷江干流斷面的多年平均日水位過程。思蒙河選擇中隆鄉思蒙河上游為上邊界，思蒙河匯入岷江口為下邊界。上邊界采用多年平均日流量過程，下邊界采用思蒙河匯入岷江干流斷面的多年平均日水位過程。模擬水質指標為總磷。水質模型概化示意圖見圖6。

圖6 一維水動力水質模型河流概化示意圖Fig.6 Schematic diagram of one-dimensional hydrodynamic water quality model

4.1.3 模型參數

4.1.3.1 河床糙率的選取

本文中參考了有關文獻，該模型河床糙率在整個區域內取不同的值，河道曼寧系數內取1/30、1/20、1/20、1/25、1/25。

4.1.3.2 污染物質的衰減系數

污染物消減系數可用實測資料反推、水團追蹤法、類比分析等得以確定。本計算參照地區相關論文資料，利用類比分析選取計算河流消減系數。

模型參數選取見表5。

采用岷江眉山段彭山大橋水文站2015年實測水文數據進行驗證，2015年日均計算水位與實測水位的擬合結果較好。

4.2 總磷環境容量及削減規模計算

以2015年為基準年，根據各控制子單元水質目標計算水環境容量，結合污染負荷，可以理論上確定各控制子單元的削減量與削減比例，見表6。

表5 計算參數匯總Tab.5 Parameters of the model

表6 各控制子單元的總磷環境容量與削減比例匯總Tab.6 TP environment capacity and reduction proportion of each control subunit (t/a)

續表6

序號控制單元河流環境容量總磷污染負荷量54.77削減比例(%)273岷江環境容量86.22東坡區江東片區控制子單元污染負荷量99.59削減比例(%)134黑龍灘水庫控制子單元黑龍灘水庫環境容量47.67污染負荷量27.08削減比例-5思蒙河東坡區-丹棱縣片區控制子單元思蒙河環境容量51.5污染負荷量90.31削減比例(%)436思蒙河青神縣片區控制子單元思蒙河環境容量7.88污染負荷量11.98削減比例(%)34岷江環境容量2.51污染負荷量3.97削減比例(%)377青神縣江東片區控制子單元岷江環境容量17.84污染負荷量25.54削減比例(%)308金牛河-岷江眉山下游片區控制子單元金牛河環境容量11.55污染負荷量12.94削減比例(%)11岷江環境容量13.05污染負荷量29.08削減比例(%)55

從表6可知，若總磷要達到“悅來渡口控制斷面總磷≤0.32mg/L；思蒙河口斷面總磷≤0.3mg/L；醴泉河口斷面總磷實現IV類；橋江橋斷面總磷≤0.33mg/L”的水質目標。在2015年的水質基礎上，毛河彭山縣片區控制子單元毛河需要削減總磷17%，岷江需要削減總磷17%；東坡區江西片區控制子單元和東坡區江東片區控制子單元醴泉河需要削減總磷27%，岷江需要削減總磷13%；黑龍灘水庫控制子單元還有剩余環境容量，不需要削減；思蒙河東坡區-丹棱縣片區控制子單元思蒙河需要削減總磷43%；思蒙河青神縣片區控制子單元思蒙河需要削減總磷34%，岷江需要削減總磷37%；青神縣江東片區控制子單元岷江需要削減總磷30%；金牛河-岷江眉山下游片區控制子單元金牛河需要削減總磷11%，岷江需要削減總磷55%。除了黑龍灘水庫控制子單元外，其余的控制子單元都已經沒有剩余環境容量。

5 結 論

5.1 岷江悅來渡口控制單元納入國家考核的監測斷面有1個，為悅來渡口斷面；納入省考核的監測斷面有3個，分別是思蒙河口斷面、醴泉河口斷面、橋江橋斷面。四個斷面的水質目標分布為：悅來渡口斷面于2020年底前實現“總磷≤0.32mg/L，其他指標為IV類”；岷江思蒙河口斷面于2019年實現“總磷≤0.3mg/L，其他指標為Ⅲ類”；岷江醴泉河口斷面于2020年實現“Ⅳ類”；岷江毛河橋江橋斷面于2019年實現“總磷≤0.33mg/L，其他指標為Ⅳ類”。根據斷面水質評價，悅來渡口斷面從2011年至2015年一直保持為Ⅴ類水體，2016年改善為Ⅳ類，該斷面主要污染因子為總磷。3個省考斷面均為劣Ⅴ類，不能滿足水質目標要求。醴泉河口斷面總磷濃度超標最嚴重，但近幾年有好轉趨勢，相反，思蒙河口和橋江橋斷面總磷濃度有升高趨勢[4]。

5.2 悅來渡口控制單元內總磷排放最多的控制子單元是思蒙河東坡區-丹棱縣片區控制子單元，其次是東坡區江西片區控制子單元，然后是毛河彭山縣片區控制子單元和東坡區江東片區控制子單元。總體看來，這幾個控制子單元的總磷排放主要來自于規模化畜禽養殖污染、畜禽散養污染以及城鎮生活污水污染。

5.3 以2015年為基準，根據各考核斷面水質目標計算各控制子單元水環境容量，結合污染負荷，理論上確定各控制子單元總磷的削減量與削減比例。除了黑龍灘水庫控制子單元外，其余的控制子單元都已經沒有剩余環境容量[5]。4個控制子單元需要削減的比例較大，分別是思蒙河東坡區-丹棱縣片區控制子單元、思蒙河青神縣片區控制子單元、青神縣江東片區控制子單元、金牛河-岷江眉山下游片區控制子單元。

5.4 眉山市岷江悅來渡口控制單元需要加強畜禽養殖污染治理和城鎮生活污水治理，各控制子單元完成相應的削減目標，才能確保控制單元內4個考核斷面達到相應的考核目標。