小安溪流域水環境污染綜合評估

游如玥，敖天其，2，朱 虹，高丹陽，張 興

(1.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065；2.水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065)

隨著銅梁區經濟的快速發展，其水環境質量每況愈下，居民的生活質量受到了一定影響。因此，本文選取銅梁境內的小安溪流域作為研究對象，進行水質和面源污染分析，目的是從根源上解決流域的水環境污染問題。流域水環境污染主要分為點源污染和非點源污染。從21世紀初開始，我國對于非點源污染的研究發展迅速，影響力也逐漸變大[1]。國外對流域非點源污染的研究起步較早，日本在20世紀30年代開始了對水體富營養化的研究，美國在20世紀60年代開始致力于研究面源污染，其他國家從20世紀80年代以來相繼開發了流域非點源污染的模擬系統[2]，國內外對非點源污染的模型開發逐漸深入，具有代表性的模型有SWAT、HSPF、AGNPS、SWMM、BASINS等[3]。將污染源進行分類，通過一系列模擬計算和水質分析，確定該流域的主要污染源和主要污染物以及重點治理鄉鎮(街道)，針對性提出治理措施和建議，為研究區的水污染治理[4]提供理論依據和數據支撐。

1 研究區概況

重慶市銅梁區位于四川盆地東南部、重慶市西北部，介于北緯29°31′10″至30°5′55″、東經105°46′22″至106°16′40″之間，南北長62 km，東西寬約48 km，幅員面積1 343 km2。小安溪河流經區內長為88.3 km，多年平均流量16.5 m3/s，年均徑流量5.20億m3，區內流域面積688 km2。通過GIS軟件中的水文分析提取出的研究區水系圖如圖1所示。

目前，小安溪流域水環境質量差、水生態受損重、環境問題突出，不利于經濟社會持續發展。經現場調查，全區水環境污染以農業面源污染為主。

圖1 小安溪流域水系

2 研究方法

2.1 數據來源

研究用到的土地利用現狀數據是第二次全國土地利用調查資料，人口數、畜禽養殖量等數據來源于銅梁區2015年～2018年年鑒及相關鄉鎮，實測水質數據、農藥化肥施用量、污水處理廠情況等數據來源于銅梁區環保局、規劃自然資源局、林業局、農業農村委、畜牧發展中心、統計局、氣象局及流域內各鎮人民政府。小安溪流域(銅梁境內)共流經17個鄉鎮，本文以鄉鎮為尺度進行計算分析。

2.2 輸出系數法

輸出系數模型[5- 6]由于其簡單和相對穩定而在許多國家被廣泛應用。1996年，Johnes[7]在原始模型基礎上進一步進行了修正，修正后的模型加入了人口、牲畜的影響，公式如下

(1)

式中，L為污染物負荷量，t/a；Oi1為營養源i1的輸出系數，t/(km2·a)；Ai2為土地利用類型i2的面積，km2(或畜禽養殖類型的數量，頭，或流域的人口數量，個)；Ii3為對污染源i3的輸入量，t/a；P為來自降水的營養物輸入，t/a。因為本研究缺乏大氣降水所含污染物的實測數據，故未考慮該項。

因小安溪流域的實測數據欠缺，所以本次研究輸出系數的確定采用參考文獻法，主要參考了長江地區的大量面源污染相關研究文獻和實測數據資料、流域面源污染綜合治理報告，參照張洪波等人[8]關于農村非點源污染輸出系數的研究，綜合研究區的地理位置和水環境狀況，最終確定本研究的輸出系數(見表1)。

表1 輸出系數

2.3 等標污染負荷法

等標污染負荷法[9-11]是把各類污染源的排放量、排放濃度或入河量與其對應環境評價標準作比較，得到一個百分比，從而轉化到同一尺度上面進行比較，加大了評估的準確性。本文利用該方法對研究區的主要污染源和主要污染物進行評價。即

Pi/Pi總=qi/C0i

(2)

(3)

Ki=(Pi/Pi總)×100%

(4)

式中，Pi為i污染物的等標污染負荷；qi為污染物的年排放量；C0i為該類污染物的評價標準；Pi總為區域中某污染物的總等標污染負荷；Pin為第n個污染源中，污染物i的等標污染負荷；Ki為i污染物的等標污染負荷比。

2.4 源強系數法

2003年，中國環境規劃院提出了源強系數法[12]，國內對于非點源污染排放量的計算已經大量使用了源強系數法[13]。即

L=aiSiPiCiFiEi

(5)

式中，L為農田地表徑流的污染物排放量，t/a；Ei為標準農田地表徑流的源強系數，t/(hm2·a)；ai為第i種農田的坡度修正值；Si、Pi、Ci、Fi分別為土壤類型、降雨量、作物類型和化肥施用量的修正系數。本文所采用四川地區的源強系數[14]見表2。

表2 各污染源COD源強系數

2.5 水質評價方法

目前，水質評價中最普遍使用的方法是單因子指數法，其優點是計算簡便、能直觀反映出某一項污染物的影響；缺點是不能全面反映水環境污染的綜合情況，結果片面，不具有代表性。為了評價結果的全面性，本文選用綜合污染指數法中的內梅羅指數法[15-17]。其計算過程簡潔、高效，因為考慮到最大值的影響，所以更能直觀地綜合反映出水質評價的結果。本文利用所選指標的實測濃度和標準濃度，以Ⅲ類水的標準值作為基準進行計算，公式為

Fi=Ci/Coi

(6)

(7)

(8)

式中，Ci為實測濃度；Coi為標準濃度；Pi為斷面內梅羅指數；P為加權平均內梅羅指數。為減小不同斷面差異性的影響，保證結果的準確性，將內梅羅指數法稍作改進，本文選取4個斷面的加權平均內梅羅指數作為最終流域水質情況的判定依據。內梅羅指數和水質等級對應關系見表3。

表3 內梅羅指數和水質等級

3 結果分析

3.1 主要污染源和主要污染物

由于不同種類污染物的環境容納量有所差異[18]，為了轉化為統一標準來對比分析污染情況，本文引入了等標污染的概念，并且分別對研究區17個鄉鎮4種污染源和3種污染物的等標污染負荷量以及等標污染負荷比進行計算和分析(見表4)。

表4 等標污染負荷 (t·a-1)/(mg·L-1)

結果顯示TN為主要污染物，城鎮居民生活污染為主要污染源。其原因主要是小安溪流域城鎮污水處理設施落后，農業面源污染嚴重。TN是有機氮、氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的總和，為減少氮對環境的污染，應加強控制耕地的氮肥施用量[19-20]、提高居民生活污水和生活垃圾的處理效率。

圖2 各鄉鎮COD總等標污染負荷空間分布

圖3 各鄉鎮TN總等標污染負荷空間分布

污染物的空間分布如圖2、3、4所示。綜合而言，城區段污染相對較重，應當及時采取面源污染防控措施、最大程度上減少居民生活污染量。面源污染分布比較集中并且嚴重的鎮(街道)為巴川街道、東城街道、南城街道和虎峰鎮，其TN等標污染負荷總量均超過了60(t·a-1)/(mg·L-1)。

表5 水質評價結果

圖4 各鄉鎮TP總等標污染負荷空間分布

3.2 水質評價結果

根據《地表水環境質量標準》，小安溪河流域目標水質為地表水Ⅲ類水。本文選取小安溪流域的段家塘、雙河口、眾志橋和玉峽渡口4個監測斷面，以2017年～2018年的實測水質資料作為評價基礎，選用一般化學指標、富營養化指標和有毒有害指標中的10個代表性污染指標作為評價因子，利用內梅羅污染指數法進行計算。水質評價計算結果見表5。

由表5可以看出，小安溪流域2017年、2018年的水質整體較差，平均每年有高達70%的污染指標未達到Ⅲ類水水質標準，水質等級基本都為Ⅳ類，部分指標的污染程度甚至達到Ⅴ類。水質按季節呈規律性變化，豐水期整體水質要略優于枯水期。這可能是因為豐水期流域內水的總量更為豐富，水環境容量更大，相當于污染物被稀釋了，流域內水體自凈能力更好，所以污染物的濃度較低。其中，TN的內梅羅污染指數最大，均為Ⅴ類水標準。這說明研究區氮污染最為嚴重，和上述面源污染計算結果一致。

4 現狀與防治措施建議

4.1 現狀總結

(1)小安溪河流域4種污染源的等標污染負荷從大到小依次是：城鎮居民生活污染>農村居民生活污染>畜禽養殖污染>農藥化肥污染。研究區等標污染以生活污水為主，污廢水排放量大并且處理不達標，是造成水環境污染的一個重要原因。

(2)研究區內三種污染物的等標負荷總量從大到小依次是：TN>TP>COD。氮污染是造成研究區水質差的重要原因之一。即，農藥化肥的不合理使用以及畜禽、生活污水的不達標排放所致。

(3)研究區的污染物空間分布情況較為一致。其中，巴川街道、東城街道、南城街道和虎峰鎮的污染最為嚴重，其地理位置均靠近城區段，應確定為重點治理鄉鎮區域。

(4)研究區的輸入性污染嚴重，入境水質嚴重超標，來水水質的較差給銅梁區水環境治理帶來了巨大的壓力。

4.2 措施建議

針對小安溪河流域的水環境質量現狀評估結果和小流域面源污染治理的主要困難[21-24]，提出防治措施。

(1)工程措施：①建設升級污染嚴重鄉鎮的生活污水處理系統。巴川街道、東城街道、南城街道和虎峰鎮是研究區內污染集中且嚴重的鄉鎮，而生活污染是該地區水污染最重要的原因之一。因此，需要對這幾個鄉鎮生活污水處理設置不合格或者年久失修的處理廠進行改造和修理，或新建污水處理廠，以保證居民生活污水能得到及時處理。②小安溪河流域面源防污帶建設。在小安溪流域中農藥化肥使用相對集中、污染物排放相對較多街道附近設置防污工程，在全流域形成區域性的網狀“截污溝”以攔截進入到流域的污染物，起到源頭防治的作用。

(2)非工程措施：①以“控源截污—水質凈化—生態修復”[23]為主要思路，對巴川街道、東城街道、南城街道和虎峰鎮，投入更多的資金，加大治理力度；②聯合永川區、大足區，進行上下游河長制聯動治理；③在靠近城區段鄉鎮建立實施水體達標獎懲制度，達標則獎，不達標則重罰；④積極宣傳水污染防治相關政策法律。

5 結 論

本文結合水文學、環境學、地理信息科學，多角度綜合評估了小安溪流域的水污染現狀，將改進的內梅羅指數法和面源污染綜合模型相結合，使得現狀分析更加全面，從而提出了具體的污染治理措施。對傳統的水質分析方法加以修正，提高了模擬精度。但由于水質監測數據資料收集的不足，對水質部分的分析深度仍有欠缺，后續還需加強研究。