小安溪流域水質及面源污染評估

朱 虹，敖天其,2，游如玥，高丹陽，張 興

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

0 引 言

當前，銅梁區小安溪河流域地區水環境質量差、水生態受損重、環境隱患多等問題十分突出，影響和損害群眾健康，不利于經濟社會持續發展。全區的水環境污染主要是面源污染為主，因此對銅梁境內小安溪河流域的面源污染進行分析，從根源上解決流域的水環境污染問題。面源污染是指溶解性或固體污染物在大面積降水和徑流沖刷作用下匯入受納水體而引起的水體污染[1, 2]。對于點源污染，人們早期就始了全面的研究以及有效治理，現在面源污染問題日益突出，已經成為了我國水環境治理的待深入研究的問題。本文選取小安溪河流域作為研究區，采用綜合污染指數法對水體污染狀況進行評估，并用輸出系數法和源強系數法對該流域面源污染狀況進行分析。

1 研究區

1.1 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。流域所在區域屬亞熱帶氣候，四季分明，年平均氣溫17.8 ℃。全區地勢西北低、東南高，從東南向西北逐步演變為開闊的方山丘陵。區內溪溝縱橫，水系發達。小安溪河貫穿本區流過，流長88.3 km，相應流域面積490.8 km2。流域內遍布淺丘平壩、寬谷緩丘，上百條支流匯入小安溪，水系發育，水資源開發利用條件較好。

小安溪河上游有兩個源頭，其一小安溪干流于永嘉鎮高龍村入境；其二淮遠河于土橋鎮二道橋入境；下游于舊縣街道的段家塘水質監測斷面出境流入合川區。流域共有玉峽渡口斷面、雙河口斷面、眾志橋斷面和段家塘斷面4個水質監測斷面，詳見圖1。

圖1 水質監測斷面分布圖Fig.1 Water quality monitoring section distribution map

1.2 研究區數據

研究區所用的土地利用現狀數據參照第二次全國土地利用調查資料；社會經濟數據依據銅梁區2015-2018年年鑒及鎮(街道)提供調查資料；其他數據依據銅梁區環保局、銅梁區規劃自然資源局、銅梁區林業局、銅梁區農業農村委、銅梁區畜牧發展中心、銅梁區統計局、銅梁區氣象局、銅梁區發展改革委等提供相關資料。

2 研究方法

2.1 水質評價方法

(1)綜合污染指數法。綜合污染指數法是評價水環境質量的一種重要方法，是對各污染指標的相對污染指數進行統計，得出代表水體污染程度的數值[3]，從而對水質的污染狀況進行評價。綜合污染指數法可以克服用單一指標評價水體質量的局限性，多項指標評價更加全面化、系統化[4, 5]。計算公式為：

(1)

(2)

式中：P為水體的綜合污染指數；n為參加評價的污染物指標數目；Pi為污染物i污染指數；ci為污染物i的監測濃度，由研究區各斷面水質監測數據統計得到；Si為污染物i的評價標準值，按照《地表水環境質量標準》，小安溪河流域水域功能劃分為Ⅲ類水，評價標準值按照Ⅲ類水基本項目標準限值，見表1。

表1 基本項目標準限值Tab.1 Basic item standard limits

綜合污染指數對應的水質分級如下：P≤0.25，清潔；0.25

(2)污染分擔率。污染分擔率是指斷面水體中某種污染物占所有污染物總量的百分比，即該種污染物的濃度貢獻比率，可用于確定斷面的主要污染物。

2004年拍《歷史的天空》，殷桃初生牛犢，第一天第一場戲便是跟李雪健、張豐毅搭。這得多重要。殷桃就不會演了，很簡約的一個打招呼，NG了20多遍。

Ki=Pi/P×100%

(3)

式中：Ki為污染物i的污染分擔率；Pi、P同前式。

2.2 輸出系數法

輸出系數法是由Johnes and O’Sullivan于1989年提出[7]，由于它的簡單和相對穩定性而在許多國家被廣泛應用。本研究采用了修正后的模型計算研究區各污染源TN和TP的輸出負荷量[8]，公式如下：

(4)

式中：L為營養物的流失量，t/a；Ei為營養源i的輸出系數，(km2·a)或kg/(人·a)或kg/(頭·a)；Ai為土地利用類型i的面積，km2，或畜禽養殖類型i的數量(只或頭)，或流域的人口數量(人)，均來源研究區統計數據；p為來自降水的營養物輸入，t/a，由于本研究缺少降水中污染物含量檢測數據，因此本研究未考慮此項。

由于目前掌握的小安溪流域監測資料短缺，故本次研究主要采用文獻綜合法對輸出系數進行確定。根據對長江上游地區大量面源污染研究文獻的分析和調查數據[9-14]，確定本研究的輸出系數，見表2。

表2 研究區非點源輸出系數的分類與取值Tab.2 Export coefficients of NPS in research area

2.3 源強系數法

中國環境科學研究院在2003年中最早提出源強系數法的概念，并得到了廣泛應用。本文將采用四川地區源強系數表[15]，見表3。本文使用該方法計算研究區各污染源的COD輸出負荷量。

表3 各污染源的源強系數及其入河系數Tab.3 Source strength coefficient of each pollution source and its river entry coefficient

農業化肥污染物排放量計算過程為：

(5)

式中：L為農業化肥的污染物排放量，t/a；Ei為農業化肥的源強系數，kg/(hm2·a)；αi為農田的坡度修正值，坡度值通過在arcgis軟件中處理計算得到；Si為土壤修正系數，土壤類型通過分析土壤分布圖得到；Pi為降雨量修正系數，通過分析降雨量得到；Ci為農作物類型修正系數，根據土地利用類型圖在arcgis軟件中處理計算得到；Fi為化肥施用量修正系數，通過分析化肥施用量得到，均無量綱。農業化肥的源強系數修正見表4。

表4 農業化肥污染源強系數修正結果Tab.4 Correction results of agricultural fertilizer pollution source intensity coefficient

生活污水以及畜禽養殖污染物排放量計算過程為：

(6)

式中：L為污染物排放量，t/a；Ei為源強系數，g/(人·d)或g/(頭·d)；D為生長周期，計算生活污水時取值為365 d，根據《畜禽養殖業污染物排放標準》，豬的飼養周期取150 d；M為流域的人口數量(人)或畜禽養殖的數量，頭。

3 結果分析

3.1 水質評價

本文選取玉峽渡口、雙河口、眾志橋和段家塘4個水質監測斷面進行水質評價，根據2018年水環境監測數據以及當地污染情況，選擇化學需氧量(COD)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮、五日生化需氧量、硫化物、氟化物以及高錳酸鹽指數這8個評價因子對小安溪流域水質進行評價。

采用綜合污染指數法對小安溪流域4個斷面2018年全年以及豐水期、平水期、枯水期的污染指數進行計算，結果見表5。段家塘、眾志橋以及雙河口斷面水質級別均為重污染，玉峽渡口斷面水質級別為中污染。總體而言，小安溪流域4個斷面的水質都比較的差，玉峽渡口斷面的情況要略優于其他斷面。從不同的時期來看，豐水期的水質要優于平水期和枯水期，這可能是因為豐水期水環境容量增大，水體自凈能力增強。

表5 各斷面綜合污染指數Tab.5 Comprehensive pollution index of each section

選取的8個評價因子的污染分擔率如圖2所示，TN的分擔率明顯高于其他因子，均在36%以上，其次是COD和TP，污染分擔率分別在10.09%～15.75%和7.79%～14.40%之間。其他評價因子的分擔率較低，均未達到10%。各斷面TN、COD和TP的污染分擔率之和均超過60%，小安溪流域主要影響因子為TN、COD和TP。

圖2 各斷面評價因子污染分擔率Fig.2 Pollution sharing rate of evaluation factors by each section

3.2 面源污染分析

通過對研究區的水質評價，可以看出小安溪流域水體污染情況十分惡劣，水質嚴重超標。為了進一步研究流域污染情況，選擇TN、COD和TP 3種主要污染物，結合源強系數法和輸出系數法對流域2018年面源污染情況進行污染負荷模擬。

3.2.1 面源污染總量分析

利用源強系數法計算農業化肥、畜禽養殖、農村生活污水以及城鎮生活污水的COD輸出負荷量分別為719.49、35.76、309.65、4 193.70 t/a；利用輸出系數法計算農業化肥、畜禽養殖、農村生活污水以及城鎮生活污水TN輸出負荷量分別為52.31、71.76、198.29、268.58 t/a；利用輸出系數法計算農業化肥、畜禽養殖、農村生活污水以及城鎮生活污水TP輸出負荷量分別為3.46、8.80、27.25、36.88 t/a。

從表6可以看出，研究區TN、COD以及TP的總等標污染負荷比分別為47.82%、21.28%和30.91%，三者比例為2.25∶1∶1.45。從污染物角度分析，小安溪流域內最嚴重的污染物為TN，與水質評價結果相吻合。

表6 污染負荷表Tab.6 Pollution load table

污染源的負荷貢獻率順序為：城鎮生活污水>農村生活污水>畜禽養殖>農業化肥。污染源的輸出負荷量中以生活污水為主，城鎮生活污水尤為突出。這是由于銅梁城區管網建設不完善、城區污水處理廠處理標準低且部分溢流排污口截流不徹底，直接排入巴川河、淮遠河。

3.2.2 面源污染空間分析

研究區面源污染TN、COD以及TP的等標污染負荷空間分布如圖3所示。從圖3中可以看出，污染物在各個鄉鎮的空間分布情況較為一致，城區段污染相對較重。在TN、TP等標污染負荷中，貢獻率最大的鄉鎮為巴川街道，其次是南城街道、虎峰鎮。在COD等標污染負荷中，貢獻率最大的鄉鎮也為巴川街道，其次是東城街道、南城街道。總之，巴川街道、南城街道、虎峰鎮、東城街道為面源污染主要治理鄉鎮。

圖3 各鄉鎮等標污染負荷Fig.3 Equivalent pollution load of each township

3.2.3 結果檢驗

本文采用源強系數法計算四種污染源的COD輸出負荷量，用輸出系數法計算TN和TP輸出負荷量。現利用小安溪流域2017-2018各斷面污染物監測值對計算結果進行驗證，TN、COD、TP監測濃度均值分別為2.25、21.22、0.26 mg/L，將其與銅梁境內小安溪流域多年平均徑流量(3.02 億m3)相乘，得到研究區TN、COD、TP負荷量為679.50、6 408.44、78.52 t/a，計算結果和監測結果相對誤差分別為13.03%、17.94%、2.71%，見表7。考慮到面源污染會受到降雨、土壤類型和地形等因素的影響，以及沒有統計的點源污染負荷(如工業)的影響，計算結果與實際的監測結果較為相近。

表7 計算與監測結果對比Tab.7 Comparison of calculation and monitoring results

4 結論和建議

本文用綜合污染指數法對小安溪流域水質進行評價，用源強系數法和輸出系數法，選擇了城鎮生活污水、農村生活污水、畜禽養殖和農業化肥這4種污染源以及TN、COD、TP 3種污染物，對小安溪流域進行了面源污染分析，結論和建議如下。

(1)小安溪流域的水質整體較差，段家塘、眾志橋以及雙河口斷面水質級別全年均為重污染，流域主要影響因子為TN、COD和TP，其中，TN的污染分擔率達到了36%以上，面源污染問題突出。

(2)從污染物角度分析，研究區TN、COD以及TP的等標污染負荷比分別為47.82%、21.28%和30.91%，小安溪流域內最嚴重的污染物為TN，與水質評價結果一致。

(3)從污染源角度分析，城鎮生活污水和農村生活污水的等標污染負荷比和達到81.94%，生活污水的治理已經刻不容緩。

(4)從鄉鎮角度分析，TN、COD以及TP的等標污染負荷空間分布情況較為一致，城區段污染相對較重，重點治理鄉鎮為巴川街道、東城街道、南城街道和虎峰鎮。