基于排污分區的流域水環境污染特征分析：以莆田市荔城區南洋水系為例

陳 浩 忻 飛 楊棠武 張 鵬 沈 翔 史新星 安樹青,3*

(1 南京大學建筑規劃設計研究院有限公司，江蘇，南京，210024；2 南京大學常熟生態研究院，南大(常熟)研究院有限公司，江蘇，蘇州，215501；3 南京大學生命科學學院，江蘇 南京 210046)

隨著中國經濟的高速發展，環境污染問題日益凸顯，人們對良好生態環境的需求日益增加，水污染問題也成為當前的熱點問題(Romanelli et al, 2021)。水環境污染不但影響著社會經濟的可持續發展，也影響著人們的生命安全。在推進社會經濟發展的同時，做好生態環境保護工作，強化水環境污染的治理與預防，已成為新時期經濟發展與改革的重要主題(Feng et al, 2021; 杜明虹等, 2021)。

福建省莆田市荔城區南洋水系是莆田市污染較為嚴重的水系，生活污水排入、生活垃圾傾倒、農業面源和城市徑流增加，導致南洋水系大部分河段水質為Ⅴ類水、劣Ⅴ類水，局部河道出現黑臭現象。現有的排澇溝渠淤積嚴重，部分原本清澈見底的河道已經成為污水溝，散發出怪味，蚊蟲滋生，嚴重影響了城市環境和人民群眾的身體健康(黃金志, 2009)。

目前，流域水環境污染特征主要通過劃分流域分區進行區域分析(Sohoulande Djebou, 2018)。楊中文等(2020)通過鄱陽湖流域內劃分流域分區對總磷污染源進行解析，張岸飛(2019)等分流域對增江水污染物排放特征進行研究，劉修英等(2020)分河段流域對賈魯河鄭州段污染源進行解析。莆田市荔城區城市排水管網、道路等基礎設施建設改變了南洋水系原有的污染物入河途徑，單純采用原有的水系流域分區來分析污染物對河流水質的影響與河流水質現狀不符。本研究綜合考慮水系流域分區、排水管網分區、道路分區，并結合水質監測斷面，將南洋水系劃分為后廖片區、港利片區、洋埕片區和東郊片區4個排污分區，分析南洋水系的污染物類別、數量、匯流方式、水系容量等特征，探究不同片區水質的污染程度及其主要污染源并提出建議，為南洋水系及周邊水系水環境治理提供借鑒意義。

1 研究區概況

荔城區南洋水系位于福建省莆田市荔城區，南洋平原位于木蘭溪下游南側，西起木蘭陂，東至東山閘，南至嶺頭山、壺公山、笏石、北高，總面積165 km2。福泉高速貫穿整個南洋平原，南洋平原高速路西面集雨面積為80.3 km2，主要排水河道有渠橋河、洋埕河和東郊河。南洋平原高速路東面集雨面積84.5 km2，主要排水河道為和平河。針對南洋平原高速路西面區域的后廖水閘斷面、港利水閘斷面、西洪水閘斷面和東郊河斷面的4個水質斷面進行水質分析(圖1)，其對應河道分別為錦墩河、渠橋河、洋埕河和東郊河。

圖1 南洋水系圖Fig.1 Nanyang water system map

2 研究方法

2.1 排污分區劃分

荔城區南洋水系以渠橋河為區域供水河道，后廖水閘、后廖東側農田水閘、港利水閘(渠橋河)、西洪水閘(洋埕河)、西洪水閘西側農田水閘、東郊河6個斷面為區域出水斷面。本研究綜合水系流域分區、排水管網分區、道路分區，結合水質監測斷面，為方便后期污染特征分析，將南洋水系劃分為9個排污分區(圖2)。

圖2 排污分區圖Fig.2 Watershed zoning

其中，后廖片區、港利片區、洋埕片區及東郊片區分別向后廖水閘斷面、港利水閘斷面、西洪水閘斷面和東郊河斷面4個水質監測斷面排放污染物，其他排污區（如東井片區、和平片區等）日常幾乎不排水，或不向研究區水質監測斷面排水，不作為研究范圍。因此，本研究區分別為后廖片區、港利片區、洋埕片區和東郊片區。根據衛星影響及土地利用現狀調查分析，確定4個排污分區土地利用情況(表1)。

表1 排污分區土地利用現狀表Table 1 Status of land use in watershed Zones

2.2 水環境容量計算方法

2.2.1 邊界條件設定考慮流域水系特征、水文特征、排污狀況、水體水質目標以及水環境管理方面的需求等因素，確定水環境容量計算的邊界條件如下：(1)選擇河流分段進行水環境容量計算；(2)選擇補水水質Ⅳ類水作為河道來水水質；(3)選擇Ⅳ類水作為目標水質。

2.2.2 環境容量測算設計條件說明

(1)環境容量單元。為了更好地分析流域現有水環境容量，為后續污染物負荷削減奠定基礎，本方案分單元進行水環境容量核算。

(2)測算模式選擇。根據《全國水環境容量核定技術指南》(中國環境規劃院, 2003)采用一維模型測算水環境容量。假定污染物濃度僅在河流縱向上發生變化，污染物在較短時間內基本能混合均勻，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。

當控制斷面符合指定的水質標準時，河流中某種非持久性污染物的環境容量計算公式為：

式中：W為環境容量(kg/d)；Qh為河流雨季或非雨季期流量(m3/s)；C0為河流對照斷面的背景濃度(mg/L)；Cs為河流水質控制標準濃度(mg/L)；K為污染物綜合降解系數(1/d)；L為河流長度(m)；U為河流斷面平均流速(m/s)。

2.3 污染源核算法

項目區主要污染源包括4類：(1)生活源污染，指未完全截污的生活污水造成的污染；(2)農業面源污染，指農業生產活動中，農田中的氮、磷等營養元素通過農田排水進入水體所引起的污染；(3)初期雨水污染，指降雨初期溶解空氣中的酸性氣體、汽車尾氣、工廠廢氣等污染性氣體，沖刷屋面、瀝青混凝土道路等后排入水體產生的污染；(4)內源污染，指進入水體中的營養物質通過各種物理、化學和生物作用，逐漸沉降至湖泊底質表層，當累積到一定量后再向水體釋放形成的污染。

2.3.1 生活源污染核算生活源污染通過人口數量核算，區域人口數來自統計局數據。水量計算參數根據《室外排水設計規范》(上海市市政工程設計研究總院, 2016)計算。按照相關部門提供數據，管網截污率取70%計算。生活污水水質參考南方生活污水水質數據，其中，CODCr濃度為250 mg/L，氨氮濃度為20～30 mg/L(本項目暫取為25 mg/L)，總磷濃度為2～4 mg/L(本項目暫取為3 mg/L)。

2.3.2 農業面源污染核算農業面源污染通過農田面積核算，區域農田面積數據來自衛星影像分析；源強系數根據《全國水環境容量核定技術指南》(中國環境規劃院, 2003)中的標準農田源強系數和修正系數選取。

2.3.3 初期雨水污染核算初期雨水污染通過城市建成區面積核算，按照8 mm降雨核算水量，結合以往研究對城市道路初期雨水徑流污染物濃度分析，選取CODCr平均濃度為80 mg/L，氨氮平均濃度為2.0 mg/L，總磷平均濃度為0.5 mg/L (李暢等, 2011; 李帥杰等, 2021; 車伍等, 2016)。

2.3.4 內源污染核算動水條件下水體中淤污泥顆粒以懸浮釋放為主，淤污泥中蓄積污染物的動態釋放速率與流速基本成指數增長關系(中國環境規劃院, 2003)，釋放速率計算公式為：

式中 ：R為釋放速率[mg/(m2.d)] ；U為流速(m/s)；α為流速修正系數，取值范圍為0.003～0.006。

3 結果與分析

3.1 污染物入河總量及水環境容量分析

南洋水系4個排污分區內水環境容量核算結果詳見表2。其中，港利片區的CODCr、氨氮和總磷水環境容量均為最大，后廖片區的均為最小，且遠遠小于其余3個片區。南洋水系4個小排污分區總水環境容量CODCr為11 536.29 kg/d、氨氮為224.40 kg/d、總磷為21.33 kg/d。

表2 南洋水系排污分區水環境容量核算結果 kg/dTable 2 Results of water environmental capacity of watershed zones of Nanyang river basin kg/d

南洋水系4個排污分區CODCr、氨氮和總磷的入河總量呈現不同趨勢(圖3)。其中，CODCr的入河總量變化趨勢與城市徑流污染趨勢一致，均為港利片區＞洋埕片區＞東郊片區＞后廖片區，表明CODCr入河量與城市徑流污染相關(表3，圖3A)。氨氮的入河總量與污染源趨勢不一致，表現為：港利片區＞東郊片區＞洋埕片區＞后廖片區，表明氨氮污染是多種污染源作用的結果(表3，圖3B)。總磷的入河總量與污染源趨勢不一致，表現為：東郊片區＞港利片區＞洋埕片區＞后廖片區，表明總磷污染是多種污染源作用的結果(表3，圖3C)。

表3 南洋水系排污分區污染源核算結果 kg/dTable 3 Results of pollution sources of watershed zones of Nanyang river basin kg/d

除CODCr外，氨氮和總磷的水環境容量均小于污染物入河量，因此該區域河流主要污染物為氨氮和總磷。

后廖片區的CODCr排放量大于水環境容量(圖3A)，表明后廖片區河流自凈能力無法正常降解排放入水體的CODCr，因此后廖片區河流存在CODCr污染。而港利片區、洋埕片區和東郊片區的CODCr排放量均小于水環境容量，表明這些片區水體能夠降解其入河的CODCr，因此對于港利片區、洋埕片區和東郊片區水體CODCr不存在超標現象，該結論與水體現狀水質一致。

4個片區氨氮排放量均大于水環境容量(圖3B)，表明河流自凈能力無法正常降解排放入水體的氨氮，因此4個片區的河流均存在氨氮污染。剩余氨氮等于氨氮排放量和水環境容量的差，由圖4B可埕片區＜東郊片區＜后廖片區，表明后廖片區水體氨氮污染最重，其次為東郊片區、洋埕片區、港利片區，該結論與水體現狀水質一致。

圖3 CODCr、氨氮和總磷的入河總量與水環境容量分析Fig. 3 Analysis of water environmental capacity and total inflow of CODCr, ammonia-nitrogen and total phosphorus

圖4 不同污染源的污染物污染貢獻率Fig.4 Pollution contribution rate of each pollutant in different pollution sources

4個片區總磷排放量均大于水環境容量(圖3C)，表明河流自凈能力無法正常降解排放入水體的總磷，因此4個片區河流均存在總磷污染。剩余總磷等于總磷排放量與水環境容量的差，由圖3C可知，剩余總磷污染物由小到大依次為：洋埕片區＜港利片區＜后廖片區＜東郊片區，表明東郊片區水體總磷污染最重，其次為后廖片區、港利片區、洋埕片區，該結論與水體現狀水質一致。

3.2 污染源貢獻率分析

污染源貢獻率指該污染源排放的污染物占入河污染物總量的比例。南洋水系4個排污分區的污染源核算結果詳見表3。南洋水系4個小排污分區總排污量中，CODCr為6 983.31 kg/d、氨氮為443.47 kg/d、總磷為99.83 kg/d。

CODCr的污染源貢獻率在各分區內呈一致的趨勢，從高到低依次為城市徑流＞生活源＞農業面源＞內源(圖4A)，表明區域河流內CODCr污染主要來源為城市徑流和生活源污染，兩者總占比為86.49%～93.71%。控制區域CODCr污染主要需控制城市徑流和生活源污染。

氨氮的污染源貢獻率呈現出不同趨勢，各分區中生活源的氨氮貢獻率最高，占比50%以上，其次農業面源和城市徑流相當，基本占比在20%左右(圖4B),表明區域河流內氨氮污染主要來源為生活源污染，控制區域氨氮污染主要需控制生活源污染。該趨勢與秦柳等(2020)南湖污染源解析與污染負荷核算中的趨勢一致。

各分區中農業面源的總磷貢獻率最高，占比40%以上，其次生活源和城市徑流相當，基本占比在30%左右(圖4C),表明區域河流內總磷污染主要來源為農業面源、城市徑流和生活源污染，控制區域總磷污染主要需控制農業面源污染。該趨勢與楊中文等(2020)基于源匯過程模擬的鄱陽湖流域總磷污染源解析，以及謝經朝等(2019)對漢豐湖流域農業面源污染氮磷排放特征分析中的趨勢一致。

4 結論與建議

莆田市荔城區南洋水系水污染問題已嚴重影響了城市環境和人民群眾的身體健康，采用劃分排污分區的方法，分析南洋水系水環境污染特征，結果表明：該地區水體除CODCr外，氨氮和總磷的水環境容量均小于污染物入河量，因此該區域河流主要污染物為氨氮和總磷。尤其是后廖片區的水環境容量較小，應對自然水體進行生態修復，恢復水生動植物，增強自然水體的自凈能力，提升水環境容量。

結合污染源分析發現，生活源污染對氨氮貢獻率最高，因此應該在各區域實施污水收集系統提標改造工程，對生活源污水進行截污管網建設，增加城鎮污水收集率，減少生活源污染入河；針對較遠農村生活源，可建設分散式污染處理設施，加強對生活源污染處理。另外，在4個片區中，農業面源污染對總磷貢獻率最高，應采用源頭控制、過程攔截和末端治理相結合的措施對農業面源污染進行治理。減少化肥、農藥使用量，優化種植結構，實現源頭控制；建設生態攔截溝、生態溝渠等實現過程攔截；在末端建設濕地工程等實現農業面源污染治理。