渠江流域(宣漢段)水質及面源污染優(yōu)先控制區(qū)研究

肖欽太，敖天其，2，向 鑫

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

0 引 言

相對于水環(huán)境的點源污染而言，面源污染物由于環(huán)境及徑流的不確定性而更為復雜；因此其危害規(guī)模更大，防治也更為困難。優(yōu)先控制區(qū)的識別已成為流域面源污染的核心理念和關鍵所在，面源污染優(yōu)先控制區(qū)即指流域內(nèi)對水環(huán)境質量有著決定性影響的敏感區(qū)域。

宣漢縣地處四川盆地東北大巴山南麓，位于渝、川、陜、鄂結合部，介于東經(jīng)107°22′～108°32′，北緯31°06′～31°49′之間。宣漢縣境內(nèi)東西最長跨度為110.6 km，南北最寬相距78.8 km，邊界線長590.6 km，全縣面積4 271 km2。宣漢縣境內(nèi)河流大部分屬渠江水系上游州河支流，個別河流屬巴河支流(如長灘河)，前河、中河的源頭在縣境外重慶市城口縣境內(nèi)。前、中、后河縱橫全境于宣漢縣城西北部匯為州河。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本次研究所收集到的資料有：研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口與面積數(shù)據(jù)、實測斷面水質數(shù)據(jù)、畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)、近幾年社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、土地化肥施用數(shù)據(jù)、土地利用及土壤類型數(shù)據(jù)等。資料來源于宣漢縣統(tǒng)計年鑒及鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)、生態(tài)環(huán)境局等相關部門。

1.2 面源污染分析方法

1.2.1 輸出系數(shù)法

輸出系數(shù)法由美國、加拿大在研究土地利用-營養(yǎng)負荷-湖泊富營養(yǎng)化關系的過程中提出[1]。后經(jīng)多位學者研究改進，改進的輸出系數(shù)法將面源污染分為城鎮(zhèn)、農(nóng)村、農(nóng)田、人口、牲畜等幾大類，對于不同類型的土地利用或不同的居民面源污染狀況采用不同的系數(shù)，公式為

(1)

式中，L為營養(yǎng)物的流失量，t/a；Ai為土地利用類型i的面積，km2，或畜禽養(yǎng)殖類型i的數(shù)量(頭)，或流域的人口數(shù)量(人)；Ei為營養(yǎng)源i的輸出系數(shù)，t/(km2·a)或kg/a；Ii為對污染源i的輸入量，t/a；p為來自降水的營養(yǎng)物輸入[1]，t/a。

目前國內(nèi)系統(tǒng)且全面的輸出系數(shù)研究很少。丁曉雯等提出了一種基于歷史水文水質資料的參數(shù)確定方法，并應用該方法對長江上游2000年的輸出系數(shù)和總氮負荷進行了計算和模擬[2]，結果能夠滿足模擬精度的要求。本文在前人研究成果的基礎上進一步結合文獻查閱得到研究區(qū)的輸出系數(shù)，得到本研究區(qū)的輸出系數(shù)表(見表1)。

表1 研究區(qū)不同面源的綜合輸出系數(shù)

1.2.2 源強系數(shù)法

參考中國環(huán)境規(guī)劃院于2003年在《中國水環(huán)境容量核定技術指南》中提出的源強系數(shù)法[1]。該方法中的標準污染源是指某些特征值被限定的污染源，首先對每一種污染源特征分析，然后再對標準的源強系數(shù)進行修正，最后得到研究區(qū)各污染源的源強系數(shù)表(見表2)。

表2 各污染源的COD源強系數(shù)及入河系數(shù)

以農(nóng)村生活污水為例，即

(2)

式中，l為農(nóng)村生活污水污染物排放量，t/a；ei為源強系數(shù)，g/(人·d)；D為周期系數(shù)，計算農(nóng)村生活污水時取365 d；Mi為流域內(nèi)的人口數(shù)(人)。根據(jù)《中國水環(huán)境容量核定技術指南》[3]，其給定的農(nóng)村生活污染物排放系數(shù)只是初步指標，最終指標還需要結合各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的用水、排水量，用人均用水量和污染物濃度來校核后確定。

1.3 水質評價方法

1.3.1 綜合污染指數(shù)評價法

綜合污染指數(shù)法是評價水環(huán)境質量的一種重要的多因子評價方法。綜合污染指數(shù)評價法涵蓋了多種污染指數(shù)，可以在時空上對不同河段不同時段的水體進行水質分析，改善了用單項指標表征水質污染不夠全面的欠缺[4]。綜合污染指數(shù)法利用單個檢測指標的檢測結果與評價標準比值作為單項污染指數(shù)，進一步求出各單項污染指數(shù)的算術平均值，最終得到綜合污染指數(shù)，公式為

Pi=Ci/Co

(3)

(4)

式中，Pi為污染物i的單項污染指數(shù)；Ci為污染物i的監(jiān)測濃度；Co為污染物i的評價標準值；m為污染物種類數(shù)。綜合污染指數(shù)最終評價等級見下表(見表3)。

表3 綜合污染指數(shù)和水質等級分類

1.3.2 改進內(nèi)梅羅指數(shù)法

(5)

表4 改進內(nèi)梅羅指數(shù)和水質等級分類

2 結果分析

2.1 水質評價

根據(jù)宣漢縣渠江流域前、中、后河及州河的地理位置和水質監(jiān)測斷面的分布情況，選取徐家坡斷面，普光斷面，鄉(xiāng)石鷹斷面，以綜合污染指數(shù)和改進內(nèi)梅羅指數(shù)作為評價指標，進行綜合水質評價，斷面位置圖及水系圖見圖1。根據(jù)宣漢縣2020年河長制斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)及流域大致污染情況，選取化學需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)等4個評價因子對渠江流域(宣漢段)進行水質評價。

圖1 監(jiān)測斷面位置關系及水系

根據(jù)氣候、降雨等因子的影響將研究區(qū)全年分為枯水期(1月～3月)，平水期(4月～6月、10月～12月)和豐水期(7月～9月)。采用綜合污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法對研究區(qū)3個監(jiān)測斷面2020年全年各個水期的污染指數(shù)進行計算并評定污染等級，結果見表5。

表5 各斷面不同水期的水質評價結果

2.1.1 水質空間分析

從空間上分析可知，3個斷面在各個水期的綜合污染指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)中普光斷面的指數(shù)最小，水質相對最優(yōu)，鄉(xiāng)石鷹斷面的指數(shù)最大，水質相對最差，徐家坡斷面居中。3個斷面的綜合污染指數(shù)均小于0.5(輕污染)，且內(nèi)梅羅指數(shù)中除平水期外水質等級都屬于三類以下。因此，可以判斷，3個斷面的水質情況都較好。

2.1.2 水質時間分析

從時間上分析，以水期為單位將3個斷面的綜合污染指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)的平均值作為研究區(qū)的全年水質指數(shù)見圖2、圖3。在綜合污染指數(shù)圖中平水期和豐水期水質都屬于輕污染等級，枯水期水質屬于較清潔等級。在內(nèi)梅羅指數(shù)圖中，只有平水期水質指數(shù)稍高于三類水質標準，豐水期和枯水期指數(shù)都低于三類水質達標；但豐水期指數(shù)與三類水質標準非常接近。

圖2 研究區(qū)2020年不同水期的綜合污染指數(shù)

圖3 研究區(qū)2020年不同水期的內(nèi)梅羅指數(shù)

綜上所述，研究區(qū)的豐、平水期水質總體劣于枯水期，原因可能是汛期降雨徑流增加，徑流的沖刷使得污染物充分稀釋運移，使得面源污染加重，污染指數(shù)增加；而豐水期水質稍優(yōu)于平水期的原因可能是豐水期水環(huán)境容量大，流量流速的增加使得水體自凈能力增加。因此，可以得出結論：研究流域的污染類型主要為面源污染，面源污染較為嚴重。

2.2 面源污染優(yōu)先控制區(qū)識別

評價了渠江流域(宣漢段)的現(xiàn)狀水質情況后可以看出，研究區(qū)的面源污染情況令人擔憂。為了具體分析研究區(qū)的面源污染優(yōu)先控制區(qū)等相關內(nèi)容，本文對研究區(qū)36個鄉(xiāng)鎮(zhèn)4種污染源3種污染物分別結合輸出系數(shù)法和源強系數(shù)法對該流域面源污染進行評估。分析計算得出的等標污染負荷見表6。

表6 研究區(qū)污染源等標污染負荷

2.2.1 面源主要污染物

研究區(qū)3種污染物的總等標污染負荷比分別為：COD占比16.38%，TN占比62.11%，TP占比21.51%。因此分析出總氮(TN)為主要污染物，總磷(TP)次之。其原因可能是面源污染中農(nóng)業(yè)化肥氮素含量過高。

2.2.2 面源主要污染類型

分析主要污染物總氮(TN)中的4種污染源。其中，農(nóng)業(yè)化肥占比最大56.85%，其次為農(nóng)村生活污水25.69%；在次要污染物總磷(TP)中分析其四種污染源，農(nóng)村生活污水占比最大50.95%；在化學需氧量(COD)中分析，農(nóng)村生活污水占比最大60.85%，其次為農(nóng)業(yè)化肥35.22%。因此渠江流域(宣漢段)面源污染的主要類型是農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)村生活污水，這也是主要污染物是總氮(TN)和總磷(TP)的原因。

2.2.3 面源污染優(yōu)先控制區(qū)

渠江流域(宣漢段)各污染物的等標污染負荷的空間分布如圖4所示。從圖4可看出，3種污染物在研究區(qū)36個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中污染分布是有一定的規(guī)律可循的。從主要污染物總氮(TN)的空間分布情況來看，普光和南壩鎮(zhèn)面源污染最為嚴重，其次是浦江街道和東鄉(xiāng)街道。從總磷(TP)的角度來看，除了普光和南壩鎮(zhèn)外，浦江街道和東鄉(xiāng)街道污染也非常嚴重，這是因為浦江街道和東鄉(xiāng)街道是主要的居民生活區(qū)，清潔劑等在使用過后，容易在水中積聚磷離子，使廢水總磷上升。從化學需氧量(COD)的角度來看，依然是普光和南壩鎮(zhèn)污染最為嚴重。總之，作為前、中、后河匯入州河匯口的浦江街道和東鄉(xiāng)街道的污染情況不容樂觀，而普光鎮(zhèn)和南壩鎮(zhèn)應該作為本次面源污染治理的優(yōu)先控制區(qū)，浦江街道和東鄉(xiāng)街道作為次級優(yōu)先控制區(qū)。

圖4 3種污染物等標污染負荷空間分布

3 結論及建議

渠江流域(宣漢段)水質情況較差，全年的大部分時段水質等級都低于地表水三類水質標準，且豐水期水質低于枯水期。流域面源污染嚴重，面源污染的優(yōu)先控制區(qū)是普光鎮(zhèn)和南壩鎮(zhèn)，其次為浦江街道和東鄉(xiāng)街道。因此，對該流域進行水環(huán)境綜合治理時應將治理重點放在面源污染的優(yōu)先控制區(qū)，對優(yōu)先控制區(qū)的總氮和總磷識別污染來源，結合農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)村生活污水的兩大污染類型，進行面源污染綜合治理，具體建議如下：

(1)工業(yè)生產(chǎn)和生活都會產(chǎn)生氮污染，廢水中總氮主要由氨氮、有機氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮組成，過高的氮會導致水體富營養(yǎng)化。對于研究區(qū)來說，總氮的過高和面源污染中農(nóng)業(yè)化肥，農(nóng)村生活污水有著密切關系，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)應該根據(jù)主要污染類型有針對性地進行水污染治理。

(2)對于面源污染的優(yōu)先控制區(qū)，在治理時應該結合主要污染物和主要污染類型，還可結合小尺度微觀變量或工程措施，使得面源污染的治理更有針對性，實現(xiàn)流域水環(huán)境的保護。