渭河定西段流域水生態環境系統綜合治理應用實踐

付旭東 李學科 韓子超

（甘肅省定西生態環境監測中心，甘肅定西 743000）

1 引言

習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上的講話中強調，黃河流域構成我國重要的生態屏障。當前黃河流域仍存在一些突出困難和問題，究其原因，既有先天不足的客觀制約，也有后天失養的人為因素。可以說，這些問題，表象在黃河，根子在流域［1］。

王明杰等［2］分析洱海流域水環境數據，核實洱海流域水污染排放總量，分析其排放結構和水質時空變化表征的綜合特征，提出以產業結構調整為主線的水污染“結構減排”對策建議。周俊兆等［3］以武漢市南湖流域數據分析和模型模擬環境綜合治理，提出流域智慧管理系統的設計思路。余啟輝等［4］以成都市沱江流域為例，通過MIKE11 構建一維河網水環境模型，提出“大流域統籌、小流域分區、差異化施策”的流域系統治理思路。王民浩等［5］以環巢湖的兆河流域為例，提出基于污染物總量控制、生態基流和水生態系統平衡為重點的綜合治理技術體系方案。楊志等［6］提出，從統籌配置水資源量、制定流域水環境目標、重塑流域管理機構、確立統一流域立法體系、發展一體化治理模式、深化多元長效補償機制一體化等方面實現京津冀海河流域協同水污染治理的思路。這些研究方法為建立渭河定西段流域生態環境系統治理體系提供了重要參考。

2 研究區域及方法

2.1 流域概況

渭河定西段全長66 km，占渭河全段的8.1%；流域總面積9 909 km2，占渭河流域的7.3%，占渭河流域甘肅段的38.7%。渭河流域是全國嚴重缺水的地區之一，受自然、地理和經濟等因素影響，渭河源區生態退化嚴重，流域水量嚴重不足，水資源問題已成為制約渭河流域人類生存和國民經濟發展的瓶頸因素。協同開展渭河流域生態環境水資源治理，促進流域生態環境健康發展，已成為渭河流域可持續發展的迫切要求。

2.2 主要水環境問題

渭河干流定西段徑流量時空變化大，河道生態水量不足。導致缺水的原因有：一是本地水資源量貧乏，平均地表水產水系數約為0.3，人均擁有水資源量340 m3，僅為全國人均水平的1/7；二是水資源時空分布不均，冬、春季比較明顯，上游筑壩攔水，群眾取水灌溉，造成河道徑流量不斷減少，水體自凈能力下降；三是支流補給水量大部分在隴西渭河出隴西縣后匯入，來水量及水質均無保障，且受工程因素制約，利用效率不高。

2016 年渭河沿程COD，CODMn濃度變化情況見圖1。

圖1 2016 年渭河沿程COD，CODMn 濃度變化情況

2016 年渭河沿程NH3-N 濃度變化情況見圖2。

圖2 2016 年渭河沿程NH3-N 濃度變化情況

渭河進入隴西縣西二十鋪斷面后，各項污染物濃度均有顯著升高。由于河流被引流及蒸發，自身水量較小，河流天然的納污自凈能力弱，加之生活廢水排放量大，造成渭河隴西段水質變差。工業污染結構性特點突出，高污染行業排污強度大，治理效果不佳。部分已經建成的生活污水處理廠，生化處理工藝設計受北方氣溫偏低影響存在缺陷，污水收集管網覆蓋率和收集率低、除磷脫氮效率和排放達標率低、運營經費短缺等因素，影響了污水處理廠的處理效率。河道兩岸堆放散落大量的生活垃圾、生產垃圾入河，對河道內的水環境也造成了較大的影響。水土流失十分嚴重。農業面源污染，畜禽養殖業散、亂、差現象突出，污染治理設施利用率低，污染源廣。管理體制、水平、技術不能適應以水資源的可持續利用和促進經濟社會可持續發展的時代要求。待漳河（殪虎橋、紅屲斷面）、榜沙河、山丹河等水量較大且清潔的支流匯入，渭河水量增大，污染物被稀釋分解，河流自凈能力也得到很大增強，樺林斷面污染物濃度顯著下降。

2.3 系統治理思路

渭河流域采用“水資源保護、水生態修復、水管理監控、水安全健康、水環境優美”的綜合治理技術框架，以流域可持續發展評價分析問題為導向，水資源承載力分析及污染負荷分配為措施，以水資源保障、水生態修復為重點，因地制宜地提出渭河干流定西段流域系統綜合治理思路。

（1）以渭河干流定西段為研究對象，通過調查并分析了2014—2019 年流域多個斷面的水質指標，開展時間跨度、流域空間分布分析，得出渭河干流水環境質量變化及污染因子的空間異質性特征。

（2）基于渭河定西段流域污染物點源、非點源污染數據核算分析，開展河流納污能力研究，計算渭河定西段地表徑流環境容量［7-10］。通過污染源調查核算統計排放總量，再計算污染物削減量及污染物削減分配量，確定渭河定西段承載能力控制目標［11］。

（3）依據河道生態基流量確定枯水期補水量，優化流域內水資源調配；通過點源及面源污染治理、流域自然保護和生態建設、河流生態系統完整性與多樣性的水生態修復等措施，緩解渭河干流水資源供需矛盾，改善流域水質污染現狀，提高河道水體的自凈能力，構建良好的水生態環境，促進水質環境明顯改善。

3 流域污染負荷分析

流域污染源解析、水環境承載容量計算和污染物削減分配是建立污染總量控制方案的基礎，渭河干流生態環境質量水質目標和估算模型的確定是水環境容量與污染物削減量分配估算的關鍵［12-14］。根據污染源排查及流域地表水水質數據，開展河流納污能力研究，計算渭河干流定西段污染負荷及水環境容量，估算各行業污染物削減量，合理分配各污染物類型削減量。

3.1 污染源解析

污染源排放現狀分析包括點源和面源污染負荷，根據主要污染負荷的來源、種類、排放特征、排放量，解析不同污染源對入河污染負荷的貢獻。參照《第一次全國污染源普查系數手冊》、《甘肅省水資源公報》、定西市環境統計年鑒等相關統計資料，經過加和估算，2017 年渭河干流全年污染負荷入河量CODCr為8 157.34 t、TN 為1 373.24 t、NH3－N 為695.56 t、TP 為121.57 t。從入河污染源類型來看，渭河干流內COD 污染入河來源中，以畜禽養殖、城鎮生活污水、居民生活垃圾、農村生活污水為主，四者占比分別為22.30%，20.22%，17.12%，15.73%，其他為水土流失、工業源、農田面源、集中式污水處理設施，分別占比10.90%，6.56%，6.26%，0.92%；TN 污染入河來源中，以農田面源、畜禽養殖、城鎮生活污水和農村生活污水為主，四者占比分別為36.06%，18.16%，18.14%，13.73%，其他為水土流失、居民生活垃圾、集中式污水處理設施、工業源，分別占比8.63%，2.35%，2.08%，0.85%；NH3－N 污染入河來源中，以城鎮生活污水、畜禽養殖、農村生活污水和農田面源為主，四者占比分別為34.28%，23.30%，22.57%，14.36%，其他為居民生活垃圾、工業源、集中式污水處理設施，分別占比3.67%，1.11%，0.72%；TP 污染入河來源中，以農田面源、城鎮生活污水、水土流失和畜禽養殖為主，四者占比分別為47.99%，15.10%，13.71%，10.67%，其他為農村生活污水、居民生活垃圾、集中式污水處理設施、工業源，分別占比7.07%，4.47%，0.69%，0.30%。

3.2 河道水環境容量確定

渭河干流定西段豐、平、枯水期特征較為分明，采用入河系數法統計估算多源污染入河負荷。選取最枯月平均流量作為枯水期設計流量，采用《全國水環境容量核定技術指南》推薦的一維模型進行水環境容量的計算，枯水期考慮支流徑流量較小，忽略不計。渭河干流定西段CODCr水環境容量為2 882 t/a；NH3－N 水環境容量為94 t/a；TP 水環境容量為26 t/a；由于TN 執行標準同NH3－N 一致，從五竹入境已經出現超標，認定其水環境容量同NH3－N 一樣，為94 t/a。推算出枯水期CODCr水環境容量為7.9 t/d，NH3－N 水環境容量為0.26 t/d，TP 水環境容量為0.07 t/d。

根據模型計算，采用平水期月平均流量進行水環境容量的計算，增加3 條支流徑流量。經模擬計算，CODCr水環境容量為9 325 t/a；NH3－N 水環境容量為512 t/a；TP 水環境容量為107 t/a。推算出枯水期CODCr水環境容量為22.34 t/d，NH3－N 水環境容量為1.9 t/d，TP 水環境容量為0.33 t/d，勉強滿足平水期水環境容量需要。

3.3 污染物削減分配分析

鑒于枯水期地表徑流量嚴重不足，需要進一步調整和削減排放量，確保枯水期水質穩定達標，生態環境進一步優化，以此作為后續污染物削減負荷分配的基準限值。經推算，枯水期CODCr削減量為14.44 t/d，削減率為64.6%；NH3－N 削減量為1.9 t/d，削減率為86.3%；TP 削減量為0.26 t/d，削減率為78.8%；TN 削減量為3.5 t/d，削減率為93.1%，才能滿足渭河枯水期水環境質量要求。

考慮實際現狀，定西市渭河干流入河污染負荷在枯水期削減率達到50%以上，即枯水期CODCr削減11.17 t/d，枯水期5 個月累計削減1 687.3 t 以上；TN 削減1.88 t/d，枯水期5 個月累計削減284.0 t以上；NH3－N 削減0.95 t/d，枯水期5 個月累計削減144.0 t 以上；TP 削減0.17 t/d，枯水期5 個月累計削減25.2 t 以上。

4 近年來渭河流域定西段生態綜合治理落實情況

2013 年以來，為實現渭河河道生態基流量、恢復生態系統多樣性的目標，建立渭河干流定西段水環境綜合治理技術體系，采用“放水、控水、用水、治水、保水”措施，實施了包括水源地保護、植被保護與建設、水土保持、防災減災、中小河流治理等生態治理項目，打造了一批流域綜合生態治理工程，依據河道生態基流量確定枯水期補水量，優化流域內水資源調配；通過點源及面源污染治理、流域自然保護和生態建設、河流生態系統完整性與多樣性的水生態修復等措施，改善流域水質污染現狀，提高河道水體的自凈能力，構建良好的水生態環境，促進水質環境明顯改善。建立渭河定西段流域生態環境治理工程體系，促使渭河流域定西段生態系統趨于良性循環［15-16］。

5 實施效果及水質評價

總體來看，通過多年持續狠抓生態保護與綜合治理，渭河源區生態狀況明顯好轉，水土流失治理程度明顯提升，土壤侵蝕得到有效控制，河道排洪輸沙能力顯著提高，區域經濟得到全面發展，渭河源區生態系統趨于良性循環。打造了一批以隴西渭河主干道綜合治理，文峰鎮樺林村清潔型小流域治理，通渭牛谷河流域治理，漳縣漳河、龍川河中小河道綜合治理，渭源臨洮安定所屬的秦祁河流域集退耕還林、梯田建設、畜草種植于一體的綜合治理為主的流域生態治理工程。

以主成分分析［17-24］為評價方法，對渭河流域定西段出市斷面2014—2019 年的水質進行綜合評價。選取渭河流域定西市出市土店子斷面CODCr（Z1）、NH3－N（Z2）、BOD5（Z3）、TP（Z4）、TN（Z5）、CODMn（Z6）、氟化物（Z7）等水質監測數據進行標準化處理，結果見表1。

表1 2014—2019 年定西市出市土店子斷面標準化監測數據

通過SPSS19.0 軟件，解相關系數矩陣R 的特征方程，得出R 的貢獻率。根據提取主成分的一般要求（累積貢獻率＞85%），提取2 個主成分，累計貢獻率為91.827%，其代表了水質評價原始數據中提供的主要污染因素，見表2。

表2 定西市出市土店子斷面監測因子主成分解釋的總方差

通過主成分和綜合評價函數表達式計算得出各斷面的主成分得分，見表3。

表3 初始因子荷載成分矩陣*

各斷面的主成分綜合得分見表4。

表4 特征值對應的系數成分矩陣*

將上述矩陣的單位特征向量所構成的線性表達式表示如下：

根據綜合評價函數，計算各監測斷面和整條河流的水質污染綜合得分，結果見圖3。給予水質污染程度定量化描述，得分越大，表明污染越嚴重。綜合得分顯示，渭河流域定西市出市斷面水質持續向好，說明渭河干流定西段生態環境綜合治理初見成效。

圖3 渭河流域定西市出市斷面水質綜合評價

6 結論

通過推進渭河定西段全流域“五水共治”（控水、用水、放水、保水、活水），開展渭河干流定西段水資源量的復核與評價，生態環境需水定量分析，水資源的監測、預報與調度工作，通過流域污染源解析、計算水環境容量、污染物削減量及削減分配量，建立污染總量控制方案，做好水資源的科學調配，通過調劑生態用水保持生態水量，提高渭河定西市水資源承載能力。推廣應用農業、工業高效節水技術，搞好生態建設與環境治理，加強水資源的科學管理，因地制宜開展流域生態治理修復，增加渭河流域定西段植被覆蓋率，減少水土流失，改善氣候條件和涵養水源，增加生態濕地，提升水質自凈能力。形成了以流域生態環境改善為核心，以水資源保障、水生態修復、水管理監控、水安全健康、水環境優美為重點的綜合治理技術體系，為河流水環境綜合治理提供了有效的治理理念與技術框架，實踐渭河干流定西段生態環境綜合質量和水環境恢復體系，構建渭河干流生態環境可持續發展系統性機理，實現了渭河定西段流域生態環境持續好轉。