晉城市丹河流域水環境特征及污染負荷來源解析

張 宇，趙新磊

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

2019年，習近平總書記指出黃河流域生態保護和高質量發展是重大國家戰略，持續鞏固和改善黃河流域水環境質量將是沿黃各省區責任和使命。近年來，我國水環境治理研究已逐步轉向“源頭控制-過程阻斷-末端治理”的全過程治理體系，在一系列強有力的水污染治理舉措下，黃河流域水環境質量得到有效改善。但隨著經濟社會發展，流域內水環境超載衍生的環境效應逐步得到重視，單純的水污染防治已不能解決水環境保護與經濟社會發展的矛盾。因此從區域尺度結合當地產業結構分析流域水環境特征，識別水體主要污染物來源及空間分布情況，不僅對制定科學、合理的水環境保護措施具有重要意義，同時也將成為制定城市發展規劃的重要依據。

1 研究背景及數據來源

1.1 研究區概況

丹河屬黃河流域沁河水系，是沁河一級支流和最大的支流，是流經晉城市的第二大河流，丹河在山西省晉城市內流域面積2945km2，河流全長129km，丹河上游從源頭到高平市的寺莊鎮，中游從高平市寺莊鎮到太行山腳下，下游從太行山腳下到最后注入沁河，河道平均縱坡6.8‰。由于其匯入口在河南省，在山西省境內丹河與沁河是兩條獨立的河系。丹河流域石灰巖廣布，溶洞發育，斷層較多，水量滲漏嚴重，上游在高平市境內除汛期外基本為干河，是嚴重的缺水地區。

近些年來，晉城市的水生態文明建設取得了顯著成效，水資源保護得到有效加強，水生態環境明顯改善。目前晉城市城鎮及大中型公開企業均有污水處理設施，但現狀部分污水處理廠已滿負荷運行。同時，流域內污水處理廠現狀執行《城鎮污水處理廠污染物綜合排放標準》，但其水質仍與地表水Ⅳ類標準相距較遠，排入河道后會對河道水質達標造成較大的負面影響。此外，丹河流域沿河分布村落眾多，大多數村鎮農村生活污水未處理直接無序的排放，對河流水質造成污染。同時，丹河流域內面源污染防治尚未形成，生活垃圾直接傾倒溪溝、大量施用化肥農藥等，造成嚴重的面源污染。

1.2 數據來源

晉城市丹河流域污染物入河量除污水處理廠外，還需考慮農田徑流污染負荷、畜禽養殖污染排放、農村污水排放、農村生活垃圾等幾個方面產生的面源污染入河量。其中農田徑流污染負荷通過估算農田的化肥流失量得出；畜禽養殖污染排放根據昆明市現狀存欄的畜禽養殖數量、糞便產生數量及污染物含量等統計得出，農村污水排放和農村生活垃圾產生的污染物入河根據農村人口數量和人均產生的生活污水和垃圾排放量推算得出。所需主要數據包括晉城市丹河流域耕地面積，牛、羊、豬等大小牲畜數量，農村人口數量，污水處理廠個數、實際排放量及排放濃度等。

本文采用的農村人口、耕地面積、種植結構、作物比例、畜禽養殖數量數據來源于《晉城市統計年鑒》，點源污染主要參考晉城市污水處理廠實際運行數據以及沿河工業園區排水口實際運行數據。

2 研究方法

2.1 污染物排放量

采用輸入輸出系統模型對城市污染源主要污染物COD氨氮、TP、TN排放量進行計算[4-7]，模型如下：

L=∑Ei×Ai+P

(1)

式中，L—污染物在區域總排放量，kg/a；Ei—污染物在該區域輸出系數；i—區域中污染源類別；Ai—區域內的數量；P—降雨輸入污染物總排放量。

本次針對晉城市丹河流域主要特點，考慮區域點源污染外，建立基于耕地面積、畜禽養殖、農村生活污染排放的面源污染模型，如下式：

L=Ld+La+Ll+Lp

(2)

La=KG×EG

(3)

(4)

Lp=KP×EP

(5)

式中，Ld—區域點源污染排放量，kg/a；La—區域農田徑流污染排放排放量；Ll—區域畜禽養殖污染排放量；Lp—區域農村生活污染排放量；KG—耕地面積，hm2；EG—耕地輸出系數，kg/hm2；Ki—第i種牲畜數量，頭(只)；Ei—第i種牲畜輸出系數，kg/頭；KP—農村人口數量；EP—農村人口輸出系數。

2.2 污染程度分析

采用等標污染負荷指數法計算城市污染嚴重程度。公式如下：

Pij=Cij/Ci0

(6)

(7)

式中，Rij—第j種污染源中第i種污染物的等標污染指數；Pij—第j種污染源中第i種污染物的等標污染負荷總量，m3；W—水資源總量，Cij—第j種污染源中第i種污染物的年排放量，t；Ci0—第i種污染物的評價標準，mg/L。

3 結果與分析

3.1 污染負荷分析

3.1.1點源污染

根據調查統計，晉城市丹河流域現有入河排污口46個，其中高平市34個，澤州縣12個。高平市現狀34個排污口均已登記，其中主要分布在寺莊鎮、馬村鎮。澤州縣12個，主要分布在中巴公河。現狀廢污水入河量8484.48萬t/a，污染物COD入河量2021.26t/a，氨氮入河量185.61t/a。見表1。

表1 晉城市丹河流域規模以上排污口污染物入河總量統計表 單位：t/a

3.1.2農村面源污染

采用輸入輸出模型計算晉城市丹河流域2019年主要污染源及不同污染物的貢獻率，計算結果見表2。

表2 晉城市丹河流域面源污染入河量統計 單位：t

2019年晉城市丹河流域面源污染COD負荷為9079.6t，氨氮負荷為696.4t，總氮負荷為1880.6t，總磷負荷為1336.5t。從區域看，高平市與澤州縣污染最為嚴重，其次是陵川縣。從污染源看，以農田徑流、畜禽養殖污染問題最為突出，兩者之和占面源污染的90%以上。

3.1.3面源污染程度分析

根據等標污染負荷指數分析晉城市丹河流域各污染物污染程度，見表3。2019年丹河流域總磷等標污染物排放指數最大，并且以高平市最大，達到50.1，超過流域平均值的4倍。排放量最大的COD等標污染負荷指數最小，與污染物排放量排序截然不同，表明晉城市丹河流域總磷排放量雖小，但結合當地水資源條件，其污染嚴重程度較高，是流域重點防控對象。

表3 晉城市丹河流域等標污染負荷指數

3.2 污染物分布特征

3.2.1污染物空間分布特征

晉城市丹河流域污染物入河總量分別為COD 11100.9t/a、NH3-N 882.0t/a、TN 1880.6t/a、TP 1336.5t/a；其中面源污染物入河量分別為COD 9079.6t/a、NH3-N 696.4t/a、TN 1880.6t/a、TP 1336.5t/a。面源污染占區域污染物的80%，見表4。從空間分布上來看，污染物排放主要集中在農業種植為主的地區，其中高平市污染物占比最大，其次是澤州縣，城區污染物占比最小。

表4 晉城市丹河流域污染物分布 單位：t/a

3.2.2污染物時間分布特征

根據環境保護監測站地表水環境監測結果，本次選取丹河干流任莊水庫、東焦河水庫、后寨3個斷面進行分析。如圖1所示。

圖1 晉城市丹河流域年內水質監測結果

由水質監測結果可知，受上游農田徑流及生活污水亂排的影響，丹河流域水環境治理呈現一定的年內波動，其中總氮全年維持在劣Ⅴ類水平，且4—6月份污染最為嚴重。COD、氨氮、總磷整體不超Ⅲ類水質標準，但個別月份水質較差，初步分析與作物生長期農業化肥施用量有一定相關關系。

3.2.3不同污染源污染負荷特征

丹河流域主要污染源為農田徑流及畜禽養殖污染，如圖2所示。由圖可知，流域內總磷污染主要來自農田徑流，總氮、氨氮及COD污染主要來自畜禽養殖，得出晉城市丹河流域各污染源不同污染物的貢獻率，其中畜禽養殖COD、氨氮、總氮的貢獻率最大，其次為農田徑流；農田徑流總氮貢獻率最大，其次為畜禽養殖。面源污染COD、氨氮均占總量90以上。面源污染中，農田徑流污染源總氮、總磷分別占69%和49%，農村污水COD、氨氮分別占43%和49%；畜禽養殖COD、氨氮分別占57%和51%。

圖2 晉城市丹河流域污染負荷

3.3 污染分布成因分析

隨著水資源保護力度不斷加大，點源污染問題被有效控制，非點源污染引起的污染問題正在被逐漸關注。晉城市丹河流域主要污染源來自面源污染，占污染物排放總量的80%。根據污染物排放結果可以看出，晉城市丹河流域總氮排放量是總磷排放量的1.4倍，畜禽糞污綜合利用率低于75%，規模養殖場糞污處理設施裝備配套率低于全國93%水平。其中農田徑流污染與畜禽養殖污染最為嚴重，與流域內主要產業結構關系密切。初步分析與以下原因有關：

(1)排污口綜合整治初見成效，點源污染排放比例逐年減少

據統計，丹河流域點源污染排放占流域污染物總量的10%以內，現狀污水處理廠均達到一級A標，2021年1月污水處理廠污染物排放將執行山西省《污水綜合排放標準》，加嚴了化學需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)的控制指標，新增了總磷和全鹽量指標，更能適應全省當前水環境治理的要求，點源污染將不再是區域環境治理主要威脅。

(2)農藥化肥施用量偏高，與區域種植模式有關

目前，丹河流域面源污染防治尚未形成，垃圾直接傾倒溪溝、大量施用化肥農藥等，造成嚴重的面源污染。據統計，流域內每畝耕地化肥施用59kg，高于8kg世界平均水平，化肥、農藥使用量偏高，在用肥上存在重化肥輕有機肥現象，導致氮、磷養分隨地表徑流進入水體，面源污染負荷大。尤其是氮磷肥的施用，導致區域總磷污染嚴重。符合黃河流域農產品主產區面源污染排放主要特點。

(3)畜禽養殖業發達，后續配套廢棄物處理設施不完善

流域內畜禽養殖業較為發達，尤其是高平市的規模化養殖，占晉城市丹河流域的50%，養殖業產生的糞便也是造成水污染的影響因素，是污染防控的重點對象。現狀畜牧獸醫主管部門備案并統一賦畜禽養殖代碼的畜禽規模養殖場(小區)糞便無害化處理和資源化利用率較低，導致畜禽養殖污染較為嚴重。

4 結論

(1)本文以晉城市丹河流域為利，通過采用輸入輸出系統模型對丹河流域主要污染物進行分析計算，結果顯示晉城市丹河流域污染物排放具有明顯的空間聚集性，污染物排放主要集中在丹河中下游，巴公河等人口密集的區域及農業種植為主的地區。

(2)本文采用現狀統計數據對區域水環境特征及污染負荷進行分析，探索了現狀經濟發展模式下晉城市丹河流域主要污染物排放特點，為晉城市丹河流域調整種植結構、產業布局，制定合理的水環境保護措施提供依據。本次研究尚未考慮區域水資源、水環境承載能力，在后續研究中應充分考慮區域水資源狀況，結合水環境承載能力共同探討區域經濟社會發展布局。