韓 磊，趙 盼

（1.天津市水務局，天津 300074；2.天津市海河管理處，天津 300141）

作為農(nóng)村水體主要載體的農(nóng)村河道生態(tài)環(huán)境遭受了極大破壞，且大大削減了農(nóng)村河道的功能。城市河道水資源承載力、水環(huán)境承載力的研究已取得較多成果，而有關農(nóng)村河道生態(tài)環(huán)境承載力的研究還處于起步階段[1，2]。

1 水環(huán)境承載力的研究方法

1.1 指標體系評價法

指標體系評價法根據(jù)各項評價指標的具體數(shù)值，應用統(tǒng)計方法或其他數(shù)學方法計算出綜合指數(shù)，實現(xiàn)對水環(huán)境承載力的評價。水環(huán)境承載力指數(shù)常用的計算方法有：向量模法、模糊綜合評價法和主成分分析法。

1.2 系統(tǒng)動力學方法

系統(tǒng)動力學方法從系統(tǒng)的內(nèi)部要素和結構分析入手，通過一階微分方程組來反映系統(tǒng)各個模塊變量之間的因果反饋關系，進而建立系統(tǒng)動力學模型。系統(tǒng)動力學模型以現(xiàn)實存在為前提，通過改變系統(tǒng)的參數(shù)和結構，模擬不同發(fā)展方案下人口總量、經(jīng)濟發(fā)展和承載力之間的動態(tài)變化。系統(tǒng)動力學方法從整體上定量描述人口、資源、環(huán)境和發(fā)展之間的關系，揭示水環(huán)境承載力的動態(tài)性[3]。該方法的優(yōu)點在于處理高階次、非線性、多重反饋、復雜時變的系統(tǒng)問題[4]；而水環(huán)境承載力涉及社會、經(jīng)濟、資源、環(huán)境等諸多要素，要素之間存在著相互影響、相互制約的動態(tài)聯(lián)系。因此，系統(tǒng)動力學方法適用于水環(huán)境承載力的評價與預測，并具有較強的可操作性，但不適于長期發(fā)展前提下的模擬。

2 農(nóng)村河道水環(huán)境承載力評價模型的構建

農(nóng)村河道水環(huán)境承載力評價模型的構建基于河道環(huán)境容量。通過對農(nóng)村河道環(huán)境容量概念及內(nèi)涵的分析，可以得出農(nóng)村河道水環(huán)境承載力包括河道稀釋承載力和河道自凈承載力兩部分。

2.1 河道環(huán)境容量概念及內(nèi)涵

環(huán)境容量概念最初由日本學者在1968年提出，目的是在環(huán)境質(zhì)量管理中實施總量控制。在定義水環(huán)境容量時，目前還沒有一個明確統(tǒng)一的概念，比較具有代表性的說法是，在一定的環(huán)境目標下，某一水域能夠承擔的某種（類）污染物的最大允許負荷量，稱為該污染物在這一水域的水環(huán)境容量。按照污染物的降解機理，水環(huán)境容量可以劃分為稀釋容量和自凈容量兩部分。稀釋容量是指在給定水域的來水污染物濃度低于水質(zhì)目標時，依靠稀釋作用達到水質(zhì)目標所承納的污染物量。自凈容量是通過水體沉降、生化、吸附等物理、化學和生物作用，給定水域達到水質(zhì)目標所能自凈的污染物量。因此，水環(huán)境容量往往是一組數(shù)值，是在分析稀釋容量與降解自凈容量的基礎上，不改變排污口位置和水質(zhì)目標等情況下，確定的農(nóng)村河道的水環(huán)境容量（E），如圖1所示。

圖1 水環(huán)境容量構成

2.2 農(nóng)村河道水環(huán)境承載力計算模型

2.2.1 河道水環(huán)境承載力模型

計算河道水環(huán)境承載力的模型主要有根據(jù)河流段情況確定的零維模型、一維模型及二維模型，還有利用物質(zhì)平衡原理計算復雜河流斷面的黑箱模型。

零維模型為：

式中：W為河流水環(huán)境容量（g/s）；Cs為計算河段水質(zhì)保護目標值（mg/L）；Q為計算河段上游設計來水流量（m3/s）；C0為污染物背景濃度（mg/L）為計算河段接納的污廢水總量（m3/s）。

一維模型為：

式中：k為污染物自凈系數(shù)（1/d）；x為排污斷面距下游功能敏感斷面的距離（km）；u為平均流速（m/s）；其他符號意義同上。

二維模型為：

式中：h為河段平均水深（m）；Ez為橫向擴散系數(shù)（m2/s）；其他符號意義同上。

黑箱模型為：

式中：Q1、Q2為計算河段上、下游斷面的流量（m3/s）；C1、C2為計算河段上、下游斷面的污染物濃度（mg/L）；Ks為污染物綜合削減系數(shù)；其他符號意義同上。

通過推導和變換，得出水環(huán)境容量計算模型表達式：

由式（6）可以推出：

這些模型在計算河道水環(huán)境承載力方面都有其自身的特點，零維模型假定污水進入河流后瞬時完全混合，主要適用于點源。對于推算較長河流段及橫向擴散系數(shù)較大的河流，采用多維模型計算河流的水環(huán)境承載力。黑箱模型利用了物質(zhì)平衡原理，主要運用在情況比較復雜的河流段計算河流水環(huán)境承載力。筆者計算農(nóng)村河流生態(tài)環(huán)境承載力采用了河道水環(huán)境容量概念模型。

2.2.2 水環(huán)境容量概念模型

根據(jù)河道水環(huán)境容量的概念，可以建立農(nóng)村河道水環(huán)境容量的表達式：

式中：E為河道水環(huán)境容量（t/d）；E稀釋為河道稀釋容量（t/d）；E自凈為河道自凈容量（t/d）。

2.2.3 河道稀釋容量（E稀釋）的計算

對于可降解的污染物質(zhì)而言，在計算水環(huán)境容量時，C0值一般選取計算河段上游斷面實測污染物濃度的年平均值。如果河流污染嚴重，上游河段的污染嚴重影響下游河段的水質(zhì)背景濃度，則選取上游河段的水質(zhì)規(guī)劃目標值或天然情況下的河段背景值等。

基于排入污染物濃度與河道功能區(qū)段水質(zhì)的差別，已知C0和Cs，可以將河道的稀釋容量表達為：

2.2.4 污染物綜合衰減系數(shù)（Ks）的計算

第一種為實測法。選取一個河道順直、水流穩(wěn)定、中間無支流匯入、無排污口的河段，分別在河段上游（A點）和下游（B點）布設采樣點，監(jiān)測污染物濃度，并測定斷面平均流速，綜合衰減系數(shù)（Ks）計算公式為：

式中：v為河道斷面平均流速（m/s）；x為上下斷面之間的距離（m）；CA為上斷面污染物濃度（mg/L）；CB為下斷面污染物濃度（mg/L）。

第二種為經(jīng)驗公式法[5]，其計算公式為：式中：P為河床濕周（m）；懷特根據(jù)美國23個河系、36個河段資料多元回歸分析得到，參數(shù)α=10.3，γ=0.49，β=39.6，ξ=0.34；其他符號意義同上。

2.2.5 河道自凈容量（E自凈）的計算

自凈容量是給定水域通過水體沉降、生化、吸附等物理、化學和生物作用，達到水質(zhì)目標所能自凈的污染物量。可以設定一個聚集各種降解作用的河道綜合衰減系數(shù)，則河道水環(huán)境自凈容量的表達式為：

式中：V為水體體積（L）；其他符號意義同上。

3 白馬鎮(zhèn)岔河水環(huán)境承載力評價

水環(huán)境承載力評價建立在水樣分析的基礎上，采用實時采集的水樣分析各種指標的實際值，利用前述農(nóng)村河道水環(huán)境承載力評價模型進行評價。

3.1 取樣方法

對水樣進行監(jiān)測分析，采樣的原則要求所取水樣必須具有代表性，能夠真實反映水體的質(zhì)量。采樣時采集瓶或裝水容器必須事前洗干，以免雜質(zhì)進入水樣中，影響水樣質(zhì)量。采樣前，先用水樣洗滌容器2～3次。有些測定項目對時間、溫度的變化非常敏感，最好現(xiàn)場測定。

3.1.1 水樣采集

（1）采集表層水。用桶、瓶等容器直接采取，一般將容器沉至水下0.3～0.5 m處采集。

（2）采集深層水。將帶有重錘的具塞采樣器沉入水中，達到所需深度后（從拉伸的繩子標度上看出），拉伸瓶口塞子上連接的細繩，打開瓶塞，待水樣充滿后提出來。

3.1.2 水樣運輸

對采集的每一個水樣，都應做好記錄，并在采樣瓶上貼好標簽，運送到實驗室。

3.1.3 水樣保存

（1）冷藏或冷凍。其作用是抑制微生物活動，減慢物理揮發(fā)和化學反應速率。

（2）加入化學試劑。加入酸或堿調(diào)節(jié)pH，能使一些化學成分在水樣中保持穩(wěn)定；加入生物抑制劑，可抑制微生物的氧化還原作用；加入氧化劑或還原劑，可使一些待測成分轉化為穩(wěn)定的化學物質(zhì)，而且不干擾以后的分析測定。

3.2 主要污染指標選取

試驗的取樣地點為白馬鎮(zhèn)岔河，岔河是新橋河上游白馬河的支流，位于白馬鎮(zhèn)東側，貫穿白馬鎮(zhèn)區(qū)。岔河匯水面積4.09 km2，穿越集鎮(zhèn)段長度1.17 km。岔河承擔著白馬鎮(zhèn)東半部近1 km2的生活、生產(chǎn)用水排放任務，河道兩岸鎮(zhèn)區(qū)的總體規(guī)劃為居民區(qū)，各種生活垃圾的排放導致水體污染日益嚴重。隨著白馬鎮(zhèn)三城九鎮(zhèn)建設的不斷推進，岔河已成為鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)河，逐步開展岔河整治，增添城鎮(zhèn)綠色景觀。因此，在對岔河進行功能區(qū)劃定位時，把白馬鎮(zhèn)岔河劃分為農(nóng)業(yè)灌溉及一般景觀河道，其水體為國家地表水標準中的Ⅴ類水。根據(jù)當?shù)刂饕廴疚餇顩r，選取了5種污染指標分別為總磷（TP）、總氮（TN）、生物耗氧量（BOD）、化學需氧量（COD）及pH值。

3.3 污染指標分析

表1 5種主要污染指標在不同月份的測定值 mg/L

岔河水體中5種主要污染物隨月份變化狀況，如圖2-6所示。

3.3.1 水體取樣分析

水體取樣后，通過水質(zhì)分析可以得到以下結論：①由圖2可以看出，白馬鎮(zhèn)岔河水體的pH值較穩(wěn)定，季節(jié)變化起伏不大，主要位于7.8～8.1，水體呈弱堿性。②由圖3可以看出，白馬鎮(zhèn)岔河水體的TP最大值出現(xiàn)在春季（2008年4月15日測得），其值為0.32 mg/L，全年4個季度的均值為0.14 mg/L，達到了白馬鎮(zhèn)岔河作為農(nóng)業(yè)灌溉用水及一般景觀用水的Ⅴ

分別用表格和柱狀圖的方式描述pH值、TP、TN、BOD、COD在4、8、10、12月4個月份里的變化狀況。

圖2 不同月份pH值變化

圖3 不同月份TP變化

圖4 不同月份TN變化

圖5 不同月份BOD變化

圖6 不同月份COD變化

5種主要污染指標在不同月份取樣試驗的測定值，見表1。類水標準，即TP＜0.2 mg/L。③由圖4可以看出，白馬鎮(zhèn)岔河水體的TN最大值出現(xiàn)在春季，其值為2.75 mg/L，全年4個季度的均值為2.43 mg/L，都超出了Ⅴ類水質(zhì)TN的標準，即TN＞2 mg/L。④由圖5可以看出，白馬鎮(zhèn)岔河水體的BOD最大值為7.76 mg/L，出現(xiàn)在夏季，達到了農(nóng)業(yè)灌溉用水及一般景觀用水的Ⅴ類水標準（BOD＜10 mg/L）。⑤由圖6可以看出，白馬鎮(zhèn)岔河水體的COD最大值為25.72 mg/L，出現(xiàn)在春季，于2008年4月15日測得，同樣達到了河道Ⅴ類水質(zhì)的標準（COD＜40 mg/L）。

3.3.2 污染指標隨季節(jié)變化分析

對污染指標隨季節(jié)變化進行分析，可以得出以下結論：①7—8月，白馬鎮(zhèn)岔河處于汛期，降水多、徑流量大，各污染因子汛期的值分別為TP 0.04 mg/L、TN1.52mg/L、pH值7.8、BOD7.76mg/L、COD16.8mg/L；而枯水期（3—4、10—12月）降水量減少，徑流量小，各污染因子在枯水期的平均值分別為TP 0.18 mg/L、TN2.34 mg/L、pH 值 8.0、BOD 7.44 mg/L、COD 24.74 mg/L。這說明汛期水的污染程度輕于非汛期，一個原因是降雨量增大了岔河水體的環(huán)境承載力，另一個原因是正值農(nóng)作物生長旺盛期需要大量的N、P、K，從而在一定程度上減少了這些被沖入河道的污染物量，使得各項污染指標值都有不同程度的降低。②2008年4月15日測定的污染物指標都較其他時間偏高，尤其是TN的含量，原因是這個時節(jié)正是當?shù)剡M行春耕春種的時刻，大量使用化肥，而只有較少部分真正為農(nóng)作物生長所吸收，其余部分經(jīng)地表徑流或地下水直接進入到岔河水體中，從而較大提高了TN的含量，對河水形成了嚴重污染。③秋、冬季節(jié)的水樣各項污染指標值介于春夏之間，原因是秋冬季節(jié)屬農(nóng)作物生長淡季，化肥農(nóng)藥使用大量減少，降雨減少，地表徑流引起污染物進入河道水體中的量也隨之降低，加上少部分水量蒸發(fā)的減少，相比春季不同程度地降低了污染物指標值，而相對于夏季少了降雨和農(nóng)作物生長吸收。

3.4 岔河水環(huán)境承載力計算

3.4.1 選取TN為計算指標

根據(jù)試驗資料，相比于其他4個指標pH值、TP、BOD、COD，TN在春、夏、秋、冬各個時段內(nèi)的測定值分別為2.75、1.52、2.3、1.97 mg/L，幾乎都接近或超過了Ⅴ類水TN的標準限值2 mg/L，而其他指標基本沒有超出Ⅴ類水標準限值，根據(jù)最大值原理，選擇TN作為白馬鎮(zhèn)岔河污染的代表指標值來計算河道水環(huán)境承載力。

3.4.2 造成TN污染嚴重的因素分析

結合白馬鎮(zhèn)岔河周邊的實際情況，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)TN來源主要如下：

（1）生產(chǎn)大量使用化肥、農(nóng)藥導致的污染[6]。首先，化肥、農(nóng)藥的利用率只有30%～40%，其余大都進入到河道水體中，直接增加了水體中N的含量；其次，農(nóng)藥和除草劑的使用可能引起水生生物中毒，水生生物中毒又直接影響了水體中N元素的降解，加劇了水體中的TN含量。

（2）養(yǎng)殖業(yè)污染[7]。據(jù)粗略統(tǒng)計，大量畜禽糞便僅有少部分被直接還田、為農(nóng)作物生長綜合利用，大部分直接無組織的排放隨地表徑流進入河道水體，從而導致了岔河水質(zhì)TN濃度增高。

（3）生活污染。岔河周邊缺少專門的固體廢棄物處理設施，絕大部分生活污水直接進入岔河中，這也是導致水體中TN增高的一個重要因素。

（4）農(nóng)村污水處理水平低下。由于污水處理設施不完善，農(nóng)村污水處理水平很低。甚至有一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)生產(chǎn)廢水沒有經(jīng)過污水達標處理，就直接排放到河水中，導致河水污染指標增高。

3.4.3 不同季節(jié)岔河水環(huán)境承載力計算

水環(huán)境承載力計算公式為：

將 Q＝22.89m3/s、Cs＝20 mg/L、Ks＝10.3Q-0.49、x＝1.166 km、μ＝2.38 m/s代入式（12）和式（13），可以得到 E＝31.536[22.89×（20-C0）+10.3×22.89-0.49×20×22.89×1.166/2.38×86 400]。

再代入每個月份測得的C0，選取TN為代表指標進行計算，結果見表2及如圖7所示。

表2 TN為指標的不同月份的水環(huán)境承載力值

圖7 岔河不同月份TN的水環(huán)境承載力

由圖7可知，白馬鎮(zhèn)岔河對于TN的容納能力已不容樂觀，特別是在春季，河道對于TN的承載能力為-12.46 t。由此可見，岔河河道水體中的TN含量已經(jīng)嚴重超出了Ⅴ類水標準，夏季由于降雨及農(nóng)作物生長，岔河對于TN的承納能力還有一定的空間，其值15.70 t為全年的最高值；其次為冬季河道的納N能力，其值為5.40 t。岔河對于TN的吸納能力與河道內(nèi)的TN含量基本上達到一種平衡，使得岔河對于TN的承納處于飽和狀態(tài)。

[1]王寧，劉平，黃錫歡.生態(tài)承載力的研究進展[J].中國農(nóng)學通報，2004，20（6）：278-281.

[2]周虎成.江蘇農(nóng)村水利建設的現(xiàn)狀與問題[J].長三角經(jīng)濟，2006，（8）：59-62.

[3]惠泱河，蔣曉輝，黃強，等.二元模式下水資源承載力系統(tǒng)動態(tài)仿真模型研究[J].地理研究，2001，20（2）：191-198.

[4]王其藩.高級系統(tǒng)動力學[M].北京：清華大學出版社，1995.

[5]SL348-2006.水域納污能力計算規(guī)程[S].

[6]殷明.丹江口水庫水質(zhì)總氮超標成因初步分析及控制對策[J].環(huán)境科學與技術，2007，30（7）：35-36.

[7]楊國麗.農(nóng)村水環(huán)境存在的問題及治理對策[J].水利電力科技，2006，32（4）：39-42.