游如玥，敖天其，2，朱 虹，高丹陽，張 興

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

隨著銅梁區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，其水環(huán)境質(zhì)量每況愈下，居民的生活質(zhì)量受到了一定影響。因此，本文選取銅梁境內(nèi)的小安溪流域作為研究對(duì)象，進(jìn)行水質(zhì)和面源污染分析，目的是從根源上解決流域的水環(huán)境污染問題。流域水環(huán)境污染主要分為點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染。從21世紀(jì)初開始，我國(guó)對(duì)于非點(diǎn)源污染的研究發(fā)展迅速，影響力也逐漸變大[1]。國(guó)外對(duì)流域非點(diǎn)源污染的研究起步較早，日本在20世紀(jì)30年代開始了對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的研究，美國(guó)在20世紀(jì)60年代開始致力于研究面源污染，其他國(guó)家從20世紀(jì)80年代以來相繼開發(fā)了流域非點(diǎn)源污染的模擬系統(tǒng)[2]，國(guó)內(nèi)外對(duì)非點(diǎn)源污染的模型開發(fā)逐漸深入，具有代表性的模型有SWAT、HSPF、AGNPS、SWMM、BASINS等[3]。將污染源進(jìn)行分類，通過一系列模擬計(jì)算和水質(zhì)分析，確定該流域的主要污染源和主要污染物以及重點(diǎn)治理鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)，針對(duì)性提出治理措施和建議，為研究區(qū)的水污染治理[4]提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

重慶市銅梁區(qū)位于四川盆地東南部、重慶市西北部，介于北緯29°31′10″至30°5′55″、東經(jīng)105°46′22″至106°16′40″之間，南北長(zhǎng)62 km，東西寬約48 km，幅員面積1 343 km2。小安溪河流經(jīng)區(qū)內(nèi)長(zhǎng)為88.3 km，多年平均流量16.5 m3/s，年均徑流量5.20億m3，區(qū)內(nèi)流域面積688 km2。通過GIS軟件中的水文分析提取出的研究區(qū)水系圖如圖1所示。

目前，小安溪流域水環(huán)境質(zhì)量差、水生態(tài)受損重、環(huán)境問題突出，不利于經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，全區(qū)水環(huán)境污染以農(nóng)業(yè)面源污染為主。

圖1 小安溪流域水系

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究用到的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)是第二次全國(guó)土地利用調(diào)查資料，人口數(shù)、畜禽養(yǎng)殖量等數(shù)據(jù)來源于銅梁區(qū)2015年～2018年年鑒及相關(guān)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)、農(nóng)藥化肥施用量、污水處理廠情況等數(shù)據(jù)來源于銅梁區(qū)環(huán)保局、規(guī)劃自然資源局、林業(yè)局、農(nóng)業(yè)農(nóng)村委、畜牧發(fā)展中心、統(tǒng)計(jì)局、氣象局及流域內(nèi)各鎮(zhèn)人民政府。小安溪流域(銅梁境內(nèi))共流經(jīng)17個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，本文以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為尺度進(jìn)行計(jì)算分析。

2.2 輸出系數(shù)法

輸出系數(shù)模型[5- 6]由于其簡(jiǎn)單和相對(duì)穩(wěn)定而在許多國(guó)家被廣泛應(yīng)用。1996年，Johnes[7]在原始模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行了修正，修正后的模型加入了人口、牲畜的影響，公式如下

(1)

式中，L為污染物負(fù)荷量，t/a；Oi1為營(yíng)養(yǎng)源i1的輸出系數(shù)，t/(km2·a)；Ai2為土地利用類型i2的面積，km2(或畜禽養(yǎng)殖類型的數(shù)量，頭，或流域的人口數(shù)量，個(gè))；Ii3為對(duì)污染源i3的輸入量，t/a；P為來自降水的營(yíng)養(yǎng)物輸入，t/a。因?yàn)楸狙芯咳狈Υ髿饨邓廴疚锏膶?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，故未考慮該項(xiàng)。

因小安溪流域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)欠缺，所以本次研究輸出系數(shù)的確定采用參考文獻(xiàn)法，主要參考了長(zhǎng)江地區(qū)的大量面源污染相關(guān)研究文獻(xiàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料、流域面源污染綜合治理報(bào)告，參照張洪波等人[8]關(guān)于農(nóng)村非點(diǎn)源污染輸出系數(shù)的研究，綜合研究區(qū)的地理位置和水環(huán)境狀況，最終確定本研究的輸出系數(shù)(見表1)。

表1 輸出系數(shù)

2.3 等標(biāo)污染負(fù)荷法

等標(biāo)污染負(fù)荷法[9-11]是把各類污染源的排放量、排放濃度或入河量與其對(duì)應(yīng)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作比較，得到一個(gè)百分比，從而轉(zhuǎn)化到同一尺度上面進(jìn)行比較，加大了評(píng)估的準(zhǔn)確性。本文利用該方法對(duì)研究區(qū)的主要污染源和主要污染物進(jìn)行評(píng)價(jià)。即

Pi/Pi總=qi/C0i

(2)

(3)

Ki=(Pi/Pi總)×100%

(4)

式中，Pi為i污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷；qi為污染物的年排放量；C0i為該類污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；Pi總為區(qū)域中某污染物的總等標(biāo)污染負(fù)荷；Pin為第n個(gè)污染源中，污染物i的等標(biāo)污染負(fù)荷；Ki為i污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷比。

2.4 源強(qiáng)系數(shù)法

2003年，中國(guó)環(huán)境規(guī)劃院提出了源強(qiáng)系數(shù)法[12]，國(guó)內(nèi)對(duì)于非點(diǎn)源污染排放量的計(jì)算已經(jīng)大量使用了源強(qiáng)系數(shù)法[13]。即

L=aiSiPiCiFiEi

(5)

式中，L為農(nóng)田地表徑流的污染物排放量，t/a；Ei為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田地表徑流的源強(qiáng)系數(shù)，t/(hm2·a)；ai為第i種農(nóng)田的坡度修正值；Si、Pi、Ci、Fi分別為土壤類型、降雨量、作物類型和化肥施用量的修正系數(shù)。本文所采用四川地區(qū)的源強(qiáng)系數(shù)[14]見表2。

表2 各污染源COD源強(qiáng)系數(shù)

2.5 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

目前，水質(zhì)評(píng)價(jià)中最普遍使用的方法是單因子指數(shù)法，其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)便、能直觀反映出某一項(xiàng)污染物的影響；缺點(diǎn)是不能全面反映水環(huán)境污染的綜合情況，結(jié)果片面，不具有代表性。為了評(píng)價(jià)結(jié)果的全面性，本文選用綜合污染指數(shù)法中的內(nèi)梅羅指數(shù)法[15-17]。其計(jì)算過程簡(jiǎn)潔、高效，因?yàn)榭紤]到最大值的影響，所以更能直觀地綜合反映出水質(zhì)評(píng)價(jià)的結(jié)果。本文利用所選指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度和標(biāo)準(zhǔn)濃度，以Ⅲ類水的標(biāo)準(zhǔn)值作為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，公式為

Fi=Ci/Coi

(6)

(7)

(8)

式中，Ci為實(shí)測(cè)濃度；Coi為標(biāo)準(zhǔn)濃度；Pi為斷面內(nèi)梅羅指數(shù)；P為加權(quán)平均內(nèi)梅羅指數(shù)。為減小不同斷面差異性的影響，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，將內(nèi)梅羅指數(shù)法稍作改進(jìn)，本文選取4個(gè)斷面的加權(quán)平均內(nèi)梅羅指數(shù)作為最終流域水質(zhì)情況的判定依據(jù)。內(nèi)梅羅指數(shù)和水質(zhì)等級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 內(nèi)梅羅指數(shù)和水質(zhì)等級(jí)

3 結(jié)果分析

3.1 主要污染源和主要污染物

由于不同種類污染物的環(huán)境容納量有所差異[18]，為了轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)比分析污染情況，本文引入了等標(biāo)污染的概念，并且分別對(duì)研究區(qū)17個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)4種污染源和3種污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷量以及等標(biāo)污染負(fù)荷比進(jìn)行計(jì)算和分析(見表4)。

表4 等標(biāo)污染負(fù)荷 (t·a-1)/(mg·L-1)

結(jié)果顯示TN為主要污染物，城鎮(zhèn)居民生活污染為主要污染源。其原因主要是小安溪流域城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施落后，農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重。TN是有機(jī)氮、氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的總和，為減少氮對(duì)環(huán)境的污染，應(yīng)加強(qiáng)控制耕地的氮肥施用量[19-20]、提高居民生活污水和生活垃圾的處理效率。

圖2 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)COD總等標(biāo)污染負(fù)荷空間分布

圖3 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)TN總等標(biāo)污染負(fù)荷空間分布

污染物的空間分布如圖2、3、4所示。綜合而言，城區(qū)段污染相對(duì)較重，應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取面源污染防控措施、最大程度上減少居民生活污染量。面源污染分布比較集中并且嚴(yán)重的鎮(zhèn)(街道)為巴川街道、東城街道、南城街道和虎峰鎮(zhèn)，其TN等標(biāo)污染負(fù)荷總量均超過了60(t·a-1)/(mg·L-1)。

表5 水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

圖4 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)TP總等標(biāo)污染負(fù)荷空間分布

3.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，小安溪河流域目標(biāo)水質(zhì)為地表水Ⅲ類水。本文選取小安溪流域的段家塘、雙河口、眾志橋和玉峽渡口4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，以2017年～2018年的實(shí)測(cè)水質(zhì)資料作為評(píng)價(jià)基礎(chǔ)，選用一般化學(xué)指標(biāo)、富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)和有毒有害指標(biāo)中的10個(gè)代表性污染指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，利用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。水質(zhì)評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果見表5。

由表5可以看出，小安溪流域2017年、2018年的水質(zhì)整體較差，平均每年有高達(dá)70%的污染指標(biāo)未達(dá)到Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)等級(jí)基本都為Ⅳ類，部分指標(biāo)的污染程度甚至達(dá)到Ⅴ類。水質(zhì)按季節(jié)呈規(guī)律性變化，豐水期整體水質(zhì)要略優(yōu)于枯水期。這可能是因?yàn)樨S水期流域內(nèi)水的總量更為豐富，水環(huán)境容量更大，相當(dāng)于污染物被稀釋了，流域內(nèi)水體自凈能力更好，所以污染物的濃度較低。其中，TN的內(nèi)梅羅污染指數(shù)最大，均為Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。這說明研究區(qū)氮污染最為嚴(yán)重，和上述面源污染計(jì)算結(jié)果一致。

4 現(xiàn)狀與防治措施建議

4.1 現(xiàn)狀總結(jié)

(1)小安溪河流域4種污染源的等標(biāo)污染負(fù)荷從大到小依次是：城鎮(zhèn)居民生活污染>農(nóng)村居民生活污染>畜禽養(yǎng)殖污染>農(nóng)藥化肥污染。研究區(qū)等標(biāo)污染以生活污水為主，污廢水排放量大并且處理不達(dá)標(biāo)，是造成水環(huán)境污染的一個(gè)重要原因。

(2)研究區(qū)內(nèi)三種污染物的等標(biāo)負(fù)荷總量從大到小依次是：TN>TP>COD。氮污染是造成研究區(qū)水質(zhì)差的重要原因之一。即，農(nóng)藥化肥的不合理使用以及畜禽、生活污水的不達(dá)標(biāo)排放所致。

(3)研究區(qū)的污染物空間分布情況較為一致。其中，巴川街道、東城街道、南城街道和虎峰鎮(zhèn)的污染最為嚴(yán)重，其地理位置均靠近城區(qū)段，應(yīng)確定為重點(diǎn)治理鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域。

(4)研究區(qū)的輸入性污染嚴(yán)重，入境水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)，來水水質(zhì)的較差給銅梁區(qū)水環(huán)境治理帶來了巨大的壓力。

4.2 措施建議

針對(duì)小安溪河流域的水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)估結(jié)果和小流域面源污染治理的主要困難[21-24]，提出防治措施。

(1)工程措施：①建設(shè)升級(jí)污染嚴(yán)重鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生活污水處理系統(tǒng)。巴川街道、東城街道、南城街道和虎峰鎮(zhèn)是研究區(qū)內(nèi)污染集中且嚴(yán)重的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，而生活污染是該地區(qū)水污染最重要的原因之一。因此，需要對(duì)這幾個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)置不合格或者年久失修的處理廠進(jìn)行改造和修理，或新建污水處理廠，以保證居民生活污水能得到及時(shí)處理。②小安溪河流域面源防污帶建設(shè)。在小安溪流域中農(nóng)藥化肥使用相對(duì)集中、污染物排放相對(duì)較多街道附近設(shè)置防污工程，在全流域形成區(qū)域性的網(wǎng)狀“截污溝”以攔截進(jìn)入到流域的污染物，起到源頭防治的作用。

(2)非工程措施：①以“控源截污—水質(zhì)凈化—生態(tài)修復(fù)”[23]為主要思路，對(duì)巴川街道、東城街道、南城街道和虎峰鎮(zhèn)，投入更多的資金，加大治理力度；②聯(lián)合永川區(qū)、大足區(qū)，進(jìn)行上下游河長(zhǎng)制聯(lián)動(dòng)治理；③在靠近城區(qū)段鄉(xiāng)鎮(zhèn)建立實(shí)施水體達(dá)標(biāo)獎(jiǎng)懲制度，達(dá)標(biāo)則獎(jiǎng)，不達(dá)標(biāo)則重罰；④積極宣傳水污染防治相關(guān)政策法律。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合水文學(xué)、環(huán)境學(xué)、地理信息科學(xué)，多角度綜合評(píng)估了小安溪流域的水污染現(xiàn)狀，將改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法和面源污染綜合模型相結(jié)合，使得現(xiàn)狀分析更加全面，從而提出了具體的污染治理措施。對(duì)傳統(tǒng)的水質(zhì)分析方法加以修正，提高了模擬精度。但由于水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料收集的不足，對(duì)水質(zhì)部分的分析深度仍有欠缺，后續(xù)還需加強(qiáng)研究。