朱 虹，敖天其,2，游如玥，高丹陽，張 興

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

0 引 言

當(dāng)前，銅梁區(qū)小安溪河流域地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量差、水生態(tài)受損重、環(huán)境隱患多等問題十分突出，影響和損害群眾健康，不利于經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)發(fā)展。全區(qū)的水環(huán)境污染主要是面源污染為主，因此對銅梁境內(nèi)小安溪河流域的面源污染進(jìn)行分析，從根源上解決流域的水環(huán)境污染問題。面源污染是指溶解性或固體污染物在大面積降水和徑流沖刷作用下匯入受納水體而引起的水體污染[1, 2]。對于點(diǎn)源污染，人們早期就始了全面的研究以及有效治理，現(xiàn)在面源污染問題日益突出，已經(jīng)成為了我國水環(huán)境治理的待深入研究的問題。本文選取小安溪河流域作為研究區(qū)，采用綜合污染指數(shù)法對水體污染狀況進(jìn)行評估，并用輸出系數(shù)法和源強(qiáng)系數(shù)法對該流域面源污染狀況進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)

1.1 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62 km，東西寬約48 km，幅員面積1 343 km2。流域所在區(qū)域?qū)賮啛釒夂?，四季分明，年平均氣?7.8 ℃。全區(qū)地勢西北低、東南高，從東南向西北逐步演變?yōu)殚_闊的方山丘陵。區(qū)內(nèi)溪溝縱橫，水系發(fā)達(dá)。小安溪河貫穿本區(qū)流過，流長88.3 km，相應(yīng)流域面積490.8 km2。流域內(nèi)遍布淺丘平壩、寬谷緩丘，上百條支流匯入小安溪，水系發(fā)育，水資源開發(fā)利用條件較好。

小安溪河上游有兩個源頭，其一小安溪干流于永嘉鎮(zhèn)高龍村入境；其二淮遠(yuǎn)河于土橋鎮(zhèn)二道橋入境；下游于舊縣街道的段家塘水質(zhì)監(jiān)測斷面出境流入合川區(qū)。流域共有玉峽渡口斷面、雙河口斷面、眾志橋斷面和段家塘斷面4個水質(zhì)監(jiān)測斷面，詳見圖1。

圖1 水質(zhì)監(jiān)測斷面分布圖Fig.1 Water quality monitoring section distribution map

1.2 研究區(qū)數(shù)據(jù)

研究區(qū)所用的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)參照第二次全國土地利用調(diào)查資料；社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)依據(jù)銅梁區(qū)2015-2018年年鑒及鎮(zhèn)(街道)提供調(diào)查資料；其他數(shù)據(jù)依據(jù)銅梁區(qū)環(huán)保局、銅梁區(qū)規(guī)劃自然資源局、銅梁區(qū)林業(yè)局、銅梁區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村委、銅梁區(qū)畜牧發(fā)展中心、銅梁區(qū)統(tǒng)計局、銅梁區(qū)氣象局、銅梁區(qū)發(fā)展改革委等提供相關(guān)資料。

2 研究方法

2.1 水質(zhì)評價方法

(1)綜合污染指數(shù)法。綜合污染指數(shù)法是評價水環(huán)境質(zhì)量的一種重要方法，是對各污染指標(biāo)的相對污染指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，得出代表水體污染程度的數(shù)值[3]，從而對水質(zhì)的污染狀況進(jìn)行評價。綜合污染指數(shù)法可以克服用單一指標(biāo)評價水體質(zhì)量的局限性，多項指標(biāo)評價更加全面化、系統(tǒng)化[4, 5]。計算公式為：

(1)

(2)

式中：P為水體的綜合污染指數(shù)；n為參加評價的污染物指標(biāo)數(shù)目；Pi為污染物i污染指數(shù)；ci為污染物i的監(jiān)測濃度，由研究區(qū)各斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到；Si為污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)值，按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，小安溪河流域水域功能劃分為Ⅲ類水，評價標(biāo)準(zhǔn)值按照Ⅲ類水基本項目標(biāo)準(zhǔn)限值，見表1。

表1 基本項目標(biāo)準(zhǔn)限值Tab.1 Basic item standard limits

綜合污染指數(shù)對應(yīng)的水質(zhì)分級如下：P≤0.25，清潔；0.25

(2)污染分擔(dān)率。污染分擔(dān)率是指斷面水體中某種污染物占所有污染物總量的百分比，即該種污染物的濃度貢獻(xiàn)比率，可用于確定斷面的主要污染物。

2004年拍《歷史的天空》，殷桃初生牛犢，第一天第一場戲便是跟李雪健、張豐毅搭。這得多重要。殷桃就不會演了，很簡約的一個打招呼，NG了20多遍。

Ki=Pi/P×100%

(3)

式中：Ki為污染物i的污染分擔(dān)率；Pi、P同前式。

2.2 輸出系數(shù)法

輸出系數(shù)法是由Johnes and O’Sullivan于1989年提出[7]，由于它的簡單和相對穩(wěn)定性而在許多國家被廣泛應(yīng)用。本研究采用了修正后的模型計算研究區(qū)各污染源TN和TP的輸出負(fù)荷量[8]，公式如下：

(4)

式中：L為營養(yǎng)物的流失量，t/a；Ei為營養(yǎng)源i的輸出系數(shù)，(km2·a)或kg/(人·a)或kg/(頭·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(只或頭)，或流域的人口數(shù)量(人)，均來源研究區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)；p為來自降水的營養(yǎng)物輸入，t/a，由于本研究缺少降水中污染物含量檢測數(shù)據(jù)，因此本研究未考慮此項。

由于目前掌握的小安溪流域監(jiān)測資料短缺，故本次研究主要采用文獻(xiàn)綜合法對輸出系數(shù)進(jìn)行確定。根據(jù)對長江上游地區(qū)大量面源污染研究文獻(xiàn)的分析和調(diào)查數(shù)據(jù)[9-14]，確定本研究的輸出系數(shù)，見表2。

表2 研究區(qū)非點(diǎn)源輸出系數(shù)的分類與取值Tab.2 Export coefficients of NPS in research area

2.3 源強(qiáng)系數(shù)法

中國環(huán)境科學(xué)研究院在2003年中最早提出源強(qiáng)系數(shù)法的概念，并得到了廣泛應(yīng)用。本文將采用四川地區(qū)源強(qiáng)系數(shù)表[15]，見表3。本文使用該方法計算研究區(qū)各污染源的COD輸出負(fù)荷量。

表3 各污染源的源強(qiáng)系數(shù)及其入河系數(shù)Tab.3 Source strength coefficient of each pollution source and its river entry coefficient

農(nóng)業(yè)化肥污染物排放量計算過程為：

(5)

式中：L為農(nóng)業(yè)化肥的污染物排放量，t/a；Ei為農(nóng)業(yè)化肥的源強(qiáng)系數(shù)，kg/(hm2·a)；αi為農(nóng)田的坡度修正值，坡度值通過在arcgis軟件中處理計算得到；Si為土壤修正系數(shù)，土壤類型通過分析土壤分布圖得到；Pi為降雨量修正系數(shù)，通過分析降雨量得到；Ci為農(nóng)作物類型修正系數(shù)，根據(jù)土地利用類型圖在arcgis軟件中處理計算得到；Fi為化肥施用量修正系數(shù)，通過分析化肥施用量得到，均無量綱。農(nóng)業(yè)化肥的源強(qiáng)系數(shù)修正見表4。

表4 農(nóng)業(yè)化肥污染源強(qiáng)系數(shù)修正結(jié)果Tab.4 Correction results of agricultural fertilizer pollution source intensity coefficient

生活污水以及畜禽養(yǎng)殖污染物排放量計算過程為：

(6)

式中：L為污染物排放量，t/a；Ei為源強(qiáng)系數(shù)，g/(人·d)或g/(頭·d)；D為生長周期，計算生活污水時取值為365 d，根據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，豬的飼養(yǎng)周期取150 d；M為流域的人口數(shù)量(人)或畜禽養(yǎng)殖的數(shù)量，頭。

3 結(jié)果分析

3.1 水質(zhì)評價

本文選取玉峽渡口、雙河口、眾志橋和段家塘4個水質(zhì)監(jiān)測斷面進(jìn)行水質(zhì)評價，根據(jù)2018年水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以及當(dāng)?shù)匚廴厩闆r，選擇化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮、五日生化需氧量、硫化物、氟化物以及高錳酸鹽指數(shù)這8個評價因子對小安溪流域水質(zhì)進(jìn)行評價。

采用綜合污染指數(shù)法對小安溪流域4個斷面2018年全年以及豐水期、平水期、枯水期的污染指數(shù)進(jìn)行計算，結(jié)果見表5。段家塘、眾志橋以及雙河口斷面水質(zhì)級別均為重污染，玉峽渡口斷面水質(zhì)級別為中污染?？傮w而言，小安溪流域4個斷面的水質(zhì)都比較的差，玉峽渡口斷面的情況要略優(yōu)于其他斷面。從不同的時期來看，豐水期的水質(zhì)要優(yōu)于平水期和枯水期，這可能是因為豐水期水環(huán)境容量增大，水體自凈能力增強(qiáng)。

表5 各斷面綜合污染指數(shù)Tab.5 Comprehensive pollution index of each section

選取的8個評價因子的污染分擔(dān)率如圖2所示，TN的分擔(dān)率明顯高于其他因子，均在36%以上，其次是COD和TP，污染分擔(dān)率分別在10.09%～15.75%和7.79%～14.40%之間。其他評價因子的分擔(dān)率較低，均未達(dá)到10%。各斷面TN、COD和TP的污染分擔(dān)率之和均超過60%，小安溪流域主要影響因子為TN、COD和TP。

圖2 各斷面評價因子污染分擔(dān)率Fig.2 Pollution sharing rate of evaluation factors by each section

3.2 面源污染分析

通過對研究區(qū)的水質(zhì)評價，可以看出小安溪流域水體污染情況十分惡劣，水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)。為了進(jìn)一步研究流域污染情況，選擇TN、COD和TP 3種主要污染物，結(jié)合源強(qiáng)系數(shù)法和輸出系數(shù)法對流域2018年面源污染情況進(jìn)行污染負(fù)荷模擬。

3.2.1 面源污染總量分析

利用源強(qiáng)系數(shù)法計算農(nóng)業(yè)化肥、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污水以及城鎮(zhèn)生活污水的COD輸出負(fù)荷量分別為719.49、35.76、309.65、4 193.70 t/a；利用輸出系數(shù)法計算農(nóng)業(yè)化肥、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污水以及城鎮(zhèn)生活污水TN輸出負(fù)荷量分別為52.31、71.76、198.29、268.58 t/a；利用輸出系數(shù)法計算農(nóng)業(yè)化肥、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污水以及城鎮(zhèn)生活污水TP輸出負(fù)荷量分別為3.46、8.80、27.25、36.88 t/a。

從表6可以看出，研究區(qū)TN、COD以及TP的總等標(biāo)污染負(fù)荷比分別為47.82%、21.28%和30.91%，三者比例為2.25∶1∶1.45。從污染物角度分析，小安溪流域內(nèi)最嚴(yán)重的污染物為TN，與水質(zhì)評價結(jié)果相吻合。

表6 污染負(fù)荷表Tab.6 Pollution load table

污染源的負(fù)荷貢獻(xiàn)率順序為：城鎮(zhèn)生活污水>農(nóng)村生活污水>畜禽養(yǎng)殖>農(nóng)業(yè)化肥。污染源的輸出負(fù)荷量中以生活污水為主，城鎮(zhèn)生活污水尤為突出。這是由于銅梁城區(qū)管網(wǎng)建設(shè)不完善、城區(qū)污水處理廠處理標(biāo)準(zhǔn)低且部分溢流排污口截流不徹底，直接排入巴川河、淮遠(yuǎn)河。

3.2.2 面源污染空間分析

研究區(qū)面源污染TN、COD以及TP的等標(biāo)污染負(fù)荷空間分布如圖3所示。從圖3中可以看出，污染物在各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的空間分布情況較為一致，城區(qū)段污染相對較重。在TN、TP等標(biāo)污染負(fù)荷中，貢獻(xiàn)率最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為巴川街道，其次是南城街道、虎峰鎮(zhèn)。在COD等標(biāo)污染負(fù)荷中，貢獻(xiàn)率最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)也為巴川街道，其次是東城街道、南城街道?？傊痛ń值?、南城街道、虎峰鎮(zhèn)、東城街道為面源污染主要治理鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

圖3 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)等標(biāo)污染負(fù)荷Fig.3 Equivalent pollution load of each township

3.2.3 結(jié)果檢驗

本文采用源強(qiáng)系數(shù)法計算四種污染源的COD輸出負(fù)荷量，用輸出系數(shù)法計算TN和TP輸出負(fù)荷量。現(xiàn)利用小安溪流域2017-2018各斷面污染物監(jiān)測值對計算結(jié)果進(jìn)行驗證，TN、COD、TP監(jiān)測濃度均值分別為2.25、21.22、0.26 mg/L，將其與銅梁境內(nèi)小安溪流域多年平均徑流量(3.02 億m3)相乘，得到研究區(qū)TN、COD、TP負(fù)荷量為679.50、6 408.44、78.52 t/a，計算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果相對誤差分別為13.03%、17.94%、2.71%，見表7?？紤]到面源污染會受到降雨、土壤類型和地形等因素的影響，以及沒有統(tǒng)計的點(diǎn)源污染負(fù)荷(如工業(yè))的影響，計算結(jié)果與實(shí)際的監(jiān)測結(jié)果較為相近。

表7 計算與監(jiān)測結(jié)果對比Tab.7 Comparison of calculation and monitoring results

4 結(jié)論和建議

本文用綜合污染指數(shù)法對小安溪流域水質(zhì)進(jìn)行評價，用源強(qiáng)系數(shù)法和輸出系數(shù)法，選擇了城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)村生活污水、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)化肥這4種污染源以及TN、COD、TP 3種污染物，對小安溪流域進(jìn)行了面源污染分析，結(jié)論和建議如下。

(1)小安溪流域的水質(zhì)整體較差，段家塘、眾志橋以及雙河口斷面水質(zhì)級別全年均為重污染，流域主要影響因子為TN、COD和TP，其中，TN的污染分擔(dān)率達(dá)到了36%以上，面源污染問題突出。

(2)從污染物角度分析，研究區(qū)TN、COD以及TP的等標(biāo)污染負(fù)荷比分別為47.82%、21.28%和30.91%，小安溪流域內(nèi)最嚴(yán)重的污染物為TN，與水質(zhì)評價結(jié)果一致。

(3)從污染源角度分析，城鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)村生活污水的等標(biāo)污染負(fù)荷比和達(dá)到81.94%，生活污水的治理已經(jīng)刻不容緩。

(4)從鄉(xiāng)鎮(zhèn)角度分析，TN、COD以及TP的等標(biāo)污染負(fù)荷空間分布情況較為一致，城區(qū)段污染相對較重，重點(diǎn)治理鄉(xiāng)鎮(zhèn)為巴川街道、東城街道、南城街道和虎峰鎮(zhèn)。