馬秋霞， 逄 勇， 胥瑞晨， 宋為威， 胡祉冰

(1.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2.河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

隨著人口的增長與經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，水環(huán)境污染日益加劇。水環(huán)境容量的研究對控制水域污染物排放總量以及保護(hù)和改善水生態(tài)環(huán)境具有重要意義[1-2]，因而針對流域污染負(fù)荷和水環(huán)境容量計算方法的研究也逐漸成為學(xué)者們關(guān)注的焦點[3-5]。

入河污染負(fù)荷是指各污染源在單位時間內(nèi)向水域排放的污染物總量，而污染物入河量是入河污染負(fù)荷的主要表達(dá)方式[6]。水環(huán)境容量是指在給定的水質(zhì)目標(biāo)和水文設(shè)計條件下，水域的污染物最大允許排放量[7]。目前應(yīng)用較普遍的水環(huán)境容量計算方法包括模型試錯法[8]、概率稀釋模型法[9]、解析法[10]和系統(tǒng)分析法[11]等，在這些計算方法的應(yīng)用中，大多以水量、水質(zhì)模型為基礎(chǔ)，建立數(shù)學(xué)模型對水環(huán)境容量進(jìn)行研究。瞿一清等[12]通過建立二維數(shù)學(xué)模型對城南河進(jìn)行了水量、水質(zhì)模擬，并對控制斷面達(dá)標(biāo)下的水環(huán)境容量進(jìn)行了研究，提出了兩種水質(zhì)提升措施；王雪等[13]通過構(gòu)建模型對枯水期不同保證率條件斷面達(dá)標(biāo)下禿尾河污染物排放總量控制進(jìn)行了研究，并提出了多種總量控制方案；韓梓流等[14]基于京杭運河五牧斷面的水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況，建立一維數(shù)學(xué)模型對研究區(qū)域進(jìn)行了水環(huán)境容量研究?？傮w而言，以上研究缺乏對研究區(qū)域污染物的來源分析，提出的解決方案針對性不強(qiáng)，且水環(huán)境容量的計算結(jié)果精度不高。

本文以底洞溝流域為研究區(qū)域，基于《重慶市北碚區(qū)統(tǒng)計年鑒2018》，分析底洞溝流域各污染物的主要來源，構(gòu)建一維非恒定流數(shù)學(xué)模型并耦合Thomas算法對其水環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行研究，為底洞溝河道治理提供具有方向性的措施和建議。

2 資料來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

底洞溝流域(106°26′E～106°29′E；29°44′N～29°47′N)位于重慶市北碚區(qū)蔡家崗街道施家梁鎮(zhèn)境內(nèi)，是嘉陵江下游段右岸一級支流，處于中梁山中段東麓，大致呈狹長的西南至東北走向。底洞溝發(fā)源于嘉陵江流域西南部尖頂坡一帶，源頭段東流至瓦房子，之后折而流向東北方向，蜿蜒穿行于兩翼山脈之間的槽谷內(nèi)，沿途分別經(jīng)狗腳灣、龍家橋、獅子壩、黑龍?zhí)兜鹊?，匯納左岸老廠溝支流、底溝洞支溝、趙家溝支流，最后在嘉陵江流域東北角匯入嘉陵江。底洞溝流域面積為11.6 km2，干流長度為7.8 km，平均比降為16.9‰。底洞溝流域地理位置及主要水系見圖1。

圖1 底洞溝流域地理位置及主要水系

2.2 研究方法

2.2.1 野外同步監(jiān)測 本研究于2019年2月27日至3月2日進(jìn)行野外同步監(jiān)測，在底洞溝流域內(nèi)設(shè)置入嘉陵江斷面(A斷面)、施家梁-蔡家崗交界斷面(B斷面)2個監(jiān)測斷面(圖1)，按照要求進(jìn)行水樣采樣，并分別參考相關(guān)規(guī)范(GB 11892—1989、HJ 535—2009和GB 11893—1989)對水樣中的CODMn、氨氮和總磷進(jìn)行測定。

2.2.2 入河污染負(fù)荷計算 本次污染物產(chǎn)生量及入河量采用污染源調(diào)查方法進(jìn)行計算，主要對工業(yè)企業(yè)、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、農(nóng)田面源及畜禽養(yǎng)殖進(jìn)行污染物入河量分析，污染物入河量W的計算公式如下：

(1)

式中：Ni為第i種類型污染源的數(shù)量或面積；αi為第i種類型污染源的污染物排放系數(shù)，本文工業(yè)企業(yè)污染物排放系數(shù)由重慶市《2018年四清四治企業(yè)許可證臺賬》提供，城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、農(nóng)田面源及畜禽養(yǎng)殖污染物排放系數(shù)取值于《第一次全國污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊》，詳見表1；βi為第i種類型污染源的污染物入河系數(shù)；γi為第i種類型污染源的污染物修正系數(shù)。

表1 各污染源的污染物排放系數(shù)取值

2.2.3 水環(huán)境容量計算 綜合考慮水文、污染來源等因素，對研究區(qū)域內(nèi)進(jìn)入水功能區(qū)的各污染源進(jìn)行概化，通過查閱《中華人民共和國水文年鑒》第6卷9冊《長江流域水文資料——嘉陵江區(qū)》，取90%保證率下降雨徑流計算結(jié)果作為設(shè)計水文條件，取重慶市北碚區(qū)2019年河長制水質(zhì)斷面現(xiàn)狀監(jiān)測的不利值作為水質(zhì)邊界，利用一維非恒定流數(shù)學(xué)模型和Thomas算法，計算得到入嘉陵江斷面水質(zhì)達(dá)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)時各概化排口的允許排污量，各概化排口的允許排污量之和即為基于考核斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的水功能區(qū)水環(huán)境容量。

(1)水動力模型。以描述明渠一維非恒定流、補(bǔ)充了漫灘和旁側(cè)入流的圣維南方程組作為水動力計算的控制方程，包括連續(xù)性方程和動量方程[12,15-17]，方程組如下：

(2)

式中：Q為流量，m3/s；b為調(diào)蓄寬度，指包括灘地在內(nèi)的全部河寬，m；x為沿水流方向空間坐標(biāo)，m；t為時間，s；q為旁側(cè)入流流量(將概化排污口視為點源從岸邊匯入底洞)，m3/s，入流為正，出流為負(fù)；h為水位，m；α為動量校正系數(shù)；R為水力半徑，m；g為重力加速度，m/s2；Cz為謝才系數(shù)；A為主槽過水?dāng)嗝婷娣e，m2。

(2)對流擴(kuò)散模型。污染物的擴(kuò)散、隨水流的運動及自身的降解決定著污染物在水中的濃度及分布，一維對流擴(kuò)散方程為對流擴(kuò)散模塊的控制方程[12,15-17]，方程式如下：

(3)

式中：Q為流量，m3/s；x為沿水流方向的空間坐標(biāo)，m；A為主槽過水?dāng)嗝婷娣e，m2；D為縱向擴(kuò)散系數(shù)；C為物質(zhì)濃度，mg/L；C1為源匯濃度，mg/L；K為線性衰減系數(shù)，s-1；t為時間，s；q為旁側(cè)入流流量，m3/s。

(3)Thomas算法。本次水環(huán)境容量研究中采用Thomas算法對水動力方程組和對流擴(kuò)散方程式進(jìn)行最終求解。存在3對角線性方程組Ax=f，A可分解為兩個三角線性方程組P、Q[18]：

(4)

(4)概化排污口設(shè)置。研究區(qū)污染源共概化為6個排污口，底洞溝上游概化為1#、2#和3#排污口；下游概化為4#、5#和6#排污口，各概化排污口分布見圖1。

(5)水環(huán)境容量合理性分析。水環(huán)境容量合理性指標(biāo)R：

R=|L-K|

(5)

(6)

(7)

式中：L為水質(zhì)超標(biāo)率，%；Cp為現(xiàn)狀水質(zhì)濃度，mg/L；Cs為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度(GB 3838—2002河道Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn))，mg/L；K為污染物需削減率，%；WP為污染物入河量，t/a；WC為水環(huán)境容量，t/a。

瞿一清等[12]和韓梓流等[14]在基于斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的水環(huán)境容量計算研究中提出，若R在30%以內(nèi)，則計算所得的水環(huán)境容量基本合理。

CODMn與CODCr兩者之間存在顯著的相關(guān)性與一定的線性關(guān)系[19-22]，以CODMn濃度為X，CODCr濃度為Y，根據(jù)重慶市北碚區(qū)2019年河長制斷面水質(zhì)監(jiān)測值可得線性回歸方程Y=3.15X+1.25。CODMn和CODCr的水質(zhì)超標(biāo)率的計算公式如下：

(8)

(9)

LCODMn=LCODCr

(10)

因此，CODMn的水質(zhì)超標(biāo)率也可用于分析CODCr的水環(huán)境容量計算結(jié)果的合理性。

3 結(jié)果與分析

3.1 現(xiàn)狀水質(zhì)評價

圖2為野外同步監(jiān)測的2019-02-27至2019-03-02底洞溝A、B監(jiān)測斷面水質(zhì)指標(biāo)現(xiàn)狀。由圖2中的監(jiān)測結(jié)果可知，A、B兩個監(jiān)測斷面在2019年2月27日至3月2日期間各項水質(zhì)指標(biāo)濃度變化幅度較小，其中CODMn均達(dá)標(biāo)，氨氮和總磷均超標(biāo)。A斷面氨氮平均濃度為1.71 mg/L(平均超標(biāo)71%)，總磷平均濃度為0.31 mg/L(平均超標(biāo)55%)；B斷面氨氮平均濃度為4.78 mg/L(平均超標(biāo)3.78倍)，總磷平均濃度為0.21 mg/L(平均超標(biāo)5%)。

圖2 2019-02-27-2019-03-02底洞溝A、B監(jiān)測斷面水質(zhì)指標(biāo)現(xiàn)狀

3.2 水污染溯源分析

根據(jù)《重慶市北碚區(qū)統(tǒng)計年鑒(2018年)》《北碚區(qū)2018年四清四治企業(yè)名單》以及《北碚區(qū)畜禽養(yǎng)殖情況統(tǒng)計表(20生豬當(dāng)量以上)》將底洞溝水質(zhì)污染源分為工業(yè)企業(yè)、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、農(nóng)田面源和畜禽養(yǎng)殖，并計算出各污染源對入河水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，如圖3所示。由圖3可計算出底洞溝流域各污染物入河量分別為：CODCr361.2 t/a、氨氮43.1 t/a、總磷3.9 t/a。對圖3中污染源構(gòu)成進(jìn)行分析，城鎮(zhèn)生活源對污染物的入河量的貢獻(xiàn)率最大，其各污染物入河量分別為：CODCr286 t/a、氨氮32.7t/a和總磷2.9 t/a， 各占總污染物入河量的79.2%、75.9%和74.3%；工業(yè)企業(yè)、農(nóng)村生活和農(nóng)田面源對各污染物入河量的貢獻(xiàn)率均較小。由于研究區(qū)域內(nèi)無規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖廠，因而畜禽養(yǎng)殖幾乎無貢獻(xiàn)。

圖3 2019-02-27-2019-03-02底洞溝水質(zhì)污染源構(gòu)成及其貢獻(xiàn)率

根據(jù)區(qū)域特征對各概化排污口進(jìn)行污染物入河量分析，結(jié)果見圖4。圖4表明，底洞溝上游是各污染物入河量的主要來源，其中3#概化排污口對污染物入河量的貢獻(xiàn)最大，達(dá)34%，其各污染物入河量分別為：CODCr125.6 t/a、氨氮14.1 t/a、總磷1.3 t/a；2#和1#概化排污口的貢獻(xiàn)率分別為31%和27%。

圖4 底洞溝各概化排污口污染物入河量

3.3 水環(huán)境容量分析

3.3.1 模型參數(shù)率定 根據(jù)野外同步監(jiān)測結(jié)果，采用試錯法對水質(zhì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，模擬時段計算值與實測值的對比如圖5所示。由圖5中的結(jié)果經(jīng)統(tǒng)計分析得出CODMn、氨氮和總磷的模擬平均相對誤差分別小于13%、7%和16%，表明模擬結(jié)果與實際值擬合較好。底洞溝CODMn降解系數(shù)為0.09～0.11 d-1，氨氮降解系數(shù)為0.065～0.080 d-1，總磷降解系數(shù)為0.060～0.075 d-1， 表明該水質(zhì)模型可用于水環(huán)境容量的精準(zhǔn)計算。

圖5 2019年模擬時段內(nèi)底洞溝水質(zhì)模型計算值與實測值的對比

3.3.2 計算結(jié)果與合理性分析 利用已建立的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，計算得到的滿足入嘉陵江斷面(監(jiān)測斷面A)達(dá)Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)的各概化單元允許排污量見表2。如表2所示，底洞溝上游允許排污量遠(yuǎn)大于下游，約占總允許排污量的87%；1#、2#和3#概化排污口的允許排污量基本處于同一水平，其中3#徐家院子河段的CODCr允許排污量最大，約占CODCr總允許排污量的35%；2#三溪村河段的氨氮和總磷允許排污量最大，分別占各自總允許排污量的33%和32%。

表2 底洞溝各概化單元允許排污量

將底洞溝污染物入河量與水環(huán)境容量進(jìn)行對比分析，底洞溝CODCr水環(huán)境容量為390.2 t/a，CODCr入河量為361.2 t/a，理論上無需削減；氨氮水環(huán)境容量為16.3 t/a，氨氮入河量為43.1 t/a，理論上需要削減26.8 t/a(需削減62%)；總磷水環(huán)境容量為2.2 t/a，總磷入河量為3.9 t/a，理論上需要削減1.7 t/a(需削減44%)。

基于入嘉陵江斷面(監(jiān)測斷面A)的水質(zhì)，本文計算得出的氨氮和總磷的水質(zhì)超標(biāo)率與需削減率之差均在20%以內(nèi)，說明本次研究計算的水環(huán)境容量值是合理的。

4 討 論

對底洞溝流域污染負(fù)荷的研究表明，城鎮(zhèn)生活源是污染物入河量的最大貢獻(xiàn)者，各污染物平均約占總?cè)牒恿康?6.5%，因而城鎮(zhèn)生活源對水環(huán)境的污染不容忽視。造成城鎮(zhèn)生活污水排入河道的主要原因可歸納為污水管網(wǎng)設(shè)計不合理、資金短缺造成污水處理不當(dāng)以及城市污水處理的善后問題[23-25]。為改善城市污水處理問題，應(yīng)做好城市污水處理規(guī)劃，加強(qiáng)對污水管網(wǎng)的維護(hù)，嚴(yán)控污水處理標(biāo)準(zhǔn)，建立完善的運營、管理機(jī)制，提高管理水平，積極滿足城市居民日常生活[26]。

經(jīng)現(xiàn)場勘查、污染溯源分析及水環(huán)境容量研究可知，底洞溝上游蔡家崗鎮(zhèn)建有的污水處理廠出水達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)，河道沿途污水管道多處破損、地下管網(wǎng)混亂，使富含氮元素與磷元素的城鎮(zhèn)生活污水直排進(jìn)入河道，氨氮和總磷的入河量大于水環(huán)境容量，需要對其削減。

現(xiàn)針對底洞溝流域?qū)嶋H問題，并響應(yīng)“十三五”規(guī)劃綱要，本研究建議對蔡家崗鎮(zhèn)和施家梁鎮(zhèn)實施污水管網(wǎng)整治、污水處理廠提標(biāo)改造等措施，使城鎮(zhèn)生活污水收集處理率提升至85%。在整治措施實施后，CODCr、氨氮和總磷可分別削減113.5、27.8和2.4 t/a，通過已構(gòu)建的一維非恒定流模型預(yù)測入嘉陵江斷面(A斷面)CODMn、氨氮和總磷的年平均濃度值分別為3.51、0.96和0.19 mg/L，可滿足河道地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，故此次建議措施對底洞溝流域水質(zhì)整治具有一定的指導(dǎo)意義。

5 結(jié) 論

通過對底洞溝流域現(xiàn)場勘查監(jiān)測、污染溯源分析和水環(huán)境容量研究，得出以下結(jié)論：

(1)底洞溝流域CODCr、氨氮、總磷入河量分別為361.2、43.1、3.9 t/a，相應(yīng)的水環(huán)境容量分別為390.2、16.3、2.2 t/a。其中氨氮、總磷入河量大于水環(huán)境容量，需要對氨氮、總磷進(jìn)行污染物削減，從而改善底洞溝水質(zhì)，使底洞溝入嘉陵江斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

(2)通過水污染溯源分析可知，城鎮(zhèn)生活源對污染物入河量的貢獻(xiàn)最大，平均約占總污染物入河量的76.5%，對城鎮(zhèn)生活源的管控成為流域水質(zhì)整治的主要方向。經(jīng)勘查發(fā)現(xiàn)，底洞溝流域上游污水處理廠出水不達(dá)標(biāo)，河道沿途污水管網(wǎng)破損、混亂，使富含氮元素和磷元素的城鎮(zhèn)生活污水直排進(jìn)入河道，導(dǎo)致底洞溝入嘉陵江斷面水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。

(3)建議對區(qū)域城鎮(zhèn)生活污染源進(jìn)行整治，應(yīng)重點通過新建、改建、修建區(qū)域污水管網(wǎng)以及對城鎮(zhèn)生活污水廠進(jìn)行提標(biāo)改造，以減少區(qū)域污染負(fù)荷，保障區(qū)域水生態(tài)安全，維護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)功能，實現(xiàn)水資源與水生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展。