韋婭儷，陳亞平，岳艾儒，楊長(zhǎng)軍，朱建超

(1.四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，成都 610041;2.四川省環(huán)?？萍脊こ逃邢挢?zé)任公司,成都 610041 3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012)

1 前 言

2015年4月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(以下稱《水十條》)，要求未達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)要求的地區(qū)制定達(dá)標(biāo)方案。環(huán)保部與四川省人民政府簽署的《四川省水污染防治目標(biāo)責(zé)任書》中明確提出眉山市岷江悅來渡口控制單元的水質(zhì)控制斷面悅來渡口斷面應(yīng)于2020年底前實(shí)現(xiàn)“總磷≤0.32mg/L，其他指標(biāo)為IV類”的水質(zhì)目標(biāo)。四川省人民政府與眉山市人民政府簽訂的《眉山市水污染防治目標(biāo)責(zé)任書》中增加提出岷江思蒙河口斷面應(yīng)于2019年實(shí)現(xiàn)“總磷≤0.3mg/L，其他指標(biāo)為Ⅲ類”的水質(zhì)目標(biāo)；岷江醴泉河口斷面應(yīng)于2020年實(shí)現(xiàn)“Ⅳ類”水質(zhì)目標(biāo)；橋江橋斷面應(yīng)于2019年實(shí)現(xiàn)“總磷≤0.33mg/L，其他指標(biāo)為IV類”的水質(zhì)目標(biāo)。悅來渡口控制單元涉及的水系包括岷江干流，岷江一級(jí)支流醴泉河、思蒙河、毛河、金牛河；涉及的行政區(qū)域包括眉山市丹棱縣4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，東坡區(qū)全域26個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，彭山區(qū)7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，青神縣全域10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，仁壽縣6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，共計(jì)53個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。岷江眉山段承接成都來水與區(qū)域內(nèi)小流域匯水污染負(fù)荷，悅來渡口斷面作為岷江眉山入樂山考核斷面，水質(zhì)常年處在V類水質(zhì)狀態(tài)，主要污染因子為總磷，不滿足《四川省水污染防治目標(biāo)責(zé)任書》要求。本研究通過對(duì)悅來渡口控制單元總磷濃度變化的分析、總磷入河量及水環(huán)境容量的計(jì)算，識(shí)別主要環(huán)境問題和成因，確定水質(zhì)改善目標(biāo)和指標(biāo)，提出水環(huán)境改善的工作思路，支撐《四川省水污染防治目標(biāo)責(zé)任書》的實(shí)現(xiàn)。

2 水質(zhì)變化分析

岷江悅來渡口控制單元納入國(guó)家考核的監(jiān)測(cè)斷面有1個(gè)，為悅來渡口斷面；納入省考核的監(jiān)測(cè)斷面有3個(gè)，分別是思蒙河口斷面、醴泉河口斷面、橋江橋斷面。悅來渡口斷面為岷江眉山入樂山考核斷面，思蒙河口斷面為思蒙河匯入岷江斷面，醴泉河口斷面為醴泉河匯入岷江斷面，橋江橋斷面為毛河匯入岷江斷面。研究河段水系圖及國(guó)、省控?cái)嗝娴奈恢靡妶D1，控制單元內(nèi)各考核斷面(點(diǎn)位)水質(zhì)類別變化見表1。

監(jiān)測(cè)斷面201120122013201420152016悅來渡口ⅤⅤⅤⅤⅤⅣ思蒙河口Ⅴ劣ⅤⅤ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ醴泉河口劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ橋江橋ⅤⅤ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ

2.1 悅來渡口斷面水質(zhì)分析

悅來渡口斷面為國(guó)考斷面，該斷面為岷江眉山入樂山斷面，根據(jù)斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)，悅來渡口斷面從2011～2015年一直保持為Ⅴ類水體，2016年改善為Ⅳ類，該斷面主要污染因子為總磷。悅來渡口斷面總磷濃度年度及月度變化趨勢(shì)分別見圖2、圖3。

圖2 悅來渡口斷面總磷濃度年度變化趨勢(shì)Fig.2 Annual variation trend of TP concentration of Yuelaidukou Section

《水污染防治目標(biāo)責(zé)任書》確定的悅來渡口斷面水質(zhì)目標(biāo)為“總磷≤0.32mg/L，其他指標(biāo)為Ⅳ類”，從圖1可以看出，按照濃度年均值，總磷濃度從2011～2016年總體呈下降趨勢(shì)，2011年到2014年總磷濃度年均值不能達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)要求，但2015年、2016年總磷濃度年均值已降到目標(biāo)值以下，滿足水質(zhì)目標(biāo)要求。從月度變化趨勢(shì)來看，斷面總磷超標(biāo)呈周期性變化，每年1～5月總磷超標(biāo)嚴(yán)重，6～10月總磷濃度基本能達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)要求。

2.2 三條小流域斷面水質(zhì)分析

岷江思蒙河、岷江醴泉河、岷江毛河為岷江的3條一級(jí)支流，均納入四川省重點(diǎn)整治的24條小流域。思蒙河接納了丹棱縣3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、東坡區(qū)7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、青神縣2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的污染負(fù)荷；醴泉河接納了東坡區(qū)6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的污染負(fù)荷，毛河接納了彭山區(qū)4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的污染負(fù)荷，從斷面水質(zhì)類別來看，這3條小流域匯入岷江的控制斷面思蒙河口、醴泉河口、橋江橋從2011～2016年一直保持為Ⅴ類、劣Ⅴ類水質(zhì)，這3個(gè)斷面均為省考斷面，3個(gè)斷面總磷濃度變化趨勢(shì)見圖4.

圖4 3條小流域省考斷面總磷濃度變化趨勢(shì)Fig.4 Annual variation trend of TP concentrations of the three provincial assessed Sections

根據(jù)《眉山市水污染防治目標(biāo)責(zé)任書》，思蒙河口斷面總磷濃度應(yīng)于2019年達(dá)到0.3mg/L，醴泉河口斷面總磷濃度應(yīng)于2020年達(dá)到即0.3mg/L，毛河橋江橋斷面應(yīng)于2019年達(dá)0.33mg/L。從圖3的變化趨勢(shì)看出，這三個(gè)斷面均不能滿足水質(zhì)目標(biāo)要求。醴泉河口斷面總磷濃度超標(biāo)最嚴(yán)重，但近幾年有好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，相反，思蒙河口和橋江橋斷面總磷濃度有升高趨勢(shì)。

3 污染源調(diào)查

污染源調(diào)查包括對(duì)污染源排放去向(對(duì)應(yīng)水環(huán)境功能區(qū)/控制子單元)和排放量、入河量的調(diào)查。從分析水體上下游關(guān)系入手，水陸并重，從水環(huán)境功能區(qū)水域～入河排污口～陸上匯流區(qū)域三個(gè)層次進(jìn)行污染源、入河排污口、水域的對(duì)應(yīng)關(guān)系調(diào)查，弄清影響水域水質(zhì)的主要入河排污口和主要污染源。

3.1 控制子單元?jiǎng)澐?/h3>

以水環(huán)境功能區(qū)劃為基礎(chǔ)，通過入河排污口將水環(huán)境功能區(qū)和對(duì)應(yīng)的陸上匯流區(qū)進(jìn)行連接，按照輸入響應(yīng)關(guān)系，構(gòu)成控制子單元[1]。本文將悅來渡口控制單元?jiǎng)澐譃?個(gè)控制分區(qū)，分別為岷江干流上段、岷江干流中段、岷江干流下段。再同時(shí)結(jié)合小流域和行政區(qū)劃，將每個(gè)控制分區(qū)劃分控制子單元，岷江上游區(qū)為1個(gè)控制子單元，岷江中游區(qū)劃分為3個(gè)控制子單元，岷江下游區(qū)劃分為4個(gè)控制子單元，見表2。控制子單元?jiǎng)澐謭D見圖5。

表2 悅來渡口斷面控制子單元?jiǎng)澐諸ab.2 Control subunits division of Yuelaidukou section

圖5 控制子單元?jiǎng)澐謭DFig.5 Map of control subunits division

通過選擇適當(dāng)?shù)乃|(zhì)模型，建立基于控制子單元的污染物排放與水環(huán)境質(zhì)量的輸入響應(yīng)關(guān)系，在一定的排污條件下，計(jì)算各控制子單元的水環(huán)境容量，并結(jié)合環(huán)境管理需求，確定排污削減量，以水質(zhì)達(dá)標(biāo)倒逼任務(wù)措施。

3.2 污染物入河量計(jì)算

以2015年為基準(zhǔn)年，本研究通過實(shí)地調(diào)查、資料收集、資料填報(bào)的方式，計(jì)算出研究范圍內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的工業(yè)污染源、城鎮(zhèn)生活污水污染源、城鎮(zhèn)生活垃圾污染源、城市面源污染源、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污染源、農(nóng)村生活污水污染源、散養(yǎng)畜禽污染源、水產(chǎn)養(yǎng)殖污染源、農(nóng)村生活垃圾污染源及農(nóng)業(yè)面源污染源共10種污染源的污染物排放量。然后根據(jù)《全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》中的規(guī)定，結(jié)合流域情況選取各類污染源的入河系數(shù)，分析水陸響應(yīng)單元的污染物陸上排放量的對(duì)應(yīng)入河量。由于岷江悅來渡口控制單元內(nèi)工業(yè)污染源，污水直排入河，入河系數(shù)取1。城鎮(zhèn)生活污水污染源和規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖污染源由于靠近河邊，入河系數(shù)取0.8。畜禽散養(yǎng)污水、農(nóng)村生活污水、水產(chǎn)養(yǎng)殖污水、農(nóng)田面源和生活垃圾視實(shí)際情況分別取0.2、0.2、0.1、0.08和0.05[2]。由此計(jì)算出各控制子單元污染物入河量，見表3。

表3 悅來渡口斷面各控制子單元總磷入河量統(tǒng)計(jì)表Tab.3 The TP pollution load of each subunit in Yuelaidukou section (t/a)

由表3可知，2015年，悅來渡口控制單元總磷入河量為429.29t。其中總磷排放最多的控制子單元是思蒙河?xùn)|坡區(qū)-丹棱縣片區(qū)控制子單元，每年排放90.31t總磷進(jìn)入控制單元水體，占控制單元內(nèi)總磷負(fù)荷總量的21.03%；其次是東坡區(qū)江西片區(qū)控制子單元，每年排放88.36t總磷進(jìn)入控制單元水體，占控制單元內(nèi)總磷負(fù)荷總量的20.58%；再次是毛河彭山縣片區(qū)控制子單元和東坡區(qū)江東片區(qū)控制子單元。

根據(jù)以上4個(gè)控制子單元污染源入河量占比分析，各污染源入河量如表4所示。

表4 總磷入河量較大的4個(gè)控制子單元各污染源占比分析Tab.4 Proportion of pollution sources of four subunits which have higher TP load (t/a)

毛河彭山縣片區(qū)控制子單元總磷排放主要來自于規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污染。東坡區(qū)江西片區(qū)控制子單元總磷排放主要來自于規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污染，其次是城鎮(zhèn)生活污水污染和畜禽散養(yǎng)污染。東坡區(qū)江東片區(qū)控制子單元總磷排放主要來自于畜禽散養(yǎng)，其次是城鎮(zhèn)生活污水。思蒙河?xùn)|坡區(qū)-丹棱縣片區(qū)子控制單元總磷排放主要來自于畜禽散養(yǎng)、其次是規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖。

4 水體達(dá)標(biāo)系統(tǒng)分析

4.1 環(huán)境容量計(jì)算

針對(duì)控制分區(qū)岷江眉山段特點(diǎn)，選取DHI-MIKE 11一維水質(zhì)模型。通過控制方程的選擇、有限體的離散以及動(dòng)量方程和連續(xù)方程的耦合，模型可以很好的模擬流速、水位、污染物濃度的時(shí)空變化，即可模擬一段河道的流動(dòng)，還可以模擬復(fù)雜區(qū)域的流動(dòng)，還可以考慮到露灘等問題，比如支流匯流口、分叉流動(dòng)等[3]。

4.1.1 模型方程

對(duì)影響水質(zhì)的要素進(jìn)行了合理概化，對(duì)于各種物理化學(xué)和生物作用過程對(duì)水質(zhì)的影響，統(tǒng)一概化為綜合衰減，并由綜合衰減系數(shù)K表征。通過一系列合理的概化，建立了描述模擬河段水質(zhì)的一維非恒定流數(shù)學(xué)模型。

c(x)|ζ=c1

c(t)|t=0=c0

式中，C為污染物濃度；D為擴(kuò)散系數(shù)；ν為斷面平均流速；K為綜合衰減系數(shù)；S為源匯項(xiàng)；C1、C0分別為邊界和初始濃度。

模型采用的 MIKE 11 軟件系統(tǒng)中描述水質(zhì)變化規(guī)律的對(duì)流擴(kuò)散方程，采用完全時(shí)間和空間中心隱式差分格式進(jìn)行離散，線性方程組的求解采用雙重掃描算法，在流量節(jié)點(diǎn)和水位節(jié)點(diǎn)上都求解模擬變量。對(duì)流擴(kuò)散方程采用了無條件穩(wěn)定差分格式，同時(shí)為了減少三階截?cái)嗾`差，引入一個(gè)校正項(xiàng)，使得帶有梯度較大濃度前鋒面的對(duì)流擴(kuò)散問題得以求解。

4.1.2 初邊界條件

水動(dòng)力模型中計(jì)算域的邊界包括入流邊界，出流邊界以及岸邊界。一般在入流邊界給定上游來量以及濃度值，在出流邊界給定水位條件，在岸邊界直接給定陸地邊界條件。

岷江選擇府河與金馬河匯合口下游100m為上邊界，悅來渡口作為下邊界，上邊界采用多年平均日流量過程，下邊界采用悅來渡口多年平均日水位過程。中間主要支流毛河、醴泉河、思蒙河匯入，采用多年平均日流量過程。毛河選擇謝家鎮(zhèn)毛河上游為上邊界，毛河匯入岷江口為下邊界。上邊界采用多年平均日流量過程，下邊界采用毛河匯入岷江干流斷面的多年平均日水位過程。醴泉河選擇太平村醴泉河上游為上邊界，醴泉河匯入岷江口為下邊界。上邊界采用多年平均日流量過程，下邊界采用醴泉河匯入岷江干流斷面的多年平均日水位過程。思蒙河選擇中隆鄉(xiāng)思蒙河上游為上邊界，思蒙河匯入岷江口為下邊界。上邊界采用多年平均日流量過程，下邊界采用思蒙河匯入岷江干流斷面的多年平均日水位過程。模擬水質(zhì)指標(biāo)為總磷。水質(zhì)模型概化示意圖見圖6。

圖6 一維水動(dòng)力水質(zhì)模型河流概化示意圖Fig.6 Schematic diagram of one-dimensional hydrodynamic water quality model

4.1.3 模型參數(shù)

4.1.3.1 河床糙率的選取

本文中參考了有關(guān)文獻(xiàn)，該模型河床糙率在整個(gè)區(qū)域內(nèi)取不同的值，河道曼寧系數(shù)內(nèi)取1/30、1/20、1/20、1/25、1/25。

4.1.3.2 污染物質(zhì)的衰減系數(shù)

污染物消減系數(shù)可用實(shí)測(cè)資料反推、水團(tuán)追蹤法、類比分析等得以確定。本計(jì)算參照地區(qū)相關(guān)論文資料，利用類比分析選取計(jì)算河流消減系數(shù)。

模型參數(shù)選取見表5。

采用岷江眉山段彭山大橋水文站2015年實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，2015年日均計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位的擬合結(jié)果較好。

4.2 總磷環(huán)境容量及削減規(guī)模計(jì)算

以2015年為基準(zhǔn)年，根據(jù)各控制子單元水質(zhì)目標(biāo)計(jì)算水環(huán)境容量，結(jié)合污染負(fù)荷，可以理論上確定各控制子單元的削減量與削減比例，見表6。

表5 計(jì)算參數(shù)匯總Tab.5 Parameters of the model

表6 各控制子單元的總磷環(huán)境容量與削減比例匯總Tab.6 TP environment capacity and reduction proportion of each control subunit (t/a)

續(xù)表6

序號(hào)控制單元河流環(huán)境容量總磷污染負(fù)荷量54.77削減比例(%)273岷江環(huán)境容量86.22東坡區(qū)江東片區(qū)控制子單元污染負(fù)荷量99.59削減比例(%)134黑龍灘水庫(kù)控制子單元黑龍灘水庫(kù)環(huán)境容量47.67污染負(fù)荷量27.08削減比例-5思蒙河?xùn)|坡區(qū)-丹棱縣片區(qū)控制子單元思蒙河環(huán)境容量51.5污染負(fù)荷量90.31削減比例(%)436思蒙河青神縣片區(qū)控制子單元思蒙河環(huán)境容量7.88污染負(fù)荷量11.98削減比例(%)34岷江環(huán)境容量2.51污染負(fù)荷量3.97削減比例(%)377青神縣江東片區(qū)控制子單元岷江環(huán)境容量17.84污染負(fù)荷量25.54削減比例(%)308金牛河-岷江眉山下游片區(qū)控制子單元金牛河環(huán)境容量11.55污染負(fù)荷量12.94削減比例(%)11岷江環(huán)境容量13.05污染負(fù)荷量29.08削減比例(%)55

從表6可知，若總磷要達(dá)到“悅來渡口控制斷面總磷≤0.32mg/L；思蒙河口斷面總磷≤0.3mg/L；醴泉河口斷面總磷實(shí)現(xiàn)IV類；橋江橋斷面總磷≤0.33mg/L”的水質(zhì)目標(biāo)。在2015年的水質(zhì)基礎(chǔ)上，毛河彭山縣片區(qū)控制子單元毛河需要削減總磷17%，岷江需要削減總磷17%；東坡區(qū)江西片區(qū)控制子單元和東坡區(qū)江東片區(qū)控制子單元醴泉河需要削減總磷27%，岷江需要削減總磷13%；黑龍灘水庫(kù)控制子單元還有剩余環(huán)境容量，不需要削減；思蒙河?xùn)|坡區(qū)-丹棱縣片區(qū)控制子單元思蒙河需要削減總磷43%；思蒙河青神縣片區(qū)控制子單元思蒙河需要削減總磷34%，岷江需要削減總磷37%；青神縣江東片區(qū)控制子單元岷江需要削減總磷30%；金牛河-岷江眉山下游片區(qū)控制子單元金牛河需要削減總磷11%，岷江需要削減總磷55%。除了黑龍灘水庫(kù)控制子單元外，其余的控制子單元都已經(jīng)沒有剩余環(huán)境容量。

5 結(jié) 論

5.1 岷江悅來渡口控制單元納入國(guó)家考核的監(jiān)測(cè)斷面有1個(gè)，為悅來渡口斷面；納入省考核的監(jiān)測(cè)斷面有3個(gè)，分別是思蒙河口斷面、醴泉河口斷面、橋江橋斷面。四個(gè)斷面的水質(zhì)目標(biāo)分布為：悅來渡口斷面于2020年底前實(shí)現(xiàn)“總磷≤0.32mg/L，其他指標(biāo)為IV類”；岷江思蒙河口斷面于2019年實(shí)現(xiàn)“總磷≤0.3mg/L，其他指標(biāo)為Ⅲ類”；岷江醴泉河口斷面于2020年實(shí)現(xiàn)“Ⅳ類”；岷江毛河橋江橋斷面于2019年實(shí)現(xiàn)“總磷≤0.33mg/L，其他指標(biāo)為Ⅳ類”。根據(jù)斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)，悅來渡口斷面從2011年至2015年一直保持為Ⅴ類水體，2016年改善為Ⅳ類，該斷面主要污染因子為總磷。3個(gè)省考斷面均為劣Ⅴ類，不能滿足水質(zhì)目標(biāo)要求。醴泉河口斷面總磷濃度超標(biāo)最嚴(yán)重，但近幾年有好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，相反，思蒙河口和橋江橋斷面總磷濃度有升高趨勢(shì)[4]。

5.2 悅來渡口控制單元內(nèi)總磷排放最多的控制子單元是思蒙河?xùn)|坡區(qū)-丹棱縣片區(qū)控制子單元，其次是東坡區(qū)江西片區(qū)控制子單元，然后是毛河彭山縣片區(qū)控制子單元和東坡區(qū)江東片區(qū)控制子單元。總體看來，這幾個(gè)控制子單元的總磷排放主要來自于規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖污染、畜禽散養(yǎng)污染以及城鎮(zhèn)生活污水污染。

5.3 以2015年為基準(zhǔn)，根據(jù)各考核斷面水質(zhì)目標(biāo)計(jì)算各控制子單元水環(huán)境容量，結(jié)合污染負(fù)荷，理論上確定各控制子單元總磷的削減量與削減比例。除了黑龍灘水庫(kù)控制子單元外，其余的控制子單元都已經(jīng)沒有剩余環(huán)境容量[5]。4個(gè)控制子單元需要削減的比例較大，分別是思蒙河?xùn)|坡區(qū)-丹棱縣片區(qū)控制子單元、思蒙河青神縣片區(qū)控制子單元、青神縣江東片區(qū)控制子單元、金牛河-岷江眉山下游片區(qū)控制子單元。

5.4 眉山市岷江悅來渡口控制單元需要加強(qiáng)畜禽養(yǎng)殖污染治理和城鎮(zhèn)生活污水治理，各控制子單元完成相應(yīng)的削減目標(biāo)，才能確?？刂茊卧獌?nèi)4個(gè)考核斷面達(dá)到相應(yīng)的考核目標(biāo)。