吳貽創(chuàng)，何守陽(yáng)，楊應(yīng)增，吳 攀，韓志偉，吳起鑫

(1.貴州大學(xué)自然資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550003；2.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550003)

0 引 言

水環(huán)境容量是指在給定流域范圍和設(shè)計(jì)水文條件下，滿足規(guī)定排污方式和環(huán)境目標(biāo)，單位時(shí)間內(nèi)該水域的最大允許納污量[1]，亦稱之為同化容量和最大日負(fù)荷總量(歐美國(guó)家)[2-5]，也可稱之為涵容能力(中國(guó)臺(tái)灣地區(qū))[6]，影響水環(huán)境容量的主要因素有水域特征、污染特征、水質(zhì)目標(biāo)等。確定水環(huán)境容量是實(shí)行區(qū)域水環(huán)境管理的基礎(chǔ)及水污染物總量控制的依據(jù)[7]，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于水環(huán)境容量的計(jì)算方法主要有公式法、模型試錯(cuò)法、概率稀釋模型法、系統(tǒng)最優(yōu)化法和未確知數(shù)學(xué)法等計(jì)算方法，李曉玲[8]等人基于一維和二維水環(huán)境容量模型，在不同的水文條件下，計(jì)算得出漢江流域的COD水環(huán)境容量。張荔[9]等人基于WASP6水質(zhì)模型計(jì)算出渭河陜西段水環(huán)境容量，對(duì)比分析節(jié)水增流前后的水質(zhì)變化，提出了節(jié)水增流減污的污染治理方案。尤作亮、胡炳清[10,11]等人對(duì)概率稀釋模型法進(jìn)行剖析和改進(jìn)，提高了其適用性和可操作性。劉江[12]等人基于水質(zhì)響應(yīng)模型與規(guī)劃法耦合的方法，通過水流水質(zhì)模型求得各排污口在單位負(fù)荷下的響應(yīng)場(chǎng)，建立排污口負(fù)荷與控制點(diǎn)之間的響應(yīng)關(guān)系，建立了排污總量的線性規(guī)劃模型，計(jì)算得出博斯騰湖污染物的水環(huán)境容量。尹念輔[13]等人運(yùn)用盲數(shù)理論定義了水環(huán)境系統(tǒng)參量盲數(shù)，得到了盲信息下水環(huán)境容量計(jì)算模型，并計(jì)算得出四川省西充河的水環(huán)境容量。其中，公式法被公認(rèn)為是各類方法的基礎(chǔ)，該方法思路清晰、計(jì)算簡(jiǎn)便、適用面廣，現(xiàn)已被《全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》[1]選用為水環(huán)境容量的計(jì)算方法。而控制單元的劃分有利于水環(huán)境容量的核算，是水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)體系的基礎(chǔ)工作。進(jìn)行污染控制單元?jiǎng)澐?，?shí)現(xiàn)從污染源、水環(huán)境容量和水體水質(zhì)三者之間的響應(yīng)，科學(xué)制定控制單元的污染物削減計(jì)劃和建立流域水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)管理體系，循次而進(jìn)解決流域水體環(huán)境問題。目前，許多發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)本國(guó)的水質(zhì)污染情況，已經(jīng)建立了完善的流域水質(zhì)目標(biāo)管理體系，如美國(guó)的TMDL管理體系[14,15]，歐盟的萊茵河流域管理模式[16]，日本的總量控制計(jì)劃[17]，而我國(guó)這方面的研究起步較晚[18-22]，在20世紀(jì)70年代引進(jìn)水環(huán)境容量的概念，隨之開展相應(yīng)的研究工作，無(wú)論是初期對(duì)水環(huán)境容量理論概念的探索與爭(zhēng)論[23]，還是后來(lái)對(duì)水環(huán)境容量應(yīng)用實(shí)踐的不斷嘗試，都在我國(guó)水環(huán)境容量研究中留下了深深的印記，在這40多年間，我國(guó)水環(huán)境管理逐步實(shí)現(xiàn)從末端控制到全過程管理和從目標(biāo)總量控制到容量總量控制的巨大轉(zhuǎn)變[24]，理論研究和實(shí)踐應(yīng)用日臻完善，但仍是存在諸多問題，目前我國(guó)對(duì)于水環(huán)境容量的研究主要集中在非喀斯特地區(qū)[8-13,25-31]，喀斯特山區(qū)河流水環(huán)境容量也基本采用上述方法核算與研究。然而與非喀斯特流域相比，喀斯特山區(qū)流域?yàn)榈湫偷亩牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu)，即存在地表、地下兩套地貌結(jié)構(gòu)場(chǎng)、兩個(gè)水系、兩個(gè)分水嶺和兩個(gè)流域等，地表和地下流域邊界復(fù)雜且常不重合，但又通過水力聯(lián)系構(gòu)成一個(gè)密不可分的整體。地表水與地下水交換頻繁迅速，地表水、地下水耦合成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，降雨產(chǎn)生的地表水及其攜帶的污染物質(zhì)通過天窗、漏斗、豎井、巖溶裂隙等渠道匯入地下河系，由地下河出口排泄出流域。因此，喀斯特山區(qū)河流水環(huán)境容量核算時(shí)應(yīng)考慮地表水和地下水頻繁迅速交換產(chǎn)生的水環(huán)境容量變大或變小等失真情況，如何根據(jù)喀斯特流域的水文地質(zhì)條件對(duì)山區(qū)河流水環(huán)境容量的實(shí)施精準(zhǔn)核算是喀斯特山區(qū)河流污染防治精準(zhǔn)施策的基礎(chǔ)工作，相關(guān)研究涉及較少，喀斯特山區(qū)河流水環(huán)境容量核算有待進(jìn)一步深入研究[32-35]。

論文選取的魚梁江流域地處喀斯特山區(qū)，土層稀薄，熔巖洼地、落水洞、天窗發(fā)育，地表水與地下水交換迅速頻繁，水環(huán)境十分脆弱，地表污染物在雨水的沖刷下通過落水洞、豎井、天窗等巖溶管道進(jìn)入地下河，甚至部分城市、工業(yè)廢水直接排入落水洞，地下水被污染；進(jìn)入地下河的污染隨水流輸送至地表后造成二次污染[36]，入河的污染負(fù)荷量難以核算，在水環(huán)境容量的核算與管理方面增加了流域水環(huán)境治理難度。我們針對(duì)魚梁江河段的水文地質(zhì)特征、流域水質(zhì)變化、污染源負(fù)荷及其排放以及污染物運(yùn)移通道等特點(diǎn)，確定流域污染防控的優(yōu)先區(qū)域和重點(diǎn)對(duì)象，對(duì)流域的水環(huán)境容量進(jìn)行了單元化核算并提出了單元化精準(zhǔn)污染防治對(duì)策，并嘗試探討依據(jù)多水文情勢(shì)下水環(huán)境容量變化更加合理分配污染物排放與削減，為流域水環(huán)境污染治理方案和管理措施的精準(zhǔn)制定與實(shí)施提供科學(xué)決策支持。

1 研究區(qū)概況

魚梁江流域主要位于貴州省黔南州福泉市境內(nèi)，地理位置介于東經(jīng) 107°14′24″～107°45′35″，北緯26°32′28″～27°02′23″，流域內(nèi)的干流魚梁江屬長(zhǎng)江流域沅江水系清水江二級(jí)支流，發(fā)源于貴州省麻江縣壩芒鄉(xiāng)，見圖1所示。本文研究區(qū)域主要為魚梁江流域的福泉境市境內(nèi)，包括福泉市區(qū)及龍昌鎮(zhèn)，總面積為1 488 km2，人口50.72 萬(wàn)人。研究區(qū)域地處中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，熱量豐富，雨量充沛，雨熱同季的特點(diǎn)。地處揚(yáng)子準(zhǔn)臺(tái)地的黔南凹陷褶斷帶，地勢(shì)西部和北部高，東部次之，中部和南部較低。西南部為中山地貌，中部為山間盆地及丘陵，其余大部分為低中山地貌。流域內(nèi)水系發(fā)達(dá)，沿途接納后河、皮隴河、衛(wèi)阻河、平堡河和阿里堡河等大小支流。流域內(nèi)大部分工礦企業(yè)及其排污口均位于主要河流附近，城鄉(xiāng)居民沿河而居，沿河兩岸分布著大大小小的灌區(qū)。從污染物排放源頭來(lái)看，河流接納點(diǎn)源、面源、生活污染物較大，其中尤以魚梁江、后河、皮隴河段接納污染物量較多。通過實(shí)地調(diào)查，區(qū)域內(nèi)溶洞、落水洞、豎井、泉眼等較為發(fā)育，魚梁江為該區(qū)域巖溶地下水的排泄基準(zhǔn)面，大氣降水通過巖溶裂隙、管道和落水洞入滲后形成地下水以泉眼和暗河等形式于河岸排泄補(bǔ)給河流。研究區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)4個(gè)流量較大的地下水集中排泄口，且為地下水排泄單向補(bǔ)給河流，其中發(fā)財(cái)洞排泄口發(fā)育于T2f2巖溶裂隙強(qiáng)含水巖組中，排泄流量最大，且枯豐流量變化范圍較大，約在200～1 050 m3/h；爛木橋和吳家橋排泄口發(fā)育于T1d巖溶裂隙中等含水巖組中，排泄口的出水流量在80～140 m3/h之間；龍井灣排泄口發(fā)育于T1d3巖溶孔隙中，出水流量范圍為250～300 m3/h。上述4個(gè)地下水集中排泄口也是地表污染通過巖溶管道排出影響魚梁江河流水環(huán)境及其容量的關(guān)鍵點(diǎn)。本次研究統(tǒng)計(jì)分析2011-2017年研究區(qū)域各河流水質(zhì)年均濃度值及相應(yīng)水質(zhì)目標(biāo)值，采用單因子法進(jìn)行分析并選取超標(biāo)情況相對(duì)較大的氟化物(F-)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)為主要污染物。

圖1 魚梁江流域地理位置及控制單元?jiǎng)澐諪ig.1 Geographic location and division of control units in the Yuliangjiang river basin

2 研究方法

2.1 水質(zhì)趨勢(shì)分析方法

Daniel的趨勢(shì)檢驗(yàn)法是衡量環(huán)境污染變化趨勢(shì)在統(tǒng)計(jì)上有無(wú)顯著性的最常用的方法[37,38]，該方法使用spearman秩相關(guān)系數(shù)來(lái)衡量監(jiān)測(cè)周期的年均濃度值的污染變化趨勢(shì)，采用該方法可以全面分析水質(zhì)的變化趨勢(shì)，簡(jiǎn)要精確，適用單因素的小樣本數(shù)的相關(guān)檢驗(yàn)[39]，計(jì)算公式如下:

(1)

di=Xi-Yi

(2)

式中：di為變量Xi和Yi的差值;Xi為周期i到周期N按濃度值從小到大排列的序號(hào)；Yi為按時(shí)間排列的序號(hào);N為年份。

將秩相關(guān)系數(shù)rs的絕對(duì)值同spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表中(見表1)的臨界值Wp進(jìn)行比較。如果|rs|≥Wp則表明變化趨勢(shì)有顯著意義，如果|rs|

表1 秩相關(guān)系數(shù)rs的臨界值(Wp)Tab.1 Threshold of rank correlation coefficient

2.2 控制單元?jiǎng)澐?/h3>

流域控制單元?jiǎng)澐只谒膯卧猍40]的劃分方法進(jìn)行，在充分了解喀斯特山區(qū)地下水與河流補(bǔ)給、徑流和排泄關(guān)系的基礎(chǔ)上，尤其是巖溶地下水排泄對(duì)河流流量及水質(zhì)的影響，遵循流域完整性、斷面類型統(tǒng)籌、水環(huán)境現(xiàn)狀兼顧等基本原則，即保持流域的完整性，使控制單元具有流域的匯水特征；優(yōu)先將國(guó)控、省控等目標(biāo)管理斷面的匯水面積劃為完整的控制單元；常年污染物濃度超標(biāo)斷面、污染物濃度偶爾超標(biāo)斷面及污染物濃度基本不超標(biāo)斷面三類斷面則劃為獨(dú)立的控制單元，更有利對(duì)水體不達(dá)標(biāo)斷面進(jìn)行集中分析和目標(biāo)管理。控制單元的劃分基于Arcgis10.2平臺(tái)，以魚梁江流域的水系分布圖為底圖，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)和水資源分區(qū)圖劃分出水文單元，然后將流域行政區(qū)劃圖進(jìn)行疊加，綜合考慮流域內(nèi)的污染源狀況、控制斷面、水文站點(diǎn)分布、地下水排泄口、水系流向以及水環(huán)境功能區(qū)劃等指標(biāo)對(duì)各個(gè)控制單元的邊界進(jìn)行優(yōu)化，最終繪制出魚梁江流域的控制單元邊界，共劃分為5個(gè)控制單元，分別為控制單元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，劃分結(jié)果如圖1所示。

2.3 水環(huán)境容量的核算

2.3.1 模型的建立

喀斯特山區(qū)處巖溶管道和裂隙極為發(fā)育，地表水和地下水的交互明顯，進(jìn)行水環(huán)境容量核算時(shí)不可忽略地下水排泄對(duì)河流水環(huán)境容量的貢獻(xiàn)。喀斯特山區(qū)如應(yīng)用傳統(tǒng)的水環(huán)境容量核算方法核算，即通常不考慮地下水排泄對(duì)河流的補(bǔ)給作用，計(jì)算結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。為了獲取較為精準(zhǔn)的水環(huán)境容量核算結(jié)果，考慮巖溶地下水排泄補(bǔ)給河流造成水環(huán)境容量和水質(zhì)變化是非常必要的。在充分考慮地下水排泄對(duì)山區(qū)河流水環(huán)境容量及其水質(zhì)影響基礎(chǔ)上進(jìn)行河流控制單元?jiǎng)澐?，進(jìn)而開展水環(huán)境容量核算。因此，我們?cè)诳λ固厣絽^(qū)水環(huán)境容量核算前，首先開展沿河段詳細(xì)的野外調(diào)查工作，主要包括區(qū)域主要的地下水排泄口調(diào)查及其排泄流量測(cè)定等。在此基礎(chǔ)上，分析巖溶地下水排泄對(duì)河流流量的影響，對(duì)地下水排泄流量較大的泉水或暗河出口納入控制單元?jiǎng)澐?，?dāng)沿河段有多個(gè)地下河排泄口且距離相隔較遠(yuǎn)時(shí)，將其劃分為相對(duì)獨(dú)立的若干控制單元，避免核算結(jié)果過于粗略而出現(xiàn)失真現(xiàn)象；而排泄口較為集中河段可將多個(gè)排泄口納入同一控制單元。將巖溶地下水排泄考慮到旁側(cè)入流量中，視為持續(xù)作用的“點(diǎn)源”處理[41]，充分考慮了巖溶地下水對(duì)河流水環(huán)境容量的擴(kuò)容作用，減少了傳統(tǒng)核算方法導(dǎo)致的計(jì)算結(jié)果偏差。

由于研究區(qū)境內(nèi)各河流均屬于寬深比不大的中小河流，流速較快，污染物進(jìn)入水體以后，基本能在較短的河段內(nèi)達(dá)到斷面內(nèi)混合均勻，斷面污染物濃度橫向和垂向變化不大。根據(jù)《全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》[1]，水面平均寬度超過200 m的河流應(yīng)采用二維模型；小于200 m的河流則應(yīng)相應(yīng)釆用一維模型或者零維模型?？紤]到研究區(qū)域水體的實(shí)際情況和當(dāng)前水質(zhì)管理的精度要求，可按一維穩(wěn)態(tài)問題簡(jiǎn)化計(jì)算條件，建立水質(zhì)模型。一維水質(zhì)模型計(jì)算公式：

(3)

式中：W為計(jì)算單元的水環(huán)境容量，t/a；Q為河段設(shè)計(jì)流量，m3/s；CS為計(jì)算單元水質(zhì)目標(biāo)值，mg/L；C0為計(jì)算單元上斷面水質(zhì)目標(biāo)值，mg/L；qm為旁側(cè)入流量，m3/s；K為污染物綜合降解系數(shù)，d-1；x1為污染源概化口至下游控制斷面的距離，km；x2為污染源概化口至上游對(duì)照斷面的距離，km；u為河流斷面平均流速，m/s。

2.3.2 模型參數(shù)的選取

(1)設(shè)計(jì)水文條件。由于魚梁江流域水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)建設(shè)的不完善，部分河段缺乏的徑流量觀測(cè)數(shù)據(jù)，選取具有相似自然地理特征的流域，采用水文比擬法[42]進(jìn)行推算。鑒于既有流量資料為10年序列，本文取各河流近10年最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)流量。

(2)綜合降解系數(shù)。污染物綜合降解系數(shù)K是一個(gè)綜合性參數(shù)，與水溫和流速成正比，而與水深成反比[43]，其取值的準(zhǔn)確性直接影響到水質(zhì)模型的實(shí)用性。通過公式(4)，結(jié)合流域內(nèi)各控制單元的實(shí)際情況，確定各控制單元污染物的降解系數(shù)，本文中NH3-N、TP和F-的綜合降解系數(shù)分別取在0.13～0.2/d之間、0.05～0.1/d之間和0.002～0.003/d之間。

(4)

式中：Cu為上斷面污染物的濃度值，mg/L；Cd為下斷面污染物的濃度值，mg/L；x為河段的長(zhǎng)度，km；u為該河段的平均流速，m/s。

(3)排污口概化。由于魚梁江流域內(nèi)各個(gè)控制單元內(nèi)入河排污口較多，分布較為分散，為簡(jiǎn)化水環(huán)境容量計(jì)算的復(fù)雜性，將各個(gè)控制單元上排污口的分布進(jìn)行概化處理。根據(jù)調(diào)查，魚梁江流域內(nèi)的排污口基本為工業(yè)園區(qū)、城鎮(zhèn)污水處理廠以及沿江農(nóng)村面源污染較為集中的地區(qū)，根據(jù)排污口的概化原則，將排污口概化為各個(gè)控制單元河流中斷面排污口。

2.4 控制單元入河污染負(fù)荷的核算

在進(jìn)行控制單元的水體污染問題研究時(shí)，污染負(fù)荷的核算是一個(gè)重要的基礎(chǔ)工作，現(xiàn)今對(duì)于污染負(fù)荷核算的研究，主要集中于試驗(yàn)法、調(diào)查法和排放系數(shù)法等三種估算方法[44-47]。而喀斯特山區(qū)流域內(nèi)豎井、落水洞、天窗和巖溶管道十分發(fā)育，污染物容易通過巖溶管道滲漏到河道導(dǎo)致水質(zhì)超標(biāo)，以上三種估算方法均無(wú)法將巖溶管道滲漏的污染物考慮在內(nèi)。如未考慮受污染的巖溶地下水排泄對(duì)河流污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)，河流污染負(fù)荷的核算也可能會(huì)出現(xiàn)失真的現(xiàn)象。在研究在野外調(diào)查和控制單元?jiǎng)澐只A(chǔ)上可綜合考慮調(diào)查法和試驗(yàn)法，在跨界河流與控制單元邊界的交點(diǎn)處設(shè)立監(jiān)測(cè)斷面，根據(jù)輸入和輸出斷面的水質(zhì)和水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過建立控制單元邊界斷面的水量—水質(zhì)同步估量模型，如公式(5)～(7)，估算出不同控制單元的入河污染負(fù)荷量。

水量—水質(zhì)同步估量模型為：

P入河=P輸出-P輸入+O自凈

(5)

P輸出/輸入=C輸出/輸入×Q輸出/輸入

(6)

O自凈=[C輸入-C輸入exp(-Kx/86.4u)]×Q輸入

(7)

式中：P入河為該控制單元某污染物的入河量，t/a；P輸出為該控制單元的某污染物的輸出量，t/a；P輸出/輸入為該控制單元的某污染物的輸出量/輸入量，t/a；O自凈為某污染物的天然或人為降解量，t/a；C輸出/輸入為該控制單元輸出/輸入斷面某污染物的濃度值，mg/L；Q輸出/輸入為該控制單元輸出/輸入斷面的設(shè)計(jì)流量，萬(wàn)m3/a；K為污染物綜合降解系數(shù)，d-1；x為河段的長(zhǎng)度，km；u為該河段的平均流速，m/s。

當(dāng)控制單元的某污染物的輸入量小于輸出量時(shí)，其差值與污染物降解量之和為該控制單元的污染物入河量；當(dāng)控制單元的某污染物的輸入量大于等于輸出量時(shí)，可將其視為該控制單元實(shí)現(xiàn)污染物零排放。對(duì)控制單元缺少輸入斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)時(shí)，則取該斷面的水質(zhì)管理目標(biāo)作保守估算。

2.5 控制單元水環(huán)境載荷率的計(jì)算

為反映控制單元的水環(huán)境容量的利用狀況，分析控制單元污染負(fù)荷對(duì)水環(huán)境的壓力大小，以控制單元內(nèi)的水質(zhì)目標(biāo)為依據(jù)，建立水環(huán)境載荷率指標(biāo)對(duì)水環(huán)境容量的利用狀況進(jìn)行表征[48]，計(jì)算公式如下：

(8)

式中：ORi表示i類型污染物的水環(huán)境載荷率；PLi表示i類型污染物的入水(河流、湖泊、水庫(kù)等)量；WCi表示i類型污染物的水環(huán)境容量；i表示可能的污染物類型，如NH3-N、F-和TP等。若ORi>0，表示i類型污染物已經(jīng)超載，其值越大說明承載能力越??；

若ORi<0，則表示i類型污染物尚未超載，在一定水質(zhì)目標(biāo)條件下仍有一定的承載空間，其值越小說明承載能力越大。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

本文采用Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)法分析水質(zhì)變化趨勢(shì)，通過比較2011-2017年水質(zhì)濃度值逐項(xiàng)的增長(zhǎng)、降低次數(shù)及相應(yīng)數(shù)學(xué)模型判斷水質(zhì)變化趨勢(shì)。通過SPSS軟件分析，各河流斷面2011-2017年水質(zhì)濃度變化趨勢(shì)見表2。

流域10個(gè)TP監(jiān)測(cè)斷面中，其中4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的TP濃度無(wú)顯著變化趨勢(shì)，7個(gè)呈顯著下降趨勢(shì)。8個(gè)斷面F-濃度為顯著下降趨勢(shì)，2個(gè)無(wú)顯著變化趨勢(shì)。2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的NH3-N濃度呈下降趨勢(shì)，8個(gè)無(wú)顯著變化趨勢(shì)?？偟膩?lái)說，魚梁江流域水環(huán)境質(zhì)量好轉(zhuǎn)趨勢(shì)明顯。鑒于監(jiān)測(cè)斷面僅能體現(xiàn)局部水質(zhì)狀況，具有局限性，難以反映出控制單元整體上的污染物濃度水平，為了準(zhǔn)確呈現(xiàn)各控制單元的水環(huán)境質(zhì)量，采用加權(quán)平均法統(tǒng)計(jì)分析2011-2017年研究區(qū)域各控制單元內(nèi)監(jiān)測(cè)斷面主要污染物的年均濃度值，進(jìn)行加權(quán)平均，即各控制單元污染物濃度值取自囊括監(jiān)測(cè)斷面污染物濃度的加權(quán)平均值，權(quán)重取該監(jiān)測(cè)斷面的上界面河長(zhǎng)占該河段河長(zhǎng)的比重。各控制單元主要污染物的變化曲線見圖2。

由圖2可知，2011-2017年，控制單元Ⅰ的TP、F-和NH3-N濃度基本呈平穩(wěn)狀態(tài)，變化幅度不大，基本保持在Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)；控制單元Ⅱ的TP、F-和NH3-N濃度基本呈先升后降趨勢(shì)，到2017年，除TP外，其他兩項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)；控制單元Ⅲ的TP、F-和NH3-N濃度基本呈先升后降趨勢(shì)，在2013年三項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到峰值，而后持續(xù)下降，到2017年，除TP外，其他兩項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)；控制單元Ⅳ的F-和NH3-N濃度年際變化較小，基本保持在Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，而TP濃度則有少許波動(dòng)，并一直處于超標(biāo)狀態(tài)；控制單元Ⅴ的TP和F-濃度的年際變化較大，基本呈迅速下降趨勢(shì)，2014年F-濃度下降到Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，并持續(xù)保持穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，但TP濃度仍是略微超標(biāo)，而NH3-N濃度的年際變化較為平緩，基本保持在Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

表2 研究區(qū)域監(jiān)測(cè)斷面2011-2017年水質(zhì)濃度變化趨勢(shì)Tab.2 Water quality trend of control sections from 2011 to 2017 in research region

注：黑塘橋YW1、吳家橋YW2、鴨草壩YW3、羊昌河YW4、鳳山橋邊YW5、市化肥廠HW1、川恒公司排口上游HW2、川恒公司排口下游HW3、五里橋PW1、越都取水口PW2。

使用Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)各控制單元河流的水質(zhì)變化趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各河流2011-2017年水質(zhì)濃度變化趨勢(shì)見表3。

圖2 研究區(qū)域各控制單元總磷、氟化物和氨氮年際變化趨勢(shì)Fig.2 Interannual trend of TP，F(xiàn)- and NH3-N in control units of research region

表3 流域內(nèi)各控制單元2011-2017年水質(zhì)濃度變化趨勢(shì)Tab.3 The water quality trend from 2011 to 2017 in control units of the Yuliangjiang river basin

Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)法的趨勢(shì)定量計(jì)算結(jié)果為：控制單元Ⅰ的秩相關(guān)系數(shù)|rsTP|=|0.370|W7，|rsNH3-N|=|0.286|W7，|rsF-|=|-0.964|>W7，|rsNH3-N|=|-0.714|=W7，表明該單元的TP、F-和NH3-N濃度均呈顯著下降趨勢(shì)；控制單元Ⅲ的|rsTP|=|-0.857|>W7，|rsF-|=|-0.821|>W7，|rsNH3-N|=|-0.750|>W7，表明該單元的TP、F-和NH3-N濃度均呈顯著下降趨勢(shì)；控制單元Ⅳ的|rsTP|=|0.214|W7=，|rsF-|=|0.857|>W7，|rsNH3-N|=|0.179|

3.2 水環(huán)境容量及污染物削減量分析

根據(jù)2017年魚梁江流域各控制單元的水文及水質(zhì)斷面數(shù)據(jù)，在單元化條件下的一維水質(zhì)模型和水量—水質(zhì)同步估量模型核算水環(huán)境容量和污染物入河量，計(jì)算結(jié)果見表4，各控制單元的水環(huán)境容量載荷率見圖6。

對(duì)比流域內(nèi)各控制單元的水環(huán)境容量和污染物入河量(見表5)，從圖3可以看出，2017年控制單元Ⅰ的NH3-N、TP和F-的水環(huán)境容量未出現(xiàn)超載現(xiàn)象，其水環(huán)境載荷率分別為-100%、-100%和-100%，表明該控制單元水環(huán)境容量處于冗余狀態(tài)，無(wú)污染物削減任務(wù)，主要是由于該控制單元屬于保護(hù)飲用水源地，控制單元內(nèi)上游為省級(jí)旅游景區(qū)，下游為區(qū)域集中式飲用水源地重點(diǎn)保護(hù)，污染物排放量較小，以分散的農(nóng)業(yè)污染源和農(nóng)村生活污染源為主，河流水質(zhì)常年保持在Ⅰ和Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)之間?？刂茊卧虻腘H3-N、TP和F-的水環(huán)境載荷率分別為41.78%、778.34%和33.78%，需要削減NH3-N、TP和F-相應(yīng)為70.83、183.01和57.19 t/a，該控制單元位于福泉市市區(qū)，屬于工業(yè)農(nóng)業(yè)景觀用水區(qū)，有著大量磷化工企業(yè)及磷石膏堆場(chǎng)，出現(xiàn)工業(yè)廢水滲漏的現(xiàn)象(爛木橋和吳家橋滲漏點(diǎn))，且人口密集，城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)相對(duì)滯后，污水處理能力不足，導(dǎo)致該控制單元水環(huán)境容量出現(xiàn)過載現(xiàn)象，環(huán)境壓力極大，污染物削減任務(wù)重?？刂茊卧蟮腘H3-N、TP和F-的水環(huán)境載荷率分別為-100.00%和1 532.53%和-72.73%，需要削減TP 31.61 t/a，該控制單元基本沒有工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)排污，但存在大型工業(yè)渣場(chǎng)污染滲漏[49-51]，上游控制單元的擺紀(jì)磷石膏渣場(chǎng)發(fā)生滲漏后通過地下巖溶管道在該控制單元的排泄基準(zhǔn)面溢出，影響下游河流的水質(zhì)，是該控制單元的總磷污染物的主要貢獻(xiàn)來(lái)源。此磷石膏渣場(chǎng)滲漏點(diǎn)已建成污水處理設(shè)施對(duì)其排出污水進(jìn)行收集集中處理達(dá)標(biāo)排放，但由于巖溶管道發(fā)育十分復(fù)雜，可能存在其他未查明滲漏點(diǎn)導(dǎo)致次控制單元出現(xiàn)總磷超標(biāo)現(xiàn)象。控制單元Ⅳ的NH3-N、TP和F-的水環(huán)境載荷率分別為-95.72%和6 545.27%和207.59%，須削減TP 26.95 t/a和F-19.51 t/a，可以看出該控制單元TP環(huán)境容量已基本枯竭且嚴(yán)重超載，F(xiàn)-的環(huán)境容量也出現(xiàn)超載現(xiàn)象，該單元有部分涉磷化工搬遷后遺留污染物是可能污染來(lái)源。控制單元Ⅴ的NH3-N、TP和F-的水環(huán)境載荷率分別為535.50%和1 119.73%和526.36%，需要削減NH3-N 60.61 t/a、TP 6.75 t/a和F-27.34 t/a，三項(xiàng)指標(biāo)的環(huán)境容量均已出現(xiàn)超載現(xiàn)象，該控制單元入駐大量的工業(yè)企業(yè)，存在一個(gè)工業(yè)污染滲漏點(diǎn)(龍井灣滲漏點(diǎn))，人口密度較大，城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施和管網(wǎng)建設(shè)水平相對(duì)落后，污水處理能力難以滿足人口增長(zhǎng)和污染物排放量增加需求，水環(huán)境壓力大。

表4 魚梁江流域各控制單元水環(huán)境容量匯總Tab.4 Water environmental capacity of the control units in Yulianjiang river basin

圖3 魚梁江流域各控制單元水環(huán)境載荷率Fig.3 Overloading rate of water environment of control units in Yuliangjiang river basin

3.3 多水文情勢(shì)的水環(huán)境容量核算

現(xiàn)有水環(huán)境容量的核算方法大多采用傳統(tǒng)水文學(xué)方法作為設(shè)計(jì)水文條件，水文條件過于單一化，核算結(jié)果為一個(gè)穩(wěn)態(tài)的閾值，由于設(shè)計(jì)水文條件一般采用90%保證率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量和相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流速，核算結(jié)果一般較低。但實(shí)際上，水環(huán)境容量受水文條件、水質(zhì)和溫度等因素的影響，是一條動(dòng)態(tài)變化的曲線，并不為一定值，現(xiàn)行的水環(huán)境容量計(jì)算難以反映水環(huán)境容量的變化特性[26,27,52]，對(duì)流域水環(huán)境管理支撐較弱。為更加充分利用水環(huán)境容量和適應(yīng)流域年際和年內(nèi)降水量分配不均、豐平枯水期特征明顯的狀況，本文基于一維水環(huán)境容量模型，采用多水文情勢(shì)，即在年際上采用不同頻率年(10%、50%、90%和95%)和年內(nèi)上采用豐水期(6-10月)、枯水期(12-4月)和平水期(5月和11月)多種水文情勢(shì)對(duì)魚梁江流域進(jìn)行水環(huán)境容量的核算與分析，計(jì)算結(jié)果見表5。

根據(jù)表5的計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合魚梁河流域各控制單元TP、NH3-N和F-的現(xiàn)狀入河量，分別繪出了各頻率年的TP、NH3-N和F-的水環(huán)境容量與現(xiàn)狀污染物入河量的對(duì)比圖，如圖7所示。各控制單元不同水文年豐枯平水期的水環(huán)境容量各不相同，在年際的對(duì)比中，豐水年的水環(huán)境容量明顯大于其他水文年，平水年的水環(huán)境容量次之，枯水年和特枯年的水環(huán)境容量相對(duì)較小。而在年內(nèi)的對(duì)比中，各個(gè)水文年的豐水期的水環(huán)境容量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他水期，枯水期和平水期較小。因此，在枯水年和特枯水年以及年內(nèi)的枯水期和平水期是水環(huán)境壓力劇增時(shí)期，應(yīng)該采取措施減少河流的污染負(fù)荷，保證河流的生態(tài)環(huán)境不受到影響甚至破壞。就研究區(qū)而言，與現(xiàn)狀污染物相比，控制單元Ⅳ的F-入河量超過枯水年和特枯水年的水環(huán)境容量，控制單元Ⅴ的F-入河量超過了各個(gè)水文年的水環(huán)境容量；NH3-N除控制單元Ⅴ各個(gè)水文年均超載外，其他控制單元的水環(huán)境容量均沒出現(xiàn)超載現(xiàn)象；除控制單元Ⅰ外，其他控制單元的TP入河量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過各個(gè)水文年的水環(huán)境容量。在不同水文條件下，控制單元的水環(huán)境容量相差較大，選擇適合的水文條件進(jìn)行計(jì)算，有利于流域的水質(zhì)目標(biāo)管理，傳統(tǒng)的水文條件的選擇(90%保證率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量)存在水環(huán)境閾值固定和水環(huán)境壓力夸大的弊端，難以做到在開發(fā)中保護(hù)和在保護(hù)中發(fā)展，無(wú)法充分利用水環(huán)境容量冗余實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)“雙贏”的局面，進(jìn)而限制了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

3.4 流域污染防控措施單元化

基于控制單元的劃分，通過系統(tǒng)分析各個(gè)控制單元水污染特征、水環(huán)境質(zhì)量狀況、水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)和污染削減任務(wù)等，將控制單元?jiǎng)澐譃樗|(zhì)改善型和水質(zhì)維護(hù)型兩類：①水質(zhì)維護(hù)型指水環(huán)境較好，無(wú)明顯污染源，但仍存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，需要防患于未然，實(shí)施水環(huán)境污染預(yù)防和維護(hù)；②水質(zhì)改善型指水環(huán)境質(zhì)量較差，人類活動(dòng)干擾劇烈，已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重水環(huán)境污染問題，需要采取及時(shí)綜合整治措施改善水體環(huán)境，修復(fù)已遭破壞的流域生態(tài)系統(tǒng)。針對(duì)各個(gè)控制單元的污染問題診斷與分析結(jié)果，對(duì)各個(gè)控制單元有的放矢提出污染防控措施，努力做到水污染防治的精準(zhǔn)化，具體見表6。

4 結(jié) 論

(1)選用Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)魚梁江流域的各控制單元進(jìn)行水質(zhì)趨勢(shì)分析得出，2011—2017年控制單元Ⅰ的F-濃度呈顯著下降趨勢(shì)，而TP和NH3-N濃度無(wú)顯著變化趨勢(shì)；控制單元Ⅱ和Ⅲ的TP、F-和NH3-N濃度均呈顯著下降趨勢(shì)；控制單元Ⅳ的TP、F-和NH3-N濃度無(wú)顯著變化趨勢(shì)；控制單元Ⅴ的TP和F-濃度呈顯著下降趨勢(shì)，NH3-N濃度無(wú)顯著變化趨勢(shì)。

(2)對(duì)比各控制單元的NH3-N、F-和TP的水環(huán)境容量和入河量，除了控制單元Ⅰ無(wú)削減任務(wù)，控制單元Ⅱ分別需要削減NH3-N 70.83 t/a、TP 183.01 t/a和F-57.19 t/a，控制單元Ⅲ分別需要削減TP 31.61 t/a，控制單元Ⅳ分別需要削減TP 26.95 t/a和F-19.51t/a，控制單元Ⅴ分別需要削減NH3-N 60.61 t/a、TP 6.75 t/a和F-27.34 t/a。其中水質(zhì)維護(hù)型控制單元Ⅰ主要是推進(jìn)農(nóng)村分散式污水處理和強(qiáng)化農(nóng)業(yè)面源的污染治理為主，水質(zhì)改善型控制單元Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ則須提升工業(yè)污染防治水平、污水和垃圾處理能力。

表6 魚梁江流域污染防控措施Tab.6 The corresponding method of pollution prevention of the Yuliangjiang river basin

(3)喀斯特山區(qū)河流水環(huán)境容量核算應(yīng)注意地表水與地下水及其污染物通過豎井、落水洞、天窗和巖溶管頻繁交換導(dǎo)致水環(huán)境容量失真的現(xiàn)象。水環(huán)境容量核算前必須開展詳細(xì)的河段地下水排泄調(diào)查及其流量測(cè)定工作，理清沿河地下水排泄與河流水環(huán)境容量及其水質(zhì)變化之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行流域控制單元?jiǎng)澐趾退h(huán)境容量核算。單一水文條件下的水環(huán)境容量核算難以適用于不同水文年不同水文階段下的動(dòng)態(tài)變化，多水文情勢(shì)下的水環(huán)境容量核算閾值更能反映河流各控制單元在不同水文條件下的水環(huán)境容量的動(dòng)態(tài)特性，如何更為精確的核算喀斯特山區(qū)河流水環(huán)境容量有待進(jìn)一步研究。