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(guò)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(wèn)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(kāi)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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)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(yú)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(guò)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(yú)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(yú)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(yú)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(jiàn)圖1所示。本文研究區(qū)域主要為魚(yú)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(yú)梁江、后河、皮隴河段接納污染物量較多。通過(guò)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(yú)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(guò)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(guò)巖溶管道排出影響魚(yú)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(yú)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(jiàn)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(yú)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(yú)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)?？λ固厣絽^(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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(wèn)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(yú)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(guò)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(yú)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(yú)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(wèn)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(guò)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(guò)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(shuō)明承載能力越?。?/p>

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(shuō)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(guò)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(guò)SPSS軟件分析，各河流斷面2011-2017年水質(zhì)濃度變化趨勢(shì)見(jiàn)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(shuō)，魚(yú)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(jiàn)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(jiàn)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(yú)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(jiàn)表4，各控制單元的水環(huán)境容量載荷率見(jiàn)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(jiàn)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(guò)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(méi)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(guò)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?？刂茊卧舻腘H3-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?？刂茊卧醯腘H3-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(yú)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(yú)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(guò)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(yú)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(jiàn)表5。

根據(jù)表5的計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合魚(yú)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(guò)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(guò)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(méi)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(guò)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(kāi)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(guò)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(wèn)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(wèn)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(jiàn)表6。

4 結(jié) 論

(1)選用Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)魚(yú)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(yú)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(guò)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(kāi)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。