劉凌雪, 敖天其,2, 胡 正, 胡富昶, 李孟芮

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

水環(huán)境污染可分為點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染兩種，其中非點(diǎn)源污染是指在降水和徑流沖刷作用下，溶解的或固體污染物從非特定的污染排放點(diǎn)通過徑流過程匯入受納水體(如河流、湖泊、水庫等)而引起的水體污染[1]。有大量數(shù)據(jù)及成果表明[2-3]，農(nóng)村面源污染(畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)藥化肥、生活污水等)在流域水體污染中所占的比重已超過工業(yè)點(diǎn)源污染，主要涉及兩個(gè)方面的原因：(1) 我國是農(nóng)業(yè)大國，隨著農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展，化肥農(nóng)藥等的施用量明顯增大，其中所含多種污染物隨著農(nóng)田排水或者降水進(jìn)入到地表水體，從而造成水體污染；(2) 在我國農(nóng)村地區(qū)，人口數(shù)量不斷增多，并且除了發(fā)展農(nóng)業(yè)之外，畜牧養(yǎng)殖業(yè)也得到迅速發(fā)展，但相對(duì)來說農(nóng)村排污管道和污水集中處理系統(tǒng)尚未健全，導(dǎo)致大量污水、污染物被隨意排放，對(duì)水環(huán)境造成極為嚴(yán)重的影響[4]。所以，若要從根本上解決我國的水污染問題，關(guān)鍵在于要高度重視流域農(nóng)業(yè)面源污染的防治[5]。

如何改善水污染現(xiàn)狀已成為水環(huán)境研究中迫切需要解決的問題，而水質(zhì)評(píng)價(jià)、污染物來源分析等是提出相應(yīng)措施和改善水環(huán)境質(zhì)量的前提，水質(zhì)評(píng)價(jià)及污染物確定的合理性將直接影響水環(huán)境整治決策的準(zhǔn)確性[6]。近年來，各類評(píng)價(jià)方法被廣泛用于水質(zhì)評(píng)價(jià)，其中，單因子環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法雖然能直觀表達(dá)水質(zhì)類別、反映水體達(dá)標(biāo)情況[7]，但不能全面反映水環(huán)境污染的綜合情況；多因子環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法則是在評(píng)價(jià)水質(zhì)時(shí)綜合考慮所有評(píng)價(jià)參數(shù)，能更直觀地定性描述水質(zhì)的總體水平，且能給出綜合性的評(píng)價(jià)結(jié)論，常用的有內(nèi)梅羅指數(shù)法以及在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的方法等。對(duì)于面源污染而言，我國通過對(duì)國外模型經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，從結(jié)合國情出發(fā)，提出了適合實(shí)際面源污染研究的方法，如單位負(fù)荷法、輸出系數(shù)法、源強(qiáng)系數(shù)法、降雨量—徑流量插值法等[8]集現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)于一體的污染負(fù)荷預(yù)測方法。

本文選取瓊江流域(安居段)作為研究區(qū)，采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)該流域水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并將輸出系數(shù)法和源強(qiáng)系數(shù)法聯(lián)合應(yīng)用于研究區(qū)TP，NH3-N和COD等污染物的評(píng)估，以綜合評(píng)價(jià)研究區(qū)的面源污染情況，提出合理的治理措施及建議。

1 研究區(qū)概況

安居區(qū)位于四川盆地中部，涪江中游，遂寧市西南方，東經(jīng)105°4′0″—105°43′45″，北緯30°10′30＂—30°34′10″。全區(qū)轄14個(gè)鎮(zhèn)，7個(gè)鄉(xiāng)，轄區(qū)面積1 258.2 km2。安居區(qū)境內(nèi)有大小溪河共37條，主要河流為瓊江和蟠龍河。瓊江為涪江一級(jí)支流：安居鎮(zhèn)以上為上游，亦稱白馬河；安居鎮(zhèn)以下至潼南縣太安鎮(zhèn)為中游，始稱瓊江。瓊江全長235 km，全流域面積4 560 km2，河曲發(fā)育，市境內(nèi)流程117 km，流域面積1 008.4 km2，占全區(qū)幅員面積的81.2%，天然落差40 m，河道平均比降0.34‰，瓊江水量來源于自然降水，洪枯流量差異較大：枯水期時(shí)流量很小甚至斷流，平均流量約2 m3/s；洪水期最大洪峰流量約2 370 m3/s；瓊江洪、枯水位變幅一般為5 m，最大10 m。

2 研究方法

2.1 資料來源

本研究以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為尺度，研究區(qū)共涉及21個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(14個(gè)鎮(zhèn)，7個(gè)鄉(xiāng))。數(shù)據(jù)資料包括鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口(農(nóng)業(yè)與非農(nóng)業(yè))及面積、畜禽養(yǎng)殖情況、化肥施用量、土地坡度及土壤類型等。數(shù)據(jù)具體來源有：(1) 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；(2) 社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。參照遂寧市安居區(qū)2013—2015年統(tǒng)計(jì)年鑒及鄉(xiāng)鎮(zhèn)提供調(diào)查資料；(3) 水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。來源于安居區(qū)環(huán)保局；(4) 其他數(shù)據(jù)。來源于國土資源分局、水務(wù)局、氣象站、林業(yè)局、農(nóng)業(yè)局等調(diào)查資料。

2.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)法是一種突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)法[9]，強(qiáng)調(diào)了污染指數(shù)最大的污染物對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響和作用，反映了水體被污染的程度[10]。改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上同時(shí)對(duì)均值和最大因子項(xiàng)加以修正，避免了忽視重要因子這一弊端[11-12]，提升了水質(zhì)評(píng)價(jià)的整體性和準(zhǔn)確性。公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.3 面源污染分析方法

2.3.1 輸出系數(shù)法 輸出系數(shù)法由Johnes等[13]于1989年提出。1990年，Johnes考慮了植被、林地、居民生活污水處理系統(tǒng)等方面對(duì)該方法進(jìn)行了修正[14]。公式如下：

(6)

式中：L為營養(yǎng)物流失量(t/a)；Ei為營養(yǎng)源i的輸出系數(shù)[t/(km2·a)]或[kg/(per·a)]；Ai為土地利用類型i的面積(km2)，或畜禽類型i的數(shù)量(頭)，或流域內(nèi)人口數(shù)量(人)；Ii為對(duì)污染源i的輸入量(t/a)；p為來自降水的營養(yǎng)物輸入(t/a)。

輸出系數(shù)的大小決定了不同污染源向水體排放營養(yǎng)物(TN，TP)的輸出率，主要通過相關(guān)文獻(xiàn)、試驗(yàn)結(jié)果和水文統(tǒng)計(jì)方法來確定[14]。相比較而言，文獻(xiàn)查找更為方便，但受多種因素影響具有較低的準(zhǔn)確度；水文統(tǒng)計(jì)法因能夠反映營養(yǎng)物遷移的水文機(jī)理而具有較高準(zhǔn)確度，但需要大量相關(guān)數(shù)據(jù)，這對(duì)于我國小流域而言是很難實(shí)現(xiàn)的；試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確度最高，但需要投入大量的人力物力和財(cái)力。瓊江流域監(jiān)測資料短缺，作為長江上游的一部分，本文則主要參考長江上游地區(qū)，尤其是四川省境內(nèi)與輸出系數(shù)相關(guān)的文獻(xiàn)，結(jié)合研究區(qū)污染物輸出特征，修正并確定了本文的輸出系數(shù)(表1)。

表1 不同面源的綜合輸出系數(shù)

2.3.2 源強(qiáng)系數(shù)法 源強(qiáng)系數(shù)法由中國環(huán)境規(guī)劃院于2003年在《中國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》[15]中提出，被廣泛用于估算國內(nèi)非點(diǎn)源污染負(fù)荷。本文采用四川地區(qū)源強(qiáng)系數(shù)表(表2)。

表2 各標(biāo)準(zhǔn)污染源的源強(qiáng)系數(shù)及其入河系數(shù)

注：依據(jù)《中國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》、《四川省水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》、《中國飲用水源環(huán)境保護(hù)規(guī)劃編制技術(shù)大綱》、《釜溪河流域水污染綜合治理實(shí)施方案》。入河系數(shù)指不同污染源的污染物排放量中進(jìn)入水體的比率[14]，該數(shù)據(jù)來源于瓊江流域及周邊的調(diào)查報(bào)告和相關(guān)文獻(xiàn)。每種污染源都具有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)污染源特征組合及修正方法，可以通過這些特征對(duì)標(biāo)準(zhǔn)源強(qiáng)系數(shù)進(jìn)行修正，并用于估算非標(biāo)準(zhǔn)污染源的污染物排放量[15]。

以農(nóng)田地表徑流為例，其特征組合包括地形、作物類型、化肥施用量、年降雨量等，利用公式(7)對(duì)農(nóng)田地表徑流的源強(qiáng)系數(shù)進(jìn)行修正，其他污染源類似。

(7)

式中：L為農(nóng)田地表徑流的污染物排放量(t/a)；Ei為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田[標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田指處于平原地帶，種植作物為小麥，土壤類型為壤土，化肥施用量為375～523 kg/(hm2·a)，平均年降雨量為400～800 mm/a的農(nóng)田區(qū)[14]]地表徑流的源強(qiáng)系數(shù)[t/(hm2·a)]；αi為農(nóng)田i的坡度修正值；Si，Pi，Ci，F(xiàn)i分別為土壤類型、降雨量、作物類型和化肥施用量的修正值，均無量綱。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)安居區(qū)瓊江流域水質(zhì)監(jiān)測斷面的分布及采樣情況，選取跑馬灘水庫、大安瓊江監(jiān)測斷面進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，所處位置見圖1?；?013年水質(zhì)監(jiān)測資料及當(dāng)?shù)厮廴咎攸c(diǎn)，選取化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、5日生化需氧量(BOD5)、總氮(TN)、總磷(TP)及高錳酸鹽指數(shù)這6個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)瓊江流域(安居段)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。

圖1 監(jiān)測斷面位置關(guān)系

計(jì)算兩個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面的改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)P，并以Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)劃分污染等級(jí)(表3)。跑馬灘監(jiān)測斷面除1月、2月、3月、4月、5月水質(zhì)達(dá)標(biāo)外，其余7月均超標(biāo)；大安監(jiān)測斷面的水質(zhì)情況相對(duì)好一些，除6月、7月、9月、10月、12月未達(dá)標(biāo)之外，其余月份全部達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。此外，逐月對(duì)比兩監(jiān)測斷面的改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)P發(fā)現(xiàn)，除2月、3月、5月、6月、12月之外，大安監(jiān)測斷面的內(nèi)梅羅指數(shù)均小于跑馬灘監(jiān)測斷面?？傮w而言，兩監(jiān)測斷面的水質(zhì)情況都比較差，其中跑馬灘監(jiān)測斷面的水質(zhì)情況略差于大安監(jiān)測斷面。

將兩監(jiān)測斷面的改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)P的算術(shù)平均值作為瓊江(安居段)流域全年綜合水質(zhì)指數(shù)(圖2)。以Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，2013年上半年的內(nèi)梅羅指數(shù)均小于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)較好；在5月猛增后穩(wěn)定波動(dòng)至7月達(dá)到最大，可能原因是：汛期降水逐步增多，地表徑流增大，隨徑流的不斷沖刷使累積污染物得以充分釋放，內(nèi)梅羅指數(shù)迅速增大。7月之后，地表累積污染物減少，但地表徑流量依舊較大，污染物被迅速稀釋，內(nèi)梅羅指數(shù)減小?？菟?，非點(diǎn)源污染作用減弱，內(nèi)梅羅指數(shù)減小。也就是說，瓊江水體豐水期水質(zhì)劣于枯水期水質(zhì)，可推測該流域面源污染較嚴(yán)重。

表3 改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

圖2 2013年瓊江流域綜合水質(zhì)指數(shù)變化趨勢(shì)

3.2 面源污染綜合分析

通過對(duì)瓊江流域(安居段)的水質(zhì)分析，可以看出該研究區(qū)水質(zhì)情況不容樂觀，且推測出水污染主要來源于面源污染。為了驗(yàn)證這一推測并得到研究區(qū)主要污染類型、主要污染物、主要污染源及重點(diǎn)治理鄉(xiāng)鎮(zhèn)等相關(guān)內(nèi)容，本文結(jié)合輸出系數(shù)法和源強(qiáng)系數(shù)法對(duì)該流域面源污染進(jìn)行評(píng)估，經(jīng)對(duì)研究區(qū)2016年所收集資料的簡單分析，本文選取了COD，NH3-N，TP作為評(píng)價(jià)污染物。研究區(qū)2016年入河等標(biāo)污染負(fù)荷計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 研究區(qū)污染源指標(biāo)分級(jí)及對(duì)應(yīng)入河等標(biāo)污染負(fù)荷 (t/a)/(mg/L)

3.2.1 主要污染類型 通過分析研究區(qū)點(diǎn)源和面源污染的總等標(biāo)污染負(fù)荷比發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)主要污染類型為面源污染，約占總等標(biāo)污染負(fù)荷的95.16%(表4)。因此，面源污染將成為研究區(qū)水污染治理的主要方向。

3.2.2 主要污染物 根據(jù)總等標(biāo)污染負(fù)荷比將研究區(qū)內(nèi)3種污染物進(jìn)行排序，其中，NH3-N的等標(biāo)污染負(fù)荷最大，約占總負(fù)荷的51.79%，為主要污染物；其次為TP，占30.33%(表4)。

3.2.3 主要污染源 由表4可知，(1) NH3-N主要來源于城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)田地表徑流及畜禽養(yǎng)殖。其中，城鎮(zhèn)生活污水最為嚴(yán)重，約占總排放負(fù)荷的43.20%，其他污染源排序如下：農(nóng)田地表徑流(19.25%)、畜禽養(yǎng)殖(18.20%)、農(nóng)村居民生活和工業(yè)污染。(2) TP：城鎮(zhèn)生活污水(37.84%)、畜禽養(yǎng)殖(24.51%)、農(nóng)田地表徑流(24.40%)、農(nóng)村居民生活和工業(yè)污染。(3) COD：城鎮(zhèn)生活污水(40.34%)、農(nóng)村居民生活(21.64%)、農(nóng)田地表徑流(13.94%)、畜禽養(yǎng)殖和工業(yè)污染。綜上，研究區(qū)的主要污染源為城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)田地表徑流及畜禽養(yǎng)殖，這些污染源將是研究區(qū)水污染治理的主要對(duì)象。

3.2.4 重點(diǎn)治理鄉(xiāng)鎮(zhèn) 分別計(jì)算3種主要污染物在研究區(qū)21個(gè)鎮(zhèn)的污染負(fù)荷比(圖3)?？梢钥闯?，3種污染物在21個(gè)鎮(zhèn)的空間變化趨勢(shì)大體一致。污染最嚴(yán)重的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為安居鎮(zhèn)，其次為攔江鎮(zhèn)。此外，從NH3-N和TP的角度來看，排在3，4，5的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為西眉、三家和東禪鎮(zhèn)；從COD的角度為西眉、三家和衡山鎮(zhèn)。總之，研究區(qū)的主要污染負(fù)荷來源于安居、攔江、西眉、三家、東禪等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這些鎮(zhèn)將成為研究區(qū)水污染的主要治理鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

3.3 治理對(duì)策及建議

(1)研究區(qū)水污染治理重點(diǎn)是面源污染，尤其是居民生活污水、農(nóng)田地表徑流和畜禽養(yǎng)殖。因此，需要投入更多的資金在居民生活污水設(shè)施建設(shè)、化肥農(nóng)藥的科學(xué)管理應(yīng)用及畜禽養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)化等方面。

(2)流域水污染治理的重點(diǎn)應(yīng)放在安居、攔江、西眉、三家、東禪等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)需根據(jù)當(dāng)?shù)刂饕廴疚锛拔廴驹从嗅槍?duì)性地進(jìn)行水污染治理。

圖3 各污染物等標(biāo)污染負(fù)荷的空間分布

4 結(jié) 論

瓊江流域(安居段)水質(zhì)較差，且豐水期水質(zhì)劣于枯水期水質(zhì)，流域面源污染嚴(yán)重；主要污染物為NH3-N和TP，所對(duì)應(yīng)等標(biāo)污染負(fù)荷比分別為51.79%，30.33%；主要污染源為城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)田地表徑流及畜禽養(yǎng)殖，其所對(duì)應(yīng)等標(biāo)污染負(fù)荷比分別為41.06%，19.86%，19.21%；對(duì)研究區(qū)污染貢獻(xiàn)較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)依次為安居鎮(zhèn)、攔江鎮(zhèn)、西眉鎮(zhèn)、三家鎮(zhèn)和東禪鎮(zhèn)。所以，在對(duì)該流域進(jìn)行水污染治理時(shí)，應(yīng)將治理重點(diǎn)放在安居、攔江、西眉、三家、東禪等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，以NH3-N和TP作為主要治理對(duì)象，著重治理由城鎮(zhèn)生活用水、農(nóng)田地表徑流和畜禽養(yǎng)殖等方面所造成的面源污染。