李 俊，盛 晟，柏海霞，李 青，陽 旭，韓善銳

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122)

引 言

飲馬河流域為長春市主要河流流域之一，社會發(fā)展過程中，人們生產生活中排放的污水對飲馬河流域水質造成的惡劣影響呈逐年增加的趨勢，尤其是下游流域[1-2]。水環(huán)境污染不僅對周邊動植物產生惡劣影響，而且會增加人類的發(fā)病率[3～5]，在流域水環(huán)境治理過程中，因流經的行政區(qū)域較多，給同一流域不同行政區(qū)域的水污染治理帶來困難和糾紛。因此，眾多科研工作者展開了對河流、湖泊水環(huán)境污染現(xiàn)狀和演變特征的研究。

造成水環(huán)境污染的主要因子為N和P，主要來自于工業(yè)排水、污水處理廠和養(yǎng)殖場等點源污染，城市、農村等徑流引起的面源污染。污染物質進入河流、湖泊等水環(huán)境后，逐漸沉降至水體底部吸附在底泥顆粒上，產生物理、化學和生物等反應，與孔隙水發(fā)生交換，進而從底泥中釋放出來進入到水體中引起內源污染[6～8]。污染負荷對流域水環(huán)境的影響具有區(qū)域異質性，流域內不同行政區(qū)排放的污染負荷不同，致使流域水質的污染情況不盡相同[9]。張剛[10]等人通過對飲馬河支流伊通河下游濱河農田的監(jiān)測，分析并估算農田面源的污染負荷，發(fā)現(xiàn)在第二、三季，土壤中的有機質、堿解氮和速效磷與土壤的酸堿性有緊密的關系，呈“U”型變化趨勢。2004～2013年飲馬河流域面源污染的污染負荷TN的主要來源為農業(yè)種植，農業(yè)人口對污染負荷TP的貢獻率約占35.22%，對污染負荷COD的主要影響來源為畜禽養(yǎng)殖，占比為78.79%[11]。邸惠[12]等人利用相關分析方法，通過對飲馬河流域不同行政區(qū)域水環(huán)境危險性進行評估發(fā)現(xiàn)，長春市區(qū)為飲馬河流域水污染的主要貢獻區(qū)之一。

基于此，參考前人對流域污染負荷現(xiàn)狀與水環(huán)境負荷演變特征的研究，以前期現(xiàn)場勘查和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，以飲馬河流域長春段五個國考斷面為水質監(jiān)測點，以污染負荷COD、NH3-N和TP為主要研究對象，探究其在2014～2018年的變化特征和趨勢，同時研究不同水期對污染負荷的影響，除此之外，對2020年的污染負荷進行了預測，揭示了影響飲馬河流域長春段五個國考斷面的主要污染來源，為控制和治理飲馬河流域長春段的水環(huán)境污染提供科學支撐和數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

長春市范圍內飲馬河流域面積約5 993 km2(不含伊通河)，河道長約293.6 km，從雙陽區(qū)“三河橋斷面”附近入境進入長春市，流經雙陽區(qū)、蓮花山區(qū)、長春新區(qū)、九臺區(qū)、德惠市、農安縣等6個市/區(qū)/縣，最后經農安縣“靠山南樓斷面”匯入松花江(圖1)。飲馬河長春段流域內廣泛分布著水田和旱地，約占流域面積74.50 %，占比最高；其次為建設用地，占比約為16.56 %，林地、水域用地的占比分別為7.13 %和1.74 %，占比最小的裸地約為0.07 %。流域內降雨量在6月～9月最多，約占全年降雨量的78 %，降雨量約為463.1 mm。通過研究2014～2018年收集的常規(guī)水質斷面監(jiān)測成果發(fā)現(xiàn)，5個國考斷面中，只有飲馬河大橋斷面水質在2018年達到Ⅲ類水體水質考核要求，其余均為劣V類水體。

圖1 飲馬河流域水系分布及國考斷面位置圖

2 數(shù)據(jù)來源與計算方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的基礎數(shù)據(jù)來源于長春市及各區(qū)縣政府部門，及現(xiàn)狀調查和實際監(jiān)測所得。其中現(xiàn)場踏勘依據(jù)“以點帶線，以線帶面”的原則，對流域現(xiàn)狀情況進行開展調查。以飲馬河流域長春段的五個國考斷面(飲馬河大橋、磚瓦窯橋、劉珍屯、靠山南樓、十三家子大橋)為監(jiān)測斷面，為減少監(jiān)測誤差在每個監(jiān)測斷面設置5～10個監(jiān)測點位，監(jiān)測2014～2018年水質中污染負荷為COD、NH3-N和TP三項，并收集豐水期、平水期和枯水期的各個污染負荷的排放量。

該研究根據(jù)前期水質監(jiān)測結果，結合長春市人口增長、生活垃圾產生量、生活和工業(yè)污水排放量等文獻資料，估算2020年各考核面的水質污染負荷。根據(jù)《吉林省環(huán)境保護廳關于印發(fā)吉林省所涉“十三五”國省控江河斷面和湖庫點位設置及水質目標表的通知》(吉環(huán)辦〔2016〕70號)，各監(jiān)測斷面的水質考核要求如表1所示。

表1 各國考斷面水質的考核指標

2.2 計算方法

水環(huán)境負荷計算是水污染治理和水環(huán)境管理的基礎性工作，水環(huán)境負荷主要受自身水質特點、污染物的排放方式和特性、附近環(huán)境資源利用方式等影響。同時，隨著工業(yè)化、城市化快速發(fā)展和人們生活方式改變、消費水平的提高，污水和其他污染物的排放量依舊在上升，水環(huán)境污染的治理和控制迫在眉睫。

2.2.1 農村生活污染源

負荷量計算公式為：

W生2=(W生2P-θ2)×β2

(1)

W生2P=N2×α2

(2)

其中：W生2為農村生活污染物入河量；W生2P為農村生活污染物排放量；β2為農村生活入河系數(shù)；θ2為經過分散式處理設施處理的和納入城鎮(zhèn)管網處理的農村生活污染物量。N2為農村人口數(shù)；α2為農村生活排污系數(shù)。

2.2.2 城鎮(zhèn)生活污染源

負荷量計算公式為：

W生3=(W生3P-θ3)×β3

(3)

W生3P=N3×α3

(4)

其中：W生3為城市生活污染物入河量；W生3P為城市生活污染物排放總量；β3為城市生活入河系數(shù)；θ3為利用污水處理廠處理掉的污染物量；N3為城市人口數(shù)；α3為城市生活排污系數(shù)。

2.2.3 農田徑流面源

負荷量計算公式為：

W4=W4P×β4×γ4

(5)

其中：W4為標準農田污染物入河量；W4P為標準農田污染物排放量；β4為標準農田入河系數(shù)；γ4為修正系數(shù)。

W4P=M×α4

(6)

其中：M為標準農田面積；α4為標準農田排污系數(shù)。

2.2.4 畜禽養(yǎng)殖污染源

根據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術指南》，將所有畜禽折算為豬的數(shù)量，畜禽養(yǎng)殖污染負荷量計算公式為：

W畜禽=W畜禽p×β

(7)

W畜禽p=N畜禽×α

(8)

其中：W畜禽為畜禽養(yǎng)殖污染物入河量；W畜禽P為畜禽養(yǎng)殖污染物排放量；β為畜禽養(yǎng)殖污染物入河系數(shù)。N畜禽為飼養(yǎng)家禽數(shù)量，α為畜禽糞中污染物平均含量。

2.2.5 內源污染

各污染物釋放速率的計算基于培養(yǎng)系統(tǒng)中待測物質濃度隨時間變化的情況，計算公式為：

(9)

式中，F(xiàn)為釋放速率(mg/(m2·d))；V為實驗柱中水的體積(L)；cn、c0、cj-1為第n次、0次和j-1次采樣時待測物濃度(mg/L)；ca為后加水中該物質含量(mg/L)；Vj-1為j-1次采樣體積(L)；S為泥-水接觸面積(m2)；T為釋放時間(d)。

通過模擬泥—水界面污染物釋放實驗，得出不同考核斷面底泥中的COD和NH3-N向上覆水體的釋放速率和釋放量。

2.2.6 生活垃圾

根據(jù)《第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產排污系數(shù)手冊》(2008年3月)，城鎮(zhèn)居民生活垃圾產生量計算公式為：

Wα=0.365×N×FW/1000

(10)

式中：Wα為城鎮(zhèn)居民一年產生的生活垃圾量(萬t/a)；N城鎮(zhèn)居民常住人口(萬人)；FW城鎮(zhèn)居民生活垃圾產生系數(shù)(kg/人/天)。

3 結果與討論

3.1 水環(huán)境現(xiàn)狀分析

根據(jù)2014～2018年常規(guī)水質監(jiān)測成果，統(tǒng)計分析飲馬河長春段五個國考斷面的污染負荷COD、NH3-N和TP隨時間的變化趨勢，結果如圖2所示，其中缺失2014～2015年劉珍屯斷面和十三家子大橋斷面的數(shù)據(jù)。由圖可知，NH3-N的年平均濃度隨時間呈增加趨勢，除十三家子大橋斷面的COD濃度在2016年之后隨年份的呈明顯的增大趨勢外，其他測點的COD濃度隨年份的變化較小，呈先增大后減小的趨勢；飲馬河斷面的TP年平均濃度隨時間的變化較小，磚瓦窯橋斷面的TP年平均濃度隨時間呈明顯的增大趨勢，劉珍屯斷面和靠山南樓斷面TP濃度在一定的限值附近波動。

圖2 2014～2018年各污染負荷的變化情況

飲馬河大橋、磚瓦窯橋、劉珍屯、靠山南樓、十三家子大橋5個國考斷面水質考核要求的COD年平均濃度分別為：20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L、40 mg/L、40 mg/L。結合圖2可知，飲馬河大橋2014年COD年平均濃度較低，但仍超過考核標準，2017～2018年的濃度均達到了考核標準；磚瓦窯斷面COD濃度2015～2018年均未達到考核要求；劉珍屯斷面和靠山南樓斷面2015年COD濃度超過考核標準，但從2016年濃度開始下降，直到2018年均符合考核標準。十三家子大橋斷面COD濃度在2017～2018年均超過考核要求。

國考斷面NH3-N年均濃度隨時間變化情況見圖2。由圖可知，飲馬河大橋斷面NH3-N年均濃度均低于Ⅲ類水限值，且呈現(xiàn)出逐年下降趨勢。磚瓦窯橋斷面NH3-N年均濃度自2015年至2018年超標較為嚴重，且仍有增加趨勢。劉珍屯、靠山南樓和十三家子大橋3個斷面2014～2018年NH3-N年均濃度均超過Ⅴ類標準限值，且仍有加重趨勢，其中靠山南樓斷面NH3-N年均濃度最大，明顯大于其它兩個斷面。

國考斷面TP年均濃度隨時間變化情況見圖2。由圖可知，飲馬河大橋斷面TP年均濃度均低于Ⅲ類水限值，且呈現(xiàn)出逐年下降趨勢。磚瓦窯橋斷面TP年均濃度自2015年至2018年超標較為嚴重，2015～2017年增加趨勢明顯，2018年有所下降，但仍不能達到Ⅳ類水考核要求。劉珍屯斷面和靠山南樓斷面TP年均濃度在Ⅴ類標準限值上下擺動，不能穩(wěn)定達標。十三家子大橋斷面TP年均濃度較高，2016～2018年年均濃度均未達標，且2018年較2017年有明顯增加趨勢。

綜上可知，磚瓦窯橋、劉珍屯、靠山南樓、十三家子大橋等4個斷面水環(huán)境中COD、NH3-N、TP年均濃度超過了水質考核標準，污染較為嚴重。

3.2 不同水期變化

水質因子超標主要與入河污染負荷有關，而不同污染源(尤其是面源)產生的入河污染負荷與降水量有很大關系，年均濃度的超標可能由某個水期的水質超標引起的。為分析不同水期水質濃度對年均濃度的貢獻，本文根據(jù)水質監(jiān)測成果，對比分析了5個國考斷面在不同水期污染負荷的濃度的變化情況。由圖3可知，飲馬河大橋斷面COD濃度在不同水期濃度變化趨勢相近；磚瓦橋斷面在2017年時，COD濃度在不同水期時差距較大，其中豐水期的濃度最高，其他年份不同水期COD濃度相近；劉珍屯、十三家子大橋和靠山南樓等3個斷面枯水期濃度較豐水期和平水期高。

圖3 不同水期COD濃度變化情況

圖4 不同水期NH3-N濃度變化情況

圖4為不同水期NH3-N濃度變化情況，如圖4所示，枯水期各國考斷面污染負荷NH3-N濃度大于平水期大于豐水期，磚瓦橋和劉家珍大橋斷面的NH3-N濃度呈逐年增加的趨勢，靠山南樓的污染負荷濃度遠高于其它斷面。

圖5為不同水期TP濃度變化圖，如圖所示，飲馬河大橋斷面不同水期TP濃度變化趨勢相近；其它國考斷面枯水期TP濃度大于平水期和豐水期，2017～2018年枯水期各考核斷面濃度高于水質考核標準限值，豐水期和平水期水質低于水質考核標準限值。對于污染負荷NH3-N和TP，枯水期對其濃度的影響最大，豐水期最小，對于COD平水期對其濃度影響最大，豐水期最小。

圖5 不同水期TP濃度變化情況

3.3 污染物負荷預測

水環(huán)境負荷主要受自身水質的特點、排入污水含有污染物的特性、附近環(huán)境資源利用的方式等的影響。本文以五個國考斷面為調查點，結合長春市各區(qū)域環(huán)境、人口和污染源等資料，以國考斷面對應的水域為計算單元，以COD、NH3-N和TP為預測分析對象。以考核斷面對應的納污水域為計算單元，結合2016年長春市人口增加率、土地規(guī)劃、工業(yè)發(fā)展等資料，預測長春市人口、畜禽養(yǎng)殖量、土地利用方式和工業(yè)發(fā)展等變化，計算2020年各考核斷面COD、NH3-N和TP三項主要指標的污染負荷。

本文在分析流入飲馬河長春段污染負荷來源時，根據(jù)現(xiàn)場勘查情況結合國內外相關河流的研究方法，按照點源、內源和面源(包括城鎮(zhèn)生活、城市徑流、農村生活、畜禽養(yǎng)殖、農田徑流等)等污染負荷來源預測2020年污染情況。

對于農村和城鎮(zhèn)的生活污染、生活垃圾主要的影響因素為人口，需預測2020年長春市生活污水散排的城鎮(zhèn)和農村人口后進行污染物計算。對于畜禽養(yǎng)殖所產生的污染物排放量，依據(jù)各區(qū)縣畜禽養(yǎng)殖現(xiàn)狀并結合歷年規(guī)模養(yǎng)殖的變化趨勢，以豬(頭)折算，按照5%的增長率預測2020年的規(guī)模畜禽養(yǎng)殖量。對于農田徑流，依據(jù)2017年土地利用分布資料，本文的研究可按照維持不變的現(xiàn)狀計算。對于內源根據(jù)模擬泥-水界面污染物釋放實驗，得出不同河段底泥COD和氨氮向上覆水體的釋放速率和釋放量，進而進行計算。相關系數(shù)取值見表2，計算結果見表3。

表2 污染負荷計算主要系數(shù)取值

表3 2020年各計算單元污染負荷的預測結果

由表3中所顯示的計算結果可知，該流域內計算單元總的COD負荷年排放量為27 503.22 t/a，NH3-N負荷的年排放量為2 769.39 t/a，TP負荷的年排放量為485.65 t/a；其中各污染負荷排放量最高的為磚瓦窯橋斷面、劉珍屯斷面，在COD、NH3-N、TP負荷占比中，磚瓦窯橋斷面的占比分別為34.41%、35.58%、27.96%，劉珍屯斷面的占比分別為45.57%、41.58%、48.84%。同時，由表3可看出，COD負荷主要污染來源為城市徑流，NH3-N負荷主要污染來源為農田徑流，TP負荷主要污染來源農田徑流和內源污染。

由表3可知，點源對水質污染的貢獻較小，是由于流域內點源污染主要集中在鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域內，大部分點源已經得到控制。造成飲馬河流域污染的主要來源為面源污染，是由于飲馬河流域內村鎮(zhèn)規(guī)模較多，各村鎮(zhèn)污水集中處理率較低，農村污水基本散排，村鎮(zhèn)垃圾收集系統(tǒng)不夠完善，垃圾隨意傾倒進河道，雨水沖刷使污染物進入河道；其次，飲馬河流域農田分布規(guī)模較大，鄉(xiāng)村段沿河兩岸的農田基本沒有污染消減措施，且化肥、農藥的使用量在逐年上升，殘余的化肥、農藥隨尾水進入河道，對水質造成污染；第三，飲馬河流域城鎮(zhèn)段建筑密度較大、交通工具較多、不透水地面率高，初期雨水沖刷地表，大量污染物隨徑流進入河道，污染水體。

4 結 論

本文以飲馬河流域長春段的五個國考斷面為研究對象，以污染負荷COD、NH3-N和TP為考核指標，對各國考斷面的水質進行監(jiān)測，同時實地勘察和綜合調研所在區(qū)域的主要污染源情況，對比分析飲馬河長春段的五個國考斷面2014～2018年水環(huán)境變化情況、不同水期對污染負荷的影響以及對2020年的污染負荷進行預測計算。研究結果表明：

4.1 磚瓦窯橋、劉珍屯、靠山南樓、十三家子大橋斷面水環(huán)境中COD、NH3-N、TP年均濃度超過了水質考核標準；

4.2 水期對飲馬河大橋的污染負荷的影響較小，枯水期對其他斷面污染負荷的影響占主要貢獻；

4.3 在2020年，COD負荷的主要污染來源為城市徑流，NH3-N負荷的主要污染來源為農田徑流，TP負荷的主要污染來源農田徑流和內源污染。