覃銀紅，肖 杰，許 利,趙文艷

(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 610064)

前 言

岷江是四川省成都市重要的水系之一，流域面積9 169 km2，占全市幅員面積的70.4%，在促進(jìn)全市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保障水資源供需過中發(fā)揮著巨大作用。岷江(內(nèi)江段)流域覆蓋成都市中心城區(qū)、天府新區(qū)等核心發(fā)展區(qū)，接納了成都市最大的生活和工業(yè)污染負(fù)荷，加上大量的非點(diǎn)源污染，如農(nóng)業(yè)面源污染和城市徑流污染等[1]，使得岷江流域部分監(jiān)測(cè)斷面出現(xiàn)劣Ⅴ類水質(zhì)。為改善岷江流域整體水體水質(zhì)，需要明確流域內(nèi)污染源的種類、產(chǎn)生量、排放量及入河量，才能對(duì)各項(xiàng)污染源制定針對(duì)性的削減措施。由于各類污染源的最終去向多為排入河流，污染源入河系數(shù)的準(zhǔn)確性與否直接影響到污染源入河量大小，因此加強(qiáng)對(duì)流域非點(diǎn)源污染物入河系數(shù)的研究顯得尤為重要。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)非點(diǎn)源入河系數(shù)的研究測(cè)算方法可大致分為斷面實(shí)測(cè)總負(fù)荷減去點(diǎn)源負(fù)荷的方法[2]、實(shí)地監(jiān)測(cè)法[3～5]、水文估算法[6]、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头╗7～10]和機(jī)理模型估算法[11～14]。其中實(shí)地監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度高，但成本高，可操作尺度小[15]；水文估算及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄓ?jì)算簡(jiǎn)單、適用于區(qū)域尺度，但精度低；機(jī)理模型法精度高，但繁瑣復(fù)雜，對(duì)數(shù)據(jù)和人員專業(yè)素質(zhì)要求均較高[16]。目前流域管理工作中，常需要快速、便捷估算出流域不同污染物總量情況，為管理部門盡快掌握水體中污染物來源信息和制定削減對(duì)策提供依據(jù)。因此，研究出一種簡(jiǎn)易的計(jì)算非點(diǎn)源污染物入河系數(shù)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。本研究選取岷江(內(nèi)江段)流域作為研究區(qū)域，基于一維水質(zhì)模型，利用Excel規(guī)劃求解功能建立一種計(jì)算非點(diǎn)源入河系數(shù)的簡(jiǎn)易方法，為流域非點(diǎn)源污染物入河量估算和排污控制提供技術(shù)參考。

1 研究方法

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集與整理

模型構(gòu)建與入河系數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)資料主要來源于《四川省環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(2016)》和《成都市地表水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2013～2018)》。

1.2 流域污染源污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

首先，確定流域具體區(qū)域范圍以及區(qū)域內(nèi)河流的上、下游邊界；其次，依據(jù)《四川省環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(2016)》逐一分類統(tǒng)計(jì)流域內(nèi)所有的污染源排放量，包括工業(yè)源、生活源、畜禽養(yǎng)殖源、農(nóng)業(yè)及城市面源。工業(yè)源、生活源及畜禽養(yǎng)殖源又分直接排放和間接排放兩種排放方式(直接排放指污染物未經(jīng)過污水處理設(shè)施處理進(jìn)行直接排放，間接排放指污染物經(jīng)過一定的污水處理設(shè)施進(jìn)行處理后排放，如城鎮(zhèn)污水處理廠，工業(yè)園區(qū)污水處理廠等)。最后，根據(jù)《成都市地表水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2013-2018)》，利用已有的河流污染物濃度和流量等數(shù)據(jù)，計(jì)算得出流域內(nèi)河流上、下游邊界的污染物靜態(tài)通量。

1.3 非點(diǎn)源污染物入河系數(shù)模型構(gòu)建

在流域確定區(qū)域范圍內(nèi)，污染物從陸地進(jìn)入河流中，可建立污染物水陸質(zhì)量守恒方程，其一般表達(dá)式如式(1)所示：

W0=λ1W1+λ2W2+λ3W3+W4-W5

(1)

公式(1)中，W0為下游邊界污染物通量(噸/月)；W1為直排污染源排放量(噸/月)；W2為間排污染源排放量(噸/月)；W3為非點(diǎn)源污染排放量(噸/月)；W4為上游邊界污染物通量(噸/月)；W5為上、下游邊界之間污染物降解量(噸/月)；λ1直排污染源入河系數(shù)；λ2間排污染源入河系數(shù)；λ3非點(diǎn)源污染入河系數(shù)。由于間排的工業(yè)、生活及畜禽養(yǎng)殖污染源經(jīng)過污水處理設(shè)施處理后，污水出水口一般靠近河流直接排放，因此入河系數(shù)取0.9。其次，直排的工業(yè)、生活、畜禽養(yǎng)殖污染源，考慮污染源在入河過程中的滲透和降解等作用，入河系數(shù)一般小于0.5。農(nóng)業(yè)及城市面源入河量與降雨量存在直接關(guān)系，根據(jù)《流域水污染物總量控制技術(shù)與示范(2008)》顯示，其入河系數(shù)一般在0.01～0.1之間。因此，λ1直排污染源入河系數(shù)取值范圍為0～0.5；λ2間排污染源入河系數(shù)為0.9；λ3非點(diǎn)源污染入河系數(shù)為0.01～0.1。最后構(gòu)建流域內(nèi)一年12個(gè)月的水陸污染物質(zhì)量守恒方程，并刪除數(shù)據(jù)異常的方程組。通過較為合理的水陸污染物質(zhì)量守恒方程(方程組數(shù)≥2組)，再利用Excel軟件中的規(guī)劃求解功能分別求出較優(yōu)的直排污染源入河系數(shù)λ1和非點(diǎn)源污染物的入河系數(shù)λ3。

1.4 一維水質(zhì)模型與Excel規(guī)劃求解

污染物以岸邊排放方式進(jìn)入水體后沿垂向、縱向和橫向三個(gè)方向輸移和擴(kuò)散，且在近岸水域形成一定寬度的污染帶，在寬深比值較大的水流中，垂直方向上的擴(kuò)散一般情況是在很短的時(shí)間內(nèi)完成的，垂向濃度分布均勻。一維水質(zhì)模型適用于河流流量小于150m3/s的中小型河段，其數(shù)學(xué)表達(dá)計(jì)算公式(2)所示:

(2)

公式(2)中：Cx——流經(jīng)x距離后的污染物濃度，mg/L；

Co——污染物初始濃度，mg/L；

x——沿河段的縱向距離，m；

u——設(shè)計(jì)流量下河道斷面的平均流速，m/s；

K——污染物綜合自凈系數(shù)，1/s。

本研究中河流綜合自凈系數(shù)K值參考《成都市河網(wǎng)水系水環(huán)境容量研究(2008)》《成都市岷江流域未達(dá)標(biāo)水體達(dá)標(biāo)方案(2017)》等區(qū)域研究成果。

通過構(gòu)建不同的方程組，借助Excel “規(guī)劃求解”可求得工作表上某個(gè)單元格中公式的最優(yōu)值。“規(guī)劃求解”將對(duì)直接或間接與目標(biāo)單元格中公式相關(guān)聯(lián)的一組單元格中的數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，最終在目標(biāo)單元格公式中求得期望的結(jié)果，從而得到流域非點(diǎn)源污染物較優(yōu)的入河系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 非點(diǎn)源污染物入河系數(shù)的確定

2.1.1 岷江(內(nèi)江段)流域區(qū)域范圍

岷江(內(nèi)江段)流域區(qū)域范圍如圖1所示，將岷江(內(nèi)江段)流域劃分為3個(gè)計(jì)算區(qū)域，分別是黃龍溪雙流龍泉驛區(qū)控制單元區(qū)域、二江寺斷面以上區(qū)域及迎賓大道府河橋斷面以上區(qū)域。以黃龍溪雙流龍泉驛區(qū)控制單元區(qū)域?yàn)槔?，進(jìn)行岷江(內(nèi)江段)流域非點(diǎn)源污染物入河系數(shù)的詳細(xì)計(jì)算過程說明，計(jì)算區(qū)域范圍如圖1左下角綠色虛線構(gòu)成的區(qū)域范圍所示。岷江(內(nèi)江段)流域黃龍溪雙流龍泉驛區(qū)控制單元區(qū)域內(nèi)的主要河流為錦江，該河流上、下游邊界斷面分別為二江寺下游匯合處斷面和黃龍溪斷面，上、下游邊界斷面河流沿程距離約為33.4km。

圖1 岷江(內(nèi)江段)流域區(qū)域范圍圖Fig.1 Regional map of Minjiang(inner river section) watershed in Chengdu city

2.1.2 河流自凈系數(shù)K值選取

參照《成都市河網(wǎng)水系水環(huán)境容量研究(2008)》《成都市岷江(內(nèi)江)流域未達(dá)標(biāo)水體達(dá)標(biāo)方案(2017)》等研究技術(shù)報(bào)告，本研究中氨氮自凈系數(shù)取0.17，總磷自凈系數(shù)取0.09。為了驗(yàn)證所選取的自凈系數(shù)K值是否合適，將本流域永安大橋斷面、協(xié)和三江村街道斷面和正公路斷面的2017年水文和水質(zhì)數(shù)據(jù)帶入一維水質(zhì)模型，分別計(jì)算得到下游斷面的迎賓大道府河橋、二江寺和黃龍溪斷面水質(zhì)結(jié)果，并與2017年上述各斷面實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比較，如圖2所示。由圖2可知，本研究利用一維水質(zhì)模型計(jì)算得到的斷面氨氮和總磷數(shù)值與實(shí)際情況比較吻合，表明模型中降解系數(shù)取值較為合適，可用于本研究的后續(xù)計(jì)算。再根據(jù)《成都市地表水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2013～2018)》水文、水質(zhì)數(shù)據(jù)及污染物自凈系數(shù)，得到計(jì)算區(qū)域內(nèi)上、下游邊界斷面氨氮和總磷的靜態(tài)通量如表1所示。

圖2 一維模型計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值對(duì)比圖Fig.2 Comparison between calculated values of one- dimensional model and theactual monitoring values

表1 計(jì)算區(qū)域上、下游邊界斷面污染物氨氮及總磷靜態(tài)通量Tab.1 Calculation of the static flux of ammonia nitrogen and total phosphorus in the upstream and downstream boundary sections of the region (t/月)

根據(jù)《四川省環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(2016)》逐一分類統(tǒng)計(jì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)所有的污染源排放量，包括工業(yè)源、生活源、畜禽養(yǎng)殖源、農(nóng)業(yè)及城市面源。計(jì)算區(qū)域內(nèi)各項(xiàng)污染源氨氮和總磷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表2所示。

表2 計(jì)算區(qū)域內(nèi)污染源氨氮和總磷排放情況Tab.2 Calculation of ammonia nitrogen and total phosphorus emission of pollution sources in the area (t/月)

續(xù)表2

2.1.3 非點(diǎn)源污染物入河系數(shù)計(jì)算結(jié)果

結(jié)合上表1和表2，構(gòu)建12個(gè)方程組，通過剔除不合理的方程組，剩余可用的方程組再利用Excel規(guī)劃求解功能，可求出計(jì)算區(qū)域范圍內(nèi)直排污染源和非點(diǎn)源污染物的入河系數(shù)。得出岷江(內(nèi)江段)流域黃龍溪雙流龍泉驛區(qū)控制單元的直排污染源和非點(diǎn)源污染物的氨氮入河系數(shù)分別為0.11和0.04，直排污染源和非點(diǎn)源污染物的總磷入河系數(shù)分別為0.40和0.08。同理，可得到岷江(內(nèi)江段)流域其他2個(gè)區(qū)域范圍直排污染源和非點(diǎn)源污染物氨氮和總磷入河系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表3所示，可知岷江(內(nèi)江段)流域二江寺斷面以上區(qū)域和迎賓大道府河橋斷面以上區(qū)域的非點(diǎn)源污染物氨氮入河系數(shù)分別為0.01和0.08，總磷入河系數(shù)分別是0.06和0.05。

表3 岷江(內(nèi)江段)流域不同計(jì)算區(qū)域污染源入河系數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of inflow coefficients of pollution sources in different calculation areas of Minjiang (inner reiver section) watershed

2.2 模型結(jié)果驗(yàn)證

將岷江(內(nèi)江段)流域計(jì)算區(qū)域所得非點(diǎn)源污染物入河系數(shù)分別代入方程中，重新進(jìn)行污染源核算，并與下游監(jiān)測(cè)斷面污染物通量進(jìn)行比較，得到核算結(jié)果如表4所示。可知計(jì)算得到黃龍溪斷面的氨氮通量值比監(jiān)測(cè)的氨氮通量值偏大，氨氮計(jì)算值和監(jiān)測(cè)值的相對(duì)偏差平均值為18.93%，然而計(jì)算出黃龍溪斷面的總磷通量值比監(jiān)測(cè)的總磷通量值偏小。分析認(rèn)為由于計(jì)算流域的黃龍溪斷面每月氨氮和總磷監(jiān)測(cè)濃度為瞬時(shí)濃度，由此計(jì)算得到的氨氮通量值不能完全地反映出每月的氨氮通量，從而得到黃龍溪斷面的氨氮和總磷通量值與計(jì)算值出現(xiàn)此種差異結(jié)果。此外，本研究利用所求污染源入河系數(shù)推算污染物入河量的計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值平均誤差在±30%左右，表明研究所用方法得出的結(jié)果精度較高，對(duì)流域污染源入河量估算和排污控制具有一定的參考價(jià)值。

表4 岷江(內(nèi)江段)流域黃龍溪斷面氨氮和總磷污染物核算結(jié)果Tab.4 Calculation results of ammonia nitrogen and total phosphorus pollutants in Huanglongxi section of Minjiang (inner river section) watershed (t/月)

進(jìn)一步地，將岷江(內(nèi)江段)流域計(jì)算區(qū)域的直排污染源和非點(diǎn)源污染的氨氮及總磷入河系數(shù)的結(jié)果和國(guó)內(nèi)部分區(qū)域入河系數(shù)的研究結(jié)果如表5所示?？梢钥闯鲠航?內(nèi)江段)流域不同區(qū)域計(jì)算出來的直排污染源和非點(diǎn)源污染物的氨氮及總磷入河系數(shù)略有差異，主要由于污染物的入河系數(shù)不僅與進(jìn)入到河流的距離及入河途徑相關(guān)，還與區(qū)域的降雨量強(qiáng)度、地表徑流大小等因素存在一定關(guān)系。

表5 岷江(內(nèi)江段)流域氨氮及總磷入河系數(shù)與其他流域?qū)Ρ萒ab.5 Comparison of the coefficients of ammonia nitrogen and total phosphorus in Minjiang (inner river section) watershed with other watersheds

3 結(jié) 論

本研究基于《四川省環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(2016)》和《成都市地表水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2013～2018)》，通過一維水質(zhì)模型構(gòu)建流域污染物水陸質(zhì)量守恒方程，開展對(duì)岷江(內(nèi)江段)非點(diǎn)源污染物入河系數(shù)的研究，得到的結(jié)論如下。

3.1 岷江(內(nèi)江段)流域典型區(qū)域的黃龍溪雙流龍泉驛區(qū)控制單元直排污染源和非點(diǎn)源污染物的氨氮入河系數(shù)分別為0.11和0.04，直排污染源和非點(diǎn)源污染物的總磷入河系數(shù)分別為0.40和0.08。

3.2 本研究利用所求污染源入河系數(shù)推算污染物入河量的計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值平均誤差在±30%左右，表明研究所用方法得出的結(jié)果精度較高，對(duì)流域污染源入河量估算和排污控制具有一定的參考價(jià)值。