肖欽太，敖天其，2，向 鑫

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

0 引 言

相對(duì)于水環(huán)境的點(diǎn)源污染而言，面源污染物由于環(huán)境及徑流的不確定性而更為復(fù)雜；因此其危害規(guī)模更大，防治也更為困難。優(yōu)先控制區(qū)的識(shí)別已成為流域面源污染的核心理念和關(guān)鍵所在，面源污染優(yōu)先控制區(qū)即指流域內(nèi)對(duì)水環(huán)境質(zhì)量有著決定性影響的敏感區(qū)域。

宣漢縣地處四川盆地東北大巴山南麓，位于渝、川、陜、鄂結(jié)合部，介于東經(jīng)107°22′～108°32′，北緯31°06′～31°49′之間。宣漢縣境內(nèi)東西最長(zhǎng)跨度為110.6 km，南北最寬相距78.8 km，邊界線長(zhǎng)590.6 km，全縣面積4 271 km2。宣漢縣境內(nèi)河流大部分屬渠江水系上游州河支流，個(gè)別河流屬巴河支流(如長(zhǎng)灘河)，前河、中河的源頭在縣境外重慶市城口縣境內(nèi)。前、中、后河縱橫全境于宣漢縣城西北部匯為州河。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本次研究所收集到的資料有：研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口與面積數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)、畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)、近幾年社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、土地化肥施用數(shù)據(jù)、土地利用及土壤類型數(shù)據(jù)等。資料來源于宣漢縣統(tǒng)計(jì)年鑒及鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)、生態(tài)環(huán)境局等相關(guān)部門。

1.2 面源污染分析方法

1.2.1 輸出系數(shù)法

輸出系數(shù)法由美國(guó)、加拿大在研究土地利用-營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷-湖泊富營(yíng)養(yǎng)化關(guān)系的過程中提出[1]。后經(jīng)多位學(xué)者研究改進(jìn)，改進(jìn)的輸出系數(shù)法將面源污染分為城鎮(zhèn)、農(nóng)村、農(nóng)田、人口、牲畜等幾大類，對(duì)于不同類型的土地利用或不同的居民面源污染狀況采用不同的系數(shù)，公式為

(1)

式中，L為營(yíng)養(yǎng)物的流失量，t/a；Ai為土地利用類型i的面積，km2，或畜禽養(yǎng)殖類型i的數(shù)量(頭)，或流域的人口數(shù)量(人)；Ei為營(yíng)養(yǎng)源i的輸出系數(shù)，t/(km2·a)或kg/a；Ii為對(duì)污染源i的輸入量，t/a；p為來自降水的營(yíng)養(yǎng)物輸入[1]，t/a。

目前國(guó)內(nèi)系統(tǒng)且全面的輸出系數(shù)研究很少。丁曉雯等提出了一種基于歷史水文水質(zhì)資料的參數(shù)確定方法，并應(yīng)用該方法對(duì)長(zhǎng)江上游2000年的輸出系數(shù)和總氮負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算和模擬[2]，結(jié)果能夠滿足模擬精度的要求。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步結(jié)合文獻(xiàn)查閱得到研究區(qū)的輸出系數(shù)，得到本研究區(qū)的輸出系數(shù)表(見表1)。

表1 研究區(qū)不同面源的綜合輸出系數(shù)

1.2.2 源強(qiáng)系數(shù)法

參考中國(guó)環(huán)境規(guī)劃院于2003年在《中國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》中提出的源強(qiáng)系數(shù)法[1]。該方法中的標(biāo)準(zhǔn)污染源是指某些特征值被限定的污染源，首先對(duì)每一種污染源特征分析，然后再對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的源強(qiáng)系數(shù)進(jìn)行修正，最后得到研究區(qū)各污染源的源強(qiáng)系數(shù)表(見表2)。

表2 各污染源的COD源強(qiáng)系數(shù)及入河系數(shù)

以農(nóng)村生活污水為例，即

(2)

式中，l為農(nóng)村生活污水污染物排放量，t/a；ei為源強(qiáng)系數(shù)，g/(人·d)；D為周期系數(shù)，計(jì)算農(nóng)村生活污水時(shí)取365 d；Mi為流域內(nèi)的人口數(shù)(人)。根據(jù)《中國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》[3]，其給定的農(nóng)村生活污染物排放系數(shù)只是初步指標(biāo)，最終指標(biāo)還需要結(jié)合各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的用水、排水量，用人均用水量和污染物濃度來校核后確定。

1.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

1.3.1 綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法

綜合污染指數(shù)法是評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量的一種重要的多因子評(píng)價(jià)方法。綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法涵蓋了多種污染指數(shù)，可以在時(shí)空上對(duì)不同河段不同時(shí)段的水體進(jìn)行水質(zhì)分析，改善了用單項(xiàng)指標(biāo)表征水質(zhì)污染不夠全面的欠缺[4]。綜合污染指數(shù)法利用單個(gè)檢測(cè)指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)比值作為單項(xiàng)污染指數(shù)，進(jìn)一步求出各單項(xiàng)污染指數(shù)的算術(shù)平均值，最終得到綜合污染指數(shù)，公式為

Pi=Ci/Co

(3)

(4)

式中，Pi為污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為污染物i的監(jiān)測(cè)濃度；Co為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值；m為污染物種類數(shù)。綜合污染指數(shù)最終評(píng)價(jià)等級(jí)見下表(見表3)。

表3 綜合污染指數(shù)和水質(zhì)等級(jí)分類

1.3.2 改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法

(5)

表4 改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)和水質(zhì)等級(jí)分類

2 結(jié)果分析

2.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)宣漢縣渠江流域前、中、后河及州河的地理位置和水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的分布情況，選取徐家坡斷面，普光斷面，鄉(xiāng)石鷹斷面，以綜合污染指數(shù)和改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)，斷面位置圖及水系圖見圖1。根據(jù)宣漢縣2020年河長(zhǎng)制斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及流域大致污染情況，選取化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)等4個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)渠江流域(宣漢段)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。

圖1 監(jiān)測(cè)斷面位置關(guān)系及水系

根據(jù)氣候、降雨等因子的影響將研究區(qū)全年分為枯水期(1月～3月)，平水期(4月～6月、10月～12月)和豐水期(7月～9月)。采用綜合污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)研究區(qū)3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面2020年全年各個(gè)水期的污染指數(shù)進(jìn)行計(jì)算并評(píng)定污染等級(jí)，結(jié)果見表5。

表5 各斷面不同水期的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1.1 水質(zhì)空間分析

從空間上分析可知，3個(gè)斷面在各個(gè)水期的綜合污染指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)中普光斷面的指數(shù)最小，水質(zhì)相對(duì)最優(yōu)，鄉(xiāng)石鷹斷面的指數(shù)最大，水質(zhì)相對(duì)最差，徐家坡斷面居中。3個(gè)斷面的綜合污染指數(shù)均小于0.5(輕污染)，且內(nèi)梅羅指數(shù)中除平水期外水質(zhì)等級(jí)都屬于三類以下。因此，可以判斷，3個(gè)斷面的水質(zhì)情況都較好。

2.1.2 水質(zhì)時(shí)間分析

從時(shí)間上分析，以水期為單位將3個(gè)斷面的綜合污染指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)的平均值作為研究區(qū)的全年水質(zhì)指數(shù)見圖2、圖3。在綜合污染指數(shù)圖中平水期和豐水期水質(zhì)都屬于輕污染等級(jí)，枯水期水質(zhì)屬于較清潔等級(jí)。在內(nèi)梅羅指數(shù)圖中，只有平水期水質(zhì)指數(shù)稍高于三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，豐水期和枯水期指數(shù)都低于三類水質(zhì)達(dá)標(biāo)；但豐水期指數(shù)與三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)非常接近。

圖2 研究區(qū)2020年不同水期的綜合污染指數(shù)

圖3 研究區(qū)2020年不同水期的內(nèi)梅羅指數(shù)

綜上所述，研究區(qū)的豐、平水期水質(zhì)總體劣于枯水期，原因可能是汛期降雨徑流增加，徑流的沖刷使得污染物充分稀釋運(yùn)移，使得面源污染加重，污染指數(shù)增加；而豐水期水質(zhì)稍優(yōu)于平水期的原因可能是豐水期水環(huán)境容量大，流量流速的增加使得水體自凈能力增加。因此，可以得出結(jié)論：研究流域的污染類型主要為面源污染，面源污染較為嚴(yán)重。

2.2 面源污染優(yōu)先控制區(qū)識(shí)別

評(píng)價(jià)了渠江流域(宣漢段)的現(xiàn)狀水質(zhì)情況后可以看出，研究區(qū)的面源污染情況令人擔(dān)憂。為了具體分析研究區(qū)的面源污染優(yōu)先控制區(qū)等相關(guān)內(nèi)容，本文對(duì)研究區(qū)36個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)4種污染源3種污染物分別結(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。分析計(jì)算得出的等標(biāo)污染負(fù)荷見表6。

表6 研究區(qū)污染源等標(biāo)污染負(fù)荷

2.2.1 面源主要污染物

研究區(qū)3種污染物的總等標(biāo)污染負(fù)荷比分別為：COD占比16.38%，TN占比62.11%，TP占比21.51%。因此分析出總氮(TN)為主要污染物，總磷(TP)次之。其原因可能是面源污染中農(nóng)業(yè)化肥氮素含量過高。

2.2.2 面源主要污染類型

分析主要污染物總氮(TN)中的4種污染源。其中，農(nóng)業(yè)化肥占比最大56.85%，其次為農(nóng)村生活污水25.69%；在次要污染物總磷(TP)中分析其四種污染源，農(nóng)村生活污水占比最大50.95%；在化學(xué)需氧量(COD)中分析，農(nóng)村生活污水占比最大60.85%，其次為農(nóng)業(yè)化肥35.22%。因此渠江流域(宣漢段)面源污染的主要類型是農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)村生活污水，這也是主要污染物是總氮(TN)和總磷(TP)的原因。

2.2.3 面源污染優(yōu)先控制區(qū)

渠江流域(宣漢段)各污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷的空間分布如圖4所示。從圖4可看出，3種污染物在研究區(qū)36個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中污染分布是有一定的規(guī)律可循的。從主要污染物總氮(TN)的空間分布情況來看，普光和南壩鎮(zhèn)面源污染最為嚴(yán)重，其次是浦江街道和東鄉(xiāng)街道。從總磷(TP)的角度來看，除了普光和南壩鎮(zhèn)外，浦江街道和東鄉(xiāng)街道污染也非常嚴(yán)重，這是因?yàn)槠纸值篮蜄|鄉(xiāng)街道是主要的居民生活區(qū)，清潔劑等在使用過后，容易在水中積聚磷離子，使廢水總磷上升。從化學(xué)需氧量(COD)的角度來看，依然是普光和南壩鎮(zhèn)污染最為嚴(yán)重。總之，作為前、中、后河匯入州河匯口的浦江街道和東鄉(xiāng)街道的污染情況不容樂觀，而普光鎮(zhèn)和南壩鎮(zhèn)應(yīng)該作為本次面源污染治理的優(yōu)先控制區(qū)，浦江街道和東鄉(xiāng)街道作為次級(jí)優(yōu)先控制區(qū)。

圖4 3種污染物等標(biāo)污染負(fù)荷空間分布

3 結(jié)論及建議

渠江流域(宣漢段)水質(zhì)情況較差，全年的大部分時(shí)段水質(zhì)等級(jí)都低于地表水三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且豐水期水質(zhì)低于枯水期。流域面源污染嚴(yán)重，面源污染的優(yōu)先控制區(qū)是普光鎮(zhèn)和南壩鎮(zhèn)，其次為浦江街道和東鄉(xiāng)街道。因此，對(duì)該流域進(jìn)行水環(huán)境綜合治理時(shí)應(yīng)將治理重點(diǎn)放在面源污染的優(yōu)先控制區(qū)，對(duì)優(yōu)先控制區(qū)的總氮和總磷識(shí)別污染來源，結(jié)合農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)村生活污水的兩大污染類型，進(jìn)行面源污染綜合治理，具體建議如下：

(1)工業(yè)生產(chǎn)和生活都會(huì)產(chǎn)生氮污染，廢水中總氮主要由氨氮、有機(jī)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮組成，過高的氮會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。對(duì)于研究區(qū)來說，總氮的過高和面源污染中農(nóng)業(yè)化肥，農(nóng)村生活污水有著密切關(guān)系，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)應(yīng)該根據(jù)主要污染類型有針對(duì)性地進(jìn)行水污染治理。

(2)對(duì)于面源污染的優(yōu)先控制區(qū)，在治理時(shí)應(yīng)該結(jié)合主要污染物和主要污染類型，還可結(jié)合小尺度微觀變量或工程措施，使得面源污染的治理更有針對(duì)性，實(shí)現(xiàn)流域水環(huán)境的保護(hù)。