農(nóng)村河道水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型研究

韓 磊，趙 盼

（1.天津市水務(wù)局，天津 300074；2.天津市海河管理處，天津 300141）

作為農(nóng)村水體主要載體的農(nóng)村河道生態(tài)環(huán)境遭受了極大破壞，且大大削減了農(nóng)村河道的功能。城市河道水資源承載力、水環(huán)境承載力的研究已取得較多成果，而有關(guān)農(nóng)村河道生態(tài)環(huán)境承載力的研究還處于起步階段[1，2]。

1 水環(huán)境承載力的研究方法

1.1 指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法

指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法根據(jù)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體數(shù)值，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法或其他數(shù)學(xué)方法計(jì)算出綜合指數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境承載力的評(píng)價(jià)。水環(huán)境承載力指數(shù)常用的計(jì)算方法有：向量模法、模糊綜合評(píng)價(jià)法和主成分分析法。

1.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法從系統(tǒng)的內(nèi)部要素和結(jié)構(gòu)分析入手，通過一階微分方程組來反映系統(tǒng)各個(gè)模塊變量之間的因果反饋關(guān)系，進(jìn)而建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型以現(xiàn)實(shí)存在為前提，通過改變系統(tǒng)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，模擬不同發(fā)展方案下人口總量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和承載力之間的動(dòng)態(tài)變化。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法從整體上定量描述人口、資源、環(huán)境和發(fā)展之間的關(guān)系，揭示水環(huán)境承載力的動(dòng)態(tài)性[3]。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于處理高階次、非線性、多重反饋、復(fù)雜時(shí)變的系統(tǒng)問題[4]；而水環(huán)境承載力涉及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境等諸多要素，要素之間存在著相互影響、相互制約的動(dòng)態(tài)聯(lián)系。因此，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法適用于水環(huán)境承載力的評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，并具有較強(qiáng)的可操作性，但不適于長(zhǎng)期發(fā)展前提下的模擬。

2 農(nóng)村河道水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

農(nóng)村河道水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建基于河道環(huán)境容量。通過對(duì)農(nóng)村河道環(huán)境容量概念及內(nèi)涵的分析，可以得出農(nóng)村河道水環(huán)境承載力包括河道稀釋承載力和河道自凈承載力兩部分。

2.1 河道環(huán)境容量概念及內(nèi)涵

環(huán)境容量概念最初由日本學(xué)者在1968年提出，目的是在環(huán)境質(zhì)量管理中實(shí)施總量控制。在定義水環(huán)境容量時(shí)，目前還沒有一個(gè)明確統(tǒng)一的概念，比較具有代表性的說法是，在一定的環(huán)境目標(biāo)下，某一水域能夠承擔(dān)的某種（類）污染物的最大允許負(fù)荷量，稱為該污染物在這一水域的水環(huán)境容量。按照污染物的降解機(jī)理，水環(huán)境容量可以劃分為稀釋容量和自凈容量?jī)刹糠?。稀釋容量是指在給定水域的來水污染物濃度低于水質(zhì)目標(biāo)時(shí)，依靠稀釋作用達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)所承納的污染物量。自凈容量是通過水體沉降、生化、吸附等物理、化學(xué)和生物作用，給定水域達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)所能自凈的污染物量。因此，水環(huán)境容量往往是一組數(shù)值，是在分析稀釋容量與降解自凈容量的基礎(chǔ)上，不改變排污口位置和水質(zhì)目標(biāo)等情況下，確定的農(nóng)村河道的水環(huán)境容量（E），如圖1所示。

圖1 水環(huán)境容量構(gòu)成

2.2 農(nóng)村河道水環(huán)境承載力計(jì)算模型

2.2.1 河道水環(huán)境承載力模型

計(jì)算河道水環(huán)境承載力的模型主要有根據(jù)河流段情況確定的零維模型、一維模型及二維模型，還有利用物質(zhì)平衡原理計(jì)算復(fù)雜河流斷面的黑箱模型。

零維模型為：

式中：W為河流水環(huán)境容量（g/s）；Cs為計(jì)算河段水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)值（mg/L）；Q為計(jì)算河段上游設(shè)計(jì)來水流量（m3/s）；C0為污染物背景濃度（mg/L）為計(jì)算河段接納的污廢水總量（m3/s）。

一維模型為：

式中：k為污染物自凈系數(shù)（1/d）；x為排污斷面距下游功能敏感斷面的距離（km）；u為平均流速（m/s）；其他符號(hào)意義同上。

二維模型為：

式中：h為河段平均水深（m）；Ez為橫向擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）；其他符號(hào)意義同上。

黑箱模型為：

式中：Q1、Q2為計(jì)算河段上、下游斷面的流量（m3/s）；C1、C2為計(jì)算河段上、下游斷面的污染物濃度（mg/L）；Ks為污染物綜合削減系數(shù)；其他符號(hào)意義同上。

通過推導(dǎo)和變換，得出水環(huán)境容量計(jì)算模型表達(dá)式：

由式（6）可以推出：

這些模型在計(jì)算河道水環(huán)境承載力方面都有其自身的特點(diǎn)，零維模型假定污水進(jìn)入河流后瞬時(shí)完全混合，主要適用于點(diǎn)源。對(duì)于推算較長(zhǎng)河流段及橫向擴(kuò)散系數(shù)較大的河流，采用多維模型計(jì)算河流的水環(huán)境承載力。黑箱模型利用了物質(zhì)平衡原理，主要運(yùn)用在情況比較復(fù)雜的河流段計(jì)算河流水環(huán)境承載力。筆者計(jì)算農(nóng)村河流生態(tài)環(huán)境承載力采用了河道水環(huán)境容量概念模型。

2.2.2 水環(huán)境容量概念模型

根據(jù)河道水環(huán)境容量的概念，可以建立農(nóng)村河道水環(huán)境容量的表達(dá)式：

式中：E為河道水環(huán)境容量（t/d）；E稀釋為河道稀釋容量（t/d）；E自凈為河道自凈容量（t/d）。

2.2.3 河道稀釋容量（E稀釋）的計(jì)算

對(duì)于可降解的污染物質(zhì)而言，在計(jì)算水環(huán)境容量時(shí)，C0值一般選取計(jì)算河段上游斷面實(shí)測(cè)污染物濃度的年平均值。如果河流污染嚴(yán)重，上游河段的污染嚴(yán)重影響下游河段的水質(zhì)背景濃度，則選取上游河段的水質(zhì)規(guī)劃目標(biāo)值或天然情況下的河段背景值等。

基于排入污染物濃度與河道功能區(qū)段水質(zhì)的差別，已知C0和Cs，可以將河道的稀釋容量表達(dá)為：

2.2.4 污染物綜合衰減系數(shù)（Ks）的計(jì)算

第一種為實(shí)測(cè)法。選取一個(gè)河道順直、水流穩(wěn)定、中間無支流匯入、無排污口的河段，分別在河段上游（A點(diǎn)）和下游（B點(diǎn)）布設(shè)采樣點(diǎn)，監(jiān)測(cè)污染物濃度，并測(cè)定斷面平均流速，綜合衰減系數(shù)（Ks）計(jì)算公式為：

式中：v為河道斷面平均流速（m/s）；x為上下斷面之間的距離（m）；CA為上斷面污染物濃度（mg/L）；CB為下斷面污染物濃度（mg/L）。

第二種為經(jīng)驗(yàn)公式法[5]，其計(jì)算公式為：式中：P為河床濕周（m）；懷特根據(jù)美國23個(gè)河系、36個(gè)河段資料多元回歸分析得到，參數(shù)α=10.3，γ=0.49，β=39.6，ξ=0.34；其他符號(hào)意義同上。

2.2.5 河道自凈容量（E自凈）的計(jì)算

自凈容量是給定水域通過水體沉降、生化、吸附等物理、化學(xué)和生物作用，達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)所能自凈的污染物量?？梢栽O(shè)定一個(gè)聚集各種降解作用的河道綜合衰減系數(shù)，則河道水環(huán)境自凈容量的表達(dá)式為：

式中：V為水體體積（L）；其他符號(hào)意義同上。

3 白馬鎮(zhèn)岔河水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)

水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)建立在水樣分析的基礎(chǔ)上，采用實(shí)時(shí)采集的水樣分析各種指標(biāo)的實(shí)際值，利用前述農(nóng)村河道水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 取樣方法

對(duì)水樣進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，采樣的原則要求所取水樣必須具有代表性，能夠真實(shí)反映水體的質(zhì)量。采樣時(shí)采集瓶或裝水容器必須事前洗干，以免雜質(zhì)進(jìn)入水樣中，影響水樣質(zhì)量。采樣前，先用水樣洗滌容器2～3次。有些測(cè)定項(xiàng)目對(duì)時(shí)間、溫度的變化非常敏感，最好現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。

3.1.1 水樣采集

（1）采集表層水。用桶、瓶等容器直接采取，一般將容器沉至水下0.3～0.5 m處采集。

（2）采集深層水。將帶有重錘的具塞采樣器沉入水中，達(dá)到所需深度后（從拉伸的繩子標(biāo)度上看出），拉伸瓶口塞子上連接的細(xì)繩，打開瓶塞，待水樣充滿后提出來。

3.1.2 水樣運(yùn)輸

對(duì)采集的每一個(gè)水樣，都應(yīng)做好記錄，并在采樣瓶上貼好標(biāo)簽，運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室。

3.1.3 水樣保存

（1）冷藏或冷凍。其作用是抑制微生物活動(dòng)，減慢物理揮發(fā)和化學(xué)反應(yīng)速率。

（2）加入化學(xué)試劑。加入酸或堿調(diào)節(jié)pH，能使一些化學(xué)成分在水樣中保持穩(wěn)定；加入生物抑制劑，可抑制微生物的氧化還原作用；加入氧化劑或還原劑，可使一些待測(cè)成分轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學(xué)物質(zhì)，而且不干擾以后的分析測(cè)定。

3.2 主要污染指標(biāo)選取

試驗(yàn)的取樣地點(diǎn)為白馬鎮(zhèn)岔河，岔河是新橋河上游白馬河的支流，位于白馬鎮(zhèn)東側(cè)，貫穿白馬鎮(zhèn)區(qū)。岔河匯水面積4.09 km2，穿越集鎮(zhèn)段長(zhǎng)度1.17 km。岔河承擔(dān)著白馬鎮(zhèn)東半部近1 km2的生活、生產(chǎn)用水排放任務(wù)，河道兩岸鎮(zhèn)區(qū)的總體規(guī)劃為居民區(qū)，各種生活垃圾的排放導(dǎo)致水體污染日益嚴(yán)重。隨著白馬鎮(zhèn)三城九鎮(zhèn)建設(shè)的不斷推進(jìn)，岔河已成為鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)河，逐步開展岔河整治，增添城鎮(zhèn)綠色景觀。因此，在對(duì)岔河進(jìn)行功能區(qū)劃定位時(shí)，把白馬鎮(zhèn)岔河劃分為農(nóng)業(yè)灌溉及一般景觀河道，其水體為國家地表水標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅴ類水。根據(jù)當(dāng)?shù)刂饕廴疚餇顩r，選取了5種污染指標(biāo)分別為總磷（TP）、總氮（TN）、生物耗氧量（BOD）、化學(xué)需氧量（COD）及pH值。

3.3 污染指標(biāo)分析

表1 5種主要污染指標(biāo)在不同月份的測(cè)定值 mg/L

岔河水體中5種主要污染物隨月份變化狀況，如圖2-6所示。

3.3.1 水體取樣分析

水體取樣后，通過水質(zhì)分析可以得到以下結(jié)論：①由圖2可以看出，白馬鎮(zhèn)岔河水體的pH值較穩(wěn)定，季節(jié)變化起伏不大，主要位于7.8～8.1，水體呈弱堿性。②由圖3可以看出，白馬鎮(zhèn)岔河水體的TP最大值出現(xiàn)在春季（2008年4月15日測(cè)得），其值為0.32 mg/L，全年4個(gè)季度的均值為0.14 mg/L，達(dá)到了白馬鎮(zhèn)岔河作為農(nóng)業(yè)灌溉用水及一般景觀用水的Ⅴ

分別用表格和柱狀圖的方式描述pH值、TP、TN、BOD、COD在4、8、10、12月4個(gè)月份里的變化狀況。

圖2 不同月份pH值變化

圖3 不同月份TP變化

圖4 不同月份TN變化

圖5 不同月份BOD變化

圖6 不同月份COD變化

5種主要污染指標(biāo)在不同月份取樣試驗(yàn)的測(cè)定值，見表1。類水標(biāo)準(zhǔn)，即TP＜0.2 mg/L。③由圖4可以看出，白馬鎮(zhèn)岔河水體的TN最大值出現(xiàn)在春季，其值為2.75 mg/L，全年4個(gè)季度的均值為2.43 mg/L，都超出了Ⅴ類水質(zhì)TN的標(biāo)準(zhǔn)，即TN＞2 mg/L。④由圖5可以看出，白馬鎮(zhèn)岔河水體的BOD最大值為7.76 mg/L，出現(xiàn)在夏季，達(dá)到了農(nóng)業(yè)灌溉用水及一般景觀用水的Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)（BOD＜10 mg/L）。⑤由圖6可以看出，白馬鎮(zhèn)岔河水體的COD最大值為25.72 mg/L，出現(xiàn)在春季，于2008年4月15日測(cè)得，同樣達(dá)到了河道Ⅴ類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)（COD＜40 mg/L）。

3.3.2 污染指標(biāo)隨季節(jié)變化分析

對(duì)污染指標(biāo)隨季節(jié)變化進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：①7—8月，白馬鎮(zhèn)岔河處于汛期，降水多、徑流量大，各污染因子汛期的值分別為TP 0.04 mg/L、TN1.52mg/L、pH值7.8、BOD7.76mg/L、COD16.8mg/L；而枯水期（3—4、10—12月）降水量減少，徑流量小，各污染因子在枯水期的平均值分別為TP 0.18 mg/L、TN2.34 mg/L、pH 值 8.0、BOD 7.44 mg/L、COD 24.74 mg/L。這說明汛期水的污染程度輕于非汛期，一個(gè)原因是降雨量增大了岔河水體的環(huán)境承載力，另一個(gè)原因是正值農(nóng)作物生長(zhǎng)旺盛期需要大量的N、P、K，從而在一定程度上減少了這些被沖入河道的污染物量，使得各項(xiàng)污染指標(biāo)值都有不同程度的降低。②2008年4月15日測(cè)定的污染物指標(biāo)都較其他時(shí)間偏高，尤其是TN的含量，原因是這個(gè)時(shí)節(jié)正是當(dāng)?shù)剡M(jìn)行春耕春種的時(shí)刻，大量使用化肥，而只有較少部分真正為農(nóng)作物生長(zhǎng)所吸收，其余部分經(jīng)地表徑流或地下水直接進(jìn)入到岔河水體中，從而較大提高了TN的含量，對(duì)河水形成了嚴(yán)重污染。③秋、冬季節(jié)的水樣各項(xiàng)污染指標(biāo)值介于春夏之間，原因是秋冬季節(jié)屬農(nóng)作物生長(zhǎng)淡季，化肥農(nóng)藥使用大量減少，降雨減少，地表徑流引起污染物進(jìn)入河道水體中的量也隨之降低，加上少部分水量蒸發(fā)的減少，相比春季不同程度地降低了污染物指標(biāo)值，而相對(duì)于夏季少了降雨和農(nóng)作物生長(zhǎng)吸收。

3.4 岔河水環(huán)境承載力計(jì)算

3.4.1 選取TN為計(jì)算指標(biāo)

根據(jù)試驗(yàn)資料，相比于其他4個(gè)指標(biāo)pH值、TP、BOD、COD，TN在春、夏、秋、冬各個(gè)時(shí)段內(nèi)的測(cè)定值分別為2.75、1.52、2.3、1.97 mg/L，幾乎都接近或超過了Ⅴ類水TN的標(biāo)準(zhǔn)限值2 mg/L，而其他指標(biāo)基本沒有超出Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，根據(jù)最大值原理，選擇TN作為白馬鎮(zhèn)岔河污染的代表指標(biāo)值來計(jì)算河道水環(huán)境承載力。

3.4.2 造成TN污染嚴(yán)重的因素分析

結(jié)合白馬鎮(zhèn)岔河周邊的實(shí)際情況，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)TN來源主要如下：

（1）生產(chǎn)大量使用化肥、農(nóng)藥導(dǎo)致的污染[6]。首先，化肥、農(nóng)藥的利用率只有30%～40%，其余大都進(jìn)入到河道水體中，直接增加了水體中N的含量；其次，農(nóng)藥和除草劑的使用可能引起水生生物中毒，水生生物中毒又直接影響了水體中N元素的降解，加劇了水體中的TN含量。

（2）養(yǎng)殖業(yè)污染[7]。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，大量畜禽糞便僅有少部分被直接還田、為農(nóng)作物生長(zhǎng)綜合利用，大部分直接無組織的排放隨地表徑流進(jìn)入河道水體，從而導(dǎo)致了岔河水質(zhì)TN濃度增高。

（3）生活污染。岔河周邊缺少專門的固體廢棄物處理設(shè)施，絕大部分生活污水直接進(jìn)入岔河中，這也是導(dǎo)致水體中TN增高的一個(gè)重要因素。

（4）農(nóng)村污水處理水平低下。由于污水處理設(shè)施不完善，農(nóng)村污水處理水平很低。甚至有一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)生產(chǎn)廢水沒有經(jīng)過污水達(dá)標(biāo)處理，就直接排放到河水中，導(dǎo)致河水污染指標(biāo)增高。

3.4.3 不同季節(jié)岔河水環(huán)境承載力計(jì)算

水環(huán)境承載力計(jì)算公式為：

將 Q＝22.89m3/s、Cs＝20 mg/L、Ks＝10.3Q-0.49、x＝1.166 km、μ＝2.38 m/s代入式（12）和式（13），可以得到 E＝31.536[22.89×（20-C0）+10.3×22.89-0.49×20×22.89×1.166/2.38×86 400]。

再代入每個(gè)月份測(cè)得的C0，選取TN為代表指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2及如圖7所示。

表2 TN為指標(biāo)的不同月份的水環(huán)境承載力值

圖7 岔河不同月份TN的水環(huán)境承載力

由圖7可知，白馬鎮(zhèn)岔河對(duì)于TN的容納能力已不容樂觀，特別是在春季，河道對(duì)于TN的承載能力為-12.46 t。由此可見，岔河河道水體中的TN含量已經(jīng)嚴(yán)重超出了Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，夏季由于降雨及農(nóng)作物生長(zhǎng)，岔河對(duì)于TN的承納能力還有一定的空間，其值15.70 t為全年的最高值；其次為冬季河道的納N能力，其值為5.40 t。岔河對(duì)于TN的吸納能力與河道內(nèi)的TN含量基本上達(dá)到一種平衡，使得岔河對(duì)于TN的承納處于飽和狀態(tài)。

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