河流水質(zhì)模擬及污染源歸因分析

翟敏婷,辛卓航,韓建旭,張 璐,張 弛

河流水質(zhì)模擬及污染源歸因分析

翟敏婷,辛卓航*,韓建旭,張 璐,張 弛

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院,遼寧 大連 116023)

針對(duì)大連市登沙河流域水環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題,采用輸出系數(shù)法估算流域內(nèi)工業(yè)點(diǎn)源、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)種植的氨氮和總磷入河污染負(fù)荷,基于QUAL2K水質(zhì)模型模擬污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律,解析各污染源在不同時(shí)、空尺度下對(duì)河流中、下游水質(zhì)考核斷面的污染負(fù)荷貢獻(xiàn).結(jié)果表明:畜禽養(yǎng)殖是研究區(qū)氨氮污染的主要來(lái)源,分別占中游和下游斷面氨氮總負(fù)荷的56.5%和43.2%;農(nóng)業(yè)種植是總磷污染的主要來(lái)源,分別占中游和下游斷面總磷總負(fù)荷的50.4%和59.1%.此外,由于天然降水及人類活動(dòng)的季節(jié)性特征,各污染源的負(fù)荷貢獻(xiàn)亦呈現(xiàn)年內(nèi)變化.基于以上分析,進(jìn)一步因地制宜地提出研究區(qū)水環(huán)境治理措施建議,研究可為我國(guó)農(nóng)村地區(qū)中小河流水質(zhì)改善及水環(huán)境管理提供示范參考和決策依據(jù).

QUAL2K模型；水質(zhì)模擬；污染負(fù)荷；歸因分析；水環(huán)境管理

我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,給流域水環(huán)境帶來(lái)前所未有的壓力,威脅生態(tài)環(huán)境的安全,流域水環(huán)境治理成為我國(guó)水利發(fā)展的迫切需求[1].近年來(lái),國(guó)內(nèi)外在水環(huán)境修復(fù)治理及管理等方面開展了諸多的科學(xué)研究和工程實(shí)踐[2-5],如基于統(tǒng)計(jì)方法或WASP、SWAT、QUAL2K、MIKE等模型進(jìn)行污染源解析、污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬,并進(jìn)一步開展監(jiān)測(cè)體系優(yōu)化布局、措施效果評(píng)估、水環(huán)境綜合管理平臺(tái)搭建等工作.然而,針對(duì)多源污染的不同特性,開展從負(fù)荷估算、水質(zhì)模擬、貢獻(xiàn)率分析,并以期指導(dǎo)工程實(shí)踐的研究尚待加強(qiáng).為此,本研究面向流域治水提質(zhì)及水環(huán)境管理的迫切需求,以大連市登沙河流域?yàn)榈湫?在多源污染負(fù)荷解析基礎(chǔ)上,進(jìn)一步利用水質(zhì)模型模擬污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律,揭示不同時(shí)空尺度下多源污染對(duì)河流水質(zhì)斷面的負(fù)荷貢獻(xiàn),從而科學(xué)地指導(dǎo)流域水環(huán)境治理的工程規(guī)劃及應(yīng)用實(shí)踐.

1 研究流域與方法

1.1 研究流域

登沙河是大連市金州新區(qū)境內(nèi)流域面積最大的地表河流,全長(zhǎng)25.7km,總面積229km2.流域?qū)儆跍貛а睾５貐^(qū),多年平均降水量510mm,降水年內(nèi)分布不均,7、8月份降水占全年的70% 以上.多年平均徑流總量為0.51億m3,如遇干旱年部分河段易枯竭斷流,為典型的季節(jié)性河流.流域內(nèi)主要用地類型為耕地,占總面積的69.7%,其次為城鎮(zhèn)居住地(19.7%)、林地(6.1%)、水域(2.2%)、工業(yè)(1.1%)及其它用地(1.2%).區(qū)域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)以農(nóng)業(yè)為主,主要包括畜禽養(yǎng)殖業(yè)和傳統(tǒng)種植業(yè);此外還有零散分布的中小型工業(yè)企業(yè),產(chǎn)業(yè)類型主要為鑄造和機(jī)械加工、農(nóng)副食品加工、服裝加工等.因街道多為涉農(nóng)街道,上述產(chǎn)業(yè)廢水多為明溝散排或農(nóng)灌地滲,給登沙河水環(huán)境帶來(lái)了巨大壓力.

全流域設(shè)有多個(gè)地表水考核控制斷面,其中下游登化斷面為國(guó)控?cái)嗝?中游楊家斷面為市控?cái)嗝?考核標(biāo)準(zhǔn)分別為國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)[6]III類、IV類.然而,近年的考核結(jié)果多次出現(xiàn)斷面水質(zhì)不達(dá)標(biāo)情況,迫切需要制定科學(xué)的治水提質(zhì)策略,以扭轉(zhuǎn)水質(zhì)惡化態(tài)勢(shì).

本文選取登沙河主要水質(zhì)超標(biāo)因子氨氮和總磷為目標(biāo)污染物.結(jié)合流域匯水特征、污染源分布及水質(zhì)考核斷面位置,進(jìn)一步將研究區(qū)劃分為2個(gè)子區(qū)域:登沙河金州新區(qū)界至楊家斷面以上的匯水區(qū)域?yàn)镮區(qū),楊家斷面至登化斷面之間的匯水區(qū)域?yàn)镮I區(qū).登沙河主要工廠分布、水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面,支流匯入及子區(qū)域劃分情況見圖1.

圖1 登沙河流域圖

1.2 研究方法及應(yīng)用

1.2.1 QUAL2K水質(zhì)模型 為定量描述污染物在河道內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程,選取國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的QUAL2K水質(zhì)模型,模擬多源污染影響下的河道水質(zhì)狀況并定量解析不同時(shí)、空尺度下各污染源的貢獻(xiàn)率.

QUAL2K模型是美國(guó)國(guó)家環(huán)保局推出的一維穩(wěn)態(tài)綜合性河流水質(zhì)模型,適用于枝狀河流,允許沿河有多個(gè)排污口、取水口、支流,也允許入流量有緩慢變化,以分析入流點(diǎn)、面源負(fù)荷對(duì)受納水體水質(zhì)的影響.其基本假定為:河流斷面呈梯形,污染物平流和彌散只發(fā)生在主流方向,水量和污染物質(zhì)量守恒[7].

登沙河為寬深比不大的中小型河道,可認(rèn)為污染物在水體中沿橫向和垂向混合均勻,主要靠縱向遷移向下游輸送,符合模型的適用條件.

(1)河段劃分QUAL2K模型將河道劃分為一系列恒定非均勻流河段,同一河段具有相同的水力、水質(zhì)特征及參數(shù),進(jìn)一步將河段劃分成等長(zhǎng)的計(jì)算單元.本文根據(jù)研究流域的污染源分布、支流匯入點(diǎn)以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置將模擬河道劃分為6個(gè)河段,共計(jì)39個(gè)長(zhǎng)度為0.5km的計(jì)算單元,如表1所示.

表1 模擬河段劃分

注:支流1#-4#指支流匯入口.

(2)水力模擬QUAL2K模型假定河流的水力特征是穩(wěn)態(tài)的,采用流量系數(shù)法確定各河段流速與流量、水深與流量的關(guān)系:

=aQ,=αQ(1)

式中:為流量,m3/s;為流速,m/s;是經(jīng)驗(yàn)系數(shù).與的典型取值范圍分別為0.4~0.6及0.3~0.5,且兩者之和不大于1[8],分別取其典型經(jīng)驗(yàn)值0.43,=0.45.再基于斷面流量、水深、河道地形數(shù)據(jù),選用最小二乘法推求及的值[9].本文中各水力參數(shù)取值見表2,均在合理取值范圍內(nèi)[10].

(3)水質(zhì)模擬模型基本方程是一維平流-擴(kuò)散物質(zhì)遷移方程[11-13],對(duì)任意水質(zhì)組分可得:

式中:為污染物濃度,mg/L;為時(shí)間,d;A為斷面面積,m2;D為河流縱向彌散系數(shù),m2/d;為河流縱向坐標(biāo),m;為河流平均流速,m/s;為外部的源和匯,kg/d;為計(jì)算單元體積,m3.式(2)右側(cè)4項(xiàng)分別代表彌散、平流、水質(zhì)組分反應(yīng)、水質(zhì)組分的源和匯[14].

表2 各河段水力參數(shù)取值表

1.2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源 登沙河地形信息來(lái)自遼寧省水文局及無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù);月徑流數(shù)據(jù)來(lái)源于登沙河水文站;污染源相關(guān)數(shù)據(jù)采用2015年的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果,數(shù)據(jù)來(lái)源于大連市及金州新區(qū)《環(huán)保統(tǒng)計(jì)手冊(cè)》及《金州新區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》,包括工業(yè)污染排放、農(nóng)業(yè)種植面積和施肥量、畜禽養(yǎng)殖種類和數(shù)量、人口等.污染源強(qiáng)系數(shù)和入河系數(shù)的估算參考《全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》(以下簡(jiǎn)稱《指南》).采用2014~2015年楊家及登化斷面的氨氮、總磷監(jiān)測(cè)濃度率定水質(zhì)模型.

1.2.3 入河污染負(fù)荷估算 對(duì)研究區(qū)工業(yè)點(diǎn)源、農(nóng)業(yè)種植、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活各月的入河污染負(fù)荷進(jìn)行估算,一方面系統(tǒng)識(shí)別流域主要污染類型及組成,明確環(huán)境治理對(duì)象和目標(biāo);另一方面可作為水質(zhì)模型的污染輸入條件.研究期間內(nèi),流域尚無(wú)完備的面源截污系統(tǒng)和集中污水處理設(shè)施,農(nóng)村生活污水及畜禽養(yǎng)殖污水多就地散排,隨地表徑流等途徑匯入地表水體,故將兩者與農(nóng)業(yè)種植一同歸入非點(diǎn)源污染范疇[15-16].采用輸出系數(shù)模型[17],對(duì)研究區(qū)污染負(fù)荷進(jìn)行估算.

式中:為污染入河排放負(fù)荷;為污染源種類,取值1~4分別對(duì)應(yīng)工業(yè)點(diǎn)源、農(nóng)業(yè)種植、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活;E為各污染源的源強(qiáng)系數(shù);A為第類土地利用類型面積或第種牲畜數(shù)量、人口數(shù)量、工業(yè)排污量;λ為污染入河系數(shù).各污染源的負(fù)荷計(jì)算及參數(shù)取值說(shuō)明如下:

(2)農(nóng)村生活污染參考《指南》,結(jié)合對(duì)研究區(qū)農(nóng)戶的實(shí)際調(diào)研走訪,確定該區(qū)域農(nóng)村生活污染源強(qiáng)系數(shù)(2)為氨氮4g/(人·d),總磷0.23g/(人·d),生活污水排放系數(shù)取0.7;2為I、II區(qū)人口數(shù);2為農(nóng)村生活污染入河系數(shù),根據(jù)入河系數(shù)與區(qū)域降雨量和區(qū)域特征的相關(guān)關(guān)系公式[19]確定,本研究2的取值范圍為0.05~0.14[20-21].

(3)畜禽養(yǎng)殖污染 由統(tǒng)計(jì)資料獲取流域百余家養(yǎng)殖場(chǎng)的蛋雞、肉雞、豬、奶牛、肉牛數(shù)量,將其折算為豬數(shù)量(30只蛋雞或60只肉雞折算為1頭豬,1頭奶牛折算為10頭豬,一頭肉牛折算為5頭豬).參考《指南》,確定畜禽養(yǎng)殖污染源強(qiáng)系數(shù)(3):氨氮10g/(頭·d)、總磷2g/(頭·d).式(3)中,3為I、II區(qū)折算的豬頭數(shù),3為畜禽養(yǎng)殖污染入河系數(shù).參考松遼流域養(yǎng)殖污染入河系數(shù)范圍[22],結(jié)合研究期間的降雨特征,確定本研究區(qū)各月λ取值范圍為0.01~0.28.

(4)農(nóng)業(yè)種植污染研究區(qū)農(nóng)作物類型以水稻、玉米為主,還包括大豆及少量經(jīng)濟(jì)作物.式(3)中,4為農(nóng)田污染源強(qiáng)系數(shù),以《指南》中的標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田源強(qiáng)系數(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合對(duì)研究區(qū)多家農(nóng)戶調(diào)研走訪獲取的作物種植方式、化肥施用量、農(nóng)藥施用量,以及研究區(qū)坡度、土壤類型等對(duì)其進(jìn)行修正,最終確定本區(qū)域的農(nóng)田源強(qiáng)系數(shù)為氨氮25.95kg/(hm2·a)、總磷9.75kg/(hm2·a);4為I、II區(qū)農(nóng)業(yè)種植面積,hm2;4為農(nóng)業(yè)種植污染入河系數(shù),參考相關(guān)文獻(xiàn)中農(nóng)業(yè)污染入河系數(shù)取值范圍[23-24],結(jié)合本研究區(qū)的降雨特征,確定本研究區(qū)不同月份λ取值范圍為0.01~0.35.

2 結(jié)果與討論

2.1 入河污染負(fù)荷估算

研究流域I、II區(qū)不同污染源的氨氮和總磷入河污染負(fù)荷估算結(jié)果見表3.根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,區(qū)域全年氨氮負(fù)荷為40.82t,其中I區(qū)27.94t,、II區(qū)12.87t;總磷負(fù)荷為10.36t,其中I區(qū)7.24t,II區(qū)為3.11t.不同污染源的入河污染負(fù)荷大小存在差異,對(duì)氨氮的貢獻(xiàn)率大小排序?yàn)?畜禽養(yǎng)殖>農(nóng)業(yè)種植>農(nóng)村生活>工廠點(diǎn)源,分別占氨氮年總負(fù)荷的50.2%、34.7%、12.7%、2.4%;總磷貢獻(xiàn)率從大到小依次為農(nóng)業(yè)種植>畜禽養(yǎng)殖>農(nóng)村生活>工廠點(diǎn)源,占總磷年總負(fù)荷的52.2%、43.8%、3.4%、0.6%.可見,無(wú)論對(duì)于I區(qū)還是II區(qū),工業(yè)點(diǎn)源對(duì)流域氨氮和總磷的貢獻(xiàn)率均較小;而畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)種植對(duì)氨氮和總磷的貢獻(xiàn)率之和分別達(dá)到84.9%和96.0%,是流域水環(huán)境污染的主要來(lái)源和控制對(duì)象.

表3 研究I、II區(qū)氨氮、總磷入河污染負(fù)荷(t/a)

2.2 模型適用性分析

為進(jìn)一步解析陸源污染輸入對(duì)河流水質(zhì)的影響,研究利用QUAL2K模型對(duì)污染物的遷移轉(zhuǎn)化行為進(jìn)行模擬.基于前述入河污染負(fù)荷作為輸入條件,采用水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料較全的2014年7、9、10、12月及2015年1~12月的楊家、登化斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)率定模型參數(shù),主要包括有機(jī)氮水解系數(shù)hn和沉降速率on、氨氮硝化系數(shù)na、有機(jī)磷水解速率hp和沉降速率op等.基于文獻(xiàn)報(bào)道的參數(shù)適宜取值區(qū)間[25],對(duì)參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整,直至取得滿意的擬合結(jié)果.各斷面的主要水質(zhì)參數(shù)取值見表4,水質(zhì)模擬結(jié)果見圖2.

表4 水質(zhì)參數(shù)率定結(jié)果

表5 氨氮、總磷模擬精度評(píng)價(jià)結(jié)果

總體來(lái)看,模擬值和監(jiān)測(cè)值擬合程度較好.采取系數(shù)NS和決定系數(shù)2作為水質(zhì)模擬精度評(píng)價(jià)指標(biāo).一般來(lái)說(shuō),對(duì)于NS和230.50即認(rèn)為結(jié)果是可接受的,其值越接近1,則模型可信度越高[26-27].本文水質(zhì)模擬評(píng)價(jià)結(jié)果見表5,表明模型能夠較好地模擬登沙河的氨氮及總磷在河道內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程.

2.3 污染源貢獻(xiàn)率分析

研究流域污染源多樣且復(fù)雜,需明晰不同時(shí)、空尺度下各污染源對(duì)河流斷面污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)率,識(shí)別主要污染源,從而為污染控源與防治提供分析和決策依據(jù).

本文選取楊家和登化2個(gè)控制斷面,基于率定的水質(zhì)模型,首先對(duì)只有農(nóng)業(yè)種植的情景進(jìn)行模擬,以此為基準(zhǔn)情景;之后增加單一污染源輸入,模擬農(nóng)業(yè)種植與該污染源共同作用下的斷面水質(zhì)狀況,將其與基準(zhǔn)情景的差值作為新增的單一污染源的影響;以此類推,最終獲取各月農(nóng)業(yè)種植、工業(yè)企業(yè)、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖4種污染源對(duì)楊家和登化2個(gè)考核斷面氨氮和總磷負(fù)荷的貢獻(xiàn)程度,分析結(jié)果見圖3,各污染源2015年貢獻(xiàn)率見表6.

根據(jù)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)分析結(jié)果,整體上,登化斷面的污染負(fù)荷大于楊家斷面.從中游到下游,對(duì)于氨氮,污染負(fù)荷主要來(lái)源于畜禽養(yǎng)殖,其次是農(nóng)業(yè)種植;對(duì)于總磷,污染負(fù)荷主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)種植,其次是畜禽養(yǎng)殖.各污染源貢獻(xiàn)率大小有所差異,流域內(nèi)養(yǎng)殖主要分布在上游區(qū)域,故養(yǎng)殖對(duì)楊家斷面的氨氮和總磷的貢獻(xiàn)率分別高達(dá)56.5%和46.1%,而對(duì)登化斷面的污染物負(fù)荷貢獻(xiàn)相比于楊家斷面有一定程度的降低.工業(yè)點(diǎn)源排放對(duì)河流中、下游斷面污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率均較小,主要原因在于研究區(qū)內(nèi)工業(yè)、企業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和類型決定了其氨氮、總磷污染產(chǎn)生量較小.面源污染是河流水質(zhì)污染的主要來(lái)源,一方面研究區(qū)有百余家養(yǎng)殖戶,畜禽糞便大多就地堆積;另一方面,研究區(qū)耕地面積約占流域總面積的70%,且金州新區(qū)環(huán)保局統(tǒng)計(jì)資料顯示研究區(qū)的化肥施用強(qiáng)度過(guò)大,遠(yuǎn)超全國(guó)生態(tài)市對(duì)化肥使用的考核標(biāo)準(zhǔn).因此,從源頭上對(duì)畜禽養(yǎng)殖及農(nóng)業(yè)種植污染負(fù)荷進(jìn)行削減和控制是流域污染治理的重點(diǎn).

表6 各污染源年總負(fù)荷貢獻(xiàn)率(%)

從年內(nèi)變化看,工業(yè)點(diǎn)源在各個(gè)月份的貢獻(xiàn)率變化較小,其原因在于工業(yè)污水產(chǎn)生量相對(duì)穩(wěn)定,且除溫度和離河距離外,受其他因素影響較小.對(duì)于面源污染,整體上呈現(xiàn)春季、夏季污染負(fù)荷較大,冬季負(fù)荷較小的趨勢(shì).其原因一方面受季節(jié)本身污染負(fù)荷及污水的產(chǎn)生和排放量影響,例如夏季居民生活用水量增大,畜禽養(yǎng)殖用于降溫和防蚊蟲滋生的清掃用水量增加(資料表明研究區(qū)養(yǎng)殖污水在夏季的排放量比冬季增加約30%),農(nóng)業(yè)大面積施肥及追肥等.另一方面,由于本研究面源污染輸入均考慮了降雨修正,故春汛、夏汛時(shí)期的融水及降雨會(huì)將長(zhǎng)期堆積的面源污染沖刷入河,導(dǎo)致面源污染負(fù)荷增大.其余時(shí)段如10月~次年3月,由于結(jié)冰、少雨等因素,污染負(fù)荷入河量較小.

2.4 研究區(qū)水環(huán)境治理建議

針對(duì)目前仍存在的斷面水質(zhì)不達(dá)標(biāo)情況,結(jié)合本文污染負(fù)荷估算及貢獻(xiàn)率分析,給出污染防治措施建議及未來(lái)研究重點(diǎn). 本文研究表明,畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)種植是登沙河流域氨氮和總磷負(fù)荷的主要來(lái)源,是水環(huán)境治理的重要對(duì)象.尤其當(dāng)工程投資有限的前提下,應(yīng)著重對(duì)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率高的污染源進(jìn)行削減和控制.

對(duì)于畜禽養(yǎng)殖,應(yīng)首先明確禁養(yǎng)區(qū)、限養(yǎng)區(qū);在此基礎(chǔ)上,建設(shè)分散式與集中式養(yǎng)殖固廢處理設(shè)施、污水處理設(shè)施,大幅降低養(yǎng)殖污染排放量;同時(shí)發(fā)展生態(tài)畜牧業(yè),配備沼氣化工程,以實(shí)現(xiàn)污水資源化利用.研究區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染主要問(wèn)題為施肥強(qiáng)度過(guò)大,遠(yuǎn)超發(fā)達(dá)國(guó)家為防止水體污染設(shè)定的化肥施用強(qiáng)度安全標(biāo)準(zhǔn)225kg/hm2,屬于過(guò)度施肥[28].因此應(yīng)大力推進(jìn)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè),引導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)施肥,鼓勵(lì)推廣有機(jī)肥,測(cè)土配方施肥等[29].對(duì)于農(nóng)村生活污染,當(dāng)前研究區(qū)的生活污水大多就地散排,故應(yīng)因地制宜地采取集中處理和分散處理相結(jié)合的方式.對(duì)于集中居住區(qū),應(yīng)打破當(dāng)前截污覆蓋率低的現(xiàn)狀,考慮建設(shè)截污管網(wǎng),收集污水后一并送入污水處理廠處理后排放;對(duì)于分散居住區(qū),應(yīng)引入小型分散式生活污水處理設(shè)備.對(duì)于工業(yè)污染,盡管本文研究結(jié)果表明其對(duì)氨氮、總磷污染的貢獻(xiàn)率較小,但研究尚未對(duì)其可能產(chǎn)生的有機(jī)污染、重金屬污染等進(jìn)行分析,因此工業(yè)污染仍不能忽視.未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)有機(jī)物、重金屬及新型污染物等的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià),從而采取適宜的關(guān)停整合、引進(jìn)污水處理設(shè)備及提升處理工藝等手段,有效控制工業(yè)點(diǎn)源污染.

此外,針對(duì)多種水環(huán)境治理措施,后續(xù)應(yīng)基于水質(zhì)模型進(jìn)一步量化不同措施及措施組合方案對(duì)河流斷面水質(zhì)的影響及改善效果,綜合考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效益,提出流域總體工程布局方案和精準(zhǔn)化減排建議,為水環(huán)境管理決策提供科學(xué)依據(jù).

3 結(jié)論

3.1 研究利用輸出系數(shù)法估算流域內(nèi)4種主要污染源的氨氮和總磷負(fù)荷,其中農(nóng)業(yè)種植和畜禽養(yǎng)殖的貢獻(xiàn)率之和分別達(dá)到84.9%和96.0%,是流域水環(huán)境污染的主要來(lái)源和控制對(duì)象.

3.2 基于QUAL2K水質(zhì)模型模擬污染物在河道內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律,量化不同污染源對(duì)河道水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的污染負(fù)荷貢獻(xiàn).結(jié)果表明,畜禽養(yǎng)殖對(duì)下游登化斷面氨氮和總磷的貢獻(xiàn)率分別為43.2%和35.9%,農(nóng)業(yè)種植的貢獻(xiàn)率分別為37.9%和59.1%.工業(yè)污染貢獻(xiàn)率較小且年內(nèi)變化不大,面源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率整體呈現(xiàn)春夏季增大的趨勢(shì).

3.3 基于污染負(fù)荷估算和貢獻(xiàn)率解析結(jié)果,結(jié)合流域水環(huán)境問(wèn)題實(shí)際,從畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)種植、農(nóng)村生活和工業(yè)污染方面,因地制宜地提出污染控源及治理建議,研究為登沙河流域及其他農(nóng)村地區(qū)中小型河流水環(huán)境治理提供科學(xué)參考.

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Water quality simulation and multi-source attribution analysis.

ZHAI Min-ting, XIN Zhuo-hang*, Han Jian-xu, ZHANG Lu, ZHANG Chi

(School of Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)., 2019,39(8)：3457~3464

Facing with the water quality deterioration in the Dengsha river watershed in Dalian, China, the pollutant loads of ammonia nitrogen and total phosphorus generated by various pollution sources were estimated, including industries, rural households, animal feedlots and agricultural planting. The QUAL2K water quality model was then applied to capture the migration and transformation of ammonia nitrogen and total phosphorus in the main river, and the contribution of each source to the total pollutant load was quantified at different temporal and spatial scales. Results indicated that animal feedlot was the major contributor of ammonia nitrogen load, accounting for 56.5% and 43.2% at the middle and downstream sections, respectively. The majority of total phosphorus load was contributed by agricultural planting, accounting for 50.4% and 59.1% at the middle and downstream sections, respectively. Moreover, contribution of pollutant sources also exhibited intra-annual variations due to the seasonality of natural rainfall and human activities. Based on these analyses, this study further proposed suggestions for water quality improvement and governance in the study region, which can therefore be a reference example for other small and medium-sized polluted watersheds.

QUAL2K model；water quality simulation；pollutant load；attribution analysis；water environment governance

X522

A

1000-6923(2019)08-3457-08

翟敏婷(1994-),女,陜西咸陽(yáng)人,碩士,主要研究方向?yàn)樗膶W(xué)及水資源、水環(huán)境治理修復(fù).發(fā)表論文1篇.

2019-01-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51809031);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0406004)

* 責(zé)任作者, 講師, xinzh@dlut.edu.cn