跨行政區(qū)小流域水污染特征分析

胡銳， 汪炎， 梅紅， 宣亮， 王偉， 胡真虎， 袁守軍*

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 合肥 230009； 2.工業(yè)廢水及環(huán)境治理安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230088）

水環(huán)境容量是河流、 湖泊等水體的一種天然屬性， 是進(jìn)行污染物總量控制的基礎(chǔ)［1］， 是制定水污染防治計(jì)劃的重要參考。 污染負(fù)荷估算可以明確流域污染狀況與特征， 為治理流域污染和制定相應(yīng)減排策略提供基礎(chǔ)［2-3］。 通過(guò)對(duì)二者的估算， 可以得到排入河流的污染物允許總量， 并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)分配， 以確保排放量在水環(huán)境容量的范圍內(nèi)［4］。 Zhao等［5］研究了黃石水庫(kù)及其入庫(kù)支流的水環(huán)境容量及污染負(fù)荷情況， 發(fā)現(xiàn)TN 和TP 的污染負(fù)荷是水環(huán)境容量的1.34 倍和1.20 倍， 支流污染物需要大量削減才能使水庫(kù)達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)。

河流往往流經(jīng)不同的行政區(qū)域， 而這些來(lái)自不同責(zé)任主體的污染源輸入， 會(huì)使流域水污染治理變得困難。 目前有部分研究者針對(duì)跨行政區(qū)的流域進(jìn)行了分析， 馬玉坤等［6］將寧夏清水河流域按照地市分為不同控制單元進(jìn)行了污染負(fù)荷和水環(huán)境容量研究， 并針對(duì)不同控制單元制定了污染綜合治理措施。 目前對(duì)于小流域內(nèi)不同行政區(qū)的水污染特征分析研究較少， 二十埠河是典型的跨多行政區(qū)河流，流域內(nèi)各行政區(qū)域的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不同， 排污負(fù)荷及污染物組成等均存在差異， 從而為河流治理方案確定帶來(lái)困難。

本研究以二十埠河流域內(nèi)各行政區(qū)為控制單元，通過(guò)采樣調(diào)查， 結(jié)合模型分析， 估算流域內(nèi)各行政區(qū)的入河污染負(fù)荷， 計(jì)算不同行政區(qū)內(nèi)的水環(huán)境容量， 以期為制定流域水質(zhì)改善措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

1.1.1 流域概況

二十埠河位于合肥東部， 流經(jīng)新站區(qū)、 瑤海區(qū)和肥東縣3 個(gè)行政區(qū)， 于河上口匯入南淝河（圖1）。 河道總長(zhǎng)約27 km， 流域面積約136 km2， 有4條主要支流， 分別為陶沖支流、 小板橋河、 三十埠河及楚漢河。 汛期為每年5 ～9 月， 降雨量占全年降雨量的60%以上。

圖1 采樣點(diǎn)位置示意Fig.1 Sampling points location

1.1.2 控制單元?jiǎng)澐?/p>

為了研究各行政區(qū)入河污染負(fù)荷和水環(huán)境容量對(duì)整個(gè)流域的貢獻(xiàn)， 針對(duì)性地制定污染控制措施，按照行政區(qū)劃分成3 個(gè)控制單元， 沿上游開(kāi)始依次為新站區(qū)、 瑤海區(qū)和肥東縣。 新站區(qū)內(nèi)流域面積為67.55 km2， 以農(nóng)業(yè)種植業(yè)為主， 河道兩旁設(shè)有工業(yè)園區(qū)， 其余部分多為城鎮(zhèn)居民生活區(qū)； 瑤海區(qū)（32.68 km2）以城鎮(zhèn)居民生活區(qū)為主； 肥東縣（35.77 km2）以農(nóng)業(yè)種植和工業(yè)園區(qū)為主。

沿干流設(shè)置6 個(gè)采樣點(diǎn)， S1 位于新站區(qū)內(nèi)河流起始處， S2 位于新站區(qū)和瑤海區(qū)交界處， 瑤海區(qū)內(nèi)在現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的基礎(chǔ)上設(shè)置S3 和S4 采樣點(diǎn)， 其中S3 位于人口較密集區(qū)域， S4 位于支流小板橋河匯入的上游， S5 位于瑤海區(qū)和肥東縣交界處， S6 位于肥東縣內(nèi)河流入南淝河口處。 以上6個(gè)采樣點(diǎn)將二十埠河分為5 個(gè)河段， 如圖1 所示。

1.2 采樣方案及試驗(yàn)方法

1.2.1 采樣方案

在2022 年6 ～12 月及2023 年2 月期間采樣，每月采樣1 次， 汛期和非汛期各采樣4 次。 樣品裝入不透明聚乙烯瓶中， 迅速帶回實(shí)驗(yàn)室， 用0.45 μm 濾膜過(guò)濾后置于4 ℃冰箱中冷藏避光保存， 24 h 內(nèi)完成水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定。

1.2.2 分析測(cè)試方法

（1） 常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)。 水樣的COD、 NH3-N 和TP 分別按照HJ／T 399—2007《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測(cè)定 快速消解分光光度法》、 HJ／T 535—2009《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定納氏試劑分光光度法》和GB 11893—1989《水質(zhì)總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》中規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定。

（2） 河流和斷面水文參數(shù)。 在采樣過(guò)程中同步進(jìn)行河流各斷面水文參數(shù)的測(cè)定和計(jì)算。 采用高精密聲學(xué)多普勒流速儀（Mirco-ADV）測(cè)定斷面流速；結(jié)合監(jiān)測(cè)斷面過(guò)水面積， 計(jì)算斷面流量。

1.3 計(jì)算模型及參數(shù)確定

1.3.1 入河污染負(fù)荷估算

1.3.1.1 點(diǎn)源污染負(fù)荷

流域中點(diǎn)源污染負(fù)荷來(lái)源于支流匯入、 污水廠出水及河流沿岸主要排放口， 支流水質(zhì)和水量根據(jù)實(shí)測(cè)獲得， 污水處理廠出水水質(zhì)和水量數(shù)據(jù)由相關(guān)主管部門提供， 河流沿岸排放口水質(zhì)水量由多次采樣實(shí)測(cè)獲得。

1.3.1.2 非點(diǎn)源污染負(fù)荷

流域非點(diǎn)源污染分為農(nóng)村生活面源污染、 農(nóng)業(yè)面源污染［7］、 城市生活地表徑流污染和工業(yè)活動(dòng)地表徑流污染［8-9］。

（1） 農(nóng)村生活、 農(nóng)業(yè)面源污染。 農(nóng)村生活、 農(nóng)業(yè)面源污染使用輸出系數(shù)法計(jì)算［10］， 公式如下：

式中： L1i為某種污染物面源污染負(fù)荷， t／a；a1為修正系數(shù)； Ei為污染物在不同土地利用類型或人口中的輸出系數(shù)， t／（km2·a）或t／（萬(wàn)人·a）； Ai為不同土地利用類型面積或人口的總數(shù)量， km2或萬(wàn)人， 人口數(shù)據(jù)來(lái)源于《2021 年合肥市統(tǒng)計(jì)年鑒》，土地利用類型面積基于谷歌地圖計(jì)算獲得。

（2） 城市生活、 工業(yè)活動(dòng)地表徑流污染。 利用流域徑流量和次降雨徑流平均濃度（EMC）［11］估算城市生活和工業(yè)活動(dòng)地表徑流污染， 公式如下：

式中： L2i為污染物徑流污染負(fù)荷， t／a； a2為徑流系數(shù)， 根據(jù)《安徽省水文手冊(cè)》， 取0.35； Ki為污染物在不同土地利用類型的EMC 值， mg／L，具體根據(jù)實(shí)測(cè)獲得； P 為年降雨量， mm， 取流域多年平均降雨量為1 032 mm； Ai為不同土地利用類型面積， km2。

1.3.1.3 入河污染負(fù)荷

依據(jù)各類污染負(fù)荷的差異性， 確定其入河系數(shù)， 參照式（3）、 （4）計(jì)算污染物入河負(fù)荷。

式中： L'1i為某種污染物的入河農(nóng)村生活、 農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷， t／a； λ1i為農(nóng)村生活、 農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷入河系數(shù)； L'2i為某種污染物的入河城市生活、 工業(yè)活動(dòng)地表徑流污染負(fù)荷， t／a； λ2i為城市生活、 工業(yè)活動(dòng)地表徑流污染負(fù)荷入河系數(shù)。 二十埠河流域各點(diǎn)源排口均位于河岸邊， 故入河系數(shù)取1.0。 農(nóng)村生活污水排放比較分散， 大部分會(huì)被地表截留， 入河系數(shù)取0.5； 農(nóng)業(yè)面源入河系數(shù)取0.2； 徑流污染入河過(guò)程中， 主要流經(jīng)硬化路面，入河系數(shù)取0.8［12］。

1.3.2 水環(huán)境容量計(jì)算

1.3.2.1 一維河流水質(zhì)模型

一維河流水質(zhì)模型適用于河道寬度與水深較河道長(zhǎng)度可以忽略的河流， 因此， 水環(huán)境容量計(jì)算選取一維模型計(jì)算， 其描述河流污染物一維穩(wěn)態(tài)衰減規(guī)律的微分方程和水環(huán)境容量計(jì)算公式分別為［13］：

式中： Cx為流經(jīng)x 距離后的污染物質(zhì)量濃度，mg／L； Ct為一段時(shí)間后的污染物質(zhì)量濃度， mg／L；C0為上斷面污染物質(zhì)量濃度， mg／L； K 為污染物綜合降解系數(shù)， s-1； x 為沿河段的縱向距離， m； u為設(shè)計(jì)流量下河流斷面的平均流速， m／s； t 為時(shí)間， d； W 為水環(huán)境容量， t／a； Q 為河段的近10 a 90%保證率下最枯月的平均流量， m3／s， 二十埠河流域沒(méi)有水文站點(diǎn)， 因此使用實(shí)測(cè)平均值； q 為河段 的 污 水 排 放 量， m3／s； Cs為 河 段 的 水 質(zhì) 目 標(biāo)，mg／L， 本研究取GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2.2 污染物綜合降解系數(shù)

污染物綜合降解系數(shù)是反映水中污染物質(zhì)在河段長(zhǎng)度方向上濃度發(fā)生衰減的綜合系數(shù)。 但實(shí)際情況中出現(xiàn)了下游斷面水質(zhì)濃度大于上游斷面的現(xiàn)象， 導(dǎo)致綜合降解系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值的情況， 與其物理意義不符， 因此， 考慮加入一項(xiàng)修正項(xiàng)進(jìn)行修正。

式中： K0為實(shí)驗(yàn)室條件下的降解系數(shù)， s-1； K1為忽略點(diǎn)、 面污染源部分的影響系數(shù)， s-1。

K0確定方法為： 從采樣點(diǎn)將水樣采集后， 迅速帶回實(shí)驗(yàn)室， 將水樣置于室溫下， 逐日測(cè)量水質(zhì)情況， 根據(jù)式（6）對(duì)其進(jìn)行擬合得到。

K1確定方法為： 首先收集河段內(nèi)水質(zhì)和水文數(shù)據(jù)， 根據(jù)式（9）［14］計(jì)算平均流速下的初始K 值，隨后根據(jù)測(cè)得的K0值， 得到初始K1值。

式中： ΔX 為上下游斷面之間的距離， m； CA為上斷面污染物質(zhì)量濃度， mg／L； CB為下斷面污染物質(zhì)量濃度， mg／L。

根據(jù)實(shí)際水質(zhì)采用最小二乘法與最速下降法相結(jié)合進(jìn)一步對(duì)K1進(jìn)行率定， 使得水質(zhì)模型更可靠。K1與平均流速u 的關(guān)系采用經(jīng)驗(yàn)公式［15］：

式中： a、 b 為系數(shù)。 根據(jù)率定完成的a、 b 值得到K1， 并結(jié)合K0， 最終得到K 值。

2 結(jié)果與討論

2.1 河流水質(zhì)

各斷面水質(zhì)如圖2 所示， 按照河流功能區(qū)劃及水質(zhì)目標(biāo)定位（地表水Ⅳ類）， COD 和NH3-N 的超標(biāo)情況較為明顯， 斷面超標(biāo)率分別為27.1%和25.0%。 瑤海區(qū)河段的水質(zhì)最差， 該區(qū)域內(nèi)S3 斷面的COD、 NH3-N 和TP 均值（分別為28.75、 1.73和0.15 mg／L）最高， 這可能與該區(qū)域城鎮(zhèn)生活污水收集效率不高相關(guān)。

圖2 各采樣點(diǎn)水質(zhì)Fig.2 Water quality of each sampling point

2.2 流域入河污染負(fù)荷分析

2.2.1 流域總體分析

二十埠河流域入河污染負(fù)荷如表1 所示。 位于上游的新站區(qū)對(duì)河流污染貢獻(xiàn)率最高， 該區(qū)內(nèi)COD和TP 的貢獻(xiàn)率分別占總流域的47.88%和45.66%；下游肥東縣內(nèi)包含大片農(nóng)田， 使得NH3-N 污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)率最高， 占流域總量的37.96%。

表1 二十埠河流域各區(qū)入河污染負(fù)荷Tab.1 Pollution load of water flow into river from different districts of Ershibu river basin

2.2.2 污染源分析

不同污染源對(duì)流域入河負(fù)荷的貢獻(xiàn)率如圖3 所示。 在整個(gè)流域中， 點(diǎn)源為最重要的污染源， 其入河負(fù)荷顯著高于其他污染源， 各污染指標(biāo)的入河負(fù)荷貢獻(xiàn)率達(dá)47.3%～65.4%； 城鎮(zhèn)生活則對(duì)COD 入河負(fù)荷貢獻(xiàn)率較大（28.0%）； 農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)NH3-N 入河負(fù)荷貢獻(xiàn)率亦不容忽視（23.3%）； 農(nóng)村生活污染入河負(fù)荷顯著低于其他污染源， 各污染指標(biāo)的入河負(fù)荷貢獻(xiàn)率均小于2.0%。

圖3 各控制單元中污染源入河負(fù)荷貢獻(xiàn)Fig.3 Load contribution from pollution sources flow into the river in each contrl unit

在新站區(qū)內(nèi)， 陶沖污水處理廠和陶沖支流為重要點(diǎn)源， 其尾水（匯流）水質(zhì)對(duì)控制單元內(nèi)的入河負(fù)荷影響顯著， 依據(jù)監(jiān)測(cè)及計(jì)算結(jié)果， 由點(diǎn)源引起的COD 和TP 入河負(fù)荷顯著高于其他污染源（圖3（a））；各污染源的NH3-N 入河負(fù)荷總體差異不顯著， 因控制區(qū)內(nèi)存在大量農(nóng)業(yè)種植區(qū)， 農(nóng)業(yè)面源造成的NH3-N 入河負(fù)荷略高于其他污染源， 占總流域的12.1%。

位于流域中游的瑤海區(qū)中， 點(diǎn)源仍是最重要的污染源（圖3（b））， 除點(diǎn)源污染外， 城鎮(zhèn)生活徑流污染貢獻(xiàn)量較大， COD、 NH3-N 和TP 的入河負(fù)荷分別為350.64、 7.72 和1.42 t／a， 該控制單元內(nèi)城鎮(zhèn)人口數(shù)量大， 區(qū)域內(nèi)目前僅有1 座污水處理廠和2 座應(yīng)急污水處理站， 導(dǎo)致了城鎮(zhèn)生活源污染負(fù)荷較高， 居民生活污水的收集與處理率亟待加強(qiáng)。

位于下游的肥東縣內(nèi)尚未建污水處理廠， 其居民生活污水通過(guò)管網(wǎng)輸送到其他行政區(qū)的污水處理廠， 而目前管網(wǎng)建設(shè)不夠完善， 仍存在管道混接、錯(cuò)接及部分老舊管網(wǎng)待改造的情況， 因而點(diǎn)源入河污染貢獻(xiàn)較高（圖3（c））； 另外， 二十埠河匯入南淝河處（河上口）有大片農(nóng)田和散戶畜禽養(yǎng)殖， 導(dǎo)致農(nóng)業(yè)源造成的NH3-N 入河負(fù)荷貢獻(xiàn)率較高。

2.3 水環(huán)境容量計(jì)算與分析

2.3.1 模型驗(yàn)證

對(duì)K0進(jìn)行擬合并與K1進(jìn)行率定后， 利用實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證， 結(jié)果如圖4 所示。 3 類污染物的R2（汛期0.874 ～0.950， 非汛期0.671 ～0.919）和納什效率系數(shù)（NSE， 汛期0.834 ～0.941，非汛期0.671 ～0.824）均大于0.6， 模擬效果較好［16］。

圖4 實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比Fig.4 Comparison of measured and predicted values

2.3.2 流域水環(huán)境容量分析

根據(jù)獲得水質(zhì)、 水文數(shù)據(jù)以及確定的綜合降解系數(shù)， 以地表Ⅳ類水作為水質(zhì)目標(biāo)， 計(jì)算出水環(huán)境容量， 預(yù)留出水環(huán)境容量的10% 為經(jīng)濟(jì)發(fā)展及突發(fā)性環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的安全余量［17］， 再減去入河負(fù)荷， 得到剩余水環(huán)境容量［18］， 結(jié)果如表2 所示。

表2 流域內(nèi)剩余水環(huán)境容量Tab.2 Residual water environmental capacity in the watershed

由表2 可知， COD 和TP 的水環(huán)境容量均有較大余量， 汛期內(nèi)分別為6 068.85 和217.69 t／a， 非汛期內(nèi)分別為5 655.07 和147.06 t／a。 其中， 位于流域中部的瑤海區(qū)河段COD 和TP 的剩余水環(huán)境容量貢獻(xiàn)量最大， 汛期內(nèi)占比分別為78.35%和54.22%， 非汛期內(nèi)分別占55.07%和52.79%， 一方面由于瑤海區(qū)入河負(fù)荷較低， 另一方面是因?yàn)樵搮^(qū)域河段污染指標(biāo)背景值較低。 對(duì)于NH3-N 而言， 雖然總剩余水環(huán)境容量為正值， 但新站區(qū)（汛期）和肥東縣（非汛期）河段出現(xiàn)了負(fù)值的情況， 表明對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)子流域內(nèi)已無(wú)能力再容納污染物， 為了實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，分別需要削減入河NH3-N 負(fù)荷21.60 和81.18 t／a。

從時(shí)間上來(lái)看， 汛期中的剩余水環(huán)境容量總體上大于非汛期， 特別是NH3-N， 汛期內(nèi)的剩余水環(huán)境容量為293.93 t／a， 遠(yuǎn)大于非汛期的-1.22 t／a。王萬(wàn)賓等［19］的研究結(jié)果也顯示豐水期的水環(huán)境容量大于平水期， 這與本研究的結(jié)論相似， 可能由于汛期內(nèi)徑流量大于非汛期導(dǎo)致了這種情況的出現(xiàn)。

3 結(jié)論

（1） 依據(jù)功能區(qū)劃及水質(zhì)目標(biāo)定位（地表水Ⅳ類）， 二十埠河水質(zhì)存在超標(biāo)現(xiàn)象， 主要超標(biāo)指標(biāo)為COD 和NH3-N。 點(diǎn)源為流域內(nèi)最重要的污染源，由點(diǎn)源產(chǎn)生的各主要污染物入河負(fù)荷貢獻(xiàn)率達(dá)47.3%～65.4%， 城鎮(zhèn)居民生活（COD 貢獻(xiàn)率28.0%）及農(nóng)業(yè)面源污染（NH3-N 貢獻(xiàn)率23.3%）對(duì)二十埠河的污染不容忽視， 農(nóng)村生活污染貢獻(xiàn)率低， 各主要污染物入河負(fù)荷貢獻(xiàn)率均不足2.0%。

（2） 因產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、 污染治理現(xiàn)狀等不同， 各行政區(qū)域（控制單元）對(duì)河流的污染貢獻(xiàn)率存在差異，位于上游的新站區(qū)（農(nóng)業(yè)種植、 工業(yè)園區(qū)及城鎮(zhèn)居民生活區(qū)）面積大， 對(duì)二十埠河的污染貢獻(xiàn)率最高（COD 占比47.88%， TP 占比45.66%）； 位于下游的肥東縣內(nèi)存在大片農(nóng)田和散戶畜禽養(yǎng)殖， 造成NH3-N 入河負(fù)荷較高（37.96%）。

（3） 二十埠河流域COD 和TP 的水環(huán)境容量均有較大余量， 位于流域中部的瑤海區(qū)剩余環(huán)境容量最大， 全年COD 和TP 的剩余水環(huán)境容量分別占流域總量的55.07% ～78.35% 和52.79% ～54.22%；新站區(qū)（汛期）和肥東縣（非汛期）的NH3-N 環(huán)境容量為負(fù)值， 為了實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)， 新站區(qū)和肥東縣分別需要削減NH3-N 入河負(fù)荷21.60 和81.18 t／a。

（4） 為了改善二十埠河流水質(zhì)， 點(diǎn)源污染控制應(yīng)作為工作重點(diǎn)； 同時(shí)， 做好新站區(qū)和肥東縣內(nèi)農(nóng)業(yè)種植區(qū)的面源污染控制， 可削減NH3-N 入河負(fù)荷， 解決NH3-N 環(huán)境容量不足這一問(wèn)題。