岷江(內(nèi)江段)典型區(qū)域的非點源污染物入河系數(shù)估算及應(yīng)用

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)保科技工程有限責(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)全市社會經(jīng)濟發(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，才能對各項污染源制定針對性的削減措施。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，因此加強對流域非點源污染物入河系數(shù)的研究顯得尤為重要。

目前國內(nèi)外針對非點源入河系數(shù)的研究測算方法可大致分為斷面實測總負(fù)荷減去點源負(fù)荷的方法[2]、實地監(jiān)測法[3～5]、水文估算法[6]、經(jīng)驗?zāi)Ｐ头╗7～10]和機理模型估算法[11～14]。其中實地監(jiān)測結(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?zāi)Ｐ头ㄓ嬎愫唵巍⑦m用于區(qū)域尺度，但精度低；機理模型法精度高，但繁瑣復(fù)雜，對數(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策提供依據(jù)。因此，研究出一種簡易的計算非點源污染物入河系數(shù)具有重大的現(xiàn)實意義。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算非點源入河系數(shù)的簡易方法，為流域非點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)計算基礎(chǔ)資料主要來源于《四川省環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)(2016)》和《成都市地表水監(jiān)測數(shù)據(jù)(2013～2018)》。

1.2 流域污染源污染負(fù)荷統(tǒng)計

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)計數(shù)據(jù)(2016)》逐一分類統(tǒng)計流域內(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、縱向和橫向三個方向輸移和擴散，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，垂直方向上的擴散一般情況是在很短的時間內(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單元格中公式的最優(yōu)值?！耙?guī)劃求解”將對直接或間接與目標(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，從而得到流域非點源污染物較優(yōu)的入河系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 非點源污染物入河系數(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個計算區(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)域為例，進(jìn)行岷江(內(nèi)江段)流域非點源污染物入河系數(shù)的詳細(xì)計算過程說明，計算區(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年上述各斷面實際監(jiān)測值進(jìn)行比較，如圖2所示。由圖2可知，本研究利用一維水質(zhì)模型計算得到的斷面氨氮和總磷數(shù)值與實際情況比較吻合，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)計算。再根據(jù)《成都市地表水監(jiān)測數(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 一維模型計算值與實際監(jiān)測值對比圖Fig.2 Comparison between calculated values of one- dimensional model and theactual monitoring values

表1 計算區(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)計數(shù)據(jù)(2016)》逐一分類統(tǒng)計計算區(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。計算區(qū)域內(nèi)各項污染源氨氮和總磷的統(tǒng)計結(jié)果如下表2所示。

表2 計算區(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 非點源污染物入河系數(shù)計算結(jié)果

結(jié)合上表1和表2，構(gòu)建12個方程組，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，可求出計算區(qū)域范圍內(nèi)直排污染源和非點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個區(qū)域范圍直排污染源和非點源污染物氨氮和總磷入河系數(shù)的計算結(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)流域不同計算區(qū)域污染源入河系數(shù)計算結(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)果驗證

將岷江(內(nèi)江段)流域計算區(qū)域所得非點源污染物入河系數(shù)分別代入方程中，重新進(jìn)行污染源核算，并與下游監(jiān)測斷面污染物通量進(jìn)行比較，得到核算結(jié)果如表4所示?？芍嬎愕玫近S龍溪斷面的氨氮通量值比監(jiān)測的氨氮通量值偏大，氨氮計算值和監(jiān)測值的相對偏差平均值為18.93%，然而計算出黃龍溪斷面的總磷通量值比監(jiān)測的總磷通量值偏小。分析認(rèn)為由于計算流域的黃龍溪斷面每月氨氮和總磷監(jiān)測濃度為瞬時濃度，由此計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算值與實際監(jiān)測值平均誤差在±30%左右，表明研究所用方法得出的結(jié)果精度較高，對流域污染源入河量估算和排污控制具有一定的參考價值。

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)流域計算區(qū)域的直排污染源和非點源污染的氨氮及總磷入河系數(shù)的結(jié)果和國內(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)域計算出來的直排污染源和非點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)計數(shù)據(jù)(2016)》和《成都市地表水監(jiān)測數(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，開展對岷江(內(nèi)江段)非點源污染物入河系數(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算值與實際監(jiān)測值平均誤差在±30%左右，表明研究所用方法得出的結(jié)果精度較高，對流域污染源入河量估算和排污控制具有一定的參考價值。