湘江撈刀河流域氨氮和總磷水環(huán)境容量計算

張清寰，譚芬芳，伍朝輝，黃國鮮*，劉付真，鄧義祥

1.中國環(huán)境科學研究院

2.湖南省長沙生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心

3.湖北省水文水資源中心

4.核工業(yè)二三O研究所

隨著人口快速增長、城市化水平提高和工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，流域水環(huán)境受到不同程度污染，當污染物入河量超過可承載范圍時會發(fā)生富營養(yǎng)化等水環(huán)境問題。氨氮和總磷是水體富營養(yǎng)化的重要指標。氮、磷主要來自生物體代謝和腐敗、工業(yè)廢水、生活污水及農(nóng)藥化肥等[1-2]。水環(huán)境容量指在給定水域，相對于某一水環(huán)境質(zhì)量標準，該水域能容納的最大污染物數(shù)量[3]，反映污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化以及特定功能條件下環(huán)境對污染物的承受能力。水環(huán)境容量有季節(jié)性動態(tài)變化規(guī)律[4]，研究水環(huán)境容量可以支撐水環(huán)境改善[5-6]，為一定環(huán)境規(guī)劃條件下污染物總量控制提供依據(jù)[7-10]。目前已有研究基于一維水質(zhì)模型[11]、參數(shù)法[12]、河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學模型[13]等對水環(huán)境容量進行計算，為污染物總量控制提供了依據(jù)，但是對資料缺乏的山區(qū)-城市混合區(qū)域水環(huán)境容量精細化研究較少。

作為華中地區(qū)最大的工業(yè)聚集區(qū)，長沙-株洲-湘潭（簡稱長株潭）城市群污水排放量較大，河湖水質(zhì)污染較嚴重。筆者選擇長株潭城市群代表性區(qū)域——湘江一級支流撈刀河流域為研究對象，針對流域內(nèi)長時間序列水文觀測資料缺乏問題，將網(wǎng)格分布式水文模型和一維河網(wǎng)水質(zhì)模型相結(jié)合，定量求解各控制單元氨氮和總磷的水環(huán)境容量及排污負荷，揭示水環(huán)境負荷超載狀態(tài)，以期為實測資料缺乏地區(qū)水文水質(zhì)過程和環(huán)境容量求解提供參考，為水質(zhì)精準管理和污染物總量控制提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

撈刀河流域是湘江一級支流，起于瀏陽市社港鎮(zhèn)周洛村，河流全長132 km，流域面積約2 540 km2。流域氣候類型屬于中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，四季分明，春秋短而冬夏長，多年平均氣溫為16.8～17.3 ℃，最冷月份平均氣溫為4.5～5.4 ℃，最熱月份平均氣溫為28.8～29.3 ℃。多年平均降水量為1 484 mm，主要集中在4—9月，占全年總降水量的65.9%。其中豐水期主要在3—9月。流域面積100 km2以上的支流有6條，分別是白沙河、金井河、獅巖河、永樂橋、東門江和黃泥江。研究區(qū)地理位置、控制單元和水質(zhì)采樣點位置及各控制單元間流向等信息如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置、控制單元劃分及水質(zhì)采樣點位置Fig.1 Geographical location, hydrologic control units division and water quality sampling points of the study area

撈刀河流域位于長沙市境內(nèi)，流經(jīng)開福區(qū)、望城區(qū)、瀏陽市和長沙縣，污染物來自點源（包括規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖、工業(yè)源、城鎮(zhèn)生活源等）和面源（主要是農(nóng)業(yè)種植和農(nóng)村生活源）[14]。由于開展了環(huán)境治理和清潔行動，流域水環(huán)境質(zhì)量在近5年顯著改善，然而流域中下游城市化發(fā)展較快，人口不斷向城區(qū)聚集，周邊產(chǎn)能、經(jīng)濟規(guī)模擴大等，造成區(qū)域內(nèi)生活污水、工農(nóng)業(yè)廢水排放量增加。同時，流域上游水庫不合理蓄水和泄水導致枯季水庫基流減少，下游枯季稀釋流量不足，導致河道水質(zhì)時有超標。主要水環(huán)境問題如下：1）石子斷面每年10月左右有水質(zhì)超標現(xiàn)象，2017年11月出現(xiàn)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》劣Ⅴ類水質(zhì)，主要超標因子為氨氮、總磷和化學需氧量。由于化學需氧量超標不嚴重，且限于篇幅，文中只計算并討論氨氮和總磷的水環(huán)境容量。2）氨氮和總磷濃度超標主要集中在枯水期。3）流域內(nèi)白沙河口（市控）、金井河口（市控）、金竹河與楚家湖入撈刀河口（市控）、撈刀河入湘江（國控）、石子（省控）、土橋撇洪渠入撈刀河口（市控）斷面氨氮和總磷有超標現(xiàn)象。

1.2 數(shù)據(jù)收集和處理

地形數(shù)據(jù)采用Strim V3.1版本90 m數(shù)字高程模型（DEM），土地利用采用2018年30 m精度遙感影像數(shù)據(jù)，土壤數(shù)據(jù)來自土壤數(shù)據(jù)庫HWSD 2.1，氣象數(shù)據(jù)采用中國地面氣候資料逐日數(shù)據(jù)集。一維河網(wǎng)水質(zhì)模型所需水下地形數(shù)據(jù)由DEM和當?shù)厮碌匦?010年測量數(shù)據(jù)插值獲得。采用網(wǎng)格分布式水文模型模擬河道流量，為一維河網(wǎng)水質(zhì)模型提供邊界條件。由于撈刀河流域無實測流量數(shù)據(jù)，模型計算區(qū)域選取包含長沙市的完整流域，以保證模型可以利用相鄰瀏陽河流域的實測水文數(shù)據(jù)進行校驗，網(wǎng)格單元大小為300 m。

實際污染物排放量采用2017年長沙市第二次全國污染源普查（二污普）數(shù)據(jù)，包括工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、生活源和畜禽養(yǎng)殖等。其中，生活源和集中式污水處理廠的污染物排放量歸總為生活源。流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)為2017年收集，水質(zhì)數(shù)據(jù)包括國控、省控和市控斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中，石塘鋪、石子屬于省控斷面，撈刀河口屬于國控斷面，有2017年1—12月逐月水質(zhì)數(shù)據(jù)；其他斷面屬于市控斷面，只有2017年8—12月逐月數(shù)據(jù)。土橋撇洪渠入撈刀河口沒有2017年數(shù)據(jù)，用2018年數(shù)據(jù)代替。

1.3 主要計算方法

1.3.1 流量模擬計算

采用網(wǎng)格分布式水文模型計算各條支流流量，為一維河網(wǎng)水質(zhì)模型提供流量、水質(zhì)邊界條件，然后結(jié)合流域和河網(wǎng)模型計算不同控制單元的流速和流量。采用式（1）～式（2）計算各網(wǎng)格水量平衡，采用三水源新安江產(chǎn)水模型、切應力驅(qū)動的產(chǎn)沙和水質(zhì)過程求解子模塊，對各網(wǎng)格流量、泥沙和污染物通量進行馬斯京根法演算，最終演算到子流域出口[15]。2個模型具體連接計算方式：采用網(wǎng)格分布式水文模型計算各網(wǎng)格及上游河網(wǎng)節(jié)點流量和水質(zhì)濃度，以點源方式加到河網(wǎng)模型各河道斷面，進行主河道水動力和水質(zhì)過程計算。分布式水文模型采用的控制方程如下：

式中：P為任意時間步長 Δt的降水量，mm；E為陸面蒸發(fā)量，mm；R為地表、土壤中和地下徑流量總和，mm；W1和W0為土壤和地表蓄水量，mm；I1、I2為計算時段始、末入流量，m3/s，Q1、Q2為計算時段始、末出流量，m3/s；Cm0、Cm1、Cm2為馬斯京根洪水演算法系數(shù)，根據(jù)式（3）～式（6）計算；Xd為流量比重系數(shù)，反映河道調(diào)蓄能力；Kd為槽蓄曲線坡度，等于恒定流下河段平均傳播時間。

一維河網(wǎng)水質(zhì)模型（one-dimensional river network model，RNM1D）可以動態(tài)模擬環(huán)支混合河網(wǎng)多流向水動力和水環(huán)境過程，也可模擬不同水庫調(diào)度作用下河網(wǎng)中污染物及微生物細菌的濃度變化等，在長江流域和英國Ribble河網(wǎng)得到應用[16-18]。該模型計算公式如下：

式中：A為橫斷面過水面積，m2；Q為流量，m3/s；q為河道支流旁側(cè)入流流量，m3/s；x為河道縱向距離，m；t為時間，s；Z為水位，m；Sf為摩擦阻力項，計算公式為其中n為 糙率系數(shù)，B為河道過水斷面寬度，m；Se為局部水頭損失引起的水力坡度變化，無量綱。L為旁側(cè)流量混合引起的動量損失，m3/s2，如果旁側(cè)流量大于 0，則L=q(ub-Q/A)，其中ub為旁側(cè)流量沿主方向投影流速，m3/s；如果旁側(cè)流量小于0，則L=-qQ/A。

1.3.2 污染物入河量計算

撈刀河流域點源污染包括工業(yè)、企業(yè)、集中式畜禽養(yǎng)殖場和城市污水處理設(shè)施排放的污染物，面源污染包括分散式畜禽養(yǎng)殖場和種植業(yè)排放的污染物。污染物入河量為污染物實際排放量乘以入河折算系數(shù)。其中，工業(yè)、企業(yè)排放的污染物若通過污水處理廠進入河流，其折算系數(shù)為0.93[14,19]；規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場污染物若不排入河流，其污染物排放量不計入入河污染物總量中，若進入河流，實際排放量需要乘以折算系數(shù)0.1[20]；城市和農(nóng)村集中式污水處理設(shè)施若排入河流，需乘以折算系數(shù)0.8；農(nóng)村集中式污水處理設(shè)施若排放污染物進入污灌農(nóng)田，其排放量不計入入河排放量中[21]；農(nóng)業(yè)源根據(jù)農(nóng)業(yè)種植源數(shù)據(jù)隨區(qū)域和時間變化，并參考第一次全國污染源普查公布的計算方法和相應參數(shù)求解得到。

1.3.3 水環(huán)境容量計算

各控制單元空間分布如圖1所示，對應編號等信息見表1。各控制單元出口位置對應河道的出口斷面。水環(huán)境容量計算公式[22]如下：

表1 研究區(qū)各控制單元基本信息Table 1 Basic information of each control unit in the study area

式中：W為水環(huán)境容量，kg/a；Q0為控制斷面入口流量，m3/s，按照最枯月平均流量計算；qm為控制斷面中途進入水量，m3/s；K為水質(zhì)逐日降解系數(shù)， d-1，參考長江中下游太湖流域污染物降解系數(shù)[23]，其中氨氮和總磷的K取值分別為0.16和0.1 d-1；C0為控制斷面入口水質(zhì)濃度，mg/L；Cs為水質(zhì)標準濃度，mg/L；l為控制斷面距離單元出口長度，m，當存在中途進水時，l取 值約為控制單元長度的1/2；u為流速，m/s。Q0和qm由一維河網(wǎng)水質(zhì)模型求解。水環(huán)境容量相比入河量多余部分為剩余環(huán)境容量，水環(huán)境容量相比入河量較少部分為污染物應削減量。

2 結(jié)果與分析

2.1 流量模擬結(jié)果

撈刀河目前沒有水文數(shù)據(jù)，因此采用與撈刀河毗鄰的瀏陽河朗梨站和雙江口站實測水文數(shù)據(jù)校驗模型，網(wǎng)格分布式水文模型模擬的2017年逐日流量與觀測值如圖2所示。其中，朗梨站模擬和實測值相關(guān)系數(shù)為0.81，雙江口站模擬和實測值相關(guān)系數(shù)為0.93，擬合度較好。不同控制單元逐月流量中，S8、S9、S10和S12流量較大，這4個斷面位于流域下游，相比上游流量增大?？刂茊卧猄12流量最大，為284.8 m3/s。不同控制單元的逐月流量有相同變化規(guī)律，都在3月達到第一個峰值，6—7月出現(xiàn)第二個峰值。

圖2 朗梨站和雙江口站模擬與實測2017年逐日流量Fig.2 Simulated and observed daily streamflow of Langli and Shuangjiangkou stations in 2017

2.2 污染物入河量

表2和表3顯示各控制單元污染物來源及占比。由表2和表3可見，農(nóng)業(yè)源是污染物排放的主要來源，氨氮入河量中農(nóng)業(yè)源占比為39%～100%，總磷入河量中農(nóng)業(yè)源占比為90%～100%。農(nóng)業(yè)源污染主要與農(nóng)業(yè)活動有關(guān)，包括隨地表徑流遷移的泥沙附著污染物、農(nóng)藥化肥和人畜排泄物。受降雨徑流沖刷影響，面源污染物在多雨汛期較多[24]。生活源、工業(yè)源和規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖污染物入河量相比農(nóng)業(yè)源較小，甚至可忽略不計。氨氮入河量中，各控制單元農(nóng)業(yè)源占比平均值為52%，畜禽養(yǎng)殖排放占比平均值小于1%，工業(yè)源占比平均值為22%，生活源占比平均值為26%?？偭兹牒恿恐校骺刂茊卧r(nóng)業(yè)源占比平均值為97%，畜禽養(yǎng)殖排放占比平均值小于1%，工業(yè)源占比平均值為1%，生活源占比平均值為2%。

表2 研究區(qū)氨氮入河量統(tǒng)計Table 2 Inflow of ammonia nitrogen in the study area

表3 研究區(qū)總磷入河量統(tǒng)計Table 3 Inflow of total phosphorus in the study area

2.3 水環(huán)境容量和污染物應削減量

按照《湖南省縣級以上地表水集中式飲用水水源保護區(qū)劃定方案》及飲用水水源保護區(qū)控制水質(zhì)目標（關(guān)山水庫、星沙二水廠等局部河庫段為Ⅱ類水質(zhì)標準，其他控制單元為Ⅲ類水質(zhì)標準），計算各控制單元氨氮和總磷水環(huán)境容量，結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可知，對于氨氮來說，控制單元S5～S6剩余環(huán)境容量為負值，說明入河量超過水環(huán)境容量，入河污染物應削減，需要進行排放限制?？刂茊卧猄1～S4、S7～S8和S11的剩余環(huán)境容量接近0；控制單元S9～S10和S12的剩余環(huán)境容量為正值，均在250 t/a之內(nèi)?？刂茊卧猄9的氨氮濃度在某些月份較高，但是年入河量在水環(huán)境容量范圍內(nèi)，可能原因是排放源數(shù)量和入河量等估算偏小。撈刀河下游控制單元S12氨氮濃度在冬季較高，但是氨氮年入河量未超過水環(huán)境容量，除了與控制單元S9的超標原因類似，可能與長沙樞紐調(diào)度導致河道壅水、污染物累積，冬季上游基流偏少， 河道稀釋能力較小有一定關(guān)系。

由圖3(b)可知，對于總磷來說，除了控制單元S1～S2、S10～S11剩余環(huán)境容量接近0外，其他控制單元的剩余環(huán)境容量均為負值，說明總磷應削減。S5～S6總磷入河量超過水環(huán)境容量較多，其污染負荷主要來自農(nóng)業(yè)源，可能是農(nóng)田收獲期稻田排水造成的，需要進行削減控制。S8～S9的剩余環(huán)境容量為-447.96～-381.21 t/a，其總磷排放主要來自農(nóng)業(yè)源，枯水期生態(tài)流量較少，污染物濃度相對較高[25]。總體來看，氨氮的水環(huán)境容量比總磷大10倍，這與水質(zhì)標準限值有關(guān)，也與河道水流條件、衰減系數(shù)等有關(guān)，因此總磷環(huán)境容量敏感性高于氨氮[26]。

圖3 各控制單元氨氮與總磷入河量、水環(huán)境容量及剩余環(huán)境容量Fig.3 Inflow, water environmental capacity, and remaining environmental capacity of ammonia nitrogen and total phosphorus at each control unit

2.4 污染物濃度和通量逐月變化

各控制單元出口氨氮和總磷濃度月變化如圖4所示。由圖4（a）、圖4（b）可知，大部分斷面氨氮濃度在8月達到局部峰值，9月后逐漸升高，11月達到最大值，可能原因是雨水沖刷化肥中多余氮，造成河道氨氮濃度增加[27]。氨氮濃度季節(jié)性變化較大，冬季升高，這可能是由于枯水期流量減少，對污染物稀釋能力減小造成的[28]?？刂茊卧猄9、S11～S12氨氮濃度較大，9—12月超過Ⅲ類水質(zhì)標準，S4和S6氨氮濃度在11—12月超過Ⅲ類水質(zhì)標準?？刂茊卧猄1～S3和S7位于流域上游，污染物濃度相比下游低且濃度變化范圍小，水質(zhì)較好?？刂茊卧猄11～S12位于撈刀河下游，一方面匯集上游污染物，另一方面區(qū)域內(nèi)分布較多工業(yè)企業(yè)，加之河道縱向比降小，河水流速緩慢，上游過境污染物容易累積并在適宜條件下釋放，因此該區(qū)域氨氮濃度較高。

圖4 各控制單元出口氨氮和總磷濃度逐月變化趨勢Fig.4 Monthly variation trend of ammonia nitrogen and total phosphorus concentration at the outlet of each control unit

由圖4（c）、圖4（d）可知，大部分斷面總磷濃度在9月后逐漸升高，并在11月達到峰值，除控制單元S6和S9外基本達到Ⅳ類水質(zhì)標準?？偭诐舛仍诳刂茊卧猄1～S3和S7較其他控制單元低，流域上游較下游低。流域上游總磷主要來自自然風化和局部農(nóng)業(yè)種植，土壤中總磷濃度接近礦物磷本底值，而流域下游總磷還來自人類活動排放，因此總磷濃度升高。冬季總磷濃度升高，可能是養(yǎng)殖業(yè)、生活用水和工業(yè)排放源導致的。

各控制單元氨氮和總磷通量逐月變化如圖5所示。由圖5可知，各控制單元出口氨氮和總磷通量在6—8月較高，總磷通量在6月后逐漸下降。氨氮通量峰值在降水量峰值之后，并在冬季11月有小峰值，這可能是生活源排放造成的。總磷通量逐月變化趨勢與降水量相似，可能受降雨徑流主導。氨氮和總磷通量在夏季增加，在一定通量范圍內(nèi)水中藻類數(shù)量增加，影響水下植物對陽光和氧氣的攝取，減少水生生物多樣性[29]。11月控制單元S9通量大于S12，可能原因是冬季流量減小，水流速較緩，污染物從控制單元S9到S12河道輸移過程中部分營養(yǎng)物質(zhì)淤積到河道底泥中，并且下游控制單元S12有閘壩蓄水時水量相比上游也會減小。

圖5 各控制單元氨氮和總磷通量逐月變化趨勢Fig.5 Monthly variation trend of ammonia nitrogen and total phosphorus fluxes at each control unit

綜上，氨氮和總磷入河量中農(nóng)業(yè)源占主導，主要來源是化肥農(nóng)藥隨雨水沖刷進入河道。需要對農(nóng)業(yè)源污染進行精準控制，通過調(diào)整施肥結(jié)構(gòu)等方式逐步減少農(nóng)藥化肥施用量，同時推廣有機肥和適用不同作物的病蟲害綠色防控技術(shù)?？刂茊卧猄3～S9的總磷入河量超過河道水環(huán)境容量，可能原因是水環(huán)境容量按照最枯月流量計算，而污染物濃度月變化較大。對于年尺度，未來應進一步將多源排放量進行時間精細化計算，對氨氮和總磷季節(jié)性超標問題開展研究。

3 結(jié)論

（1）撈刀河流域氨氮和總磷入河量的主要貢獻者是農(nóng)業(yè)源，其次是生活源，工業(yè)源和規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖排放量占比較小。氨氮入河量中農(nóng)業(yè)源占比為52%，生活源占比為26%，工業(yè)源占比為22%，而畜禽養(yǎng)殖排放占比小于1%。

（2）氨氮和總磷通量在多雨汛期較高，非汛期較低，如氨氮和總磷通量在7月是11月的6倍左右，說明污染物通量受降雨徑流驅(qū)動，這部分污染可能來自農(nóng)業(yè)源流失。汛后或枯季個別斷面氨氮和總磷濃度偏高，可能與河道基流偏小、生活源等排放偏高有關(guān)。

（3）冬季，污染物從控制單元S9到S12出口過程中淤積到河道底泥中。為改善該區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量，建議加強農(nóng)業(yè)源污染治理，推廣使用有機肥，提高化肥利用效率。河道流量、污染物濃度和環(huán)境容量有顯著季節(jié)性變化規(guī)律，需要在未來研究中加強流域各類污染物產(chǎn)生、排放、流失過程的高頻監(jiān)測和計算，對水環(huán)境質(zhì)量進行精準評估和實時排放管控，以滿足流域社會經(jīng)濟與水環(huán)境質(zhì)量高度協(xié)同發(fā)展。