底洞溝流域污染溯源及水環(huán)境容量研究

馬秋霞， 逄 勇， 胥瑞晨， 宋為威， 胡祉冰

(1.河海大學 環(huán)境學院， 江蘇 南京 210098； 2.河海大學 淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

隨著人口的增長與經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，水環(huán)境污染日益加劇。水環(huán)境容量的研究對控制水域污染物排放總量以及保護和改善水生態(tài)環(huán)境具有重要意義[1-2]，因而針對流域污染負荷和水環(huán)境容量計算方法的研究也逐漸成為學者們關注的焦點[3-5]。

入河污染負荷是指各污染源在單位時間內向水域排放的污染物總量，而污染物入河量是入河污染負荷的主要表達方式[6]。水環(huán)境容量是指在給定的水質目標和水文設計條件下，水域的污染物最大允許排放量[7]。目前應用較普遍的水環(huán)境容量計算方法包括模型試錯法[8]、概率稀釋模型法[9]、解析法[10]和系統(tǒng)分析法[11]等，在這些計算方法的應用中，大多以水量、水質模型為基礎，建立數(shù)學模型對水環(huán)境容量進行研究。瞿一清等[12]通過建立二維數(shù)學模型對城南河進行了水量、水質模擬，并對控制斷面達標下的水環(huán)境容量進行了研究，提出了兩種水質提升措施；王雪等[13]通過構建模型對枯水期不同保證率條件斷面達標下禿尾河污染物排放總量控制進行了研究，并提出了多種總量控制方案；韓梓流等[14]基于京杭運河五牧斷面的水質達標情況，建立一維數(shù)學模型對研究區(qū)域進行了水環(huán)境容量研究。總體而言，以上研究缺乏對研究區(qū)域污染物的來源分析，提出的解決方案針對性不強，且水環(huán)境容量的計算結果精度不高。

本文以底洞溝流域為研究區(qū)域，基于《重慶市北碚區(qū)統(tǒng)計年鑒2018》，分析底洞溝流域各污染物的主要來源，構建一維非恒定流數(shù)學模型并耦合Thomas算法對其水環(huán)境現(xiàn)狀進行研究，為底洞溝河道治理提供具有方向性的措施和建議。

2 資料來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

底洞溝流域(106°26′E～106°29′E；29°44′N～29°47′N)位于重慶市北碚區(qū)蔡家崗街道施家梁鎮(zhèn)境內，是嘉陵江下游段右岸一級支流，處于中梁山中段東麓，大致呈狹長的西南至東北走向。底洞溝發(fā)源于嘉陵江流域西南部尖頂坡一帶，源頭段東流至瓦房子，之后折而流向東北方向，蜿蜒穿行于兩翼山脈之間的槽谷內，沿途分別經(jīng)狗腳灣、龍家橋、獅子壩、黑龍?zhí)兜鹊兀瑓R納左岸老廠溝支流、底溝洞支溝、趙家溝支流，最后在嘉陵江流域東北角匯入嘉陵江。底洞溝流域面積為11.6 km2，干流長度為7.8 km，平均比降為16.9‰。底洞溝流域地理位置及主要水系見圖1。

圖1 底洞溝流域地理位置及主要水系

2.2 研究方法

2.2.1 野外同步監(jiān)測 本研究于2019年2月27日至3月2日進行野外同步監(jiān)測，在底洞溝流域內設置入嘉陵江斷面(A斷面)、施家梁-蔡家崗交界斷面(B斷面)2個監(jiān)測斷面(圖1)，按照要求進行水樣采樣，并分別參考相關規(guī)范(GB 11892—1989、HJ 535—2009和GB 11893—1989)對水樣中的CODMn、氨氮和總磷進行測定。

2.2.2 入河污染負荷計算 本次污染物產(chǎn)生量及入河量采用污染源調查方法進行計算，主要對工業(yè)企業(yè)、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、農(nóng)田面源及畜禽養(yǎng)殖進行污染物入河量分析，污染物入河量W的計算公式如下：

(1)

式中：Ni為第i種類型污染源的數(shù)量或面積；αi為第i種類型污染源的污染物排放系數(shù)，本文工業(yè)企業(yè)污染物排放系數(shù)由重慶市《2018年四清四治企業(yè)許可證臺賬》提供，城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、農(nóng)田面源及畜禽養(yǎng)殖污染物排放系數(shù)取值于《第一次全國污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊》，詳見表1；βi為第i種類型污染源的污染物入河系數(shù)；γi為第i種類型污染源的污染物修正系數(shù)。

表1 各污染源的污染物排放系數(shù)取值

2.2.3 水環(huán)境容量計算 綜合考慮水文、污染來源等因素，對研究區(qū)域內進入水功能區(qū)的各污染源進行概化，通過查閱《中華人民共和國水文年鑒》第6卷9冊《長江流域水文資料——嘉陵江區(qū)》，取90%保證率下降雨徑流計算結果作為設計水文條件，取重慶市北碚區(qū)2019年河長制水質斷面現(xiàn)狀監(jiān)測的不利值作為水質邊界，利用一維非恒定流數(shù)學模型和Thomas算法，計算得到入嘉陵江斷面水質達Ⅲ類水標準時各概化排口的允許排污量，各概化排口的允許排污量之和即為基于考核斷面水質達標的水功能區(qū)水環(huán)境容量。

(1)水動力模型。以描述明渠一維非恒定流、補充了漫灘和旁側入流的圣維南方程組作為水動力計算的控制方程，包括連續(xù)性方程和動量方程[12,15-17]，方程組如下：

(2)

式中：Q為流量，m3/s；b為調蓄寬度，指包括灘地在內的全部河寬，m；x為沿水流方向空間坐標，m；t為時間，s；q為旁側入流流量(將概化排污口視為點源從岸邊匯入底洞)，m3/s，入流為正，出流為負；h為水位，m；α為動量校正系數(shù)；R為水力半徑，m；g為重力加速度，m/s2；Cz為謝才系數(shù)；A為主槽過水斷面面積，m2。

(2)對流擴散模型。污染物的擴散、隨水流的運動及自身的降解決定著污染物在水中的濃度及分布，一維對流擴散方程為對流擴散模塊的控制方程[12,15-17]，方程式如下：

(3)

式中：Q為流量，m3/s；x為沿水流方向的空間坐標，m；A為主槽過水斷面面積，m2；D為縱向擴散系數(shù)；C為物質濃度，mg/L；C1為源匯濃度，mg/L；K為線性衰減系數(shù)，s-1；t為時間，s；q為旁側入流流量，m3/s。

(3)Thomas算法。本次水環(huán)境容量研究中采用Thomas算法對水動力方程組和對流擴散方程式進行最終求解。存在3對角線性方程組Ax=f，A可分解為兩個三角線性方程組P、Q[18]：

(4)

(4)概化排污口設置。研究區(qū)污染源共概化為6個排污口，底洞溝上游概化為1#、2#和3#排污口；下游概化為4#、5#和6#排污口，各概化排污口分布見圖1。

(5)水環(huán)境容量合理性分析。水環(huán)境容量合理性指標R：

R=|L-K|

(5)

(6)

(7)

式中：L為水質超標率，%；Cp為現(xiàn)狀水質濃度，mg/L；Cs為水質標準濃度(GB 3838—2002河道Ⅲ類水標準)，mg/L；K為污染物需削減率，%；WP為污染物入河量，t/a；WC為水環(huán)境容量，t/a。

瞿一清等[12]和韓梓流等[14]在基于斷面水質達標的水環(huán)境容量計算研究中提出，若R在30%以內，則計算所得的水環(huán)境容量基本合理。

CODMn與CODCr兩者之間存在顯著的相關性與一定的線性關系[19-22]，以CODMn濃度為X，CODCr濃度為Y，根據(jù)重慶市北碚區(qū)2019年河長制斷面水質監(jiān)測值可得線性回歸方程Y=3.15X+1.25。CODMn和CODCr的水質超標率的計算公式如下：

(8)

(9)

LCODMn=LCODCr

(10)

因此，CODMn的水質超標率也可用于分析CODCr的水環(huán)境容量計算結果的合理性。

3 結果與分析

3.1 現(xiàn)狀水質評價

圖2為野外同步監(jiān)測的2019-02-27至2019-03-02底洞溝A、B監(jiān)測斷面水質指標現(xiàn)狀。由圖2中的監(jiān)測結果可知，A、B兩個監(jiān)測斷面在2019年2月27日至3月2日期間各項水質指標濃度變化幅度較小，其中CODMn均達標，氨氮和總磷均超標。A斷面氨氮平均濃度為1.71 mg/L(平均超標71%)，總磷平均濃度為0.31 mg/L(平均超標55%)；B斷面氨氮平均濃度為4.78 mg/L(平均超標3.78倍)，總磷平均濃度為0.21 mg/L(平均超標5%)。

圖2 2019-02-27-2019-03-02底洞溝A、B監(jiān)測斷面水質指標現(xiàn)狀

3.2 水污染溯源分析

根據(jù)《重慶市北碚區(qū)統(tǒng)計年鑒(2018年)》《北碚區(qū)2018年四清四治企業(yè)名單》以及《北碚區(qū)畜禽養(yǎng)殖情況統(tǒng)計表(20生豬當量以上)》將底洞溝水質污染源分為工業(yè)企業(yè)、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、農(nóng)田面源和畜禽養(yǎng)殖，并計算出各污染源對入河水質指標的貢獻率，如圖3所示。由圖3可計算出底洞溝流域各污染物入河量分別為：CODCr361.2 t/a、氨氮43.1 t/a、總磷3.9 t/a。對圖3中污染源構成進行分析，城鎮(zhèn)生活源對污染物的入河量的貢獻率最大，其各污染物入河量分別為：CODCr286 t/a、氨氮32.7t/a和總磷2.9 t/a， 各占總污染物入河量的79.2%、75.9%和74.3%；工業(yè)企業(yè)、農(nóng)村生活和農(nóng)田面源對各污染物入河量的貢獻率均較小。由于研究區(qū)域內無規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖廠，因而畜禽養(yǎng)殖幾乎無貢獻。

圖3 2019-02-27-2019-03-02底洞溝水質污染源構成及其貢獻率

根據(jù)區(qū)域特征對各概化排污口進行污染物入河量分析，結果見圖4。圖4表明，底洞溝上游是各污染物入河量的主要來源，其中3#概化排污口對污染物入河量的貢獻最大，達34%，其各污染物入河量分別為：CODCr125.6 t/a、氨氮14.1 t/a、總磷1.3 t/a；2#和1#概化排污口的貢獻率分別為31%和27%。

圖4 底洞溝各概化排污口污染物入河量

3.3 水環(huán)境容量分析

3.3.1 模型參數(shù)率定 根據(jù)野外同步監(jiān)測結果，采用試錯法對水質模型參數(shù)進行率定，模擬時段計算值與實測值的對比如圖5所示。由圖5中的結果經(jīng)統(tǒng)計分析得出CODMn、氨氮和總磷的模擬平均相對誤差分別小于13%、7%和16%，表明模擬結果與實際值擬合較好。底洞溝CODMn降解系數(shù)為0.09～0.11 d-1，氨氮降解系數(shù)為0.065～0.080 d-1，總磷降解系數(shù)為0.060～0.075 d-1， 表明該水質模型可用于水環(huán)境容量的精準計算。

圖5 2019年模擬時段內底洞溝水質模型計算值與實測值的對比

3.3.2 計算結果與合理性分析 利用已建立的水環(huán)境數(shù)學模型，計算得到的滿足入嘉陵江斷面(監(jiān)測斷面A)達Ⅲ類水質目標的各概化單元允許排污量見表2。如表2所示，底洞溝上游允許排污量遠大于下游，約占總允許排污量的87%；1#、2#和3#概化排污口的允許排污量基本處于同一水平，其中3#徐家院子河段的CODCr允許排污量最大，約占CODCr總允許排污量的35%；2#三溪村河段的氨氮和總磷允許排污量最大，分別占各自總允許排污量的33%和32%。

表2 底洞溝各概化單元允許排污量

將底洞溝污染物入河量與水環(huán)境容量進行對比分析，底洞溝CODCr水環(huán)境容量為390.2 t/a，CODCr入河量為361.2 t/a，理論上無需削減；氨氮水環(huán)境容量為16.3 t/a，氨氮入河量為43.1 t/a，理論上需要削減26.8 t/a(需削減62%)；總磷水環(huán)境容量為2.2 t/a，總磷入河量為3.9 t/a，理論上需要削減1.7 t/a(需削減44%)。

基于入嘉陵江斷面(監(jiān)測斷面A)的水質，本文計算得出的氨氮和總磷的水質超標率與需削減率之差均在20%以內，說明本次研究計算的水環(huán)境容量值是合理的。

4 討 論

對底洞溝流域污染負荷的研究表明，城鎮(zhèn)生活源是污染物入河量的最大貢獻者，各污染物平均約占總入河量的76.5%，因而城鎮(zhèn)生活源對水環(huán)境的污染不容忽視。造成城鎮(zhèn)生活污水排入河道的主要原因可歸納為污水管網(wǎng)設計不合理、資金短缺造成污水處理不當以及城市污水處理的善后問題[23-25]。為改善城市污水處理問題，應做好城市污水處理規(guī)劃，加強對污水管網(wǎng)的維護，嚴控污水處理標準，建立完善的運營、管理機制，提高管理水平，積極滿足城市居民日常生活[26]。

經(jīng)現(xiàn)場勘查、污染溯源分析及水環(huán)境容量研究可知，底洞溝上游蔡家崗鎮(zhèn)建有的污水處理廠出水達不到排放標準，河道沿途污水管道多處破損、地下管網(wǎng)混亂，使富含氮元素與磷元素的城鎮(zhèn)生活污水直排進入河道，氨氮和總磷的入河量大于水環(huán)境容量，需要對其削減。

現(xiàn)針對底洞溝流域實際問題，并響應“十三五”規(guī)劃綱要，本研究建議對蔡家崗鎮(zhèn)和施家梁鎮(zhèn)實施污水管網(wǎng)整治、污水處理廠提標改造等措施，使城鎮(zhèn)生活污水收集處理率提升至85%。在整治措施實施后，CODCr、氨氮和總磷可分別削減113.5、27.8和2.4 t/a，通過已構建的一維非恒定流模型預測入嘉陵江斷面(A斷面)CODMn、氨氮和總磷的年平均濃度值分別為3.51、0.96和0.19 mg/L，可滿足河道地表水Ⅲ類水標準，故此次建議措施對底洞溝流域水質整治具有一定的指導意義。

5 結 論

通過對底洞溝流域現(xiàn)場勘查監(jiān)測、污染溯源分析和水環(huán)境容量研究，得出以下結論：

(1)底洞溝流域CODCr、氨氮、總磷入河量分別為361.2、43.1、3.9 t/a，相應的水環(huán)境容量分別為390.2、16.3、2.2 t/a。其中氨氮、總磷入河量大于水環(huán)境容量，需要對氨氮、總磷進行污染物削減，從而改善底洞溝水質，使底洞溝入嘉陵江斷面水質達標。

(2)通過水污染溯源分析可知，城鎮(zhèn)生活源對污染物入河量的貢獻最大，平均約占總污染物入河量的76.5%，對城鎮(zhèn)生活源的管控成為流域水質整治的主要方向。經(jīng)勘查發(fā)現(xiàn)，底洞溝流域上游污水處理廠出水不達標，河道沿途污水管網(wǎng)破損、混亂，使富含氮元素和磷元素的城鎮(zhèn)生活污水直排進入河道，導致底洞溝入嘉陵江斷面水質不達標。

(3)建議對區(qū)域城鎮(zhèn)生活污染源進行整治，應重點通過新建、改建、修建區(qū)域污水管網(wǎng)以及對城鎮(zhèn)生活污水廠進行提標改造，以減少區(qū)域污染負荷，保障區(qū)域水生態(tài)安全，維護水生態(tài)系統(tǒng)功能，實現(xiàn)水資源與水生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展。