茫溪河流域樂山段污染成因識(shí)別及防治對(duì)策研究

鐘 林，劉義青，付永勝，張 添，王 輝，張 兵

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611756；2.成都西交揚(yáng)華環(huán)保科技有限公司，成都 610000； 3.樂山市環(huán)境科學(xué)研究所，四川 樂山 614000；4.四川省樂山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川 樂山 614000)

前 言

河流是人類賴以生存的自然資源，為社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水利運(yùn)輸、生態(tài)環(huán)境作出巨大貢獻(xiàn)[1～3]。我國(guó)雖然水資源總量豐富，但人均占有量遠(yuǎn)低于世界水平，時(shí)空分布不均，水資源與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展勢(shì)必相互制約[4]。我國(guó)西南地區(qū)水系眾多水資源較豐富但分布不均，供需矛盾突出[5]，以丘陵地區(qū)小流域最為突出，大部分靠降雨補(bǔ)給，而降雨又集中在夏秋兩季，其余時(shí)期水資源困乏[6]。為解決用水問題通過構(gòu)筑水壩、坑塘等方式用于蓄水，破壞了河流流通性，加之產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，污染物入河現(xiàn)象多發(fā)，水環(huán)境遭受破壞。位于四川中部丘陵地區(qū)的茫溪河處于長(zhǎng)江上游重要生態(tài)屏障區(qū)，為岷江一級(jí)支流[7]，自身資源性缺水，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，地區(qū)需水量與供水量不成比例，污染物入河量較大，茫溪河水環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞，常年來(lái)水質(zhì)處于Ⅳ～V類，甚至個(gè)別時(shí)段出現(xiàn)劣V類水質(zhì)。有關(guān)茫溪河的研究不乏，劉瓊英和張喜長(zhǎng)[8]以2010年茫溪河水質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，得出其水質(zhì)處于V類與劣V類之間，結(jié)合污染源得出水質(zhì)主要受到農(nóng)業(yè)、生活污染影響；楊立夢(mèng)[9]利用輸出系數(shù)法給出茫溪河農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷及入河量；周勤[10]通過研究茫溪河水環(huán)境容量，得出茫溪河治理應(yīng)遵循總量控制原則；蔚輝等[11]利用MIKE11模型以日尺度預(yù)測(cè)其污染物的空間分布，為行政決策提供思路；凌冰等[12]通過構(gòu)建SWAT模型以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位給出每個(gè)區(qū)域的需水量，為水資源的分配做出科學(xué)依據(jù)；蔡孟林等[13]利用SWAT模型識(shí)別了茫溪河在汛期時(shí)以非點(diǎn)源污染為主。2022年樂山市小流域污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)專項(xiàng)重點(diǎn)工作要求茫溪大橋省控?cái)嗝嫒昶骄|(zhì)達(dá)地表水Ⅲ類水質(zhì)，2023年全年穩(wěn)定達(dá)Ⅲ類水質(zhì)，任務(wù)艱巨、時(shí)間緊迫。為此，本文以茫溪河流域樂山段(以下簡(jiǎn)稱茫溪河)為研究對(duì)象，基于調(diào)查茫溪河污染源信息和水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析茫溪河水質(zhì)規(guī)律，識(shí)別茫溪河污染成因，為茫溪河提出科學(xué)的防治對(duì)策。

1 研究區(qū)概況

茫溪河有東西兩源，西源主源發(fā)源于周坡鎮(zhèn)宋家坡，東源殷家河發(fā)源于仁壽縣大頂山至飛鴻山一帶，全程95km流域集水面積1218km2，河床坡降0.46%，流域流經(jīng)井研縣、市中區(qū)、五通橋區(qū)、犍為縣4個(gè)區(qū)縣，自上而下共7條支流匯入，干流主要涉及井研縣與五通橋區(qū)。其位置如圖1所示。

圖1 茫溪河流域位置圖Fig.1 Location of Mangxi river basin

隨著支流的依次匯入，河道徑流沿程增加。茫溪河徑流主要靠降雨補(bǔ)給，受季節(jié)性變化影響，據(jù)井研雨量站顯示，茫溪河多年平均降雨量為988.3mm，5～9月份降雨量占全年85.28%，其中7、8月是全年降雨最多的兩個(gè)月，茫溪河多年平均降雨量如圖2所示。5～10月徑流量占全年的80%以上，茫溪河被分為枯、平、豐3個(gè)水期，歷史資料顯示茫溪河多年平均流量7.6m3/s，多年平均徑流量5.82億m3。

為解決枯水期沿岸鄉(xiāng)鎮(zhèn)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉用水以及河流防汛等問題，茫溪河干流沿程依次修建了新橋水壩、蠶寶灘、千佛水壩、長(zhǎng)灘子水壩、牛頭灘水壩等5座水壩，破壞了水體天然流動(dòng)性，枯水期水壩關(guān)閘，部分區(qū)域易出現(xiàn)斷流。

圖2 茫溪河井研雨量站多年平均降雨量Fig.2 Multi-year average rainfall at Jingyan Rainfall Monitoring Station of Mangxi River

2 茫溪河干流水質(zhì)分析

2.1 斷面及評(píng)價(jià)方法

選取茫溪河干流新橋水壩、蠶寶灘、雙龍橋、黃金橋、長(zhǎng)灘子水壩、楊家河村2組、愛國(guó)橋、茫溪大橋等8個(gè)斷面，自上而下簡(jiǎn)稱S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，如圖3所示。針對(duì)主要污染因子總磷、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮，利用單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)其水質(zhì)情況。

圖3 茫溪河干流監(jiān)測(cè)斷面Fig.3 Monitoring section of trunk stream of Mangxi River

2.2 水質(zhì)時(shí)空變化分析

根據(jù)2020年1月至2022年7月共31個(gè)月茫溪河8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)3個(gè)指標(biāo)逐月濃度繪制水質(zhì)時(shí)空變化，如圖4～圖6所示。

圖4 茫溪河總磷時(shí)空變化Fig.4 Spatial-temporal variation of total phosphorus in Mangxi River

圖5 茫溪河氨氮時(shí)空變化Fig.5 Spatial-temporal variation of ammonia nitrogen in Mangxi River

圖6 茫溪河高錳酸鹽指數(shù)時(shí)空變化Fig.6 Spatial-temporal variation of permanganate index in Mangxi River

從時(shí)間緯度可知，2020年以來(lái)各斷面總磷濃度在每年的6～9月汛期時(shí)往往存在一個(gè)大幅度升高趨勢(shì)，呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性規(guī)律；S1～S6斷面在1～8月內(nèi)也多次出現(xiàn)過劣V類水質(zhì)，其中近幾年最高濃度為S2斷面監(jiān)測(cè)值0.94mg/L；S7與S8斷面在每年2～9月內(nèi)總磷會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，一般在5～7月易超標(biāo)。自2020年至今，茫溪河干流各斷面(除S2外)總磷達(dá)標(biāo)時(shí)段增多，整體上逐年改善。

從空間緯度可知，S1至S2經(jīng)過井研縣城及其支流殷家河匯入后S2總磷濃度絕大多數(shù)時(shí)期高于S1；S2至S5期間有兩條支流匯入增加了水環(huán)境容量，沿水流方向總磷濃度總體逐步下降直至趨于平穩(wěn)達(dá)標(biāo)，該規(guī)律在每年10～12月較明顯，但每年的5～7月存在一定波動(dòng)；S6～S8位于下游區(qū)域，斷面間距較長(zhǎng)，同期總磷沿水流方向總體呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)。

2.2.2 氨氮

從近些年時(shí)間變化趨勢(shì)可知，2～7月內(nèi)氨氮污染處于高發(fā)期，S1近幾年氨氮均能達(dá)標(biāo)；與總磷類似至S2、S3時(shí)氨氮明顯上升，每年1～7月內(nèi)氨氮污染易發(fā)，兩斷面污染最嚴(yán)重時(shí)期分別為2020年1月S2(4.68mg/L)，2021年2月S3(2.90mg/L)；中下游區(qū)域S4～S8氨氮污染情況較少，個(gè)別斷面在一年內(nèi)存在突發(fā)污染情況，但超標(biāo)倍數(shù)較低；氨氮污染存在突發(fā)性，整體來(lái)說也是逐年改善，特別是S2斷面，2022年僅1月超標(biāo)。

從空間緯度來(lái)說，氨氮污染主要集中在茫溪河中上游段，S2、S3兩斷面頻次最多，氨氮沿程變化總體為先增后降的趨勢(shì)，2022年起，S4～S6中氨氮濃度存在波動(dòng)，偶爾出現(xiàn)超標(biāo)情況。

2.2.3 高錳酸鹽指數(shù)

對(duì)前面1～8道工序的鑄造生產(chǎn)過程進(jìn)行分析，計(jì)算制砂任務(wù)與造型任務(wù)的制砂能力MCSand-making與造型能力MCModeling。

每年的10～12月及次年1月各斷面高錳酸鹽指數(shù)濃度較低，一般能夠達(dá)標(biāo)，其余月份高錳酸鹽指數(shù)頻繁超標(biāo)，有機(jī)物污染較重的時(shí)段集中在3～6月份，大部分時(shí)期各斷面高錳酸鹽指數(shù)在6mg/L～8mg/L間浮動(dòng)；近幾年出現(xiàn)的峰值為2021年4月S2(13.9mg/L)，其余時(shí)期各斷面間相差不大；高錳酸鹽指數(shù)總體較氨氮、總磷指標(biāo)平穩(wěn)，但改善不明顯。

全程來(lái)看，茫溪河中上游S1～S2經(jīng)過縣城后，一般存在小幅度上升，其余斷面自上而下變化規(guī)律性較弱，沿程微小波動(dòng)，總體趨于平穩(wěn)，但無(wú)法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

茫溪大橋斷面2022年1～7月總磷均值為0.17mg/L，氨氮為0.22mg/L，高錳酸鹽指數(shù)為5.9mg/L，雖均值能夠達(dá)標(biāo)，但總磷、高錳酸鹽指數(shù)接近Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，從其上游水質(zhì)情況可知，若要持續(xù)并穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，需剖析各區(qū)域污染成因，并加強(qiáng)管控。

3 污染成因分析

根據(jù)樂山市生態(tài)環(huán)境局提供資料以及實(shí)地踏勘，茫溪河污染源較以往已發(fā)生變化，現(xiàn)干流沿線產(chǎn)業(yè)主要以農(nóng)業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)為主，水產(chǎn)養(yǎng)殖主要集中在市中區(qū)與井研縣，沿線分布著零星的畜禽養(yǎng)殖點(diǎn)與工業(yè)企業(yè)，茫溪河農(nóng)業(yè)源、生活源、工業(yè)源等污染物排污量利用生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《排放源統(tǒng)計(jì)調(diào)查產(chǎn)排污核算方法和系數(shù)手冊(cè)》進(jìn)行估算。

(1)水產(chǎn)養(yǎng)殖負(fù)荷：經(jīng)過實(shí)地調(diào)查與區(qū)縣環(huán)保部門2021年資料統(tǒng)計(jì)，茫溪河流域內(nèi)市中區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖量為5075.00t/a，井研縣水產(chǎn)養(yǎng)殖量為16392.98t/a，五通橋區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖量為116.35t/a利用公式(1)計(jì)算得各區(qū)縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)污量，結(jié)果如表1所示。

W水產(chǎn)=N*α水產(chǎn)*10-3

(1)

W水產(chǎn)為水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物排放量，t/a；N為水產(chǎn)年養(yǎng)殖量，t/a；α水產(chǎn)為四川省水產(chǎn)養(yǎng)殖排污系數(shù)，其中α總磷=0.299g/kg，αCOD=18.316g/kg，α氨氮=0.791g/kg。

表1 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水產(chǎn)養(yǎng)殖排污負(fù)荷Tab.1 Pollution discharge load of aquaculture in each township (t/a)

續(xù)表1

(2)畜禽養(yǎng)殖負(fù)荷：根據(jù)調(diào)查與區(qū)縣環(huán)保部門2021年資料顯示，茫溪河流域內(nèi)以蛋雞、生豬養(yǎng)殖為主，近些年大規(guī)模的沿河養(yǎng)殖已取締，目前統(tǒng)計(jì)的養(yǎng)殖戶(農(nóng)家散戶未計(jì))主要集中在市中區(qū)、井研縣，市中區(qū)肉豬養(yǎng)殖5160頭，肉兔養(yǎng)殖10000只，肉鴨養(yǎng)殖6000只，肉雞養(yǎng)殖6000只，肉鵝養(yǎng)殖2200只；井研縣蛋雞養(yǎng)殖80000只，肉鴿養(yǎng)殖220000只，生豬養(yǎng)殖8824頭，肉雞養(yǎng)殖300只；五通橋區(qū)蛋雞養(yǎng)殖450只，生豬養(yǎng)殖20頭。相關(guān)畜禽排污系數(shù)具體值見表2(規(guī)模化養(yǎng)殖一般生豬出欄≥500頭；蛋雞、鵝、鴨存欄≥20000羽；肉雞、鵝、鴨出欄≥50000羽)。

表2 畜禽養(yǎng)殖排污系數(shù)Tab.2 Pollution discharge coefficient of livestock and poultry breeding (kg/只)

利用公式(2)計(jì)算各區(qū)縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)污負(fù)荷，結(jié)果如表3所示。

W畜禽=N*α畜禽*10-3

(2)

W畜禽為畜禽養(yǎng)殖特征污染物排放量，t/a；N為某種畜禽年養(yǎng)殖量，只/a；α畜禽為四川省畜禽養(yǎng)殖排污系數(shù)，kg/(只·年)。

表3 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)畜禽養(yǎng)殖排污負(fù)荷Tab.3 Pollution load of livestock and poultry breeding in each township

續(xù)表3

(3)生活源負(fù)荷：城鎮(zhèn)、農(nóng)村人口數(shù)據(jù)以樂山市全國(guó)第七次人口普查(2020年)為基準(zhǔn)，利用公式(3)和(4)，估算各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活源負(fù)荷，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

W農(nóng)村=N*α農(nóng)村*(1-β)*365*10-6

(3)

W農(nóng)村為農(nóng)村生活污水污染物排放量，t/a；N為農(nóng)村人口數(shù)，人；α農(nóng)村為排污系數(shù)，g/(人·天)；β為污染物綜合去除率。其中α總磷=0.22g/(人·天)，αCOD=34.13g/(人·天)，α氨氮=1.42g/(人·天)，β總磷=47%，βCOD=64%，β氨氮=53%。

W城鎮(zhèn)=W污水廠排放+W未收集利用

(4)

W城鎮(zhèn)為城鎮(zhèn)生活污水污染物排放量，t/a；W污水廠排放為城鎮(zhèn)污水廠污染物年平均排放量，t/a；W未收集利用為城鎮(zhèn)未收集利用污染物量。

表4 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活源排污負(fù)荷Tab.4 Pollution load of domestic pollutants in each township

續(xù)表4

(4)工業(yè)源負(fù)荷：區(qū)縣環(huán)保部門2021年資料顯示茫溪河流域內(nèi)外排污水的工業(yè)企業(yè)較少，僅有研城鎮(zhèn)意龍印染科紡有限公司、三江鎮(zhèn)桂祥化工等2個(gè)不涉磷的企業(yè)，尾水經(jīng)過處理后直排入河，根據(jù)年均排污情況得出，COD排污量分別為23.7t/a、0.7t/a；NH3-N排污量分別為1.3t/a、0.35t/a。

(5)農(nóng)業(yè)源負(fù)荷：由四川省2020年精度為1km的土地利用遙感地圖獲取茫溪河土地利用類型，得出研究區(qū)以水田、旱地為主，其余為林地，結(jié)合表5列出的排污系數(shù)，利用公式(5)估算各鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同土地利用類型的其產(chǎn)污量，結(jié)果如表6所示。

W農(nóng)業(yè)=N*α農(nóng)業(yè)*λ*10-3

(5)

W農(nóng)業(yè)為農(nóng)田徑流染物排放量，t/a；N為不同土地利用類型面積，畝；α農(nóng)業(yè)為不同土地利用類型排污系數(shù)，kg/(畝·年)；λ為修正系數(shù)取0.3。

表5 不同土地利用類型排污系數(shù)Tab.5 Discharge coefficient of different types of land use [kg/(畝·年)]

將上述各污染源負(fù)荷以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位匯總見表7，利用Arcgis10.2軟件繪制成圖，茫溪河產(chǎn)污負(fù)荷分布如圖7所示。

表7 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)排污負(fù)荷匯總Tab.7 Summary of pollution load of each township (t/a)

續(xù)表7

圖7 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)TP(a)、NH3-N(b)和COD(c)排污負(fù)荷Fig.7 Pollution load of TP (a)，NH3-N (b)and COD (c)in each township

由圖7可知，茫溪河各污染指標(biāo)排污負(fù)荷較多的區(qū)域：TP主要在研城、馬踏、茅橋、竹根；NH3-N在研城、白馬、馬踏、竹根；COD在研城、王村、馬踏、竹根等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

根據(jù)不同污染源排污負(fù)荷得出農(nóng)業(yè)、生活源占主導(dǎo)地位，如圖8所示。其中，TP以農(nóng)業(yè)源貢獻(xiàn)為主(占比68.26%)，其次為生活源(占比28.32%)、畜禽養(yǎng)殖(占比3.26%)、水產(chǎn)養(yǎng)殖(占比0.16%)；NH3-N以生活源貢獻(xiàn)為主(占比64.84%)，其次為農(nóng)業(yè)源(占比34.26%)、畜禽養(yǎng)殖(占比0.44%)、工業(yè)源(占比0.33%)、水產(chǎn)養(yǎng)殖(占比0.13%)；COD以生活源貢獻(xiàn)為主(占比78.95%)，其次為農(nóng)業(yè)源(占比17.07%)、畜禽養(yǎng)殖(占比3.33%)、工業(yè)源(占比0.41%)、水產(chǎn)養(yǎng)殖(占比0.24%)。

圖8 各污染源TP(a)、NH3-N(b)和COD(c)貢獻(xiàn)占比Fig.8 Contribution ratio of TP (a)，NH3-N (b)and substances with high COD (c)from various pollution sources

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

本文通過研究茫溪河水質(zhì)時(shí)空變化及污染源產(chǎn)污負(fù)荷得出：近幾年來(lái)茫溪河干流以IV類水質(zhì)為主，個(gè)別時(shí)期為V類、劣V類，中上游區(qū)域在2～7月易內(nèi)發(fā)生氨氮突發(fā)性污染，總磷污染易發(fā)生在5～9月份并呈現(xiàn)較強(qiáng)的季節(jié)性規(guī)律，高錳酸鹽指數(shù)除1月、11月、12月外全年大部分時(shí)期超標(biāo)；茫溪河以農(nóng)業(yè)、生活源污染為主，TP排放負(fù)荷較大的區(qū)域集中在研城、馬踏、茅橋、竹根，NH3-N集中在研城、白馬、馬踏、竹根，COD集中在研城、王村、馬踏、竹根等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

4.2 建議

為實(shí)現(xiàn)茫溪河水質(zhì)改善的目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際情況提出以下防治措施：

(1)構(gòu)建水系連通體系，增加區(qū)域水資源調(diào)配能力；統(tǒng)籌不同行業(yè)用水需求，合理分配水資源，避免水壩關(guān)閘導(dǎo)致下游斷流；沿河污水處理廠進(jìn)行出水提標(biāo)改造，可考慮采用人工濕地技術(shù)對(duì)尾水進(jìn)行深度處理，使出水達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，既減少污染物的入河量，又可以為茫溪河提供生態(tài)補(bǔ)水。

(2)針對(duì)農(nóng)業(yè)源污染，應(yīng)對(duì)所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)沿河農(nóng)田實(shí)施“縱溝改橫溝”，配套建設(shè)退水收集凈化設(shè)施，推廣滴灌、水肥一體化等技術(shù)應(yīng)用，實(shí)行測(cè)土配方施肥，使用低毒、低殘留農(nóng)藥；在干流千佛、三江、馬踏、王村沿線設(shè)置生態(tài)攔截帶，減緩面源污染。

(3)針對(duì)生活源污染，全面排查污水管網(wǎng)，修復(fù)破損管網(wǎng)，確保無(wú)污水溢流情況，推進(jìn)雨污分流工程建設(shè)，提高污水收集率，保證污水處理廠出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)；推進(jìn)農(nóng)村“廁污共治”工程解決沿線農(nóng)村生活污水直排問題。

(4)針對(duì)養(yǎng)殖業(yè)污染，推崇綠色養(yǎng)殖模式，科學(xué)飼養(yǎng)，精準(zhǔn)投料，配套環(huán)保設(shè)施，干流及支流沿河200米范圍內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖退出。