跨行政區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.合肥工業大學 土木與水利工程學院， 合肥 230009； 2.工業廢水及環境治理安徽省重點實驗室， 合肥 230088）

水環境容量是河流、 湖泊等水體的一種天然屬性， 是進行污染物總量控制的基礎［1］， 是制定水污染防治計劃的重要參考。 污染負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減排策略提供基礎［2-3］。 通過對二者的估算， 可以得到排入河流的污染物允許總量， 并對其進行適當分配， 以確保排放量在水環境容量的范圍內［4］。 Zhao等［5］研究了黃石水庫及其入庫支流的水環境容量及污染負荷情況， 發現TN 和TP 的污染負荷是水環境容量的1.34 倍和1.20 倍， 支流污染物需要大量削減才能使水庫達到水質目標。

河流往往流經不同的行政區域， 而這些來自不同責任主體的污染源輸入， 會使流域水污染治理變得困難。 目前有部分研究者針對跨行政區的流域進行了分析， 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行了污染負荷和水環境容量研究， 并針對不同控制單元制定了污染綜合治理措施。 目前對于小流域內不同行政區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河流，流域內各行政區域的產業結構不同， 排污負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困難。

本研究以二十埠河流域內各行政區為控制單元，通過采樣調查， 結合模型分析， 估算流域內各行政區的入河污染負荷， 計算不同行政區內的水環境容量， 以期為制定流域水質改善措施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

1.1.1 流域概況

二十埠河位于合肥東部， 流經新站區、 瑤海區和肥東縣3 個行政區， 于河上口匯入南淝河（圖1）。 河道總長約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 采樣點位置示意Fig.1 Sampling points location

1.1.2 控制單元劃分

為了研究各行政區入河污染負荷和水環境容量對整個流域的貢獻， 針對性地制定污染控制措施，按照行政區劃分成3 個控制單元， 沿上游開始依次為新站區、 瑤海區和肥東縣。 新站區內流域面積為67.55 km2， 以農業種植業為主， 河道兩旁設有工業園區， 其余部分多為城鎮居民生活區； 瑤海區（32.68 km2）以城鎮居民生活區為主； 肥東縣（35.77 km2）以農業種植和工業園區為主。

沿干流設置6 個采樣點， S1 位于新站區內河流起始處， S2 位于新站區和瑤海區交界處， 瑤海區內在現有水質監測斷面的基礎上設置S3 和S4 采樣點， 其中S3 位于人口較密集區域， S4 位于支流小板橋河匯入的上游， S5 位于瑤海區和肥東縣交界處， S6 位于肥東縣內河流入南淝河口處。 以上6個采樣點將二十埠河分為5 個河段， 如圖1 所示。

1.2 采樣方案及試驗方法

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， 迅速帶回實驗室， 用0.45 μm 濾膜過濾后置于4 ℃冰箱中冷藏避光保存， 24 h 內完成水質指標測定。

1.2.2 分析測試方法

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

（2） 河流和斷面水文參數。 在采樣過程中同步進行河流各斷面水文參數的測定和計算。 采用高精密聲學多普勒流速儀（Mirco-ADV）測定斷面流速；結合監測斷面過水面積， 計算斷面流量。

1.3 計算模型及參數確定

1.3.1 入河污染負荷估算

1.3.1.1 點源污染負荷

流域中點源污染負荷來源于支流匯入、 污水廠出水及河流沿岸主要排放口， 支流水質和水量根據實測獲得， 污水處理廠出水水質和水量數據由相關主管部門提供， 河流沿岸排放口水質水量由多次采樣實測獲得。

1.3.1.2 非點源污染負荷

流域非點源污染分為農村生活面源污染、 農業面源污染［7］、 城市生活地表徑流污染和工業活動地表徑流污染［8-9］。

（1） 農村生活、 農業面源污染。 農村生活、 農業面源污染使用輸出系數法計算［10］， 公式如下：

式中： L1i為某種污染物面源污染負荷， t／a；a1為修正系數； Ei為污染物在不同土地利用類型或人口中的輸出系數， t／（km2·a）或t／（萬人·a）； Ai為不同土地利用類型面積或人口的總數量， km2或萬人， 人口數據來源于《2021 年合肥市統計年鑒》，土地利用類型面積基于谷歌地圖計算獲得。

（2） 城市生活、 工業活動地表徑流污染。 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活動地表徑流污染， 公式如下：

式中： L2i為污染物徑流污染負荷， t／a； a2為徑流系數， 根據《安徽省水文手冊》， 取0.35； Ki為污染物在不同土地利用類型的EMC 值， mg／L，具體根據實測獲得； 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 入河污染負荷

依據各類污染負荷的差異性， 確定其入河系數， 參照式（3）、 （4）計算污染物入河負荷。

式中： L'1i為某種污染物的入河農村生活、 農業面源污染負荷， t／a； λ1i為農村生活、 農業面源污染負荷入河系數； L'2i為某種污染物的入河城市生活、 工業活動地表徑流污染負荷， t／a； λ2i為城市生活、 工業活動地表徑流污染負荷入河系數。 二十埠河流域各點源排口均位于河岸邊， 故入河系數取1.0。 農村生活污水排放比較分散， 大部分會被地表截留， 入河系數取0.5； 農業面源入河系數取0.2； 徑流污染入河過程中， 主要流經硬化路面，入河系數取0.8［12］。

1.3.2 水環境容量計算

1.3.2.1 一維河流水質模型

一維河流水質模型適用于河道寬度與水深較河道長度可以忽略的河流， 因此， 水環境容量計算選取一維模型計算， 其描述河流污染物一維穩態衰減規律的微分方程和水環境容量計算公式分別為［13］：

式中： Cx為流經x 距離后的污染物質量濃度，mg／L； Ct為一段時間后的污染物質量濃度， mg／L；C0為上斷面污染物質量濃度， mg／L； K 為污染物綜合降解系數， s-1； x 為沿河段的縱向距離， m； u為設計流量下河流斷面的平均流速， m／s； t 為時間， d； W 為水環境容量， 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， 二十埠河流域沒有水文站點， 因此使用實測平均值； q 為河段 的 污 水 排 放 量， m3／s； Cs為 河 段 的 水 質 目 標，mg／L， 本研究取GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中Ⅳ類水標準。

1.3.2.2 污染物綜合降解系數

污染物綜合降解系數是反映水中污染物質在河段長度方向上濃度發生衰減的綜合系數。 但實際情況中出現了下游斷面水質濃度大于上游斷面的現象， 導致綜合降解系數出現負值的情況， 與其物理意義不符， 因此， 考慮加入一項修正項進行修正。

式中： K0為實驗室條件下的降解系數， s-1； K1為忽略點、 面污染源部分的影響系數， s-1。

K0確定方法為： 從采樣點將水樣采集后， 迅速帶回實驗室， 將水樣置于室溫下， 逐日測量水質情況， 根據式（6）對其進行擬合得到。

K1確定方法為： 首先收集河段內水質和水文數據， 根據式（9）［14］計算平均流速下的初始K 值，隨后根據測得的K0值， 得到初始K1值。

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

根據實際水質采用最小二乘法與最速下降法相結合進一步對K1進行率定， 使得水質模型更可靠。K1與平均流速u 的關系采用經驗公式［15］：

式中： a、 b 為系數。 根據率定完成的a、 b 值得到K1， 并結合K0， 最終得到K 值。

2 結果與討論

2.1 河流水質

各斷面水質如圖2 所示， 按照河流功能區劃及水質目標定位（地表水Ⅳ類）， COD 和NH3-N 的超標情況較為明顯， 斷面超標率分別為27.1%和25.0%。 瑤海區河段的水質最差， 該區域內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， 這可能與該區域城鎮生活污水收集效率不高相關。

圖2 各采樣點水質Fig.2 Water quality of each sampling point

2.2 流域入河污染負荷分析

2.2.1 流域總體分析

二十埠河流域入河污染負荷如表1 所示。 位于上游的新站區對河流污染貢獻率最高， 該區內COD和TP 的貢獻率分別占總流域的47.88%和45.66%；下游肥東縣內包含大片農田， 使得NH3-N 污染負荷的貢獻率最高， 占流域總量的37.96%。

表1 二十埠河流域各區入河污染負荷Tab.1 Pollution load of water flow into river from different districts of Ershibu river basin

2.2.2 污染源分析

不同污染源對流域入河負荷的貢獻率如圖3 所示。 在整個流域中， 點源為最重要的污染源， 其入河負荷顯著高于其他污染源， 各污染指標的入河負荷貢獻率達47.3%～65.4%； 城鎮生活則對COD 入河負荷貢獻率較大（28.0%）； 農業面源污染對NH3-N 入河負荷貢獻率亦不容忽視（23.3%）； 農村生活污染入河負荷顯著低于其他污染源， 各污染指標的入河負荷貢獻率均小于2.0%。

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

在新站區內， 陶沖污水處理廠和陶沖支流為重要點源， 其尾水（匯流）水質對控制單元內的入河負荷影響顯著， 依據監測及計算結果， 由點源引起的COD 和TP 入河負荷顯著高于其他污染源（圖3（a））；各污染源的NH3-N 入河負荷總體差異不顯著， 因控制區內存在大量農業種植區， 農業面源造成的NH3-N 入河負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中， 點源仍是最重要的污染源（圖3（b））， 除點源污染外， 城鎮生活徑流污染貢獻量較大， COD、 NH3-N 和TP 的入河負荷分別為350.64、 7.72 和1.42 t／a， 該控制單元內城鎮人口數量大， 區域內目前僅有1 座污水處理廠和2 座應急污水處理站， 導致了城鎮生活源污染負荷較高， 居民生活污水的收集與處理率亟待加強。

位于下游的肥東縣內尚未建污水處理廠， 其居民生活污水通過管網輸送到其他行政區的污水處理廠， 而目前管網建設不夠完善， 仍存在管道混接、錯接及部分老舊管網待改造的情況， 因而點源入河污染貢獻較高（圖3（c））； 另外， 二十埠河匯入南淝河處（河上口）有大片農田和散戶畜禽養殖， 導致農業源造成的NH3-N 入河負荷貢獻率較高。

2.3 水環境容量計算與分析

2.3.1 模型驗證

對K0進行擬合并與K1進行率定后， 利用實測值與預測值進行對比驗證， 結果如圖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（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 實測值與預測值的對比Fig.4 Comparison of measured and predicted values

2.3.2 流域水環境容量分析

根據獲得水質、 水文數據以及確定的綜合降解系數， 以地表Ⅳ類水作為水質目標， 計算出水環境容量， 預留出水環境容量的10% 為經濟發展及突發性環境風險的安全余量［17］， 再減去入河負荷， 得到剩余水環境容量［18］， 結果如表2 所示。

表2 流域內剩余水環境容量Tab.2 Residual water environmental capacity in the watershed

由表2 可知， COD 和TP 的水環境容量均有較大余量， 汛期內分別為6 068.85 和217.69 t／a， 非汛期內分別為5 655.07 和147.06 t／a。 其中， 位于流域中部的瑤海區河段COD 和TP 的剩余水環境容量貢獻量最大， 汛期內占比分別為78.35%和54.22%， 非汛期內分別占55.07%和52.79%， 一方面由于瑤海區入河負荷較低， 另一方面是因為該區域河段污染指標背景值較低。 對于NH3-N 而言， 雖然總剩余水環境容量為正值， 但新站區（汛期）和肥東縣（非汛期）河段出現了負值的情況， 表明對應時段內子流域內已無能力再容納污染物， 為了實現控制目標，分別需要削減入河NH3-N 負荷21.60 和81.18 t／a。

從時間上來看， 汛期中的剩余水環境容量總體上大于非汛期， 特別是NH3-N， 汛期內的剩余水環境容量為293.93 t／a， 遠大于非汛期的-1.22 t／a。王萬賓等［19］的研究結果也顯示豐水期的水環境容量大于平水期， 這與本研究的結論相似， 可能由于汛期內徑流量大于非汛期導致了這種情況的出現。

3 結論

（1） 依據功能區劃及水質目標定位（地表水Ⅳ類）， 二十埠河水質存在超標現象， 主要超標指標為COD 和NH3-N。 點源為流域內最重要的污染源，由點源產生的各主要污染物入河負荷貢獻率達47.3%～65.4%， 城鎮居民生活（COD 貢獻率28.0%）及農業面源污染（NH3-N 貢獻率23.3%）對二十埠河的污染不容忽視， 農村生活污染貢獻率低， 各主要污染物入河負荷貢獻率均不足2.0%。

（2） 因產業結構、 污染治理現狀等不同， 各行政區域（控制單元）對河流的污染貢獻率存在差異，位于上游的新站區（農業種植、 工業園區及城鎮居民生活區）面積大， 對二十埠河的污染貢獻率最高（COD 占比47.88%， TP 占比45.66%）； 位于下游的肥東縣內存在大片農田和散戶畜禽養殖， 造成NH3-N 入河負荷較高（37.96%）。

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

（4） 為了改善二十埠河流水質， 點源污染控制應作為工作重點； 同時， 做好新站區和肥東縣內農業種植區的面源污染控制， 可削減NH3-N 入河負荷， 解決NH3-N 環境容量不足這一問題。