吳貽創(chuàng)，何守陽，楊應增，吳 攀，韓志偉，吳起鑫

(1.貴州大學自然資源部喀斯特環(huán)境與地質災害重點實驗室，貴陽 550003；2.貴州大學資源與環(huán)境工程學院，貴陽 550003)

0 引 言

水環(huán)境容量是指在給定流域范圍和設計水文條件下，滿足規(guī)定排污方式和環(huán)境目標，單位時間內該水域的最大允許納污量[1]，亦稱之為同化容量和最大日負荷總量(歐美國家)[2-5]，也可稱之為涵容能力(中國臺灣地區(qū))[6]，影響水環(huán)境容量的主要因素有水域特征、污染特征、水質目標等。確定水環(huán)境容量是實行區(qū)域水環(huán)境管理的基礎及水污染物總量控制的依據[7]，目前國內對于水環(huán)境容量的計算方法主要有公式法、模型試錯法、概率稀釋模型法、系統(tǒng)最優(yōu)化法和未確知數學法等計算方法，李曉玲[8]等人基于一維和二維水環(huán)境容量模型，在不同的水文條件下，計算得出漢江流域的COD水環(huán)境容量。張荔[9]等人基于WASP6水質模型計算出渭河陜西段水環(huán)境容量，對比分析節(jié)水增流前后的水質變化，提出了節(jié)水增流減污的污染治理方案。尤作亮、胡炳清[10,11]等人對概率稀釋模型法進行剖析和改進，提高了其適用性和可操作性。劉江[12]等人基于水質響應模型與規(guī)劃法耦合的方法，通過水流水質模型求得各排污口在單位負荷下的響應場，建立排污口負荷與控制點之間的響應關系，建立了排污總量的線性規(guī)劃模型，計算得出博斯騰湖污染物的水環(huán)境容量。尹念輔[13]等人運用盲數理論定義了水環(huán)境系統(tǒng)參量盲數，得到了盲信息下水環(huán)境容量計算模型，并計算得出四川省西充河的水環(huán)境容量。其中，公式法被公認為是各類方法的基礎，該方法思路清晰、計算簡便、適用面廣，現(xiàn)已被《全國水環(huán)境容量核定技術指南》[1]選用為水環(huán)境容量的計算方法。而控制單元的劃分有利于水環(huán)境容量的核算，是水質目標管理技術體系的基礎工作。進行污染控制單元劃分，實現(xiàn)從污染源、水環(huán)境容量和水體水質三者之間的響應，科學制定控制單元的污染物削減計劃和建立流域水質標準管理體系，循次而進解決流域水體環(huán)境問題。目前，許多發(fā)達國家針對本國的水質污染情況，已經建立了完善的流域水質目標管理體系，如美國的TMDL管理體系[14,15]，歐盟的萊茵河流域管理模式[16]，日本的總量控制計劃[17]，而我國這方面的研究起步較晚[18-22]，在20世紀70年代引進水環(huán)境容量的概念，隨之開展相應的研究工作，無論是初期對水環(huán)境容量理論概念的探索與爭論[23]，還是后來對水環(huán)境容量應用實踐的不斷嘗試，都在我國水環(huán)境容量研究中留下了深深的印記，在這40多年間，我國水環(huán)境管理逐步實現(xiàn)從末端控制到全過程管理和從目標總量控制到容量總量控制的巨大轉變[24]，理論研究和實踐應用日臻完善，但仍是存在諸多問題，目前我國對于水環(huán)境容量的研究主要集中在非喀斯特地區(qū)[8-13,25-31]，喀斯特山區(qū)河流水環(huán)境容量也基本采用上述方法核算與研究。然而與非喀斯特流域相比，喀斯特山區(qū)流域為典型的二元水文地質結構，即存在地表、地下兩套地貌結構場、兩個水系、兩個分水嶺和兩個流域等，地表和地下流域邊界復雜且常不重合，但又通過水力聯(lián)系構成一個密不可分的整體。地表水與地下水交換頻繁迅速，地表水、地下水耦合成一個復雜的系統(tǒng)，降雨產生的地表水及其攜帶的污染物質通過天窗、漏斗、豎井、巖溶裂隙等渠道匯入地下河系，由地下河出口排泄出流域。因此，喀斯特山區(qū)河流水環(huán)境容量核算時應考慮地表水和地下水頻繁迅速交換產生的水環(huán)境容量變大或變小等失真情況，如何根據喀斯特流域的水文地質條件對山區(qū)河流水環(huán)境容量的實施精準核算是喀斯特山區(qū)河流污染防治精準施策的基礎工作，相關研究涉及較少，喀斯特山區(qū)河流水環(huán)境容量核算有待進一步深入研究[32-35]。

論文選取的魚梁江流域地處喀斯特山區(qū)，土層稀薄，熔巖洼地、落水洞、天窗發(fā)育，地表水與地下水交換迅速頻繁，水環(huán)境十分脆弱，地表污染物在雨水的沖刷下通過落水洞、豎井、天窗等巖溶管道進入地下河，甚至部分城市、工業(yè)廢水直接排入落水洞，地下水被污染；進入地下河的污染隨水流輸送至地表后造成二次污染[36]，入河的污染負荷量難以核算，在水環(huán)境容量的核算與管理方面增加了流域水環(huán)境治理難度。我們針對魚梁江河段的水文地質特征、流域水質變化、污染源負荷及其排放以及污染物運移通道等特點，確定流域污染防控的優(yōu)先區(qū)域和重點對象，對流域的水環(huán)境容量進行了單元化核算并提出了單元化精準污染防治對策，并嘗試探討依據多水文情勢下水環(huán)境容量變化更加合理分配污染物排放與削減，為流域水環(huán)境污染治理方案和管理措施的精準制定與實施提供科學決策支持。

1 研究區(qū)概況

魚梁江流域主要位于貴州省黔南州福泉市境內，地理位置介于東經 107°14′24″～107°45′35″，北緯26°32′28″～27°02′23″，流域內的干流魚梁江屬長江流域沅江水系清水江二級支流，發(fā)源于貴州省麻江縣壩芒鄉(xiāng)，見圖1所示。本文研究區(qū)域主要為魚梁江流域的福泉境市境內，包括福泉市區(qū)及龍昌鎮(zhèn)，總面積為1 488 km2，人口50.72 萬人。研究區(qū)域地處中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，熱量豐富，雨量充沛，雨熱同季的特點。地處揚子準臺地的黔南凹陷褶斷帶，地勢西部和北部高，東部次之，中部和南部較低。西南部為中山地貌，中部為山間盆地及丘陵，其余大部分為低中山地貌。流域內水系發(fā)達，沿途接納后河、皮隴河、衛(wèi)阻河、平堡河和阿里堡河等大小支流。流域內大部分工礦企業(yè)及其排污口均位于主要河流附近，城鄉(xiāng)居民沿河而居，沿河兩岸分布著大大小小的灌區(qū)。從污染物排放源頭來看，河流接納點源、面源、生活污染物較大，其中尤以魚梁江、后河、皮隴河段接納污染物量較多。通過實地調查，區(qū)域內溶洞、落水洞、豎井、泉眼等較為發(fā)育，魚梁江為該區(qū)域巖溶地下水的排泄基準面，大氣降水通過巖溶裂隙、管道和落水洞入滲后形成地下水以泉眼和暗河等形式于河岸排泄補給河流。研究區(qū)內共發(fā)現(xiàn)4個流量較大的地下水集中排泄口，且為地下水排泄單向補給河流，其中發(fā)財洞排泄口發(fā)育于T2f2巖溶裂隙強含水巖組中，排泄流量最大，且枯豐流量變化范圍較大，約在200～1 050 m3/h；爛木橋和吳家橋排泄口發(fā)育于T1d巖溶裂隙中等含水巖組中，排泄口的出水流量在80～140 m3/h之間；龍井灣排泄口發(fā)育于T1d3巖溶孔隙中，出水流量范圍為250～300 m3/h。上述4個地下水集中排泄口也是地表污染通過巖溶管道排出影響魚梁江河流水環(huán)境及其容量的關鍵點。本次研究統(tǒng)計分析2011-2017年研究區(qū)域各河流水質年均濃度值及相應水質目標值，采用單因子法進行分析并選取超標情況相對較大的氟化物(F-)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)為主要污染物。

圖1 魚梁江流域地理位置及控制單元劃分Fig.1 Geographic location and division of control units in the Yuliangjiang river basin

2 研究方法

2.1 水質趨勢分析方法

Daniel的趨勢檢驗法是衡量環(huán)境污染變化趨勢在統(tǒng)計上有無顯著性的最常用的方法[37,38]，該方法使用spearman秩相關系數來衡量監(jiān)測周期的年均濃度值的污染變化趨勢，采用該方法可以全面分析水質的變化趨勢，簡要精確，適用單因素的小樣本數的相關檢驗[39]，計算公式如下:

(1)

di=Xi-Yi

(2)

式中：di為變量Xi和Yi的差值;Xi為周期i到周期N按濃度值從小到大排列的序號；Yi為按時間排列的序號;N為年份。

將秩相關系數rs的絕對值同spearman秩相關系數統(tǒng)計表中(見表1)的臨界值Wp進行比較。如果|rs|≥Wp則表明變化趨勢有顯著意義，如果|rs|

表1 秩相關系數rs的臨界值(Wp)Tab.1 Threshold of rank correlation coefficient

2.2 控制單元劃分

流域控制單元劃分基于水文單元[40]的劃分方法進行，在充分了解喀斯特山區(qū)地下水與河流補給、徑流和排泄關系的基礎上，尤其是巖溶地下水排泄對河流流量及水質的影響，遵循流域完整性、斷面類型統(tǒng)籌、水環(huán)境現(xiàn)狀兼顧等基本原則，即保持流域的完整性，使控制單元具有流域的匯水特征；優(yōu)先將國控、省控等目標管理斷面的匯水面積劃為完整的控制單元；常年污染物濃度超標斷面、污染物濃度偶爾超標斷面及污染物濃度基本不超標斷面三類斷面則劃為獨立的控制單元，更有利對水體不達標斷面進行集中分析和目標管理?？刂茊卧膭澐只贏rcgis10.2平臺，以魚梁江流域的水系分布圖為底圖，結合DEM數據和水資源分區(qū)圖劃分出水文單元，然后將流域行政區(qū)劃圖進行疊加，綜合考慮流域內的污染源狀況、控制斷面、水文站點分布、地下水排泄口、水系流向以及水環(huán)境功能區(qū)劃等指標對各個控制單元的邊界進行優(yōu)化，最終繪制出魚梁江流域的控制單元邊界，共劃分為5個控制單元，分別為控制單元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，劃分結果如圖1所示。

2.3 水環(huán)境容量的核算

2.3.1 模型的建立

喀斯特山區(qū)處巖溶管道和裂隙極為發(fā)育，地表水和地下水的交互明顯，進行水環(huán)境容量核算時不可忽略地下水排泄對河流水環(huán)境容量的貢獻?？λ固厣絽^(qū)如應用傳統(tǒng)的水環(huán)境容量核算方法核算，即通常不考慮地下水排泄對河流的補給作用，計算結果可能會出現(xiàn)失真現(xiàn)象。為了獲取較為精準的水環(huán)境容量核算結果，考慮巖溶地下水排泄補給河流造成水環(huán)境容量和水質變化是非常必要的。在充分考慮地下水排泄對山區(qū)河流水環(huán)境容量及其水質影響基礎上進行河流控制單元劃分，進而開展水環(huán)境容量核算。因此，我們在喀斯特山區(qū)水環(huán)境容量核算前，首先開展沿河段詳細的野外調查工作，主要包括區(qū)域主要的地下水排泄口調查及其排泄流量測定等。在此基礎上，分析巖溶地下水排泄對河流流量的影響，對地下水排泄流量較大的泉水或暗河出口納入控制單元劃分，當沿河段有多個地下河排泄口且距離相隔較遠時，將其劃分為相對獨立的若干控制單元，避免核算結果過于粗略而出現(xiàn)失真現(xiàn)象；而排泄口較為集中河段可將多個排泄口納入同一控制單元。將巖溶地下水排泄考慮到旁側入流量中，視為持續(xù)作用的“點源”處理[41]，充分考慮了巖溶地下水對河流水環(huán)境容量的擴容作用，減少了傳統(tǒng)核算方法導致的計算結果偏差。

由于研究區(qū)境內各河流均屬于寬深比不大的中小河流，流速較快，污染物進入水體以后，基本能在較短的河段內達到斷面內混合均勻，斷面污染物濃度橫向和垂向變化不大。根據《全國水環(huán)境容量核定技術指南》[1]，水面平均寬度超過200 m的河流應采用二維模型；小于200 m的河流則應相應釆用一維模型或者零維模型?？紤]到研究區(qū)域水體的實際情況和當前水質管理的精度要求，可按一維穩(wěn)態(tài)問題簡化計算條件，建立水質模型。一維水質模型計算公式：

(3)

式中：W為計算單元的水環(huán)境容量，t/a；Q為河段設計流量，m3/s；CS為計算單元水質目標值，mg/L；C0為計算單元上斷面水質目標值，mg/L；qm為旁側入流量，m3/s；K為污染物綜合降解系數，d-1；x1為污染源概化口至下游控制斷面的距離，km；x2為污染源概化口至上游對照斷面的距離，km；u為河流斷面平均流速，m/s。

2.3.2 模型參數的選取

(1)設計水文條件。由于魚梁江流域水文監(jiān)測站網建設的不完善，部分河段缺乏的徑流量觀測數據，選取具有相似自然地理特征的流域，采用水文比擬法[42]進行推算。鑒于既有流量資料為10年序列，本文取各河流近10年最枯月平均流量作為設計流量。

(2)綜合降解系數。污染物綜合降解系數K是一個綜合性參數，與水溫和流速成正比，而與水深成反比[43]，其取值的準確性直接影響到水質模型的實用性。通過公式(4)，結合流域內各控制單元的實際情況，確定各控制單元污染物的降解系數，本文中NH3-N、TP和F-的綜合降解系數分別取在0.13～0.2/d之間、0.05～0.1/d之間和0.002～0.003/d之間。

(4)

式中：Cu為上斷面污染物的濃度值，mg/L；Cd為下斷面污染物的濃度值，mg/L；x為河段的長度，km；u為該河段的平均流速，m/s。

(3)排污口概化。由于魚梁江流域內各個控制單元內入河排污口較多，分布較為分散，為簡化水環(huán)境容量計算的復雜性，將各個控制單元上排污口的分布進行概化處理。根據調查，魚梁江流域內的排污口基本為工業(yè)園區(qū)、城鎮(zhèn)污水處理廠以及沿江農村面源污染較為集中的地區(qū)，根據排污口的概化原則，將排污口概化為各個控制單元河流中斷面排污口。

2.4 控制單元入河污染負荷的核算

在進行控制單元的水體污染問題研究時，污染負荷的核算是一個重要的基礎工作，現(xiàn)今對于污染負荷核算的研究，主要集中于試驗法、調查法和排放系數法等三種估算方法[44-47]。而喀斯特山區(qū)流域內豎井、落水洞、天窗和巖溶管道十分發(fā)育，污染物容易通過巖溶管道滲漏到河道導致水質超標，以上三種估算方法均無法將巖溶管道滲漏的污染物考慮在內。如未考慮受污染的巖溶地下水排泄對河流污染負荷的貢獻，河流污染負荷的核算也可能會出現(xiàn)失真的現(xiàn)象。在研究在野外調查和控制單元劃分基礎上可綜合考慮調查法和試驗法，在跨界河流與控制單元邊界的交點處設立監(jiān)測斷面，根據輸入和輸出斷面的水質和水量監(jiān)測數據，通過建立控制單元邊界斷面的水量—水質同步估量模型，如公式(5)～(7)，估算出不同控制單元的入河污染負荷量。

水量—水質同步估量模型為：

P入河=P輸出-P輸入+O自凈

(5)

P輸出/輸入=C輸出/輸入×Q輸出/輸入

(6)

O自凈=[C輸入-C輸入exp(-Kx/86.4u)]×Q輸入

(7)

式中：P入河為該控制單元某污染物的入河量，t/a；P輸出為該控制單元的某污染物的輸出量，t/a；P輸出/輸入為該控制單元的某污染物的輸出量/輸入量，t/a；O自凈為某污染物的天然或人為降解量，t/a；C輸出/輸入為該控制單元輸出/輸入斷面某污染物的濃度值，mg/L；Q輸出/輸入為該控制單元輸出/輸入斷面的設計流量，萬m3/a；K為污染物綜合降解系數，d-1；x為河段的長度，km；u為該河段的平均流速，m/s。

當控制單元的某污染物的輸入量小于輸出量時，其差值與污染物降解量之和為該控制單元的污染物入河量；當控制單元的某污染物的輸入量大于等于輸出量時，可將其視為該控制單元實現(xiàn)污染物零排放。對控制單元缺少輸入斷面水質數據時，則取該斷面的水質管理目標作保守估算。

2.5 控制單元水環(huán)境載荷率的計算

為反映控制單元的水環(huán)境容量的利用狀況，分析控制單元污染負荷對水環(huán)境的壓力大小，以控制單元內的水質目標為依據，建立水環(huán)境載荷率指標對水環(huán)境容量的利用狀況進行表征[48]，計算公式如下：

(8)

式中：ORi表示i類型污染物的水環(huán)境載荷率；PLi表示i類型污染物的入水(河流、湖泊、水庫等)量；WCi表示i類型污染物的水環(huán)境容量；i表示可能的污染物類型，如NH3-N、F-和TP等。若ORi>0，表示i類型污染物已經超載，其值越大說明承載能力越?。?/p>

若ORi<0，則表示i類型污染物尚未超載，在一定水質目標條件下仍有一定的承載空間，其值越小說明承載能力越大。

3 結果與分析

3.1 水質變化趨勢分析

本文采用Daniel趨勢檢驗法分析水質變化趨勢，通過比較2011-2017年水質濃度值逐項的增長、降低次數及相應數學模型判斷水質變化趨勢。通過SPSS軟件分析，各河流斷面2011-2017年水質濃度變化趨勢見表2。

流域10個TP監(jiān)測斷面中，其中4個監(jiān)測斷面的TP濃度無顯著變化趨勢，7個呈顯著下降趨勢。8個斷面F-濃度為顯著下降趨勢，2個無顯著變化趨勢。2個監(jiān)測斷面的NH3-N濃度呈下降趨勢，8個無顯著變化趨勢?？偟膩碚f，魚梁江流域水環(huán)境質量好轉趨勢明顯。鑒于監(jiān)測斷面僅能體現(xiàn)局部水質狀況，具有局限性，難以反映出控制單元整體上的污染物濃度水平，為了準確呈現(xiàn)各控制單元的水環(huán)境質量，采用加權平均法統(tǒng)計分析2011-2017年研究區(qū)域各控制單元內監(jiān)測斷面主要污染物的年均濃度值，進行加權平均，即各控制單元污染物濃度值取自囊括監(jiān)測斷面污染物濃度的加權平均值，權重取該監(jiān)測斷面的上界面河長占該河段河長的比重。各控制單元主要污染物的變化曲線見圖2。

由圖2可知，2011-2017年，控制單元Ⅰ的TP、F-和NH3-N濃度基本呈平穩(wěn)狀態(tài)，變化幅度不大，基本保持在Ⅲ類水體標準以內；控制單元Ⅱ的TP、F-和NH3-N濃度基本呈先升后降趨勢，到2017年，除TP外，其他兩項指標均達到Ⅲ類水體標準；控制單元Ⅲ的TP、F-和NH3-N濃度基本呈先升后降趨勢，在2013年三項指標均達到峰值，而后持續(xù)下降，到2017年，除TP外，其他兩項指標均達到Ⅲ類水體標準；控制單元Ⅳ的F-和NH3-N濃度年際變化較小，基本保持在Ⅲ類水體標準以內，而TP濃度則有少許波動，并一直處于超標狀態(tài)；控制單元Ⅴ的TP和F-濃度的年際變化較大，基本呈迅速下降趨勢，2014年F-濃度下降到Ⅲ類水體標準以內，并持續(xù)保持穩(wěn)定達標，但TP濃度仍是略微超標，而NH3-N濃度的年際變化較為平緩，基本保持在Ⅲ類水體標準以內。

表2 研究區(qū)域監(jiān)測斷面2011-2017年水質濃度變化趨勢Tab.2 Water quality trend of control sections from 2011 to 2017 in research region

注：黑塘橋YW1、吳家橋YW2、鴨草壩YW3、羊昌河YW4、鳳山橋邊YW5、市化肥廠HW1、川恒公司排口上游HW2、川恒公司排口下游HW3、五里橋PW1、越都取水口PW2。

使用Daniel趨勢檢驗法對各控制單元河流的水質變化趨勢進行統(tǒng)計分析，各河流2011-2017年水質濃度變化趨勢見表3。

圖2 研究區(qū)域各控制單元總磷、氟化物和氨氮年際變化趨勢Fig.2 Interannual trend of TP，F(xiàn)- and NH3-N in control units of research region

表3 流域內各控制單元2011-2017年水質濃度變化趨勢Tab.3 The water quality trend from 2011 to 2017 in control units of the Yuliangjiang river basin

Daniel趨勢檢驗法的趨勢定量計算結果為：控制單元Ⅰ的秩相關系數|rsTP|=|0.370|W7，|rsNH3-N|=|0.286|W7，|rsF-|=|-0.964|>W7，|rsNH3-N|=|-0.714|=W7，表明該單元的TP、F-和NH3-N濃度均呈顯著下降趨勢；控制單元Ⅲ的|rsTP|=|-0.857|>W7，|rsF-|=|-0.821|>W7，|rsNH3-N|=|-0.750|>W7，表明該單元的TP、F-和NH3-N濃度均呈顯著下降趨勢；控制單元Ⅳ的|rsTP|=|0.214|W7=，|rsF-|=|0.857|>W7，|rsNH3-N|=|0.179|

3.2 水環(huán)境容量及污染物削減量分析

根據2017年魚梁江流域各控制單元的水文及水質斷面數據，在單元化條件下的一維水質模型和水量—水質同步估量模型核算水環(huán)境容量和污染物入河量，計算結果見表4，各控制單元的水環(huán)境容量載荷率見圖6。

對比流域內各控制單元的水環(huán)境容量和污染物入河量(見表5)，從圖3可以看出，2017年控制單元Ⅰ的NH3-N、TP和F-的水環(huán)境容量未出現(xiàn)超載現(xiàn)象，其水環(huán)境載荷率分別為-100%、-100%和-100%，表明該控制單元水環(huán)境容量處于冗余狀態(tài)，無污染物削減任務，主要是由于該控制單元屬于保護飲用水源地，控制單元內上游為省級旅游景區(qū)，下游為區(qū)域集中式飲用水源地重點保護，污染物排放量較小，以分散的農業(yè)污染源和農村生活污染源為主，河流水質常年保持在Ⅰ和Ⅱ類水質標準之間?？刂茊卧虻腘H3-N、TP和F-的水環(huán)境載荷率分別為41.78%、778.34%和33.78%，需要削減NH3-N、TP和F-相應為70.83、183.01和57.19 t/a，該控制單元位于福泉市市區(qū)，屬于工業(yè)農業(yè)景觀用水區(qū)，有著大量磷化工企業(yè)及磷石膏堆場，出現(xiàn)工業(yè)廢水滲漏的現(xiàn)象(爛木橋和吳家橋滲漏點)，且人口密集，城鎮(zhèn)污水處理廠建設相對滯后，污水處理能力不足，導致該控制單元水環(huán)境容量出現(xiàn)過載現(xiàn)象，環(huán)境壓力極大，污染物削減任務重。控制單元Ⅲ的NH3-N、TP和F-的水環(huán)境載荷率分別為-100.00%和1 532.53%和-72.73%，需要削減TP 31.61 t/a，該控制單元基本沒有工業(yè)企業(yè)生產排污，但存在大型工業(yè)渣場污染滲漏[49-51]，上游控制單元的擺紀磷石膏渣場發(fā)生滲漏后通過地下巖溶管道在該控制單元的排泄基準面溢出，影響下游河流的水質，是該控制單元的總磷污染物的主要貢獻來源。此磷石膏渣場滲漏點已建成污水處理設施對其排出污水進行收集集中處理達標排放，但由于巖溶管道發(fā)育十分復雜，可能存在其他未查明滲漏點導致次控制單元出現(xiàn)總磷超標現(xiàn)象?？刂茊卧舻腘H3-N、TP和F-的水環(huán)境載荷率分別為-95.72%和6 545.27%和207.59%，須削減TP 26.95 t/a和F-19.51 t/a，可以看出該控制單元TP環(huán)境容量已基本枯竭且嚴重超載，F(xiàn)-的環(huán)境容量也出現(xiàn)超載現(xiàn)象，該單元有部分涉磷化工搬遷后遺留污染物是可能污染來源?？刂茊卧醯腘H3-N、TP和F-的水環(huán)境載荷率分別為535.50%和1 119.73%和526.36%，需要削減NH3-N 60.61 t/a、TP 6.75 t/a和F-27.34 t/a，三項指標的環(huán)境容量均已出現(xiàn)超載現(xiàn)象，該控制單元入駐大量的工業(yè)企業(yè)，存在一個工業(yè)污染滲漏點(龍井灣滲漏點)，人口密度較大，城鎮(zhèn)污水處理設施和管網建設水平相對落后，污水處理能力難以滿足人口增長和污染物排放量增加需求，水環(huán)境壓力大。

表4 魚梁江流域各控制單元水環(huán)境容量匯總Tab.4 Water environmental capacity of the control units in Yulianjiang river basin

圖3 魚梁江流域各控制單元水環(huán)境載荷率Fig.3 Overloading rate of water environment of control units in Yuliangjiang river basin

3.3 多水文情勢的水環(huán)境容量核算

現(xiàn)有水環(huán)境容量的核算方法大多采用傳統(tǒng)水文學方法作為設計水文條件，水文條件過于單一化，核算結果為一個穩(wěn)態(tài)的閾值，由于設計水文條件一般采用90%保證率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量和相對應的設計流速，核算結果一般較低。但實際上，水環(huán)境容量受水文條件、水質和溫度等因素的影響，是一條動態(tài)變化的曲線，并不為一定值，現(xiàn)行的水環(huán)境容量計算難以反映水環(huán)境容量的變化特性[26,27,52]，對流域水環(huán)境管理支撐較弱。為更加充分利用水環(huán)境容量和適應流域年際和年內降水量分配不均、豐平枯水期特征明顯的狀況，本文基于一維水環(huán)境容量模型，采用多水文情勢，即在年際上采用不同頻率年(10%、50%、90%和95%)和年內上采用豐水期(6-10月)、枯水期(12-4月)和平水期(5月和11月)多種水文情勢對魚梁江流域進行水環(huán)境容量的核算與分析，計算結果見表5。

根據表5的計算結果，并結合魚梁河流域各控制單元TP、NH3-N和F-的現(xiàn)狀入河量，分別繪出了各頻率年的TP、NH3-N和F-的水環(huán)境容量與現(xiàn)狀污染物入河量的對比圖，如圖7所示。各控制單元不同水文年豐枯平水期的水環(huán)境容量各不相同，在年際的對比中，豐水年的水環(huán)境容量明顯大于其他水文年，平水年的水環(huán)境容量次之，枯水年和特枯年的水環(huán)境容量相對較小。而在年內的對比中，各個水文年的豐水期的水環(huán)境容量均遠遠大于其他水期，枯水期和平水期較小。因此，在枯水年和特枯水年以及年內的枯水期和平水期是水環(huán)境壓力劇增時期，應該采取措施減少河流的污染負荷，保證河流的生態(tài)環(huán)境不受到影響甚至破壞。就研究區(qū)而言，與現(xiàn)狀污染物相比，控制單元Ⅳ的F-入河量超過枯水年和特枯水年的水環(huán)境容量，控制單元Ⅴ的F-入河量超過了各個水文年的水環(huán)境容量；NH3-N除控制單元Ⅴ各個水文年均超載外，其他控制單元的水環(huán)境容量均沒出現(xiàn)超載現(xiàn)象；除控制單元Ⅰ外，其他控制單元的TP入河量均遠遠超過各個水文年的水環(huán)境容量。在不同水文條件下，控制單元的水環(huán)境容量相差較大，選擇適合的水文條件進行計算，有利于流域的水質目標管理，傳統(tǒng)的水文條件的選擇(90%保證率最枯月平均流量或近10年最枯月平均流量)存在水環(huán)境閾值固定和水環(huán)境壓力夸大的弊端，難以做到在開發(fā)中保護和在保護中發(fā)展，無法充分利用水環(huán)境容量冗余實現(xiàn)經濟發(fā)展與環(huán)境保護“雙贏”的局面，進而限制了地方經濟的發(fā)展。

3.4 流域污染防控措施單元化

基于控制單元的劃分，通過系統(tǒng)分析各個控制單元水污染特征、水環(huán)境質量狀況、水質保護目標和污染削減任務等，將控制單元劃分為水質改善型和水質維護型兩類：①水質維護型指水環(huán)境較好，無明顯污染源，但仍存在潛在風險，需要防患于未然，實施水環(huán)境污染預防和維護；②水質改善型指水環(huán)境質量較差，人類活動干擾劇烈，已經出現(xiàn)嚴重水環(huán)境污染問題，需要采取及時綜合整治措施改善水體環(huán)境，修復已遭破壞的流域生態(tài)系統(tǒng)。針對各個控制單元的污染問題診斷與分析結果，對各個控制單元有的放矢提出污染防控措施，努力做到水污染防治的精準化，具體見表6。

4 結 論

(1)選用Daniel趨勢檢驗法對魚梁江流域的各控制單元進行水質趨勢分析得出，2011—2017年控制單元Ⅰ的F-濃度呈顯著下降趨勢，而TP和NH3-N濃度無顯著變化趨勢；控制單元Ⅱ和Ⅲ的TP、F-和NH3-N濃度均呈顯著下降趨勢；控制單元Ⅳ的TP、F-和NH3-N濃度無顯著變化趨勢；控制單元Ⅴ的TP和F-濃度呈顯著下降趨勢，NH3-N濃度無顯著變化趨勢。

(2)對比各控制單元的NH3-N、F-和TP的水環(huán)境容量和入河量，除了控制單元Ⅰ無削減任務，控制單元Ⅱ分別需要削減NH3-N 70.83 t/a、TP 183.01 t/a和F-57.19 t/a，控制單元Ⅲ分別需要削減TP 31.61 t/a，控制單元Ⅳ分別需要削減TP 26.95 t/a和F-19.51t/a，控制單元Ⅴ分別需要削減NH3-N 60.61 t/a、TP 6.75 t/a和F-27.34 t/a。其中水質維護型控制單元Ⅰ主要是推進農村分散式污水處理和強化農業(yè)面源的污染治理為主，水質改善型控制單元Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ則須提升工業(yè)污染防治水平、污水和垃圾處理能力。

表6 魚梁江流域污染防控措施Tab.6 The corresponding method of pollution prevention of the Yuliangjiang river basin

(3)喀斯特山區(qū)河流水環(huán)境容量核算應注意地表水與地下水及其污染物通過豎井、落水洞、天窗和巖溶管頻繁交換導致水環(huán)境容量失真的現(xiàn)象。水環(huán)境容量核算前必須開展詳細的河段地下水排泄調查及其流量測定工作，理清沿河地下水排泄與河流水環(huán)境容量及其水質變化之間的關系，在此基礎上進行流域控制單元劃分和水環(huán)境容量核算。單一水文條件下的水環(huán)境容量核算難以適用于不同水文年不同水文階段下的動態(tài)變化，多水文情勢下的水環(huán)境容量核算閾值更能反映河流各控制單元在不同水文條件下的水環(huán)境容量的動態(tài)特性，如何更為精確的核算喀斯特山區(qū)河流水環(huán)境容量有待進一步研究。