周文波，肖 杰，高東東,3，陳亞平，董 坤,3

(1. 四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，成都 610064；2. 四川省環(huán)?？萍脊こ逃邢挢?zé)任公司，成都 610041；3. 四川省環(huán)科院科技咨詢有限責(zé)任公司，成都 610064)

前 言

目前，我國面臨嚴(yán)重的水環(huán)境污染和水資源短缺問題，面對(duì)流域水環(huán)境帶來的壓力和影響，國內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛研究并取得了很好的成果，例如：王民浩等[1]以環(huán)巢湖的兆河流域?yàn)槔谖廴疚锟偭靠刂?、生態(tài)基流和水生態(tài)系統(tǒng)平衡分別確定了兆河流域水環(huán)境改善方案、水資源保障方案和生態(tài)修復(fù)方案；G. Carr等[2]通過對(duì)約旦灌溉用水的再利用方式進(jìn)行分析，結(jié)合農(nóng)民對(duì)灌溉用水水質(zhì)的看法，總結(jié)出灌溉水資源循環(huán)利用的有效途徑；K.K.Liu等[3]通過黃河流域2009年水資源供需平衡，分析了黃河流域水資源供需壓力；李艷艷等[4]研究了東風(fēng)水庫徑流區(qū)污染負(fù)荷分布特征，為東風(fēng)水庫流域治理提供了治理措施依據(jù)；；陳亞平[5]等采用單因素法對(duì)岷江流域國控?cái)嗝娴尼航髽蛩w進(jìn)行分析，研究了污染源分擔(dān)率、污染物時(shí)空變化等。

近年來，四川省流域水環(huán)境研究主要集中在達(dá)標(biāo)壓力較大的沱江流域和岷江流域，例如：汪嘉楊等[6]對(duì)岷沱江流域2000～2014年水環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估研究，通過綜合及子系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果分析，探析了影響岷沱江流域水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素；田雅翔[7]以2011～2015年鳳凰沱江流域生態(tài)補(bǔ)償績效為研究樣本，采用因素法對(duì)12項(xiàng)生態(tài)補(bǔ)償績效評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，為完善鳳凰沱江流域生態(tài)補(bǔ)償績效評(píng)價(jià)體系提供理

論指導(dǎo)；楊耿[8]等通過對(duì)岷沱江流域采集的表層水樣、懸浮物及表層沉積物樣，研究了岷沱江流域水體、懸浮物及沉積物中磷形態(tài)組成、空間分布特征，結(jié)合懸浮物中生物可利用磷BAP與鈣結(jié)合態(tài)磷PCa的比值判斷了岷沱江流域磷石膏潛在的磷釋放風(fēng)險(xiǎn)；劉霞[9]針對(duì)沱江流域金堂、簡陽兩地沉積物及其間隙水中磷的賦存形態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，揭示了磷形態(tài)在河水沉積物中的垂向分布特征，并對(duì)比了十年(2017年和2007年)前后兩地磷形態(tài)賦存變化；陳雨艷等[10]根據(jù)岷江斷面水質(zhì)氨氮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)岷江流域水質(zhì)氨氮狀況進(jìn)行分析，闡述了岷江流域氨氮空間分布情況；劉琴[11]采集并分析了岷江流域、成都市府南河以及成都市景觀水體的表層水、懸浮顆粒物和沉積物樣品中OPEs(痕量有機(jī)磷酸酯阻燃劑)的濃度水平、分布特征及其分配，為水體環(huán)境中OPEs的污染狀況和來源分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；翟紅娟等[12]以岷江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，以其存在的突出環(huán)境問題為導(dǎo)向，以流域生態(tài)功能定位為基礎(chǔ)，提出生態(tài)文明建設(shè)新形勢(shì)下岷江流域水資源保護(hù)體系。

蒙溪河系嘉陵江二級(jí)支流，流域面積89km2，河流總長度35km。發(fā)源于廣安區(qū)悅來鎮(zhèn)長石村石橋溝水庫，沿途經(jīng)過廣安區(qū)悅來鎮(zhèn)、彭家鄉(xiāng)、崇望鄉(xiāng)(玉子溪匯入)、大安鎮(zhèn)、協(xié)興鎮(zhèn)，在大龍鄉(xiāng)光華村流入渠江，并于重慶合川區(qū)注入嘉陵江。蒙溪河主要來水為水庫補(bǔ)水和降雨補(bǔ)水，沿程分別有城鎮(zhèn)生活污染源、農(nóng)村生活污染源、畜禽養(yǎng)殖污染源、農(nóng)業(yè)面源等污染匯入，水量不大，但常年水質(zhì)較差，基本為地表水Ⅳ-劣Ⅴ類，對(duì)嘉陵江左岸最大一級(jí)支流渠江水質(zhì)影響較大，為影響嘉陵江流域水質(zhì)的典型小流域之一。通過查閱文獻(xiàn)可知，目前針對(duì)嘉陵江流域小流域水環(huán)境和水資源的相關(guān)研究還較少。本研究根據(jù)嘉陵江典型小流域蒙溪河特點(diǎn)，利用ArcGIS確定流域范圍；以污染源結(jié)合入河系數(shù)的方式計(jì)算污染物入河量，分析污染源結(jié)構(gòu)特征、時(shí)空分布以及通量特征；根據(jù)流域水環(huán)境污染現(xiàn)狀和演變趨勢(shì)，分析水環(huán)境質(zhì)量的壓力響應(yīng)關(guān)系；在基于流域的達(dá)標(biāo)污染物允許排放量和水環(huán)境容量的基礎(chǔ)上，計(jì)算污染物削減量。通過上述研究，以期為嘉陵江典型小流域水污染防治提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

1 流域范圍及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1 流域范圍確定方式

針對(duì)流域范圍不明確現(xiàn)狀，本研究通過ArcGIS對(duì)嘉陵江典型小流域蒙溪河的流域范圍進(jìn)行界定，依次進(jìn)行DEM、洼地填充、流向分析、流量累積計(jì)算、提取河網(wǎng)、子流域劃分后，確定研究范圍：蒙溪河流域面積89km2，河流總長度35km，流域匯水面積139.63km2。結(jié)果如圖1所示。

圖1 蒙溪河流域劃分圖Fig.1 Division of Mengxi River Basin

1.2 流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

由1.1確定的流域范圍可知，蒙溪河流經(jīng)四川省廣安市廣安區(qū)6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，流域匯水范圍包括悅來鎮(zhèn)、大安鎮(zhèn)、彭家鄉(xiāng)、崇望鄉(xiāng)、協(xié)興鎮(zhèn)、大龍鄉(xiāng)的43個(gè)自然村，流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 蒙溪河流域基礎(chǔ)信息統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Basic information statistics of Mengxi River Basin

2 流域水環(huán)境現(xiàn)狀及演變趨勢(shì)分析

2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

本研究在廣安區(qū)生態(tài)環(huán)境局4個(gè)常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位基礎(chǔ)上增設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，合計(jì)10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位(1#～10#)，并在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研后，最終確定了6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位((1#、4#、6#、8#、9#、10#))，見圖2，并委托第三方具有資質(zhì)的監(jiān)測(cè)單位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻次為6次(2018.06、2018.08、2018.09、2018.12、2019.01、2019.03)監(jiān)測(cè)指標(biāo)為：水溫、pH、電導(dǎo)率、CODCr、NH3-N、TN、TP、DO。監(jiān)測(cè)指標(biāo)的分析方法為單因子分析法。

圖2 蒙溪河流域水系及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布圖Fig.2 The drainage system and monitoring point distribution map of Mengxi River Basin

2.2 流域水質(zhì)現(xiàn)狀達(dá)標(biāo)情況分析

根據(jù)《四川省水污染防治責(zé)任書》(2015.12)，蒙溪河下游距離較近的考核斷面為雙龍橋斷面(省控)和碼頭斷面(國控)，兩斷面2020年目標(biāo)考核為地表水Ⅲ類。因此，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB38-2002)中Ⅲ類水進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：蒙溪河流域水質(zhì)超標(biāo)情況較為嚴(yán)重，主要超標(biāo)因子為：CODCr、TN和TP，NH3-N在9#蒙溪河中段(大龍鄉(xiāng)光華村)存在超標(biāo)情況。蒙溪河流域自石橋溝水庫至大龍鄉(xiāng)光明村段基本為農(nóng)村區(qū)域，河道兩側(cè)為農(nóng)田，農(nóng)業(yè)面源污染是蒙溪河水質(zhì)超標(biāo)的主要原因；另外，蒙溪河經(jīng)過崇望鄉(xiāng)和大龍鄉(xiāng)場(chǎng)鎮(zhèn)所在地，大龍鄉(xiāng)未建設(shè)場(chǎng)鎮(zhèn)污水處理廠，生活污水直排入河，城鎮(zhèn)生活污水是蒙溪河水質(zhì)超標(biāo)的另一重要影響因素。

圖3 蒙溪河流域水質(zhì)現(xiàn)狀圖Fig.3 Water quality status of Mengxi River Basin

2.3 流域水質(zhì)時(shí)空演變趨勢(shì)分析

將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照時(shí)間和空間的分布進(jìn)行綜合分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 蒙溪河流域水質(zhì)時(shí)空演變趨勢(shì)圖Fig.4 Temporal and spatial evolution trend of water quality in Mengxi River Basin

時(shí)間演變趨勢(shì)分析：將蒙溪河各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行均化處理，可以看出隨著時(shí)間的推移，CODCr和TP呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，NH3-N呈現(xiàn)先減后增趨勢(shì)，TN則呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。數(shù)據(jù)表明：CODCr和TP的壓力主要集中在平水期(4～5月，10～12月)，NH3-N壓力主要集中在豐水期(6～9月)，TN壓力主要集中在枯水期(1～3月)。由此分析，蒙溪河水質(zhì)超標(biāo)可能主要是受農(nóng)田退水影響。

空間演變趨勢(shì)分析：蒙溪河空間演變可分為三個(gè)階段，數(shù)據(jù)顯示上游斷面從1#～4#，蒙溪河各項(xiàng)指標(biāo)均呈現(xiàn)降低態(tài)勢(shì)；在漁子溪匯入后，4#～9#點(diǎn)位各項(xiàng)指標(biāo)隨著河道走向逐漸升高，并在9#點(diǎn)位出現(xiàn)峰值；9#～10#點(diǎn)位，各項(xiàng)指標(biāo)開始回落，并大幅降低。蒙溪河水質(zhì)空間變化趨勢(shì)表明，蒙溪河水質(zhì)受漁子溪(經(jīng)過崇望鄉(xiāng)場(chǎng)鎮(zhèn))水質(zhì)影響較大，經(jīng)過大龍鄉(xiāng)段后，水質(zhì)持續(xù)變差，表明崇望鄉(xiāng)及大龍鄉(xiāng)城鎮(zhèn)生活污水對(duì)水質(zhì)影響較大。

3 流域污染源調(diào)查及分析

3.1 調(diào)查內(nèi)容

蒙溪河流域污染源可從點(diǎn)源、面源和內(nèi)源三個(gè)方面進(jìn)行分析，其中點(diǎn)源為：工業(yè)污染源、城鎮(zhèn)生活污水、城鎮(zhèn)生活垃圾、規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖；面源為：農(nóng)村生活污水、農(nóng)村生活垃圾、城市地表徑流、農(nóng)業(yè)面源、畜禽散養(yǎng)；內(nèi)源為底泥污染。

3.2 污染源貢獻(xiàn)率分析

污染源調(diào)查結(jié)果反映了陸域各污染源的排污情況，根據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》(2003.09)中對(duì)于污染物入河系數(shù)的規(guī)定，結(jié)合流域情況選取各類污染源的入河系數(shù)，分析水陸響應(yīng)單元的污染物陸上排放量的對(duì)應(yīng)入河量[13]。蒙溪河流域工業(yè)污染源入河系數(shù)取1，城鎮(zhèn)生活污水、生活垃圾污染源入河系數(shù)取1，規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖污染入河系數(shù)取0.12，畜禽散養(yǎng)污水、農(nóng)村生活污水、城市地表徑流、農(nóng)田面源和生活垃圾視實(shí)際情況分別取0.12、0.6、0.1、0.2和0.1；底泥污染取1。各個(gè)污染源貢獻(xiàn)率如圖5所示。

圖5 污染負(fù)荷餅圖Fig.5 Pie chart of pollution load

由圖5可知：

(1)CODCr入河量：占比最高的為農(nóng)業(yè)面源，27.81%；其次為規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖，15.34%，然后為城鎮(zhèn)生活污水，15.34%，底泥污染，11.58%；畜禽散養(yǎng)，10.92%；農(nóng)村生活污水，10.29%。

(2)NH3-N入河量：占比最高的為農(nóng)業(yè)面源，46.51%；其次為農(nóng)村生活污水，21.00%；然后為城鎮(zhèn)生活污水，17.39%，畜禽散養(yǎng)，7.10%，規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖，4.63%。

(3)TN入河量：占比最高的為農(nóng)業(yè)面源，45.23%；其次為農(nóng)村生活污水，22.05%；然后為城鎮(zhèn)生活污水，17.76%，畜禽散養(yǎng)，6.91%，規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖，4.71%。

(4)TP入河量：占比最高的為畜禽散養(yǎng)，38.57%，其次為農(nóng)業(yè)面源，18.45%，然后為農(nóng)村生活污水，15.27%；城鎮(zhèn)生活污水，13.08%；規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖，12.66%。

綜上可以分析出，蒙溪河流域污染物入河量涉及的污染源[14]，按照貢獻(xiàn)值來分析，依次為農(nóng)業(yè)面源、城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)村生活污水、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖、畜禽散養(yǎng)和底泥污染。

4 流域水環(huán)境容量分析

4.1 邊界條件

進(jìn)行水體環(huán)境容量計(jì)算，首先劃定水域功能區(qū)，確定功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)，其次根據(jù)功能區(qū)的水文特征，確定水文設(shè)計(jì)條件(流量、流速、河段長度)。通過參數(shù)識(shí)別，確定水質(zhì)降解參數(shù)，然后分析功能區(qū)污染物進(jìn)入?yún)^(qū)域的途徑，特別是排放口位置、排放量、污染物種類、濃度及排放規(guī)律等[15]。最后選擇數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行分析計(jì)算。影響水與水環(huán)境容量的要素很多，本次計(jì)算涉及的邊界條件和控制因子如下：

(1)控制因子：根據(jù)流域水污染現(xiàn)狀和水污染物總量控制現(xiàn)狀，選擇CODCr、NH3-N、TN和TP作為容量計(jì)算的控制因子。

(2)水質(zhì)目標(biāo)：以水環(huán)境功能區(qū)相應(yīng)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)類別的上限值為水質(zhì)目標(biāo)。水環(huán)境功能區(qū)相應(yīng)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)具體落實(shí)于相應(yīng)的監(jiān)控?cái)嗝?，斷面達(dá)標(biāo)即意味著水環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)，蒙溪河流域執(zhí)行國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)單位時(shí)間：指一年，即將最枯月或最枯季的環(huán)境容量換算為全年，作為功能區(qū)的年環(huán)境容量。排放濃度采用mg/L單位，流量采用m3/s單位。

(4)流量及流速：參考《四川省廣安區(qū)蒙溪河“一河一策”管理保護(hù)方案》，蒙溪河多年平均流量為1.45m3/s，蒙溪河多年平均流速為0.20m/s。

(5)降解系數(shù)：根據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》和國內(nèi)外相關(guān)研究，河流的降解系數(shù)可按照：K=(86400u/L)×ln(C0-CS)進(jìn)行計(jì)算，其中u為多年平均流速。

4.2 計(jì)算模型

根據(jù)水環(huán)境容量核定技術(shù)要求，結(jié)合蒙溪河流域地表水的水文特征，本次水環(huán)境容量計(jì)算采用一維模型進(jìn)行模擬。

其中，m——計(jì)算單元的納污能力，g/s(結(jié)果表示時(shí)換算為t/a)；

k——污染物綜合降解系數(shù)，d-1；

Q——河段上斷面設(shè)計(jì)流量，m3/s；

CS——計(jì)算單元水質(zhì)目標(biāo)值，mg/L；

C0——計(jì)算單元上斷面污染物濃度，mg/L；

L——控制單元長度，m；

u——平均流速，m/s。

4.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)水環(huán)境現(xiàn)狀及污染源調(diào)查情況，結(jié)合蒙溪河流域水文資料，對(duì)蒙溪河流域進(jìn)行水環(huán)境容量核算，并計(jì)算斷面達(dá)標(biāo)需削減污染物量，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 蒙溪河流域水環(huán)境容量計(jì)算表Tab.2 Calculation of water environment capacity of Mengxi River Basin

續(xù)表2

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，蒙溪河水環(huán)境容量：CODCr為546.452t/a，NH3-N為66.694t/a，TN為37.041t/a，TP為3.047t/a；通過1#和10#點(diǎn)位水質(zhì)監(jiān)測(cè)均值及流域范圍內(nèi)污染物匯入量，計(jì)算出流域下斷面水質(zhì)達(dá)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)需要削減的污染物量為：CODCr為217.755t/a，NH3-N為24.683t/a，TN為75.710t/a，TP為10.774t/a。

5 結(jié) 論

通過對(duì)嘉陵江典型小流域蒙溪河水環(huán)境污染現(xiàn)狀及演變趨勢(shì)分析，可得出如下結(jié)論。

5.1 按照地表水Ⅲ類為蒙溪河水體功能，流域全程均為超標(biāo)水體；從時(shí)間角度分析，在豐平水期交替時(shí)間段(9～10月)水質(zhì)最差，其主要超標(biāo)因子CODCr、NH3-N達(dá)到峰值；從空間角度分析，污染源匯入主要集中在4#～9#點(diǎn)位之間，而水質(zhì)在9#點(diǎn)位最差，出現(xiàn)了較大幅度的升高，可考慮污染物集中匯入的可能性。

5.2 蒙溪河流域污染物入河量涉及的污染源，按照貢獻(xiàn)值來分析，依次為農(nóng)業(yè)面源、城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)村生活污水、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖、畜禽散養(yǎng)和底泥污染。

5.3 蒙溪河水環(huán)境容量：CODCr為546.452t/a，NH3-N為66.694t/a，TN為37.041t/a，TP為3.047t/a；過1#和10#點(diǎn)位水質(zhì)監(jiān)測(cè)均值及流域范圍內(nèi)污染物匯入量，計(jì)算出流域下斷面水質(zhì)達(dá)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)需要削減的污染物量為：CODCr為217.755t/a，NH3-N為24.683t/a，TN為75.710t/a，TP為10.774t/a。