蒙溪河流域水环境污染及演变趋势研究

周文波，肖 杰，高东东,3，陈亚平，董 坤,3

(1. 四川省生态环境科学研究院，成都 610064；2. 四川省环保科技工程有限责任公司，成都 610041；3. 四川省环科院科技咨询有限责任公司，成都 610064)

前 言

目前，我国面临严重的水环境污染和水资源短缺问题，面对流域水环境带来的压力和影响，国内外学者开展了广泛研究并取得了很好的成果，例如：王民浩等[1]以环巢湖的兆河流域为例，基于污染物总量控制、生态基流和水生态系统平衡分别确定了兆河流域水环境改善方案、水资源保障方案和生态修复方案；G. Carr等[2]通过对约旦灌溉用水的再利用方式进行分析，结合农民对灌溉用水水质的看法，总结出灌溉水资源循环利用的有效途径；K.K.Liu等[3]通过黄河流域2009年水资源供需平衡，分析了黄河流域水资源供需压力；李艳艳等[4]研究了东风水库径流区污染负荷分布特征，为东风水库流域治理提供了治理措施依据；；陈亚平[5]等采用单因素法对岷江流域国控断面的岷江大桥水体进行分析，研究了污染源分担率、污染物时空变化等。

近年来，四川省流域水环境研究主要集中在达标压力较大的沱江流域和岷江流域，例如：汪嘉杨等[6]对岷沱江流域2000～2014年水环境效应进行评估研究，通过综合及子系统评估结果分析，探析了影响岷沱江流域水环境可持续发展的关键因素；田雅翔[7]以2011～2015年凤凰沱江流域生态补偿绩效为研究样本，采用因素法对12项生态补偿绩效评价指标进行分析，为完善凤凰沱江流域生态补偿绩效评价体系提供理

论指导；杨耿[8]等通过对岷沱江流域采集的表层水样、悬浮物及表层沉积物样，研究了岷沱江流域水体、悬浮物及沉积物中磷形态组成、空间分布特征，结合悬浮物中生物可利用磷BAP与钙结合态磷PCa的比值判断了岷沱江流域磷石膏潜在的磷释放风险；刘霞[9]针对沱江流域金堂、简阳两地沉积物及其间隙水中磷的赋存形态进行了系统的分析，揭示了磷形态在河水沉积物中的垂向分布特征，并对比了十年(2017年和2007年)前后两地磷形态赋存变化；陈雨艳等[10]根据岷江断面水质氨氮监测数据，对岷江流域水质氨氮状况进行分析，阐述了岷江流域氨氮空间分布情况；刘琴[11]采集并分析了岷江流域、成都市府南河以及成都市景观水体的表层水、悬浮颗粒物和沉积物样品中OPEs(痕量有机磷酸酯阻燃剂)的浓度水平、分布特征及其分配，为水体环境中OPEs的污染状况和来源分析提供基础数据；翟红娟等[12]以岷江流域为研究对象，以其存在的突出环境问题为导向，以流域生态功能定位为基础，提出生态文明建设新形势下岷江流域水资源保护体系。

蒙溪河系嘉陵江二级支流，流域面积89km2，河流总长度35km。发源于广安区悦来镇长石村石桥沟水库，沿途经过广安区悦来镇、彭家乡、崇望乡(玉子溪汇入)、大安镇、协兴镇，在大龙乡光华村流入渠江，并于重庆合川区注入嘉陵江。蒙溪河主要来水为水库补水和降雨补水，沿程分别有城镇生活污染源、农村生活污染源、畜禽养殖污染源、农业面源等污染汇入，水量不大，但常年水质较差，基本为地表水Ⅳ-劣Ⅴ类，对嘉陵江左岸最大一级支流渠江水质影响较大，为影响嘉陵江流域水质的典型小流域之一。通过查阅文献可知，目前针对嘉陵江流域小流域水环境和水资源的相关研究还较少。本研究根据嘉陵江典型小流域蒙溪河特点，利用ArcGIS确定流域范围；以污染源结合入河系数的方式计算污染物入河量，分析污染源结构特征、时空分布以及通量特征；根据流域水环境污染现状和演变趋势，分析水环境质量的压力响应关系；在基于流域的达标污染物允许排放量和水环境容量的基础上，计算污染物削减量。通过上述研究，以期为嘉陵江典型小流域水污染防治提供理论依据和数据参考。

1 流域范围及基础数据

1.1 流域范围确定方式

针对流域范围不明确现状，本研究通过ArcGIS对嘉陵江典型小流域蒙溪河的流域范围进行界定，依次进行DEM、洼地填充、流向分析、流量累积计算、提取河网、子流域划分后，确定研究范围：蒙溪河流域面积89km2，河流总长度35km，流域汇水面积139.63km2。结果如图1所示。

图1 蒙溪河流域划分图Fig.1 Division of Mengxi River Basin

1.2 流域基础数据

由1.1确定的流域范围可知，蒙溪河流经四川省广安市广安区6个乡镇，流域汇水范围包括悦来镇、大安镇、彭家乡、崇望乡、协兴镇、大龙乡的43个自然村，流域基础数据如表1所示。

表1 蒙溪河流域基础信息统计表Tab.1 Basic information statistics of Mengxi River Basin

2 流域水环境现状及演变趋势分析

2.1 数据监测

本研究在广安区生态环境局4个常规监测点位基础上增设6个监测点位，合计10个监测点位(1#～10#)，并在现场调研后，最终确定了6个监测点位((1#、4#、6#、8#、9#、10#))，见图2，并委托第三方具有资质的监测单位进行监测，监测频次为6次(2018.06、2018.08、2018.09、2018.12、2019.01、2019.03)监测指标为：水温、pH、电导率、CODCr、NH3-N、TN、TP、DO。监测指标的分析方法为单因子分析法。

图2 蒙溪河流域水系及监测点位分布图Fig.2 The drainage system and monitoring point distribution map of Mengxi River Basin

2.2 流域水质现状达标情况分析

根据《四川省水污染防治责任书》(2015.12)，蒙溪河下游距离较近的考核断面为双龙桥断面(省控)和码头断面(国控)，两断面2020年目标考核为地表水Ⅲ类。因此，将监测数据与《地表水环境质量标准》(GB38-2002)中Ⅲ类水进行对比研究，结果如图3所示。

由图3可知：蒙溪河流域水质超标情况较为严重，主要超标因子为：CODCr、TN和TP，NH3-N在9#蒙溪河中段(大龙乡光华村)存在超标情况。蒙溪河流域自石桥沟水库至大龙乡光明村段基本为农村区域，河道两侧为农田，农业面源污染是蒙溪河水质超标的主要原因；另外，蒙溪河经过崇望乡和大龙乡场镇所在地，大龙乡未建设场镇污水处理厂，生活污水直排入河，城镇生活污水是蒙溪河水质超标的另一重要影响因素。

图3 蒙溪河流域水质现状图Fig.3 Water quality status of Mengxi River Basin

2.3 流域水质时空演变趋势分析

将监测数据按照时间和空间的分布进行综合分析，结果如图4所示。

图4 蒙溪河流域水质时空演变趋势图Fig.4 Temporal and spatial evolution trend of water quality in Mengxi River Basin

时间演变趋势分析：将蒙溪河各监测点位数据进行均化处理，可以看出随着时间的推移，CODCr和TP呈现升高趋势，NH3-N呈现先减后增趋势，TN则呈现递减趋势。数据表明：CODCr和TP的压力主要集中在平水期(4～5月，10～12月)，NH3-N压力主要集中在丰水期(6～9月)，TN压力主要集中在枯水期(1～3月)。由此分析，蒙溪河水质超标可能主要是受农田退水影响。

空间演变趋势分析：蒙溪河空间演变可分为三个阶段，数据显示上游断面从1#～4#，蒙溪河各项指标均呈现降低态势；在渔子溪汇入后，4#～9#点位各项指标随着河道走向逐渐升高，并在9#点位出现峰值；9#～10#点位，各项指标开始回落，并大幅降低。蒙溪河水质空间变化趋势表明，蒙溪河水质受渔子溪(经过崇望乡场镇)水质影响较大，经过大龙乡段后，水质持续变差，表明崇望乡及大龙乡城镇生活污水对水质影响较大。

3 流域污染源调查及分析

3.1 调查内容

蒙溪河流域污染源可从点源、面源和内源三个方面进行分析，其中点源为：工业污染源、城镇生活污水、城镇生活垃圾、规模化畜禽养殖；面源为：农村生活污水、农村生活垃圾、城市地表径流、农业面源、畜禽散养；内源为底泥污染。

3.2 污染源贡献率分析

污染源调查结果反映了陆域各污染源的排污情况，根据《全国水环境容量核定技术指南》(2003.09)中对于污染物入河系数的规定，结合流域情况选取各类污染源的入河系数，分析水陆响应单元的污染物陆上排放量的对应入河量[13]。蒙溪河流域工业污染源入河系数取1，城镇生活污水、生活垃圾污染源入河系数取1，规模化畜禽养殖污染入河系数取0.12，畜禽散养污水、农村生活污水、城市地表径流、农田面源和生活垃圾视实际情况分别取0.12、0.6、0.1、0.2和0.1；底泥污染取1。各个污染源贡献率如图5所示。

图5 污染负荷饼图Fig.5 Pie chart of pollution load

由图5可知：

(1)CODCr入河量：占比最高的为农业面源，27.81%；其次为规模化畜禽养殖，15.34%，然后为城镇生活污水，15.34%，底泥污染，11.58%；畜禽散养，10.92%；农村生活污水，10.29%。

(2)NH3-N入河量：占比最高的为农业面源，46.51%；其次为农村生活污水，21.00%；然后为城镇生活污水，17.39%，畜禽散养，7.10%，规模化畜禽养殖，4.63%。

(3)TN入河量：占比最高的为农业面源，45.23%；其次为农村生活污水，22.05%；然后为城镇生活污水，17.76%，畜禽散养，6.91%，规模化畜禽养殖，4.71%。

(4)TP入河量：占比最高的为畜禽散养，38.57%，其次为农业面源，18.45%，然后为农村生活污水，15.27%；城镇生活污水，13.08%；规模化畜禽养殖，12.66%。

综上可以分析出，蒙溪河流域污染物入河量涉及的污染源[14]，按照贡献值来分析，依次为农业面源、城镇生活污水、农村生活污水、规模化畜禽养殖、畜禽散养和底泥污染。

4 流域水环境容量分析

4.1 边界条件

进行水体环境容量计算，首先划定水域功能区，确定功能区的水质目标，其次根据功能区的水文特征，确定水文设计条件(流量、流速、河段长度)。通过参数识别，确定水质降解参数，然后分析功能区污染物进入区域的途径，特别是排放口位置、排放量、污染物种类、浓度及排放规律等[15]。最后选择数学模型，进行分析计算。影响水与水环境容量的要素很多，本次计算涉及的边界条件和控制因子如下：

(1)控制因子：根据流域水污染现状和水污染物总量控制现状，选择CODCr、NH3-N、TN和TP作为容量计算的控制因子。

(2)水质目标：以水环境功能区相应环境质量标准类别的上限值为水质目标。水环境功能区相应环境质量标准具体落实于相应的监控断面，断面达标即意味着水环境功能区水质达标，蒙溪河流域执行国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水质标准。

(3)单位时间：指一年，即将最枯月或最枯季的环境容量换算为全年，作为功能区的年环境容量。排放浓度采用mg/L单位，流量采用m3/s单位。

(4)流量及流速：参考《四川省广安区蒙溪河“一河一策”管理保护方案》，蒙溪河多年平均流量为1.45m3/s，蒙溪河多年平均流速为0.20m/s。

(5)降解系数：根据《全国水环境容量核定技术指南》和国内外相关研究，河流的降解系数可按照：K=(86400u/L)×ln(C0-CS)进行计算，其中u为多年平均流速。

4.2 计算模型

根据水环境容量核定技术要求，结合蒙溪河流域地表水的水文特征，本次水环境容量计算采用一维模型进行模拟。

其中，m——计算单元的纳污能力，g/s(结果表示时换算为t/a)；

k——污染物综合降解系数，d-1；

Q——河段上断面设计流量，m3/s；

CS——计算单元水质目标值，mg/L；

C0——计算单元上断面污染物浓度，mg/L；

L——控制单元长度，m；

u——平均流速，m/s。

4.3 计算结果

根据水环境现状及污染源调查情况，结合蒙溪河流域水文资料，对蒙溪河流域进行水环境容量核算，并计算断面达标需削减污染物量，计算结果如表2所示。

表2 蒙溪河流域水环境容量计算表Tab.2 Calculation of water environment capacity of Mengxi River Basin

续表2

根据计算结果，蒙溪河水环境容量：CODCr为546.452t/a，NH3-N为66.694t/a，TN为37.041t/a，TP为3.047t/a；通过1#和10#点位水质监测均值及流域范围内污染物汇入量，计算出流域下断面水质达《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅲ类水标准需要削减的污染物量为：CODCr为217.755t/a，NH3-N为24.683t/a，TN为75.710t/a，TP为10.774t/a。

5 结 论

通过对嘉陵江典型小流域蒙溪河水环境污染现状及演变趋势分析，可得出如下结论。

5.1 按照地表水Ⅲ类为蒙溪河水体功能，流域全程均为超标水体；从时间角度分析，在丰平水期交替时间段(9～10月)水质最差，其主要超标因子CODCr、NH3-N达到峰值；从空间角度分析，污染源汇入主要集中在4#～9#点位之间，而水质在9#点位最差，出现了较大幅度的升高，可考虑污染物集中汇入的可能性。

5.2 蒙溪河流域污染物入河量涉及的污染源，按照贡献值来分析，依次为农业面源、城镇生活污水、农村生活污水、规模化畜禽养殖、畜禽散养和底泥污染。

5.3 蒙溪河水环境容量：CODCr为546.452t/a，NH3-N为66.694t/a，TN为37.041t/a，TP为3.047t/a；过1#和10#点位水质监测均值及流域范围内污染物汇入量，计算出流域下断面水质达《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅲ类水标准需要削减的污染物量为：CODCr为217.755t/a，NH3-N为24.683t/a，TN为75.710t/a，TP为10.774t/a。