岷江(内江段)典型区域的非点源污染物入河系数估算及应用

覃银红，肖 杰，许 利,赵文艳

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

前 言

岷江是四川省成都市重要的水系之一，流域面积9 169 km2，占全市幅员面积的70.4%，在促进全市社会经济发展和保障水资源供需过中发挥着巨大作用。岷江(内江段)流域覆盖成都市中心城区、天府新区等核心发展区，接纳了成都市最大的生活和工业污染负荷，加上大量的非点源污染，如农业面源污染和城市径流污染等[1]，使得岷江流域部分监测断面出现劣Ⅴ类水质。为改善岷江流域整体水体水质，需要明确流域内污染源的种类、产生量、排放量及入河量，才能对各项污染源制定针对性的削减措施。由于各类污染源的最终去向多为排入河流，污染源入河系数的准确性与否直接影响到污染源入河量大小，因此加强对流域非点源污染物入河系数的研究显得尤为重要。

目前国内外针对非点源入河系数的研究测算方法可大致分为断面实测总负荷减去点源负荷的方法[2]、实地监测法[3～5]、水文估算法[6]、经验模型法[7～10]和机理模型估算法[11～14]。其中实地监测结果准确度高，但成本高，可操作尺度小[15]；水文估算及经验模型法计算简单、适用于区域尺度，但精度低；机理模型法精度高，但繁琐复杂，对数据和人员专业素质要求均较高[16]。目前流域管理工作中，常需要快速、便捷估算出流域不同污染物总量情况，为管理部门尽快掌握水体中污染物来源信息和制定削减对策提供依据。因此，研究出一种简易的计算非点源污染物入河系数具有重大的现实意义。本研究选取岷江(内江段)流域作为研究区域，基于一维水质模型，利用Excel规划求解功能建立一种计算非点源入河系数的简易方法，为流域非点源污染物入河量估算和排污控制提供技术参考。

1 研究方法

1.1 基础数据收集与整理

模型构建与入河系数计算基础资料主要来源于《四川省环境统计数据(2016)》和《成都市地表水监测数据(2013～2018)》。

1.2 流域污染源污染负荷统计

首先，确定流域具体区域范围以及区域内河流的上、下游边界；其次，依据《四川省环境统计数据(2016)》逐一分类统计流域内所有的污染源排放量，包括工业源、生活源、畜禽养殖源、农业及城市面源。工业源、生活源及畜禽养殖源又分直接排放和间接排放两种排放方式(直接排放指污染物未经过污水处理设施处理进行直接排放，间接排放指污染物经过一定的污水处理设施进行处理后排放，如城镇污水处理厂，工业园区污水处理厂等)。最后，根据《成都市地表水监测数据(2013-2018)》，利用已有的河流污染物浓度和流量等数据，计算得出流域内河流上、下游边界的污染物静态通量。

1.3 非点源污染物入河系数模型构建

在流域确定区域范围内，污染物从陆地进入河流中，可建立污染物水陆质量守恒方程，其一般表达式如式(1)所示：

W0=λ1W1+λ2W2+λ3W3+W4-W5

(1)

公式(1)中，W0为下游边界污染物通量(吨/月)；W1为直排污染源排放量(吨/月)；W2为间排污染源排放量(吨/月)；W3为非点源污染排放量(吨/月)；W4为上游边界污染物通量(吨/月)；W5为上、下游边界之间污染物降解量(吨/月)；λ1直排污染源入河系数；λ2间排污染源入河系数；λ3非点源污染入河系数。由于间排的工业、生活及畜禽养殖污染源经过污水处理设施处理后，污水出水口一般靠近河流直接排放，因此入河系数取0.9。其次，直排的工业、生活、畜禽养殖污染源，考虑污染源在入河过程中的渗透和降解等作用，入河系数一般小于0.5。农业及城市面源入河量与降雨量存在直接关系，根据《流域水污染物总量控制技术与示范(2008)》显示，其入河系数一般在0.01～0.1之间。因此，λ1直排污染源入河系数取值范围为0～0.5；λ2间排污染源入河系数为0.9；λ3非点源污染入河系数为0.01～0.1。最后构建流域内一年12个月的水陆污染物质量守恒方程，并删除数据异常的方程组。通过较为合理的水陆污染物质量守恒方程(方程组数≥2组)，再利用Excel软件中的规划求解功能分别求出较优的直排污染源入河系数λ1和非点源污染物的入河系数λ3。

1.4 一维水质模型与Excel规划求解

污染物以岸边排放方式进入水体后沿垂向、纵向和横向三个方向输移和扩散，且在近岸水域形成一定宽度的污染带，在宽深比值较大的水流中，垂直方向上的扩散一般情况是在很短的时间内完成的，垂向浓度分布均匀。一维水质模型适用于河流流量小于150m3/s的中小型河段，其数学表达计算公式(2)所示:

(2)

公式(2)中：Cx——流经x距离后的污染物浓度，mg/L；

Co——污染物初始浓度，mg/L；

x——沿河段的纵向距离，m；

u——设计流量下河道断面的平均流速，m/s；

K——污染物综合自净系数，1/s。

本研究中河流综合自净系数K值参考《成都市河网水系水环境容量研究(2008)》《成都市岷江流域未达标水体达标方案(2017)》等区域研究成果。

通过构建不同的方程组，借助Excel “规划求解”可求得工作表上某个单元格中公式的最优值。“规划求解”将对直接或间接与目标单元格中公式相关联的一组单元格中的数值进行调整，最终在目标单元格公式中求得期望的结果，从而得到流域非点源污染物较优的入河系数。

2 结果与讨论

2.1 非点源污染物入河系数的确定

2.1.1 岷江(内江段)流域区域范围

岷江(内江段)流域区域范围如图1所示，将岷江(内江段)流域划分为3个计算区域，分别是黄龙溪双流龙泉驿区控制单元区域、二江寺断面以上区域及迎宾大道府河桥断面以上区域。以黄龙溪双流龙泉驿区控制单元区域为例，进行岷江(内江段)流域非点源污染物入河系数的详细计算过程说明，计算区域范围如图1左下角绿色虚线构成的区域范围所示。岷江(内江段)流域黄龙溪双流龙泉驿区控制单元区域内的主要河流为锦江，该河流上、下游边界断面分别为二江寺下游汇合处断面和黄龙溪断面，上、下游边界断面河流沿程距离约为33.4km。

图1 岷江(内江段)流域区域范围图Fig.1 Regional map of Minjiang(inner river section) watershed in Chengdu city

2.1.2 河流自净系数K值选取

参照《成都市河网水系水环境容量研究(2008)》《成都市岷江(内江)流域未达标水体达标方案(2017)》等研究技术报告，本研究中氨氮自净系数取0.17，总磷自净系数取0.09。为了验证所选取的自净系数K值是否合适，将本流域永安大桥断面、协和三江村街道断面和正公路断面的2017年水文和水质数据带入一维水质模型，分别计算得到下游断面的迎宾大道府河桥、二江寺和黄龙溪断面水质结果，并与2017年上述各断面实际监测值进行比较，如图2所示。由图2可知，本研究利用一维水质模型计算得到的断面氨氮和总磷数值与实际情况比较吻合，表明模型中降解系数取值较为合适，可用于本研究的后续计算。再根据《成都市地表水监测数据(2013～2018)》水文、水质数据及污染物自净系数，得到计算区域内上、下游边界断面氨氮和总磷的静态通量如表1所示。

图2 一维模型计算值与实际监测值对比图Fig.2 Comparison between calculated values of one- dimensional model and theactual monitoring values

表1 计算区域上、下游边界断面污染物氨氮及总磷静态通量Tab.1 Calculation of the static flux of ammonia nitrogen and total phosphorus in the upstream and downstream boundary sections of the region (t/月)

根据《四川省环境统计数据(2016)》逐一分类统计计算区域内所有的污染源排放量，包括工业源、生活源、畜禽养殖源、农业及城市面源。计算区域内各项污染源氨氮和总磷的统计结果如下表2所示。

表2 计算区域内污染源氨氮和总磷排放情况Tab.2 Calculation of ammonia nitrogen and total phosphorus emission of pollution sources in the area (t/月)

续表2

2.1.3 非点源污染物入河系数计算结果

结合上表1和表2，构建12个方程组，通过剔除不合理的方程组，剩余可用的方程组再利用Excel规划求解功能，可求出计算区域范围内直排污染源和非点源污染物的入河系数。得出岷江(内江段)流域黄龙溪双流龙泉驿区控制单元的直排污染源和非点源污染物的氨氮入河系数分别为0.11和0.04，直排污染源和非点源污染物的总磷入河系数分别为0.40和0.08。同理，可得到岷江(内江段)流域其他2个区域范围直排污染源和非点源污染物氨氮和总磷入河系数的计算结果如表3所示，可知岷江(内江段)流域二江寺断面以上区域和迎宾大道府河桥断面以上区域的非点源污染物氨氮入河系数分别为0.01和0.08，总磷入河系数分别是0.06和0.05。

表3 岷江(内江段)流域不同计算区域污染源入河系数计算结果Tab.3 Calculation results of inflow coefficients of pollution sources in different calculation areas of Minjiang (inner reiver section) watershed

2.2 模型结果验证

将岷江(内江段)流域计算区域所得非点源污染物入河系数分别代入方程中，重新进行污染源核算，并与下游监测断面污染物通量进行比较，得到核算结果如表4所示。可知计算得到黄龙溪断面的氨氮通量值比监测的氨氮通量值偏大，氨氮计算值和监测值的相对偏差平均值为18.93%，然而计算出黄龙溪断面的总磷通量值比监测的总磷通量值偏小。分析认为由于计算流域的黄龙溪断面每月氨氮和总磷监测浓度为瞬时浓度，由此计算得到的氨氮通量值不能完全地反映出每月的氨氮通量，从而得到黄龙溪断面的氨氮和总磷通量值与计算值出现此种差异结果。此外，本研究利用所求污染源入河系数推算污染物入河量的计算值与实际监测值平均误差在±30%左右，表明研究所用方法得出的结果精度较高，对流域污染源入河量估算和排污控制具有一定的参考价值。

表4 岷江(内江段)流域黄龙溪断面氨氮和总磷污染物核算结果Tab.4 Calculation results of ammonia nitrogen and total phosphorus pollutants in Huanglongxi section of Minjiang (inner river section) watershed (t/月)

进一步地，将岷江(内江段)流域计算区域的直排污染源和非点源污染的氨氮及总磷入河系数的结果和国内部分区域入河系数的研究结果如表5所示。可以看出岷江(内江段)流域不同区域计算出来的直排污染源和非点源污染物的氨氮及总磷入河系数略有差异，主要由于污染物的入河系数不仅与进入到河流的距离及入河途径相关，还与区域的降雨量强度、地表径流大小等因素存在一定关系。

表5 岷江(内江段)流域氨氮及总磷入河系数与其他流域对比Tab.5 Comparison of the coefficients of ammonia nitrogen and total phosphorus in Minjiang (inner river section) watershed with other watersheds

3 结 论

本研究基于《四川省环境统计数据(2016)》和《成都市地表水监测数据(2013～2018)》，通过一维水质模型构建流域污染物水陆质量守恒方程，开展对岷江(内江段)非点源污染物入河系数的研究，得到的结论如下。

3.1 岷江(内江段)流域典型区域的黄龙溪双流龙泉驿区控制单元直排污染源和非点源污染物的氨氮入河系数分别为0.11和0.04，直排污染源和非点源污染物的总磷入河系数分别为0.40和0.08。

3.2 本研究利用所求污染源入河系数推算污染物入河量的计算值与实际监测值平均误差在±30%左右，表明研究所用方法得出的结果精度较高，对流域污染源入河量估算和排污控制具有一定的参考价值。