基于排污分区的流域水环境污染特征分析：以莆田市荔城区南洋水系为例

陈 浩 忻 飞 杨棠武 张 鹏 沈 翔 史新星 安树青,3*

(1 南京大学建筑规划设计研究院有限公司，江苏，南京，210024；2 南京大学常熟生态研究院，南大(常熟)研究院有限公司，江苏，苏州，215501；3 南京大学生命科学学院，江苏 南京 210046)

随着中国经济的高速发展，环境污染问题日益凸显，人们对良好生态环境的需求日益增加，水污染问题也成为当前的热点问题(Romanelli et al, 2021)。水环境污染不但影响着社会经济的可持续发展，也影响着人们的生命安全。在推进社会经济发展的同时，做好生态环境保护工作，强化水环境污染的治理与预防，已成为新时期经济发展与改革的重要主题(Feng et al, 2021; 杜明虹等, 2021)。

福建省莆田市荔城区南洋水系是莆田市污染较为严重的水系，生活污水排入、生活垃圾倾倒、农业面源和城市径流增加，导致南洋水系大部分河段水质为Ⅴ类水、劣Ⅴ类水，局部河道出现黑臭现象。现有的排涝沟渠淤积严重，部分原本清澈见底的河道已经成为污水沟，散发出怪味，蚊虫滋生，严重影响了城市环境和人民群众的身体健康(黄金志, 2009)。

目前，流域水环境污染特征主要通过划分流域分区进行区域分析(Sohoulande Djebou, 2018)。杨中文等(2020)通过鄱阳湖流域内划分流域分区对总磷污染源进行解析，张岸飞(2019)等分流域对增江水污染物排放特征进行研究，刘修英等(2020)分河段流域对贾鲁河郑州段污染源进行解析。莆田市荔城区城市排水管网、道路等基础设施建设改变了南洋水系原有的污染物入河途径，单纯采用原有的水系流域分区来分析污染物对河流水质的影响与河流水质现状不符。本研究综合考虑水系流域分区、排水管网分区、道路分区，并结合水质监测断面，将南洋水系划分为后廖片区、港利片区、洋埕片区和东郊片区4个排污分区，分析南洋水系的污染物类别、数量、汇流方式、水系容量等特征，探究不同片区水质的污染程度及其主要污染源并提出建议，为南洋水系及周边水系水环境治理提供借鉴意义。

1 研究区概况

荔城区南洋水系位于福建省莆田市荔城区，南洋平原位于木兰溪下游南侧，西起木兰陂，东至东山闸，南至岭头山、壶公山、笏石、北高，总面积165 km2。福泉高速贯穿整个南洋平原，南洋平原高速路西面集雨面积为80.3 km2，主要排水河道有渠桥河、洋埕河和东郊河。南洋平原高速路东面集雨面积84.5 km2，主要排水河道为和平河。针对南洋平原高速路西面区域的后廖水闸断面、港利水闸断面、西洪水闸断面和东郊河断面的4个水质断面进行水质分析(图1)，其对应河道分别为锦墩河、渠桥河、洋埕河和东郊河。

图1 南洋水系图Fig.1 Nanyang water system map

2 研究方法

2.1 排污分区划分

荔城区南洋水系以渠桥河为区域供水河道，后廖水闸、后廖东侧农田水闸、港利水闸(渠桥河)、西洪水闸(洋埕河)、西洪水闸西侧农田水闸、东郊河6个断面为区域出水断面。本研究综合水系流域分区、排水管网分区、道路分区，结合水质监测断面，为方便后期污染特征分析，将南洋水系划分为9个排污分区(图2)。

图2 排污分区图Fig.2 Watershed zoning

其中，后廖片区、港利片区、洋埕片区及东郊片区分别向后廖水闸断面、港利水闸断面、西洪水闸断面和东郊河断面4个水质监测断面排放污染物，其他排污区（如东井片区、和平片区等）日常几乎不排水，或不向研究区水质监测断面排水，不作为研究范围。因此，本研究区分别为后廖片区、港利片区、洋埕片区和东郊片区。根据卫星影响及土地利用现状调查分析，确定4个排污分区土地利用情况(表1)。

表1 排污分区土地利用现状表Table 1 Status of land use in watershed Zones

2.2 水环境容量计算方法

2.2.1 边界条件设定考虑流域水系特征、水文特征、排污状况、水体水质目标以及水环境管理方面的需求等因素，确定水环境容量计算的边界条件如下：(1)选择河流分段进行水环境容量计算；(2)选择补水水质Ⅳ类水作为河道来水水质；(3)选择Ⅳ类水作为目标水质。

2.2.2 环境容量测算设计条件说明

(1)环境容量单元。为了更好地分析流域现有水环境容量，为后续污染物负荷削减奠定基础，本方案分单元进行水环境容量核算。

(2)测算模式选择。根据《全国水环境容量核定技术指南》(中国环境规划院, 2003)采用一维模型测算水环境容量。假定污染物浓度仅在河流纵向上发生变化，污染物在较短时间内基本能混合均匀，污染物浓度在断面横向方向变化不大，横向和垂向的污染物浓度梯度可以忽略。

当控制断面符合指定的水质标准时，河流中某种非持久性污染物的环境容量计算公式为：

式中：W为环境容量(kg/d)；Qh为河流雨季或非雨季期流量(m3/s)；C0为河流对照断面的背景浓度(mg/L)；Cs为河流水质控制标准浓度(mg/L)；K为污染物综合降解系数(1/d)；L为河流长度(m)；U为河流断面平均流速(m/s)。

2.3 污染源核算法

项目区主要污染源包括4类：(1)生活源污染，指未完全截污的生活污水造成的污染；(2)农业面源污染，指农业生产活动中，农田中的氮、磷等营养元素通过农田排水进入水体所引起的污染；(3)初期雨水污染，指降雨初期溶解空气中的酸性气体、汽车尾气、工厂废气等污染性气体，冲刷屋面、沥青混凝土道路等后排入水体产生的污染；(4)内源污染，指进入水体中的营养物质通过各种物理、化学和生物作用，逐渐沉降至湖泊底质表层，当累积到一定量后再向水体释放形成的污染。

2.3.1 生活源污染核算生活源污染通过人口数量核算，区域人口数来自统计局数据。水量计算参数根据《室外排水设计规范》(上海市市政工程设计研究总院, 2016)计算。按照相关部门提供数据，管网截污率取70%计算。生活污水水质参考南方生活污水水质数据，其中，CODCr浓度为250 mg/L，氨氮浓度为20～30 mg/L(本项目暂取为25 mg/L)，总磷浓度为2～4 mg/L(本项目暂取为3 mg/L)。

2.3.2 农业面源污染核算农业面源污染通过农田面积核算，区域农田面积数据来自卫星影像分析；源强系数根据《全国水环境容量核定技术指南》(中国环境规划院, 2003)中的标准农田源强系数和修正系数选取。

2.3.3 初期雨水污染核算初期雨水污染通过城市建成区面积核算，按照8 mm降雨核算水量，结合以往研究对城市道路初期雨水径流污染物浓度分析，选取CODCr平均浓度为80 mg/L，氨氮平均浓度为2.0 mg/L，总磷平均浓度为0.5 mg/L (李畅等, 2011; 李帅杰等, 2021; 车伍等, 2016)。

2.3.4 内源污染核算动水条件下水体中淤污泥颗粒以悬浮释放为主，淤污泥中蓄积污染物的动态释放速率与流速基本成指数增长关系(中国环境规划院, 2003)，释放速率计算公式为：

式中 ：R为释放速率[mg/(m2.d)] ；U为流速(m/s)；α为流速修正系数，取值范围为0.003～0.006。

3 结果与分析

3.1 污染物入河总量及水环境容量分析

南洋水系4个排污分区内水环境容量核算结果详见表2。其中，港利片区的CODCr、氨氮和总磷水环境容量均为最大，后廖片区的均为最小，且远远小于其余3个片区。南洋水系4个小排污分区总水环境容量CODCr为11 536.29 kg/d、氨氮为224.40 kg/d、总磷为21.33 kg/d。

表2 南洋水系排污分区水环境容量核算结果 kg/dTable 2 Results of water environmental capacity of watershed zones of Nanyang river basin kg/d

南洋水系4个排污分区CODCr、氨氮和总磷的入河总量呈现不同趋势(图3)。其中，CODCr的入河总量变化趋势与城市径流污染趋势一致，均为港利片区＞洋埕片区＞东郊片区＞后廖片区，表明CODCr入河量与城市径流污染相关(表3，图3A)。氨氮的入河总量与污染源趋势不一致，表现为：港利片区＞东郊片区＞洋埕片区＞后廖片区，表明氨氮污染是多种污染源作用的结果(表3，图3B)。总磷的入河总量与污染源趋势不一致，表现为：东郊片区＞港利片区＞洋埕片区＞后廖片区，表明总磷污染是多种污染源作用的结果(表3，图3C)。

表3 南洋水系排污分区污染源核算结果 kg/dTable 3 Results of pollution sources of watershed zones of Nanyang river basin kg/d

除CODCr外，氨氮和总磷的水环境容量均小于污染物入河量，因此该区域河流主要污染物为氨氮和总磷。

后廖片区的CODCr排放量大于水环境容量(图3A)，表明后廖片区河流自净能力无法正常降解排放入水体的CODCr，因此后廖片区河流存在CODCr污染。而港利片区、洋埕片区和东郊片区的CODCr排放量均小于水环境容量，表明这些片区水体能够降解其入河的CODCr，因此对于港利片区、洋埕片区和东郊片区水体CODCr不存在超标现象，该结论与水体现状水质一致。

4个片区氨氮排放量均大于水环境容量(图3B)，表明河流自净能力无法正常降解排放入水体的氨氮，因此4个片区的河流均存在氨氮污染。剩余氨氮等于氨氮排放量和水环境容量的差，由图4B可埕片区＜东郊片区＜后廖片区，表明后廖片区水体氨氮污染最重，其次为东郊片区、洋埕片区、港利片区，该结论与水体现状水质一致。

图3 CODCr、氨氮和总磷的入河总量与水环境容量分析Fig. 3 Analysis of water environmental capacity and total inflow of CODCr, ammonia-nitrogen and total phosphorus

图4 不同污染源的污染物污染贡献率Fig.4 Pollution contribution rate of each pollutant in different pollution sources

4个片区总磷排放量均大于水环境容量(图3C)，表明河流自净能力无法正常降解排放入水体的总磷，因此4个片区河流均存在总磷污染。剩余总磷等于总磷排放量与水环境容量的差，由图3C可知，剩余总磷污染物由小到大依次为：洋埕片区＜港利片区＜后廖片区＜东郊片区，表明东郊片区水体总磷污染最重，其次为后廖片区、港利片区、洋埕片区，该结论与水体现状水质一致。

3.2 污染源贡献率分析

污染源贡献率指该污染源排放的污染物占入河污染物总量的比例。南洋水系4个排污分区的污染源核算结果详见表3。南洋水系4个小排污分区总排污量中，CODCr为6 983.31 kg/d、氨氮为443.47 kg/d、总磷为99.83 kg/d。

CODCr的污染源贡献率在各分区内呈一致的趋势，从高到低依次为城市径流＞生活源＞农业面源＞内源(图4A)，表明区域河流内CODCr污染主要来源为城市径流和生活源污染，两者总占比为86.49%～93.71%。控制区域CODCr污染主要需控制城市径流和生活源污染。

氨氮的污染源贡献率呈现出不同趋势，各分区中生活源的氨氮贡献率最高，占比50%以上，其次农业面源和城市径流相当，基本占比在20%左右(图4B),表明区域河流内氨氮污染主要来源为生活源污染，控制区域氨氮污染主要需控制生活源污染。该趋势与秦柳等(2020)南湖污染源解析与污染负荷核算中的趋势一致。

各分区中农业面源的总磷贡献率最高，占比40%以上，其次生活源和城市径流相当，基本占比在30%左右(图4C),表明区域河流内总磷污染主要来源为农业面源、城市径流和生活源污染，控制区域总磷污染主要需控制农业面源污染。该趋势与杨中文等(2020)基于源汇过程模拟的鄱阳湖流域总磷污染源解析，以及谢经朝等(2019)对汉丰湖流域农业面源污染氮磷排放特征分析中的趋势一致。

4 结论与建议

莆田市荔城区南洋水系水污染问题已严重影响了城市环境和人民群众的身体健康，采用划分排污分区的方法，分析南洋水系水环境污染特征，结果表明：该地区水体除CODCr外，氨氮和总磷的水环境容量均小于污染物入河量，因此该区域河流主要污染物为氨氮和总磷。尤其是后廖片区的水环境容量较小，应对自然水体进行生态修复，恢复水生动植物，增强自然水体的自净能力，提升水环境容量。

结合污染源分析发现，生活源污染对氨氮贡献率最高，因此应该在各区域实施污水收集系统提标改造工程，对生活源污水进行截污管网建设，增加城镇污水收集率，减少生活源污染入河；针对较远农村生活源，可建设分散式污染处理设施，加强对生活源污染处理。另外，在4个片区中，农业面源污染对总磷贡献率最高，应采用源头控制、过程拦截和末端治理相结合的措施对农业面源污染进行治理。减少化肥、农药使用量，优化种植结构，实现源头控制；建设生态拦截沟、生态沟渠等实现过程拦截；在末端建设湿地工程等实现农业面源污染治理。