湘江捞刀河流域氨氮和总磷水环境容量计算

张清寰，谭芬芳，伍朝辉，黄国鲜*，刘付真，邓义祥

1.中国环境科学研究院

2.湖南省长沙生态环境监测中心

3.湖北省水文水资源中心

4.核工业二三O研究所

随着人口快速增长、城市化水平提高和工农业迅速发展，流域水环境受到不同程度污染，当污染物入河量超过可承载范围时会发生富营养化等水环境问题。氨氮和总磷是水体富营养化的重要指标。氮、磷主要来自生物体代谢和腐败、工业废水、生活污水及农药化肥等[1-2]。水环境容量指在给定水域，相对于某一水环境质量标准，该水域能容纳的最大污染物数量[3]，反映污染物在环境中的迁移转化以及特定功能条件下环境对污染物的承受能力。水环境容量有季节性动态变化规律[4]，研究水环境容量可以支撑水环境改善[5-6]，为一定环境规划条件下污染物总量控制提供依据[7-10]。目前已有研究基于一维水质模型[11]、参数法[12]、河网水环境数学模型[13]等对水环境容量进行计算，为污染物总量控制提供了依据，但是对资料缺乏的山区-城市混合区域水环境容量精细化研究较少。

作为华中地区最大的工业聚集区，长沙-株洲-湘潭（简称长株潭）城市群污水排放量较大，河湖水质污染较严重。笔者选择长株潭城市群代表性区域——湘江一级支流捞刀河流域为研究对象，针对流域内长时间序列水文观测资料缺乏问题，将网格分布式水文模型和一维河网水质模型相结合，定量求解各控制单元氨氮和总磷的水环境容量及排污负荷，揭示水环境负荷超载状态，以期为实测资料缺乏地区水文水质过程和环境容量求解提供参考，为水质精准管理和污染物总量控制提供理论依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

捞刀河流域是湘江一级支流，起于浏阳市社港镇周洛村，河流全长132 km，流域面积约2 540 km2。流域气候类型属于中亚热带湿润季风气候区，四季分明，春秋短而冬夏长，多年平均气温为16.8～17.3 ℃，最冷月份平均气温为4.5～5.4 ℃，最热月份平均气温为28.8～29.3 ℃。多年平均降水量为1 484 mm，主要集中在4—9月，占全年总降水量的65.9%。其中丰水期主要在3—9月。流域面积100 km2以上的支流有6条，分别是白沙河、金井河、狮岩河、永乐桥、东门江和黄泥江。研究区地理位置、控制单元和水质采样点位置及各控制单元间流向等信息如图1所示。

图1 研究区地理位置、控制单元划分及水质采样点位置Fig.1 Geographical location, hydrologic control units division and water quality sampling points of the study area

捞刀河流域位于长沙市境内，流经开福区、望城区、浏阳市和长沙县，污染物来自点源（包括规模化畜禽养殖、工业源、城镇生活源等）和面源（主要是农业种植和农村生活源）[14]。由于开展了环境治理和清洁行动，流域水环境质量在近5年显著改善，然而流域中下游城市化发展较快，人口不断向城区聚集，周边产能、经济规模扩大等，造成区域内生活污水、工农业废水排放量增加。同时，流域上游水库不合理蓄水和泄水导致枯季水库基流减少，下游枯季稀释流量不足，导致河道水质时有超标。主要水环境问题如下：1）石子断面每年10月左右有水质超标现象，2017年11月出现GB 3838—2002《地表水环境质量标准》劣Ⅴ类水质，主要超标因子为氨氮、总磷和化学需氧量。由于化学需氧量超标不严重，且限于篇幅，文中只计算并讨论氨氮和总磷的水环境容量。2）氨氮和总磷浓度超标主要集中在枯水期。3）流域内白沙河口（市控）、金井河口（市控）、金竹河与楚家湖入捞刀河口（市控）、捞刀河入湘江（国控）、石子（省控）、土桥撇洪渠入捞刀河口（市控）断面氨氮和总磷有超标现象。

1.2 数据收集和处理

地形数据采用Strim V3.1版本90 m数字高程模型（DEM），土地利用采用2018年30 m精度遥感影像数据，土壤数据来自土壤数据库HWSD 2.1，气象数据采用中国地面气候资料逐日数据集。一维河网水质模型所需水下地形数据由DEM和当地水下地形2010年测量数据插值获得。采用网格分布式水文模型模拟河道流量，为一维河网水质模型提供边界条件。由于捞刀河流域无实测流量数据，模型计算区域选取包含长沙市的完整流域，以保证模型可以利用相邻浏阳河流域的实测水文数据进行校验，网格单元大小为300 m。

实际污染物排放量采用2017年长沙市第二次全国污染源普查（二污普）数据，包括工业源、农业源、生活源和畜禽养殖等。其中，生活源和集中式污水处理厂的污染物排放量归总为生活源。流量和水质数据为2017年收集，水质数据包括国控、省控和市控断面监测数据。其中，石塘铺、石子属于省控断面，捞刀河口属于国控断面，有2017年1—12月逐月水质数据；其他断面属于市控断面，只有2017年8—12月逐月数据。土桥撇洪渠入捞刀河口没有2017年数据，用2018年数据代替。

1.3 主要计算方法

1.3.1 流量模拟计算

采用网格分布式水文模型计算各条支流流量，为一维河网水质模型提供流量、水质边界条件，然后结合流域和河网模型计算不同控制单元的流速和流量。采用式（1）～式（2）计算各网格水量平衡，采用三水源新安江产水模型、切应力驱动的产沙和水质过程求解子模块，对各网格流量、泥沙和污染物通量进行马斯京根法演算，最终演算到子流域出口[15]。2个模型具体连接计算方式：采用网格分布式水文模型计算各网格及上游河网节点流量和水质浓度，以点源方式加到河网模型各河道断面，进行主河道水动力和水质过程计算。分布式水文模型采用的控制方程如下：

式中：P为任意时间步长 Δt的降水量，mm；E为陆面蒸发量，mm；R为地表、土壤中和地下径流量总和，mm；W1和W0为土壤和地表蓄水量，mm；I1、I2为计算时段始、末入流量，m3/s，Q1、Q2为计算时段始、末出流量，m3/s；Cm0、Cm1、Cm2为马斯京根洪水演算法系数，根据式（3）～式（6）计算；Xd为流量比重系数，反映河道调蓄能力；Kd为槽蓄曲线坡度，等于恒定流下河段平均传播时间。

一维河网水质模型（one-dimensional river network model，RNM1D）可以动态模拟环支混合河网多流向水动力和水环境过程，也可模拟不同水库调度作用下河网中污染物及微生物细菌的浓度变化等，在长江流域和英国Ribble河网得到应用[16-18]。该模型计算公式如下：

式中：A为横断面过水面积，m2；Q为流量，m3/s；q为河道支流旁侧入流流量，m3/s；x为河道纵向距离，m；t为时间，s；Z为水位，m；Sf为摩擦阻力项，计算公式为其中n为 糙率系数，B为河道过水断面宽度，m；Se为局部水头损失引起的水力坡度变化，无量纲。L为旁侧流量混合引起的动量损失，m3/s2，如果旁侧流量大于 0，则L=q(ub-Q/A)，其中ub为旁侧流量沿主方向投影流速，m3/s；如果旁侧流量小于0，则L=-qQ/A。

1.3.2 污染物入河量计算

捞刀河流域点源污染包括工业、企业、集中式畜禽养殖场和城市污水处理设施排放的污染物，面源污染包括分散式畜禽养殖场和种植业排放的污染物。污染物入河量为污染物实际排放量乘以入河折算系数。其中，工业、企业排放的污染物若通过污水处理厂进入河流，其折算系数为0.93[14,19]；规模化畜禽养殖场污染物若不排入河流，其污染物排放量不计入入河污染物总量中，若进入河流，实际排放量需要乘以折算系数0.1[20]；城市和农村集中式污水处理设施若排入河流，需乘以折算系数0.8；农村集中式污水处理设施若排放污染物进入污灌农田，其排放量不计入入河排放量中[21]；农业源根据农业种植源数据随区域和时间变化，并参考第一次全国污染源普查公布的计算方法和相应参数求解得到。

1.3.3 水环境容量计算

各控制单元空间分布如图1所示，对应编号等信息见表1。各控制单元出口位置对应河道的出口断面。水环境容量计算公式[22]如下：

表1 研究区各控制单元基本信息Table 1 Basic information of each control unit in the study area

式中：W为水环境容量，kg/a；Q0为控制断面入口流量，m3/s，按照最枯月平均流量计算；qm为控制断面中途进入水量，m3/s；K为水质逐日降解系数， d-1，参考长江中下游太湖流域污染物降解系数[23]，其中氨氮和总磷的K取值分别为0.16和0.1 d-1；C0为控制断面入口水质浓度，mg/L；Cs为水质标准浓度，mg/L；l为控制断面距离单元出口长度，m，当存在中途进水时，l取 值约为控制单元长度的1/2；u为流速，m/s。Q0和qm由一维河网水质模型求解。水环境容量相比入河量多余部分为剩余环境容量，水环境容量相比入河量较少部分为污染物应削减量。

2 结果与分析

2.1 流量模拟结果

捞刀河目前没有水文数据，因此采用与捞刀河毗邻的浏阳河朗梨站和双江口站实测水文数据校验模型，网格分布式水文模型模拟的2017年逐日流量与观测值如图2所示。其中，朗梨站模拟和实测值相关系数为0.81，双江口站模拟和实测值相关系数为0.93，拟合度较好。不同控制单元逐月流量中，S8、S9、S10和S12流量较大，这4个断面位于流域下游，相比上游流量增大。控制单元S12流量最大，为284.8 m3/s。不同控制单元的逐月流量有相同变化规律，都在3月达到第一个峰值，6—7月出现第二个峰值。

图2 朗梨站和双江口站模拟与实测2017年逐日流量Fig.2 Simulated and observed daily streamflow of Langli and Shuangjiangkou stations in 2017

2.2 污染物入河量

表2和表3显示各控制单元污染物来源及占比。由表2和表3可见，农业源是污染物排放的主要来源，氨氮入河量中农业源占比为39%～100%，总磷入河量中农业源占比为90%～100%。农业源污染主要与农业活动有关，包括随地表径流迁移的泥沙附着污染物、农药化肥和人畜排泄物。受降雨径流冲刷影响，面源污染物在多雨汛期较多[24]。生活源、工业源和规模化畜禽养殖污染物入河量相比农业源较小，甚至可忽略不计。氨氮入河量中，各控制单元农业源占比平均值为52%，畜禽养殖排放占比平均值小于1%，工业源占比平均值为22%，生活源占比平均值为26%。总磷入河量中，各控制单元农业源占比平均值为97%，畜禽养殖排放占比平均值小于1%，工业源占比平均值为1%，生活源占比平均值为2%。

表2 研究区氨氮入河量统计Table 2 Inflow of ammonia nitrogen in the study area

表3 研究区总磷入河量统计Table 3 Inflow of total phosphorus in the study area

2.3 水环境容量和污染物应削减量

按照《湖南省县级以上地表水集中式饮用水水源保护区划定方案》及饮用水水源保护区控制水质目标（关山水库、星沙二水厂等局部河库段为Ⅱ类水质标准，其他控制单元为Ⅲ类水质标准），计算各控制单元氨氮和总磷水环境容量，结果如图3所示。由图3(a)可知，对于氨氮来说，控制单元S5～S6剩余环境容量为负值，说明入河量超过水环境容量，入河污染物应削减，需要进行排放限制。控制单元S1～S4、S7～S8和S11的剩余环境容量接近0；控制单元S9～S10和S12的剩余环境容量为正值，均在250 t/a之内。控制单元S9的氨氮浓度在某些月份较高，但是年入河量在水环境容量范围内，可能原因是排放源数量和入河量等估算偏小。捞刀河下游控制单元S12氨氮浓度在冬季较高，但是氨氮年入河量未超过水环境容量，除了与控制单元S9的超标原因类似，可能与长沙枢纽调度导致河道壅水、污染物累积，冬季上游基流偏少， 河道稀释能力较小有一定关系。

由图3(b)可知，对于总磷来说，除了控制单元S1～S2、S10～S11剩余环境容量接近0外，其他控制单元的剩余环境容量均为负值，说明总磷应削减。S5～S6总磷入河量超过水环境容量较多，其污染负荷主要来自农业源，可能是农田收获期稻田排水造成的，需要进行削减控制。S8～S9的剩余环境容量为-447.96～-381.21 t/a，其总磷排放主要来自农业源，枯水期生态流量较少，污染物浓度相对较高[25]。总体来看，氨氮的水环境容量比总磷大10倍，这与水质标准限值有关，也与河道水流条件、衰减系数等有关，因此总磷环境容量敏感性高于氨氮[26]。

图3 各控制单元氨氮与总磷入河量、水环境容量及剩余环境容量Fig.3 Inflow, water environmental capacity, and remaining environmental capacity of ammonia nitrogen and total phosphorus at each control unit

2.4 污染物浓度和通量逐月变化

各控制单元出口氨氮和总磷浓度月变化如图4所示。由图4（a）、图4（b）可知，大部分断面氨氮浓度在8月达到局部峰值，9月后逐渐升高，11月达到最大值，可能原因是雨水冲刷化肥中多余氮，造成河道氨氮浓度增加[27]。氨氮浓度季节性变化较大，冬季升高，这可能是由于枯水期流量减少，对污染物稀释能力减小造成的[28]。控制单元S9、S11～S12氨氮浓度较大，9—12月超过Ⅲ类水质标准，S4和S6氨氮浓度在11—12月超过Ⅲ类水质标准。控制单元S1～S3和S7位于流域上游，污染物浓度相比下游低且浓度变化范围小，水质较好。控制单元S11～S12位于捞刀河下游，一方面汇集上游污染物，另一方面区域内分布较多工业企业，加之河道纵向比降小，河水流速缓慢，上游过境污染物容易累积并在适宜条件下释放，因此该区域氨氮浓度较高。

图4 各控制单元出口氨氮和总磷浓度逐月变化趋势Fig.4 Monthly variation trend of ammonia nitrogen and total phosphorus concentration at the outlet of each control unit

由图4（c）、图4（d）可知，大部分断面总磷浓度在9月后逐渐升高，并在11月达到峰值，除控制单元S6和S9外基本达到Ⅳ类水质标准。总磷浓度在控制单元S1～S3和S7较其他控制单元低，流域上游较下游低。流域上游总磷主要来自自然风化和局部农业种植，土壤中总磷浓度接近矿物磷本底值，而流域下游总磷还来自人类活动排放，因此总磷浓度升高。冬季总磷浓度升高，可能是养殖业、生活用水和工业排放源导致的。

各控制单元氨氮和总磷通量逐月变化如图5所示。由图5可知，各控制单元出口氨氮和总磷通量在6—8月较高，总磷通量在6月后逐渐下降。氨氮通量峰值在降水量峰值之后，并在冬季11月有小峰值，这可能是生活源排放造成的。总磷通量逐月变化趋势与降水量相似，可能受降雨径流主导。氨氮和总磷通量在夏季增加，在一定通量范围内水中藻类数量增加，影响水下植物对阳光和氧气的摄取，减少水生生物多样性[29]。11月控制单元S9通量大于S12，可能原因是冬季流量减小，水流速较缓，污染物从控制单元S9到S12河道输移过程中部分营养物质淤积到河道底泥中，并且下游控制单元S12有闸坝蓄水时水量相比上游也会减小。

图5 各控制单元氨氮和总磷通量逐月变化趋势Fig.5 Monthly variation trend of ammonia nitrogen and total phosphorus fluxes at each control unit

综上，氨氮和总磷入河量中农业源占主导，主要来源是化肥农药随雨水冲刷进入河道。需要对农业源污染进行精准控制，通过调整施肥结构等方式逐步减少农药化肥施用量，同时推广有机肥和适用不同作物的病虫害绿色防控技术。控制单元S3～S9的总磷入河量超过河道水环境容量，可能原因是水环境容量按照最枯月流量计算，而污染物浓度月变化较大。对于年尺度，未来应进一步将多源排放量进行时间精细化计算，对氨氮和总磷季节性超标问题开展研究。

3 结论

（1）捞刀河流域氨氮和总磷入河量的主要贡献者是农业源，其次是生活源，工业源和规模化畜禽养殖排放量占比较小。氨氮入河量中农业源占比为52%，生活源占比为26%，工业源占比为22%，而畜禽养殖排放占比小于1%。

（2）氨氮和总磷通量在多雨汛期较高，非汛期较低，如氨氮和总磷通量在7月是11月的6倍左右，说明污染物通量受降雨径流驱动，这部分污染可能来自农业源流失。汛后或枯季个别断面氨氮和总磷浓度偏高，可能与河道基流偏小、生活源等排放偏高有关。

（3）冬季，污染物从控制单元S9到S12出口过程中淤积到河道底泥中。为改善该区域水环境质量，建议加强农业源污染治理，推广使用有机肥，提高化肥利用效率。河道流量、污染物浓度和环境容量有显著季节性变化规律，需要在未来研究中加强流域各类污染物产生、排放、流失过程的高频监测和计算，对水环境质量进行精准评估和实时排放管控，以满足流域社会经济与水环境质量高度协同发展。