渠江流域(宣汉段)水质及面源污染优先控制区研究

肖钦太，敖天其，2，向 鑫

(1.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065；2.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065)

0 引 言

相对于水环境的点源污染而言，面源污染物由于环境及径流的不确定性而更为复杂；因此其危害规模更大，防治也更为困难。优先控制区的识别已成为流域面源污染的核心理念和关键所在，面源污染优先控制区即指流域内对水环境质量有着决定性影响的敏感区域。

宣汉县地处四川盆地东北大巴山南麓，位于渝、川、陕、鄂结合部，介于东经107°22′～108°32′，北纬31°06′～31°49′之间。宣汉县境内东西最长跨度为110.6 km，南北最宽相距78.8 km，边界线长590.6 km，全县面积4 271 km2。宣汉县境内河流大部分属渠江水系上游州河支流，个别河流属巴河支流(如长滩河)，前河、中河的源头在县境外重庆市城口县境内。前、中、后河纵横全境于宣汉县城西北部汇为州河。

1 研究方法

1.1 数据来源

本次研究所收集到的资料有：研究区各乡镇人口与面积数据、实测断面水质数据、畜禽养殖数据、近几年社会经济数据、土地化肥施用数据、土地利用及土壤类型数据等。资料来源于宣汉县统计年鉴及乡镇(街道)、生态环境局等相关部门。

1.2 面源污染分析方法

1.2.1 输出系数法

输出系数法由美国、加拿大在研究土地利用-营养负荷-湖泊富营养化关系的过程中提出[1]。后经多位学者研究改进，改进的输出系数法将面源污染分为城镇、农村、农田、人口、牲畜等几大类，对于不同类型的土地利用或不同的居民面源污染状况采用不同的系数，公式为

(1)

式中，L为营养物的流失量，t/a；Ai为土地利用类型i的面积，km2，或畜禽养殖类型i的数量(头)，或流域的人口数量(人)；Ei为营养源i的输出系数，t/(km2·a)或kg/a；Ii为对污染源i的输入量，t/a；p为来自降水的营养物输入[1]，t/a。

目前国内系统且全面的输出系数研究很少。丁晓雯等提出了一种基于历史水文水质资料的参数确定方法，并应用该方法对长江上游2000年的输出系数和总氮负荷进行了计算和模拟[2]，结果能够满足模拟精度的要求。本文在前人研究成果的基础上进一步结合文献查阅得到研究区的输出系数，得到本研究区的输出系数表(见表1)。

表1 研究区不同面源的综合输出系数

1.2.2 源强系数法

参考中国环境规划院于2003年在《中国水环境容量核定技术指南》中提出的源强系数法[1]。该方法中的标准污染源是指某些特征值被限定的污染源，首先对每一种污染源特征分析，然后再对标准的源强系数进行修正，最后得到研究区各污染源的源强系数表(见表2)。

表2 各污染源的COD源强系数及入河系数

以农村生活污水为例，即

(2)

式中，l为农村生活污水污染物排放量，t/a；ei为源强系数，g/(人·d)；D为周期系数，计算农村生活污水时取365 d；Mi为流域内的人口数(人)。根据《中国水环境容量核定技术指南》[3]，其给定的农村生活污染物排放系数只是初步指标，最终指标还需要结合各乡镇的用水、排水量，用人均用水量和污染物浓度来校核后确定。

1.3 水质评价方法

1.3.1 综合污染指数评价法

综合污染指数法是评价水环境质量的一种重要的多因子评价方法。综合污染指数评价法涵盖了多种污染指数，可以在时空上对不同河段不同时段的水体进行水质分析，改善了用单项指标表征水质污染不够全面的欠缺[4]。综合污染指数法利用单个检测指标的检测结果与评价标准比值作为单项污染指数，进一步求出各单项污染指数的算术平均值，最终得到综合污染指数，公式为

Pi=Ci/Co

(3)

(4)

式中，Pi为污染物i的单项污染指数；Ci为污染物i的监测浓度；Co为污染物i的评价标准值；m为污染物种类数。综合污染指数最终评价等级见下表(见表3)。

表3 综合污染指数和水质等级分类

1.3.2 改进内梅罗指数法

(5)

表4 改进内梅罗指数和水质等级分类

2 结果分析

2.1 水质评价

根据宣汉县渠江流域前、中、后河及州河的地理位置和水质监测断面的分布情况，选取徐家坡断面，普光断面，乡石鹰断面，以综合污染指数和改进内梅罗指数作为评价指标，进行综合水质评价，断面位置图及水系图见图1。根据宣汉县2020年河长制断面监测数据及流域大致污染情况，选取化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)等4个评价因子对渠江流域(宣汉段)进行水质评价。

图1 监测断面位置关系及水系

根据气候、降雨等因子的影响将研究区全年分为枯水期(1月～3月)，平水期(4月～6月、10月～12月)和丰水期(7月～9月)。采用综合污染指数法和内梅罗指数法对研究区3个监测断面2020年全年各个水期的污染指数进行计算并评定污染等级，结果见表5。

表5 各断面不同水期的水质评价结果

2.1.1 水质空间分析

从空间上分析可知，3个断面在各个水期的综合污染指数和内梅罗指数中普光断面的指数最小，水质相对最优，乡石鹰断面的指数最大，水质相对最差，徐家坡断面居中。3个断面的综合污染指数均小于0.5(轻污染)，且内梅罗指数中除平水期外水质等级都属于三类以下。因此，可以判断，3个断面的水质情况都较好。

2.1.2 水质时间分析

从时间上分析，以水期为单位将3个断面的综合污染指数和内梅罗指数的平均值作为研究区的全年水质指数见图2、图3。在综合污染指数图中平水期和丰水期水质都属于轻污染等级，枯水期水质属于较清洁等级。在内梅罗指数图中，只有平水期水质指数稍高于三类水质标准，丰水期和枯水期指数都低于三类水质达标；但丰水期指数与三类水质标准非常接近。

图2 研究区2020年不同水期的综合污染指数

图3 研究区2020年不同水期的内梅罗指数

综上所述，研究区的丰、平水期水质总体劣于枯水期，原因可能是汛期降雨径流增加，径流的冲刷使得污染物充分稀释运移，使得面源污染加重，污染指数增加；而丰水期水质稍优于平水期的原因可能是丰水期水环境容量大，流量流速的增加使得水体自净能力增加。因此，可以得出结论：研究流域的污染类型主要为面源污染，面源污染较为严重。

2.2 面源污染优先控制区识别

评价了渠江流域(宣汉段)的现状水质情况后可以看出，研究区的面源污染情况令人担忧。为了具体分析研究区的面源污染优先控制区等相关内容，本文对研究区36个乡镇4种污染源3种污染物分别结合输出系数法和源强系数法对该流域面源污染进行评估。分析计算得出的等标污染负荷见表6。

表6 研究区污染源等标污染负荷

2.2.1 面源主要污染物

研究区3种污染物的总等标污染负荷比分别为：COD占比16.38%，TN占比62.11%，TP占比21.51%。因此分析出总氮(TN)为主要污染物，总磷(TP)次之。其原因可能是面源污染中农业化肥氮素含量过高。

2.2.2 面源主要污染类型

分析主要污染物总氮(TN)中的4种污染源。其中，农业化肥占比最大56.85%，其次为农村生活污水25.69%；在次要污染物总磷(TP)中分析其四种污染源，农村生活污水占比最大50.95%；在化学需氧量(COD)中分析，农村生活污水占比最大60.85%，其次为农业化肥35.22%。因此渠江流域(宣汉段)面源污染的主要类型是农业化肥和农村生活污水，这也是主要污染物是总氮(TN)和总磷(TP)的原因。

2.2.3 面源污染优先控制区

渠江流域(宣汉段)各污染物的等标污染负荷的空间分布如图4所示。从图4可看出，3种污染物在研究区36个乡镇中污染分布是有一定的规律可循的。从主要污染物总氮(TN)的空间分布情况来看，普光和南坝镇面源污染最为严重，其次是浦江街道和东乡街道。从总磷(TP)的角度来看，除了普光和南坝镇外，浦江街道和东乡街道污染也非常严重，这是因为浦江街道和东乡街道是主要的居民生活区，清洁剂等在使用过后，容易在水中积聚磷离子，使废水总磷上升。从化学需氧量(COD)的角度来看，依然是普光和南坝镇污染最为严重。总之，作为前、中、后河汇入州河汇口的浦江街道和东乡街道的污染情况不容乐观，而普光镇和南坝镇应该作为本次面源污染治理的优先控制区，浦江街道和东乡街道作为次级优先控制区。

图4 3种污染物等标污染负荷空间分布

3 结论及建议

渠江流域(宣汉段)水质情况较差，全年的大部分时段水质等级都低于地表水三类水质标准，且丰水期水质低于枯水期。流域面源污染严重，面源污染的优先控制区是普光镇和南坝镇，其次为浦江街道和东乡街道。因此，对该流域进行水环境综合治理时应将治理重点放在面源污染的优先控制区，对优先控制区的总氮和总磷识别污染来源，结合农业化肥和农村生活污水的两大污染类型，进行面源污染综合治理，具体建议如下：

(1)工业生产和生活都会产生氮污染，废水中总氮主要由氨氮、有机氮、硝态氮、亚硝态氮组成，过高的氮会导致水体富营养化。对于研究区来说，总氮的过高和面源污染中农业化肥，农村生活污水有着密切关系，各乡镇应该根据主要污染类型有针对性地进行水污染治理。

(2)对于面源污染的优先控制区，在治理时应该结合主要污染物和主要污染类型，还可结合小尺度微观变量或工程措施，使得面源污染的治理更有针对性，实现流域水环境的保护。