辽河流域铁岭段水环境评价

那荣越

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，沈阳 110006)

0 引 言

水是生态之基、生产之要、生命之源，我国正重点解决生态退化、水质恶化、用水效率低下、河湖水空间占用、过度用水等一系列水问题。随着社会经济的发展和生态环境认识的提高，水环境污染与水资源短缺正逐渐成为制约社会经济可持续发展的重要问题[1-2]。铁岭属于中国典型的缺水地区，辽河承担着重要的供水任务，而近年来因城镇化和工业化的快速发展，流域内居民生活、养殖、种植、工业污水不断排入河流，常年水质较差，水资源水环境压力持续增大。目前，水资源与水环境问题已成为制约铁岭地区可持续发展的“瓶颈”。

对流域水环境污染情况开展科学合理的评价是提高流域水资源综合利用效率、制定水污染治理方案的重要条件，对此国内外学者提出了诸多评价方法，如物元可拓法、模糊数学法、灰色关联法、内梅罗水污染指数法等[3-6]，但在评价过程中这些方法大多未考虑水量对水环境的影响。2008年，Hoekstra等[7]学者最先提出了灰水足迹的概念，即以现有的环境水质标准和自然本地浓度为基准，吸收同化一定污染物负荷所需的淡水体积，该方法提供了一种新的水环境评价思路，即从水量的角度对比分析水资源量值与水污染程度，结合经济社会相关指标还可实现动态评价。目前，国内外学者比较侧重于省级、国家、全球等大尺度水环境评价，对流域等小尺度层面的灰水足迹研究相对较少，如黄万霞等[8]定量预测了大伙房水库上游流域的灰水足迹；张鑫等[9]从定量计算、定性分析的角度研究了汾河流域农业灰水足迹。然而以上研究仅考虑养殖业、农业等流域内的几种污染源，而未核算居民生活、工业等污染源，并且核算过程中未采用统一的原则选取各项参数，从而导致核算结果缺少相互可比性，结果精准度较低。

文章以辽河流域铁岭段为例，通过核算研究区内种植业、禽畜养殖业、工业和居民生活污染的灰水足迹，评价分析了灰水足迹空间分布特征及其水环境状况。本研究解决了以往的参数选择不统一、污染核算不全面等灰水足迹评价中存在的问题，可为其它流域水污染治理与水环境评价提供一定借鉴。

1 区域概况

辽河属于中国七大河流之一，横跨河北、吉林、辽宁、内蒙古四省，全长1345km，总面积21.9km2，东、西辽河于铁岭市的福德店水文站上游汇合后始称干流。从福德店入境至珠尔山出铁岭市称为辽河干流铁岭段，河长170.1km，辽河主要有清河、招苏台河等支流。铁岭市属于大陆性季风气候区，季节性干湿交替特征明显，日照丰富，雨热同季，年均气温6.8℃，降水量524.5mm/a，其中汛期降水约占全年的60%，在地域上降水量呈西北少、东南多的分布特征，辽河属铁岭地区工农业生产和经济发展的重要水源，也是生态安全屏障区、水资源配置能源基地和战略水源地，其赋存的巨大水资源可提供灌溉、供水、发电、航运等服务功能，支撑着铁岭地区的经济社会可持续发展。

辽河干流上布设有珠尔山、沙宝台、通江口水质监测断面，清河和招苏台河两大支流布设有八棵树、开原、王宝庆水质监测断面。调查显示，重工业产业聚集区与食品加工企业为辽河干流主要工业污染源，市区生活污水与重工业产业聚集区的少量工业废水经污水处理厂处理后排入辽河支流招苏台河，一般由企业自建食品加工污水处理设施，经处理后排入辽河干流。牛肉、猪、蛋鸡、肉鸡养殖为禽畜养殖主要污染源，禽畜养殖场的粪污清理方式大多为干清粪，少量养殖场采取了尿液简单沉淀存储海田、粪便堆发酵还田等措施，大多数养殖场都是直接由农户拉走堆肥还田，基本未采取处理措施。城乡居民生活污水排放是城镇、农村主要生活污染源，除铁岭市区生活污水经污水厂处理后排入招苏台河外，其余的均为直接排放。果园与耕地种植实施的磷肥、氮肥所产生的流失为种植业主要污染源[10-13]。

2 研究方法

2.1 数据来源

流域灰水足迹准确核算的重要前提是全面收集流域污染数据，以辽河流经的10个典型城镇污染数据作为本研究的基础，相关数据来源，见表1。

表1 相关数据来源

2.2 灰水足迹核算法

流域内主要有种植业、禽畜养殖业、工业和居民生活污染等污染源，借鉴《水足迹评价手册》推荐的方法核算以上4个方面的污染源[14]，其表达式为：

TGWF=PGWF+LGWF+IGWF+HGWF

(1)

式中：TGWF为总灰水足迹，m3；PGWF、LGWF、IGWF、HGWF为依次代表种植业、禽畜养殖业、居民生活污染和工业灰水足迹，m3。

2.2.1 种植业灰水足迹

种植过程中农药、化肥的施工为种植业污染主要来源，农药、化肥的合理使用能够提高作物质量和产量，但施用过量时会引起氮磷的流失，所以总磷和总氮为种植业主要污染物，并且属于流失过程不确定、时空分布范围广阔的面源污染，计算过程符合“短板原理”。文章结合《水足迹评价手册》和曹连海等研究成果提出流域种植业灰水足迹核算方法，其表达式为：

(2)

最终，可以采用以下公式计算种植业灰水足迹PGWF，其表达式为：

PGWF=max(PGWFTP，PGWFTN)

(3)

式中：PGEFTP、PGEFTN为种植业污染中的总磷、总氮的灰水足迹，m3。

2.2.2 禽畜养殖业灰水足迹

禽畜粪尿排放中的污染物为造成禽畜养殖的主要污染源，结合流域内实际养殖情况，养牛场、养猪场和养鸡场均采用干清粪工艺清理粪便，并对残余粪便用少量水冲洗，养殖场大多未采取处理措施就直接排入河流，或者由农户直接拉走堆肥还田。禽畜粪尿主要有TN、TP、CODCr等污染物，并且会有一定污水，借鉴《水足迹评价手册》推荐的方法计算禽畜养殖业灰水足迹，其表达式为：

(4)

式中：IGWFi为禽畜养殖粪尿中污染物i的灰水足迹，m3；Wdli为禽畜养殖污水排放量，m3。另外，若考虑禽畜的出栏和存栏量会造成污染负荷量重复计算的问题[15]。针对不出栏或饲养周期为一年的蛋鸡、奶牛和肉牛等家禽，利用年末存栏量进行计算，对于一年内能够完成超过一次饲养周期的饿、生猪、肉鸡等家禽，在污染物负荷核算时按照年末出栏数较年末村栏数进行计算，其表达式为：

Li=mtlnliλ

(5)

式中：m、tl为某种禽畜的饲养数量(羽或头)及其饲养周期，d；nli为禽畜排泄物中某污染物的含量即禽畜养殖产物系数，g/头·d；λ为禽畜粪尿水体流失率。禽畜养殖污水排放量Wdli利用以下计算公式确定，即Wdli=mωi，其中ωi为干粪工艺允许排水量标准值，m3/百头·d-1。

最终，可以采用以下公式计算禽畜养殖业灰水足迹LGWF，其表达式为：

LGWF=max(LGWFTP,LGWFTN,LGWFCOD)

(6)

式中：LGEFTP、LGEFTN、LGEFCOD分别为禽畜养殖业中总磷、总氮、CODCr的灰水足迹，m3。

2.2.3 工业灰水足迹

工业污染是指工业生产过程中形成的污染负荷经处理或随废水直接排入水体而产生的污染，排入流域中的形式一般以点源污染为主，排放废水同时包含TP、TN、NH3-N、CODCr等污染物质。依据“短板原理”，在考虑工业废水排放量的情况下，由稀释所需水量最大的污染物决定了工业灰水足迹，利用《水足迹手册》推荐的方法计算工业灰水足迹，即：

(7)

式中：IGWFi、Wdi为工业废水中污染物i的灰水足迹(m3)和工业废水排放量(m3)；Li为污染物i的负荷量，m3。

最终采用以下公式计算工业灰水足迹IGWF，其表达式为：

IGWF=max(IGWFTN，IGWFNH3-N,IGWFCOD)

(8)

式中：IGEFTN、IGEFNH3-N、IGEFCOD分别为工业污染中总氮、氨氮、CODCr的灰水足迹，m3。

2.2.4 居民生活污染灰水足迹

农村与城镇居民生活污水为居民生活污染主要来源，其中城镇和农村生活污染分别为点源、面源污染，前者大多经污水常处理后排放，后者大多为直接排放。生活污水排放也包含各类污染物，所以可借鉴工业灰水足迹核算法确定居民生活污染灰水足迹，其表达式为：

(9)

式中：HGWFi、Wdi为生活污水中污染物i的灰水足迹(m3)和生活污水排放量(m3)。可利用下式确定污染物i的负荷量Li，即：

Li=Wdh×ni=(PnWpnnhiγ+PcWpcnhiγ)th

(10)

式中：nhi为污水中污染物i的浓度，以污水处理厂进水指标作为城镇未处理的生活污水污染物指标，按照农村总磷3.2mg/L、城镇总磷4.0mg/L、CODCr260mg/L、氨氮20mg/L估算；Pn、Pc为农村和城镇区域人口数；Wpn、Wpc为农村最高日用水定额和城镇平均综合用水定额，L/人·d；th、γ为时间(d)和生活污水产生系数。

最终可利用以下公式计算居民生活污染灰水足迹HGWF，其表达式为：

HGWF=max(HGWFTP，HGWFNH3-N,HGWFCOD)

(11)

式中：HGEFTP、HGEFNH3-N、HGEFCOD分别为居民生活污染中总磷、氨氮、CODCr的灰水足迹，m3。

2.2.5 水环境可持续性

流域径流剩余的纳污能力和污染物负荷决定了维持流域水环境的可持续性，若水体所有的纳污能力均被污染物所消耗，将会形成灰水足迹热点地区。流域水环境可持续性评价指标选用《水足迹评价手册》中的水污染程度(WPL)，即流域总纳污能力中已消耗纳污能力所占的比例，这是衡量污染程度的重要参数。流域纳污能力全部被使用时的水污染程度达到100%，该条件下无法容纳更多污染物，水质超标时的水污染程度达到100%以上。采用以下公式计算流域x在时间t内的水污染程度，即：

(12)

式中：WPL(x,t)为2019年辽河流域铁岭段水污染程度，%；Ract为流域实际径流量，辽河流域铁岭段年均径流量35 270万m3；∑WFgrey(x,y)为2019年辽河流域铁岭段的灰水足迹，m3；t为时间，a。

2.3 灰水足迹核算参数

1)环境最大允许浓度Cmax。依据《地表水环境质量标准》[11]中Ⅲ类地表水的有关规定，总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、化学需氧量(CODCr)的最大允许排放值依次为1.0mg/L、0.2mg/L、1.0mg/L、20mg/L。辽河流域铁岭段水功能区划为农业用水区和饮用水区，执行Ⅲ类以上地表水标准，因此环境最大允许浓度Cmax确定为Ⅲ类水允许最大污染物排放至。

2)环境中的本地浓度Cnat。辽河流域覆盖范围广泛，年内污染物量值经常变化且选取的污染源种类复杂，一般难以直接获取自然本底浓度数据，加之饮用水区，水量大、河流长且对水质要求较高。同时，考虑到研究成果的对比分析，借鉴《水足迹评价手册》近似确定Cnat值为0。

3)肥料的流失系数αi。氮肥的流失方式一般有反硝化、挥发、渗漏和径流等，而占比最大的为渗漏和径流。磷肥的流失方式一般有淋溶、侵蚀和径流等，而占比最大的为径流，东北地区肥料径流流失系数，见表2。

4)干粪净化工艺允许排水量标准值ωi。禽畜养殖业干粪净化工艺允许排放量标准值按《禽畜养殖业污染物排放标准》中的有关规定确定，干粪净化工艺允许排水量，见表3。

表3 干粪净化工艺允许排水量

5)禽畜粪尿水体流失率λ。禽畜粪便污染物水体流失率按照《全国规模化禽畜养殖业污染情况调查技术报告》确定，禽畜粪便污染物水体流失率，见表4。

表4 禽畜粪便污染物水体流失率 %

6)禽畜养殖产物系数nl。根据《全国规模化禽畜养殖业污染情况调查技术报告》和《禽畜养殖业源查排污系数手册》确定我国东北区域的禽畜养殖产物系数，禽畜养殖产污系数，见表5。

表5 禽畜养殖产污系数 g/(头·d)

7)禽畜饲养周期tl。通过实地调查分析，并考虑饲料类型、饲养品种等因素，按以下时间确定涉及禽畜饲养周期，即生猪、肉鸡的饲养周期为150d和60d，蛋鸡、奶牛、肉牛的饲养周期均为365d。

8)生活污水产生系数γ。根据辽河流域铁岭段城乡居民生活实际情况，并结合《城市居民生活用水量标准》和《全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》确定农村和城镇居民的生活污水产生系数为0.80、0.85。

9)农村最高日居民生活用水定额Wpn。农村地区的公共设施和建筑用水较少，但存在家庭小作坊、三用汽车拖拉机和居民散养家禽生产用水。根据《村镇供水工程设计规范》辽河流域铁岭段属于有少量卫生设施、有洗涤池的地区，结合城镇农村生活污染源调查结果和最高日居民生活用水定额45-70L/(人·d)的范围，本研究取Wpn值为60L/(人·d)。

10)城镇平均日综合生活用水定额Wpc。辽河流域铁岭段按《室外给水设计规范》属于二区城市，结合城镇农村生活污染源调查结果和平均日综合生活用水定额110-180/(人·d)的范围，铁岭市区的Wpc取180/(人·d)，其余乡镇Wpc取110/(人·d)。

3 水环境评价分析

3.1 灰水足迹的量值

3.1.1 居民生活污染灰水足迹

居民生活污染灰水足迹在很大程度上取决于人口数量，采用前文所述相关公式核算2019年辽河流域铁岭段10个乡镇城乡居民的灰水足迹。以污染物TP、氨氮、COD核算的居民生活污染灰水足迹为5.917亿m3、6.177亿m3、3.950亿m3，考虑到水体对各类污染物都有稀释作用，因此以氨氮作为决定性污染物。以氨氮为污染物核算的城乡居民生活污染灰水足迹量化值，氨氮污染物的居民生活污染灰水足迹，见表6。从表6可以看出，农村居民和城镇居民的生活污染灰水足迹分别为1.185亿m3、5.327亿m3，城镇约为农村的5倍，其中灰水足迹最高的铁岭县城区的5.041亿m3。

表6 氨氮污染物的居民生活污染灰水足迹

3.1.2 禽畜养殖业灰水足迹

采用文中所述相关公式核算2019年辽河流域铁岭段生猪、肉鸡、蛋鸡、奶牛、肉牛的灰水足迹。以污染物TP、TN、COD核算的禽畜养殖业灰水足迹为13.126亿m3、9.881亿m3、9.50亿m3，考虑到水体对各类污染物都有稀释作用，因此以TP作为决定性污染物。以TP为污染物核算的养殖业灰水足迹量化值，TP污染物的禽畜养殖业灰水足迹，见表7。从表7可以看出，大甸子镇的禽畜养殖业灰水足迹高为2.548亿m3；六类禽畜养殖中灰水足迹值最大的为肉鸡，达到8.7095.327亿m3，饲养方法、饲养数量等是影响各类禽畜灰数组织量值的主要因素。

表7 TP污染物的禽畜养殖业灰水足迹

3.1.3 工业灰水足迹

采用前文所述相关公式核算2019年辽河流域铁岭段25家大型企业的灰水足迹。以污染物TN、氨氮、COD核算的工业灰水足迹为0.274亿m3、0.115亿m3、0.042亿m3，考虑到水体对各类污染物都有稀释作用，因此以TN作为决定性污染物。以TN为污染物核算的各乡镇工业灰水足迹量化值，TN污染物的工业灰水足迹，见表8。从表8可以看出，辽河流域铁岭段各乡镇工业灰水足迹处于0-0.086亿m3之间，李家台乡达到最大值的0.086亿m3，由于昌图镇、八棵树镇、城东乡没有大型排污企业，所以核算结果为0，经核算工业灰水足迹为0.274亿m3。

3.1.4 种植业灰水足迹

采用前文所述相关公式核算2019年辽河流域铁岭段经济作物、园林水果、粮食作物3类种植业的灰水足迹。以污染物TN、TP核算的种植业灰水足迹为0.616亿m3、9.712亿m3，考虑到水体对各类污染物都有稀释作用，因此以TN作为决定性污染物。以TN为污染物核算的种植业业灰水足迹量化值，TN污染物的种植业灰水足迹，见表9。从表9可以看出，辽河流域铁岭段3类种植业灰水足迹相差不大，其中经济作物、园林水果和粮食作物的灰水足迹占比分别为22.92%、35.65%、41.43%。种植业灰水足迹较大的乡镇有昌图镇、大甸子镇、李家台乡，三者达到4.716亿m3。

表9 TN污染物的种植业灰水足迹

3.1.5 总灰水足迹

文章核算了2019年辽河流域铁岭段禽畜养殖业、种植业、居民生活污染和工业灰水足迹，选取TN、TP、氨氮、TN分别作为以上四类灰水足迹核算的决定性污染物，经加和运算确定总灰水足迹，辽河流域铁岭段灰水足迹量值，见表10。从表10可以看出，四类灰水足迹中养殖业达到最大值为13.124亿m3，工业灰水足迹最小为0.274亿m3。受居民生活污水灰水足迹影响铁岭县城区属辽河流域铁岭段灰水足迹最高的区域，其灰水足迹达到6.059亿m3，其次为大甸子镇、昌图镇、八宝镇、李家台相，相应的灰水足迹为4.230亿m3、3.637亿m3、3.386亿m3、3.081亿m3，禽畜养殖业为主要影响因素。

表10 辽河流域铁岭段灰水足迹量值

从空间分布上，总灰水足迹呈现出上游小于中下游的变化趋势。其中，铁岭县城区的灰水足迹最大达到6.059亿m3，而上游城东乡的灰水足迹仅有0.754亿m3，并且禽畜养殖业、居民生活污染灰水足迹也表现出相似的分布规律，由此表明总灰水足迹受禽畜养殖业和居民生活污的影响较大。

3.2 流域水环境评价

综上分析，氮磷元素为辽河流域铁岭段水环境的关键污染物，居民生活污染与种植业污染为氮元素主要来源，禽畜养殖业污染为磷元素主要来源，流域水环境受工业污染的影响较低。水环境污染最为严重的区域位于铁岭县城区，其主要影响因素为居民生活污染；大甸子镇、昌图镇、八宝镇的水环境污染较为严重，主要与种植业、养殖业污染有关。采用流域水污染程度(WPL)指标和灰水足迹核算结果，利用公式(12)以整体流域为单元确定辽河流域铁岭段水污染程度为726.20%，表明流域水环境受污染比较严重，已明显超过Ⅲ类地表水标准，仅仅依靠天然来水量难以实现流域水质的有效恢复，现有流域污染源甚至会进一步加剧水环境的恶化。

3.3 对策建议

为改善辽河流域水体环境，建议采取污水处理、科学养殖与种植、强化城镇生活污水治理、推进禽畜养殖污染处理、控制种植业面源污染等措施，加强水环境保护，最大程度的减少灰水足迹，逐渐转变水污染形势。

4 结 论

1)灰水足迹量化结果。2019年辽河流域铁岭段总灰水足迹为28.875亿m3，其中种植业、禽畜养殖业、居民生活污染和工业灰水足迹依次为9.300亿m3、13.124亿m3、6.177亿m3、0.273亿m3。铁岭县城区的灰水足迹属于超高水平，达到6.059亿m3。从空间分布上，自上游至下游灰水足迹总体呈波动上升趋势。

2)水污染程度分析。辽河流域铁岭段水污染程度为726.20%，表明已全部耗尽地表水纳污能力，流域内产生的污染物现已无法全部吸收净化。氮、磷污染为流域特征污染物，主要来源于居民生活污染、养殖业和种植业。流域灰水足迹较高主要受养殖业污染的影响，此外居民生活污染是引起铁岭县城区灰水足迹超高水平的关键，种植业与养殖业是引起大甸子镇、昌图镇、八宝镇的水环境污染较为严重的主要原因。