西北干旱区流域水污染特征与控制策略—以宁夏清水河流域为例

马玉珅，朱翔，彭福全，庞晴晴，倪利晓，杜鹏

1.生态环境部南京环境科学研究所

2.河海大学环境学院

3.宁夏回族自治区生态环境厅

污染负荷估算可以明确流域污染状况与特征，为治理流域污染、实现断面水质达标以及制定相应减排策略提供基础[1]。流域水环境容量反映了流域的最大污染负荷承载能力，可以帮助制定相应的减排目标[2-3]。流域污染负荷估算与水环境容量分析已成为国内外调查流域污染状况的重要方法。如Yan等[4]估算了太湖北部区域的水环境容量，当以GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水质为目标的情况下，总磷（TP）、化学需氧量（COD）和氨氮的污染负荷削减量分别为47%、-16%和24%；de Paula Filho等[5]首次引入人类活动排放因子与土地利用状况估算氮、磷污染负荷，发现巴西东北部半干旱区Salgado河的氮负荷为16 621 t/a，磷负荷为3 211 t/a，氮、磷负荷来源以农田径流和养殖业面源污染为主。同时，污染负荷与水环境容量的计算为环境管理措施的制定提供了科学依据。如Trang等[6]首次估算了越南谭江泻湖在不同情境下的水环境容量，其中COD最大负荷为165 707 t/a，氨氮最大负荷为13 464 t/a，并结合该区域污染排放特点提出了新建沿海地区集中污水处理厂和分散污水处理设施等治污对策；Wang等[7]建立了博斯腾湖的水环境容量评价体系，计算结果表明博斯腾湖环境容量与纳污量低，提出通过合理调蓄水量来提高环境容量。不同地区因气候、产业结构和经济水平等因素，水环境容量和污染负荷特征差异巨大，需要根据流域特征进行具体分析。

黄河流域生态保护于2019年作为重大国家战略被提出后，黄河生态治理与高质量发展成为黄河流域发展的主要方向[8]。宁夏作为黄河上游的典型区域，其水质对于宁夏及其下游地区意义重大。近几十年来，由于经济发展和污染物排放量增加，加之地方治理能力不足，导致宁夏水环境污染加剧[9]，影响了区域高质量发展[10-12]。清水河是宁夏境内黄河最大的一级支流，流域沿岸以畜牧业为主的农业较发达，生活源污染问题突出，面源污染严重[13-15]。清水河流域已有的研究大多集中于水沙变化、生态水量和河水矿化等方面[16-17]，目前清水河流域污染负荷、水环境容量估算等基础研究较为鲜见，不利于流域水环境问题的深入分析与精准解决。另外，西北干旱区流域气候、产业特征等与其他地区差异很大，流域污染特征需要进行专门的研究。因此，笔者以污染负荷、污染来源、污染特征和水环境容量等均不明晰的清水河流域为例，通过调查和模型估算得到了清水河流域2018年的污染负荷与来源，利用水质一维模型计算了流域水环境容量，并将流域根据地市分为不同控制单元，研究各单元污染负荷情况，最后针对性给出适合不同控制单元的污染综合治理措施，以期为制定清水河流域污染负荷削减方案，提升大流域水生态环境管理水平提供科学依据，同时也为黄河流域生态保护提供参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区、控制单元及监测断面

1.1.1 研究区概况

清水河是宁夏境内黄河最大的一级支流，发源于固原市原州区六盘山东北麓黑刺沟，由南向北纵贯宁夏南部山区和中部干旱带，于中宁县泉眼山入黄河。流域面积为14 481 km2，其中，宁夏境内流域面积13 511 km2，占宁夏全区面积的20%。干流总长320 km，流经固原市、吴忠市和中卫市共3市7县（区）（图1）。清水河多年平均径流量为2.02亿m3，占宁夏入黄河天然径流量的85%。

图 1 清水河流域概况、断面与控制单元分布Fig.1 General situation and section and control unit distribution of Qingshui River basin

1.1.2 控制单元划分

根据《宁夏水污染防治工作方案》与水功能区划，流域可划分为3个控制单元：1）固原控制单元。位于清水河流域最南部，为清水河的源头与上游河段。全长81 km，流域面积为2 075 km2，包括固原市原州区与西吉县，为清水河流域面积最小的控制单元。2018年总人口为78万人，其中原州区为人口最多的区（县），控制单元内工业以纺织、农产品加工产业为主，产值占比达27.9%。2）中卫控制单元。位于清水河流域西部，为清水河中下游河段。全长181.09 km，流域面积为7 627.25 km2，主要包括中卫市中宁县、海原县和沙坡头区，为清水河流域面积最大的控制单元。2018年总人口为116万人，产业结构以旅游业为主。3）吴忠控制单元。全长94.5 km，流域面积为2 978.3 km2，包括红寺堡区和同心县。2018年总人口为54万人，区域禽畜养殖产业发达。

1.1.3 监测断面与水质目标

清水河流域有1个省控断面（二十里铺断面），2个国控断面（三营、泉眼山断面）。二十里铺断面为清水河源头断面，位于固原市原州区以南，断面水质目标为GB 3838—2002 Ⅱ类；三营断面为清水河流域由固原段进入中卫段的边界断面，断面水质目标为Ⅳ类；泉眼山断面为清水河与黄河的交汇断面，断面水质目标为Ⅲ类。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源

清水河流域省控和国控断面COD、氨氮和TP浓度来自2015—2018年的《全国地表水水质月报》和实地采样监测数据。其中，二十里铺断面数据时段包括2015—2017年、2018年1—9月；三营断面数据时段包括2015年 1—8月、11—12月，2016年 1—6月、11月，2017年 3—6月、9—12月，2018年全年；泉眼山断面数据时段包括2015—2017年、2018年1—11月。工业污染源资料和清水河流域各地市人口数据来自《2019宁夏统计年鉴》。

1.2.2 水环境容量计算

本研究范围为清水河流域而非单一河段，部分河段虽有大型河段的特点，但对于整个流域，从计算精度而言仍符合一维河道特点，一维稳态模型适用于河道宽度与水深较河道长度可以忽略的河流，因此水环境容量计算选取一维模型计算，计算公式参照文献[18]。

模型计算选取的综合降解系数（k）分别为0.2、0.3和0.1 d-1[19-20]。清水河流域丰水期（7—9月）、平水期（3—6月、10月）、枯水期（11月—次年2月）和特枯水期（极端气候下的11月—次年2月）的流量（Q0）分别为 0.48、0.23、0.14、0.06 m3/s，固原控制单元与吴忠控制单元污水排放量（q）为0.07 m3/s，中卫控制单元污水排放量为0.33 m3/s[13]。

1.2.3 污染物排放量与入河量计算

1.2.3.1 城镇生活源

城镇与农村生活源污染物来自清水河流经的固原、中卫与吴忠3个控制单元。各控制单元人均污染物排放量见表1。

表 1 各控制单元人均污染物排放量Table 1 Per capita pollutant discharges of each control unit g/(人· d)

城镇生活源污染物入河量计算方法如下：

式中：WC1为城镇生活源污染物排放量，t/a；Wp1为城镇人均生活源污染物排放量，t/(人· d)；n1为控制单元城镇人口数量，人；WC为城镇生活源污染物入河量，t/a；m为城镇污水收集率，%； β1为城镇污水处理厂污染负荷削减率，均按照88%计； β2为城镇生活源污染物未收集部分的入河系数，取0.90。

1.2.3.2 农村生活源

农村生活源污染物入河量计算方法如下：

式中：WA1为农村生活源污染物排放量，t/a；Wp2为农村人均生活源污染物排放量，t/(人· d)；n2为各控制单元农村人口数量，人；由于宁夏冬季（12月—次年2月）基本无入河径流产生，不计农村生活源污染物入河量，因此1 a的计算时间取275 d；WA为农村生活源污染物入河量，t/a； β3为农村生活源污染物入河系数，由于西北地区农村生活污水几乎没有分散收集措施，整体入河系数取0.35。入河系数、污染负荷削减率等的取值参照《污染源普查产排污系数手册（上）》[21]。

工业源污染物入河量计算方法如下：

式中：WG为工业污染物入河量，t/a；WG1为工业污染物排放量，t/a； θ1污水处理厂处理的工业污染物量，t/a；β4为工业污染物入河系数，取值参照《污染源普查产排污系数手册（上）》[21]。

1.2.3.4 农业源

畜禽养殖污染物排放量与入河量计算方法如下：

式中：WL为畜禽养殖污染物入河量，t/a； δ1为畜禽个体日产粪量，t/(d·头)；T为饲养期，d；NL为畜禽的饲养数量，头； α4为畜禽粪中污染物平均含量，kg/t； δ2为畜禽个体日产尿量，t/(d·头)； α5为畜禽尿中污染物平均含量，kg/t；WL1为畜禽养殖污染物排放量，t/a； β5为畜禽养殖污染物入河系数。

标准农田污染物排放量与入河量按以下方法测算：

在进行新课前，学生已掌握了借贷记账法的基本知识，本课的教法为任务驱动法，学法为自主探究法、小组合作法。教学目标设计为：知识目标为理解会计分录的概念以及种类，明确会计分录的三要素；能力目标是能够熟练地对经济业务进行分析；德育目标为感受小组合作学习的乐趣。

式中：WF1为标准农田污染物排放量，t/a；WF为标准农田污染物入河量，t/a；M为标准农田面积，hm2； α3为标准农田排污系数； β6为标准农田污染物入河系数；γ1为修正系数。

水产养殖污染物排放量与入河量按以下方法测算：

式中：WY1为水产养殖污染物排放量，t/a；SY为年养殖面积，hm2；β7为水产养殖单位面积污染物排放量，t/hm2；WY为 水产养殖污染物入河量，t/a； β8为水产养殖污染物入河系数。

农业源相关系统的取值均参照《污染源普查产排污系数手册（上）》[21]。

2 结果与分析

2.1 流域水质特征

2015—2018年，二十里铺断面COD、氨氮和TP可达Ⅱ类水质标准，这是由于其位于清水河流域上游源头段，人类活动影响小，天然水质良好。2015—2018年清水河流域三营与泉眼山国控断面水质变化见图2。由图2可知，三营断面COD和氨氮污染较为严重，2016—2017年COD和氨氮远超Ⅳ类水质标准，COD超标0.125～6.150倍，氨氮超标0.18～15.50倍；虽然2017—2018年水质有所提高，但仍无法稳定达到Ⅳ类水质标准。2015—2018年，泉眼山断面TP可以稳定达到Ⅲ类水质标准，但2017—2018年，氨氮和COD无法稳定达到Ⅲ类水质标准，在个别月份出现超标现象。

图 2 2015—2018年三营与泉眼山国控断面水质变化Fig.2 Water quality changes in Sanying and Quanyanshan national control sections from 2015 to 2018

2.2 流域水环境容量

西北地区降水季节分配极其不均，且年蒸发量大，丰、平、枯水期区别明显。清水河流域在极端降水与气候条件下，河道几乎断流，流量较枯水期更小，因此额外添加特枯水期计算极端条件下的水环境容量[13,22]。计算得到清水河流域丰、平、枯、特枯4个水期的水环境容量见表2。由表2可知，清水河流域COD、氨氮与TP水环境容量分别为592.83～1 238.25、51.99～193.60 和 5.02～12.85 t/a，丰水期与特枯水期的水环境容量差异较大，丰水期水环境容量为枯水期的2倍左右，这是由于降水量与水量分配不均，降水多集中于夏季，在枯水期甚至出现断流现象[23]。与一维模型计算的张家口永定河[24]（COD、氨氮和TP分别为16 264.4、789.15和183.64 t/a）和承德滦河[25]（COD、氨氮和TP分别为5 203.61、505.71和72.92 t/a）水环境容量相比，清水河TP水环境容量极低，COD和氨氮水环境容量偏低。这主要是因为清水河流域蒸发量极高，最高可达降水量的10倍，造成丰水期水量不及同处半干旱区的其他流域；而在枯水期几乎没有降水，也没有其他有效补水方式，枯水期的水生态环境更加脆弱；加上流域部分地区不同程度地受到工业、扬水灌区农业生产以及人类生活排放影响，流域水环境容量偏低[26-27]。

2.3 污染负荷与来源解析

2.3.1 固原控制单元

固原控制单元2018年污染负荷排放量与入河量如表3所示。由表3可知，固原控制单元COD、氨氮和TP排放量分别为 27 278.05、2 734.62和1 104.33 t/a，COD、氨氮和TP的排放来源均以禽畜养殖为主，分别占各自排放量的46.4%、48.5%和84.0%。COD、氨氮和TP入河量分别为6 318.82、456.96和128.34 t/a，其中COD入河量以工业源与农村生活源为主，分别占46.0%和20.5%；氨氮入河量以农村生活源和城镇生活源为主，分别占35.4%和22.7%；TP入河量以禽畜养殖为主，占71.7%。

表 2 清水河流域不同水期水环境容量Table 2 Water environmental capacity of Qingshui River Basin in different water periods t/a

表 3 固原控制单元污染负荷排放量与入河量Table 3 Pollution load discharge and river inflow of Guyuan control unit t/a

固原控制单元近两年工业发展较快，农产品加工、纺织等产业快速发展，原州区工业增加值增长速度高达46%，造成其来自工业源的COD污染负荷高，导致三营断面COD污染严重。农村生活源造成的COD和氨氮入河量高主要是因为固原市原州区与西吉县农村人口较城镇人口多，加上农村地区生活污水处理率低，面源污染截留控制工程少，导致农村生活源污染负荷入河量高[28]。清水河三营断面氨氮不稳定达标也与城镇生活源污染负荷占比高有关。固原控制单元城镇居民生活污水收集与处理能力不强，2018年城镇污水收集率不到60%，污水收集率较低。TP污染负荷入河量主要来自禽畜养殖，禽畜养殖产业是固原市最具优势的地方性产业，以规模化养殖和农民广泛散养相结合为主，规模化养殖污水得到了处理，但农民散养污水均以直排为主，因此产生的TP污染负荷较高。

2.3.2 中卫控制单元

中卫控制单元2018年污染负荷排放量与入河量如表4所示。由表4可知，中卫控制单元COD、氨氮和TP排放量分别为2 7 459.00、3 345.11和1 612.93 t/a。禽畜养殖与农村生活源是COD的主要排放来源，分别占42.6%和36.7%；氨氮的主要排放来源为农村生活源与禽畜养殖，分别占38.6%和37.1%；TP排放量以禽畜养殖为主，占82.0%。COD、氨氮和TP入河量分别为6 738.45、868.88和218.12 t/a，COD入河量以农村生活源与城镇生活源为主，分别占39.2%和31.7%；氨氮入河量也以农村生活源和城镇生活源为主，分别占39.0%和31.6%；TP入河量以禽畜养殖为主，占61.0%。

中卫控制单元城镇生活源造成的COD和氨氮污染负荷入河量占比较高，对比城镇生活源污染物排放量与入河量，可以发现中卫控制单元城镇生活源污染负荷入河率较高。这是由于中卫控制单元2018年城镇人口数较高，且每年接收大量旅游人口，使生活源污染负荷排放量大；其次，由于该控制单元城镇生活污水纳管率有待提升，污水处理厂亟待扩容与提标改造，造成城镇生活源污染负荷高。已有研究表明，中卫控制单元的TP污染负荷入河量大于130 t/a，入河污染负荷高，且禽畜养殖是入河污染负荷的主要来源之一，占37%[29]，这与本研究的结论相似。

2.3.3 吴忠控制单元

吴忠控制单元2018年污染负荷排放量与入河量如表5所示。由表5可知，吴忠控制单元COD、氨氮和TP排放量分别为15 899.27、2 009.99和1 116.47 t/a。禽畜养殖是COD的主要排放来源，占42.5%；禽畜养殖和农村生活源是氨氮的主要排放来源，分别占38.6%和36.8%；TP排放量以禽畜养殖为主，占比为84.6%。COD、氨氮和TP入河量分别为1 124.87、344.38和128.60 t/a，其中，COD和TP入河量主要来自禽畜养殖，分别占各自入河总量的84%和73%；氨氮入河量则主要来自农村生活源，占比为56.3%。

表 4 中卫控制单元污染负荷排放量与入河量Table 4 Pollution load discharge and river inflow of Zhongwei control unit t/a

表 5 吴忠控制单元污染负荷排放量与入河量Table 5 Pollution load discharge and river inflow of Wuzhong control unit t/a

吴忠控制单元的COD和TP污染负荷入河量受禽畜养殖的影响最大。邱小琮等[2]的研究也发现吴忠市禽畜养殖造成的入河污染负荷占比高达30%，为TP的最主要污染源。分析其原因，可能是因为清水河吴忠段包含屠宰市场和1家规模化运营养殖场，养殖与屠宰产生的废水收集率不高，处理设施建设不完善。氨氮入河量受农村生活源影响较大，这与该控制单元城镇化率较低、农村人口多有关。

2.3.4 各控制单元比较

2018年各控制单元单位面积污染负荷排放量与入河量如表6所示。由表6可知，固原控制单元流域面积虽小，但其COD、氨氮和TP污染负荷总入河量（6 318.82、456.96和 128.34 t/a）在流域内仅略低于中卫控制单元（6 738.45、868.88 和 218.12 t/a），因此，其COD、氨氮和TP的单位面积污染负荷入河量为各控制单元中最高（3.04、0.22和0.06 t/km2）。中卫控制单元虽然污染负荷总入河量高，但其COD、氨氮与TP单位面积污染负荷入河量在流域各控制单元中较低（0.88、0.11 和 0.03 t/km2），尤其是 TP 单位面积污染负荷入河量为流域最低。吴忠控制单元COD、氨氮和TP污染负荷总入河量为流域最低（1 124.87、344.38和 128.60 t/a），但其 COD、氨氮与TP单位面积污染负荷入河量（0.87、0.11和0.04 t/km2）与中卫控制单元相当，且显著低于固原控制单元。

表 6 各控制单元单位面积污染负荷排放量与入河量Table 6 Pollution load discharge and river inflow per unit area of each control section t/km2

造成各控制单元总污染负荷与单位面积污染负荷差异的主要原因：1）中卫控制单元与固原控制单元污染负荷入河量相当，但中卫控制单元面积约是固原控制单元的4倍，造成单位面积污染负荷差异大；2）清水河流域3个控制单元的人口密度不同，固原控制单元为212人/km2，远高于中卫控制单元和吴忠控制单元的77和90人/km2，固原控制单元人与水环境的矛盾突出；3）中卫控制单元以旅游产业为主，产业结构造成其单位面积污染负荷较低。

3 基于断面水质改善的污染控制措施

3.1 各控制单元污染负荷应削减量

将各控制单元污染负荷入河量进行合计，得到2018年清水河流域COD、氨氮和TP污染负荷入河量为15 661.10、1 670.20和784.50 t/a，污染负荷入河量分别是平水期水环境容量（COD为940.57 t/a，氨氮为114.64 t/a，TP 为 8.81 t/a）的 16、14和 89倍。可见，清水河流域需要削减污染负荷入河量。各控制单元污染负荷应削减量见表7。

表 7 各控制单元水污染负荷应削减量Table 7 Required water pollution load reduction amount in each control section t/a

3.2 各控制单元污染治理措施

固原控制单元位于清水河源头，河流流量较小，水环境容量较小，但其各污染物负荷均较高，应削减量较大，是清水河流域污染治理的重点控制单元。针对固原控制单元COD污染负荷以工业源和农村生活源为主，氨氮污染负荷受到农村和城镇生活源影响大，TP污染负荷以禽畜养殖为主的特点，建议加强工业企业污水回收与利用管理，提高城镇污水纳管率和农村污水分散收集处理率。同时，地方政府可以通过“出户入园”政策减少农户家庭养殖，逐渐形成集中化管理。

中卫控制单元是清水河流域面积最大，污染负荷最高的单元，以旅游为主的产业结构要求其污染负荷持续降低。针对中卫控制单元城镇与农村生活源是COD和氨氮污染负荷入河主要来源的特点，建议建立污水管网排查和周期性检测制度，补齐城镇污水收集管网短板，加强农村地区分散污水处理设施建设。除此之外，加强污水处理厂的尾水深度净化能力，在流域重点河段和污水处理厂尾水排污口设置人工湿地，以保障尾水达标。

针对吴忠控制单元COD和TP污染负荷入河量主要来自禽畜养殖，氨氮污染负荷入河量主要来自农村生活源的特点，建议重点在规模化畜禽养殖场推行干清粪工艺，并及时对粪污进行收集、贮存，鼓励规模化养殖场采取粪肥还田、制取沼气、生产有机肥等方式进行资源化利用。同时，完善农村污水收集管网、集中治理设施建设与农村改厕有效衔接。

4 结论

（1）2015—2018年清水河源头二十里铺断面水质可稳定达Ⅱ类，上游三营断面虽总体水质稳步提升，但COD和氨氮浓度仍较高，无法稳定达到Ⅳ类水质，下游入黄河泉眼山断面水质可达到Ⅲ类，但COD存在超标风险。

（2）清水河流域平水期水环境容量COD、氨氮和TP分别为940.57、114.64和8.81 t/a，丰水期分别为1 238.25、193.60和12.85 t/a。2018年清水河流域COD、氨氮和TP污染负荷入河量分别为15 661.10、1 670.20和784.50 t/a，污染负荷入河量远高于水环境容量。

（3）清水河流域不同控制单元污染特征存在差异：固原控制单元单位面积污染负荷最高，工业源污染与城镇生活源污染问题突出；中卫控制单元总污染负荷入河量最高，城镇生活源污染问题较严重；吴忠控制单元TP单位面积污染负荷偏高，禽畜养殖污染问题较大。

（4）结合各控制单元的污染特征、水质目标提出有针对性的污染治理措施。固原控制单元应加强工业污水收集、处理与回用，同时要提高城镇污水收集与处理能力；中卫控制单元应重点关注城镇管网、污水处理厂建设与改造，提高深度净化能力；吴忠控制单元应在规模化养殖场推行禽畜粪便集中处理、回用设施。