黄河小浪底至花园口(小花段)非点源污染研究*

2022-12-01李海华张荣开李远航苏彩丽

广州化工 2022年20期

李海华，张荣开，李远航，苏彩丽

(华北水利水电大学环境与市政工程学院，河南郑州 450046)

在地表水污染中，点源污染相对较为固定，主要来自城镇生活污水和工业废水，目前已得到较好的控制[1]。而非点源污染往往具有分散性、随机性、隐秘性和累积性等特点，因此对其难以监测和量化，防控和治理难度较大[2]，已成为影响水环境质量的重要污染源[3]。通过估算地表水的非点源污染负荷来调查水污染状况，对地表水污染防治的规划和管理至关重要。非点源污染负荷的估算方法主要分为三类：经验统计模型(如SPARROW)；集总式模型(如GLEAMS)；分布式与半分布式模型(如SWAT和HSPF)等[4]。国内也出现了很多便于应用的非点源污染负荷估算方法，如输出系数法[5]、水文估算法[6]、潜在非点源污染指数法[7]、平均浓度法[8]、污染负荷当量法[9]和降雨量差值法[10]等。水文估算法已经在多个地区应用于分割点源污染与非点源污染，应用较为广泛[11]。

黄河小浪底至花园口段(简称小花段)地处黄河中下游的交接地带，流域内农业发达，为了研究黄河流域小花段的非点源污染情况，本研究采用基于水文分割法的污染负荷估算模型，分析了黄河干流和支流非点源的污染负荷及贡献比重，以期为区域水污染控制规划的制定提供科学依据。

1 区域概况

黄河流域小花段西起小浪底水库，东至郑州市花园口黄河大桥，全长133.3 km，其间有伊洛河和沁河两大支流汇入，流域面积约3.55万 km2。区域土地利用类型以农业耕地为主，占比约39.1%，为主要的土地利用类型，主要分布在沿黄两岸和支流中下游(图1)。

图1 小花段流域土地利用类型及监测点位

2 研究方法

2.1 估算模型的建立

一般认为非点源污染主要由洪水期地表径流引起的，而枯水期的水质污染主要由点源污染引起[11]。点源污染负荷由于排放量相对稳定，根据河流的水文特点可由河川基流(枯水期径流)推求，非点源负荷可根据洪水期地表径流推求，因此流域的总污染负荷WT可表示为：

(1)

式中:t为时间；Cp(t) 为t时刻点源污染物质量浓度；Cnp(t)为t时刻非点源污染物质量浓度；Qp(t)为河川基流量；Qnp(t)为地表径流量；WT为河流污染总负荷。

根据流量和浓度的同步监测资料对公式 (1) 进行离散化处理。首先将无明显地表径流的枯水期河流径流量作为河川基流量，再采用水文学中的水平线分割法将洪水期径流量分为洪水期地表径流量和河川基流量，将式(1)改为：

(2)

式(2)中的WT可由监测断面的水质、流量数据直接求出:

(3)

其中点源污染负荷Wp与非点源污染负荷Wnp可分别表示为：

(4)

Wnp=WT-Wp

(5)

式中:Ci为第i次监测的污染物浓度；Qi为第i次监测的流量；Δt为第i次监测所代表的时间段；Cp为枯水期浓度(采用12、1、2月的加权平均浓度)；Qp为枯水期流量(采用枯水期最小月均流量)。

2.2 数据来源

为分析黄河流域小花段的水质状况及水体主要污染物的污染负荷，选取4个水文水质监测断面，黄河干流为小浪底和花园口，支流为伊洛河七里铺和沁河渠首(图2)。水质数据来自国控水质监测站的每月监测数据，月均流量数据由水利部黄河水利委员会公布的2017-2021年的每日流量计算得出。

图2 监测断面的月均流量变化(2017-1至2021-12)

2.3 基流流量的确定

四个断面近五年的流量变化见图2，选取每年枯水期中的最枯月为河川基流量进行水平水文分割，得到四个断面每年的基流量和地表径流量，如表1所示。

表1 不同监测断面的年基流量和地表径流量

3 结果与讨论

3.1 黄河小花段水质特征分析

图3 黄河流域小花段的污染物浓度变化趋势

各污染物浓度与月均流量的相关性分析见表2。由表2可知，各断面各污染物浓度与流量的相关性较小，说明污染物浓度的变化主要受污染物来源及转化过程的影响，流量增加引起的混合稀释对其影响较小。

表2 污染物浓度与流量的相关系数

3.2 非点源污染负荷分析

根据图1，选取流量相对较为稳定的2018至2020年进行计算，各断面的计算结果如表3所示。

表3 各断面的污染负荷及贡献率

续表3

由表3可知，花园口CODMn和TP的总污染负荷分别为110709.06～118152.16 吨/年和3116.20～5425.96 吨/年，均高于同期上游的小浪底断面。不考虑CODMn和TP的降解、沉降等损失，以三年的均值计，花园口断面CODMn和TP总负荷比上游小浪底断面分别增加19568.40吨/年和2503.81吨/年，增加量一部分来自汇入的两条支流，汇入量分别为CODMn5682.30吨/年，TP 148.26吨/年，仅占总负荷增加量的29.04%和5.92%，其它污染负荷主要来自黄河小花段的非点源污染。由两个断面的非点源污染负荷值对比分析可知，花园口非点源污染负荷分别增加了CODMn19491.85吨/年，TP 1320.57吨/年，占总负荷增加量的99.61%和52.74%，由此可知，黄河小花段的非点源污染贡献量大，对于黄河下一步的治理管控至关重要。