跨行政区小流域水污染特征分析

胡锐， 汪炎， 梅红， 宣亮， 王伟， 胡真虎， 袁守军*

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院， 合肥 230009； 2.工业废水及环境治理安徽省重点实验室， 合肥 230088）

水环境容量是河流、 湖泊等水体的一种天然属性， 是进行污染物总量控制的基础［1］， 是制定水污染防治计划的重要参考。 污染负荷估算可以明确流域污染状况与特征， 为治理流域污染和制定相应减排策略提供基础［2-3］。 通过对二者的估算， 可以得到排入河流的污染物允许总量， 并对其进行适当分配， 以确保排放量在水环境容量的范围内［4］。 Zhao等［5］研究了黄石水库及其入库支流的水环境容量及污染负荷情况， 发现TN 和TP 的污染负荷是水环境容量的1.34 倍和1.20 倍， 支流污染物需要大量削减才能使水库达到水质目标。

河流往往流经不同的行政区域， 而这些来自不同责任主体的污染源输入， 会使流域水污染治理变得困难。 目前有部分研究者针对跨行政区的流域进行了分析， 马玉坤等［6］将宁夏清水河流域按照地市分为不同控制单元进行了污染负荷和水环境容量研究， 并针对不同控制单元制定了污染综合治理措施。 目前对于小流域内不同行政区的水污染特征分析研究较少， 二十埠河是典型的跨多行政区河流，流域内各行政区域的产业结构不同， 排污负荷及污染物组成等均存在差异， 从而为河流治理方案确定带来困难。

本研究以二十埠河流域内各行政区为控制单元，通过采样调查， 结合模型分析， 估算流域内各行政区的入河污染负荷， 计算不同行政区内的水环境容量， 以期为制定流域水质改善措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

1.1.1 流域概况

二十埠河位于合肥东部， 流经新站区、 瑶海区和肥东县3 个行政区， 于河上口汇入南淝河（图1）。 河道总长约27 km， 流域面积约136 km2， 有4条主要支流， 分别为陶冲支流、 小板桥河、 三十埠河及楚汉河。 汛期为每年5 ～9 月， 降雨量占全年降雨量的60%以上。

图1 采样点位置示意Fig.1 Sampling points location

1.1.2 控制单元划分

为了研究各行政区入河污染负荷和水环境容量对整个流域的贡献， 针对性地制定污染控制措施，按照行政区划分成3 个控制单元， 沿上游开始依次为新站区、 瑶海区和肥东县。 新站区内流域面积为67.55 km2， 以农业种植业为主， 河道两旁设有工业园区， 其余部分多为城镇居民生活区； 瑶海区（32.68 km2）以城镇居民生活区为主； 肥东县（35.77 km2）以农业种植和工业园区为主。

沿干流设置6 个采样点， S1 位于新站区内河流起始处， S2 位于新站区和瑶海区交界处， 瑶海区内在现有水质监测断面的基础上设置S3 和S4 采样点， 其中S3 位于人口较密集区域， S4 位于支流小板桥河汇入的上游， S5 位于瑶海区和肥东县交界处， S6 位于肥东县内河流入南淝河口处。 以上6个采样点将二十埠河分为5 个河段， 如图1 所示。

1.2 采样方案及试验方法

1.2.1 采样方案

在2022 年6 ～12 月及2023 年2 月期间采样，每月采样1 次， 汛期和非汛期各采样4 次。 样品装入不透明聚乙烯瓶中， 迅速带回实验室， 用0.45 μm 滤膜过滤后置于4 ℃冰箱中冷藏避光保存， 24 h 内完成水质指标测定。

1.2.2 分析测试方法

（1） 常规水质指标。 水样的COD、 NH3-N 和TP 分别按照HJ／T 399—2007《水质 化学需氧量的测定 快速消解分光光度法》、 HJ／T 535—2009《水质 氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》和GB 11893—1989《水质总磷的测定 钼酸铵分光光度法》中规定的方法进行测定。

（2） 河流和断面水文参数。 在采样过程中同步进行河流各断面水文参数的测定和计算。 采用高精密声学多普勒流速仪（Mirco-ADV）测定断面流速；结合监测断面过水面积， 计算断面流量。

1.3 计算模型及参数确定

1.3.1 入河污染负荷估算

1.3.1.1 点源污染负荷

流域中点源污染负荷来源于支流汇入、 污水厂出水及河流沿岸主要排放口， 支流水质和水量根据实测获得， 污水处理厂出水水质和水量数据由相关主管部门提供， 河流沿岸排放口水质水量由多次采样实测获得。

1.3.1.2 非点源污染负荷

流域非点源污染分为农村生活面源污染、 农业面源污染［7］、 城市生活地表径流污染和工业活动地表径流污染［8-9］。

（1） 农村生活、 农业面源污染。 农村生活、 农业面源污染使用输出系数法计算［10］， 公式如下：

式中： L1i为某种污染物面源污染负荷， t／a；a1为修正系数； Ei为污染物在不同土地利用类型或人口中的输出系数， t／（km2·a）或t／（万人·a）； Ai为不同土地利用类型面积或人口的总数量， km2或万人， 人口数据来源于《2021 年合肥市统计年鉴》，土地利用类型面积基于谷歌地图计算获得。

（2） 城市生活、 工业活动地表径流污染。 利用流域径流量和次降雨径流平均浓度（EMC）［11］估算城市生活和工业活动地表径流污染， 公式如下：

式中： L2i为污染物径流污染负荷， t／a； a2为径流系数， 根据《安徽省水文手册》， 取0.35； Ki为污染物在不同土地利用类型的EMC 值， mg／L，具体根据实测获得； P 为年降雨量， mm， 取流域多年平均降雨量为1 032 mm； Ai为不同土地利用类型面积， km2。

1.3.1.3 入河污染负荷

依据各类污染负荷的差异性， 确定其入河系数， 参照式（3）、 （4）计算污染物入河负荷。

式中： L'1i为某种污染物的入河农村生活、 农业面源污染负荷， t／a； λ1i为农村生活、 农业面源污染负荷入河系数； L'2i为某种污染物的入河城市生活、 工业活动地表径流污染负荷， t／a； λ2i为城市生活、 工业活动地表径流污染负荷入河系数。 二十埠河流域各点源排口均位于河岸边， 故入河系数取1.0。 农村生活污水排放比较分散， 大部分会被地表截留， 入河系数取0.5； 农业面源入河系数取0.2； 径流污染入河过程中， 主要流经硬化路面，入河系数取0.8［12］。

1.3.2 水环境容量计算

1.3.2.1 一维河流水质模型

一维河流水质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， 其描述河流污染物一维稳态衰减规律的微分方程和水环境容量计算公式分别为［13］：

式中： Cx为流经x 距离后的污染物质量浓度，mg／L； Ct为一段时间后的污染物质量浓度， mg／L；C0为上断面污染物质量浓度， mg／L； K 为污染物综合降解系数， s-1； x 为沿河段的纵向距离， m； u为设计流量下河流断面的平均流速， m／s； t 为时间， d； W 为水环境容量， t／a； Q 为河段的近10 a 90%保证率下最枯月的平均流量， m3／s， 二十埠河流域没有水文站点， 因此使用实测平均值； q 为河段 的 污 水 排 放 量， m3／s； Cs为 河 段 的 水 质 目 标，mg／L， 本研究取GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅳ类水标准。

1.3.2.2 污染物综合降解系数

污染物综合降解系数是反映水中污染物质在河段长度方向上浓度发生衰减的综合系数。 但实际情况中出现了下游断面水质浓度大于上游断面的现象， 导致综合降解系数出现负值的情况， 与其物理意义不符， 因此， 考虑加入一项修正项进行修正。

式中： K0为实验室条件下的降解系数， s-1； K1为忽略点、 面污染源部分的影响系数， s-1。

K0确定方法为： 从采样点将水样采集后， 迅速带回实验室， 将水样置于室温下， 逐日测量水质情况， 根据式（6）对其进行拟合得到。

K1确定方法为： 首先收集河段内水质和水文数据， 根据式（9）［14］计算平均流速下的初始K 值，随后根据测得的K0值， 得到初始K1值。

式中： ΔX 为上下游断面之间的距离， m； CA为上断面污染物质量浓度， mg／L； CB为下断面污染物质量浓度， mg／L。

根据实际水质采用最小二乘法与最速下降法相结合进一步对K1进行率定， 使得水质模型更可靠。K1与平均流速u 的关系采用经验公式［15］：

式中： a、 b 为系数。 根据率定完成的a、 b 值得到K1， 并结合K0， 最终得到K 值。

2 结果与讨论

2.1 河流水质

各断面水质如图2 所示， 按照河流功能区划及水质目标定位（地表水Ⅳ类）， COD 和NH3-N 的超标情况较为明显， 断面超标率分别为27.1%和25.0%。 瑶海区河段的水质最差， 该区域内S3 断面的COD、 NH3-N 和TP 均值（分别为28.75、 1.73和0.15 mg／L）最高， 这可能与该区域城镇生活污水收集效率不高相关。

图2 各采样点水质Fig.2 Water quality of each sampling point

2.2 流域入河污染负荷分析

2.2.1 流域总体分析

二十埠河流域入河污染负荷如表1 所示。 位于上游的新站区对河流污染贡献率最高， 该区内COD和TP 的贡献率分别占总流域的47.88%和45.66%；下游肥东县内包含大片农田， 使得NH3-N 污染负荷的贡献率最高， 占流域总量的37.96%。

表1 二十埠河流域各区入河污染负荷Tab.1 Pollution load of water flow into river from different districts of Ershibu river basin

2.2.2 污染源分析

不同污染源对流域入河负荷的贡献率如图3 所示。 在整个流域中， 点源为最重要的污染源， 其入河负荷显著高于其他污染源， 各污染指标的入河负荷贡献率达47.3%～65.4%； 城镇生活则对COD 入河负荷贡献率较大（28.0%）； 农业面源污染对NH3-N 入河负荷贡献率亦不容忽视（23.3%）； 农村生活污染入河负荷显著低于其他污染源， 各污染指标的入河负荷贡献率均小于2.0%。

图3 各控制单元中污染源入河负荷贡献Fig.3 Load contribution from pollution sources flow into the river in each contrl unit

在新站区内， 陶冲污水处理厂和陶冲支流为重要点源， 其尾水（汇流）水质对控制单元内的入河负荷影响显著， 依据监测及计算结果， 由点源引起的COD 和TP 入河负荷显著高于其他污染源（图3（a））；各污染源的NH3-N 入河负荷总体差异不显著， 因控制区内存在大量农业种植区， 农业面源造成的NH3-N 入河负荷略高于其他污染源， 占总流域的12.1%。

位于流域中游的瑶海区中， 点源仍是最重要的污染源（图3（b））， 除点源污染外， 城镇生活径流污染贡献量较大， COD、 NH3-N 和TP 的入河负荷分别为350.64、 7.72 和1.42 t／a， 该控制单元内城镇人口数量大， 区域内目前仅有1 座污水处理厂和2 座应急污水处理站， 导致了城镇生活源污染负荷较高， 居民生活污水的收集与处理率亟待加强。

位于下游的肥东县内尚未建污水处理厂， 其居民生活污水通过管网输送到其他行政区的污水处理厂， 而目前管网建设不够完善， 仍存在管道混接、错接及部分老旧管网待改造的情况， 因而点源入河污染贡献较高（图3（c））； 另外， 二十埠河汇入南淝河处（河上口）有大片农田和散户畜禽养殖， 导致农业源造成的NH3-N 入河负荷贡献率较高。

2.3 水环境容量计算与分析

2.3.1 模型验证

对K0进行拟合并与K1进行率定后， 利用实测值与预测值进行对比验证， 结果如图4 所示。 3 类污染物的R2（汛期0.874 ～0.950， 非汛期0.671 ～0.919）和纳什效率系数（NSE， 汛期0.834 ～0.941，非汛期0.671 ～0.824）均大于0.6， 模拟效果较好［16］。

图4 实测值与预测值的对比Fig.4 Comparison of measured and predicted values

2.3.2 流域水环境容量分析

根据获得水质、 水文数据以及确定的综合降解系数， 以地表Ⅳ类水作为水质目标， 计算出水环境容量， 预留出水环境容量的10% 为经济发展及突发性环境风险的安全余量［17］， 再减去入河负荷， 得到剩余水环境容量［18］， 结果如表2 所示。

表2 流域内剩余水环境容量Tab.2 Residual water environmental capacity in the watershed

由表2 可知， COD 和TP 的水环境容量均有较大余量， 汛期内分别为6 068.85 和217.69 t／a， 非汛期内分别为5 655.07 和147.06 t／a。 其中， 位于流域中部的瑶海区河段COD 和TP 的剩余水环境容量贡献量最大， 汛期内占比分别为78.35%和54.22%， 非汛期内分别占55.07%和52.79%， 一方面由于瑶海区入河负荷较低， 另一方面是因为该区域河段污染指标背景值较低。 对于NH3-N 而言， 虽然总剩余水环境容量为正值， 但新站区（汛期）和肥东县（非汛期）河段出现了负值的情况， 表明对应时段内子流域内已无能力再容纳污染物， 为了实现控制目标，分别需要削减入河NH3-N 负荷21.60 和81.18 t／a。

从时间上来看， 汛期中的剩余水环境容量总体上大于非汛期， 特别是NH3-N， 汛期内的剩余水环境容量为293.93 t／a， 远大于非汛期的-1.22 t／a。王万宾等［19］的研究结果也显示丰水期的水环境容量大于平水期， 这与本研究的结论相似， 可能由于汛期内径流量大于非汛期导致了这种情况的出现。

3 结论

（1） 依据功能区划及水质目标定位（地表水Ⅳ类）， 二十埠河水质存在超标现象， 主要超标指标为COD 和NH3-N。 点源为流域内最重要的污染源，由点源产生的各主要污染物入河负荷贡献率达47.3%～65.4%， 城镇居民生活（COD 贡献率28.0%）及农业面源污染（NH3-N 贡献率23.3%）对二十埠河的污染不容忽视， 农村生活污染贡献率低， 各主要污染物入河负荷贡献率均不足2.0%。

（2） 因产业结构、 污染治理现状等不同， 各行政区域（控制单元）对河流的污染贡献率存在差异，位于上游的新站区（农业种植、 工业园区及城镇居民生活区）面积大， 对二十埠河的污染贡献率最高（COD 占比47.88%， TP 占比45.66%）； 位于下游的肥东县内存在大片农田和散户畜禽养殖， 造成NH3-N 入河负荷较高（37.96%）。

（3） 二十埠河流域COD 和TP 的水环境容量均有较大余量， 位于流域中部的瑶海区剩余环境容量最大， 全年COD 和TP 的剩余水环境容量分别占流域总量的55.07% ～78.35% 和52.79% ～54.22%；新站区（汛期）和肥东县（非汛期）的NH3-N 环境容量为负值， 为了实现控制目标， 新站区和肥东县分别需要削减NH3-N 入河负荷21.60 和81.18 t／a。

（4） 为了改善二十埠河流水质， 点源污染控制应作为工作重点； 同时， 做好新站区和肥东县内农业种植区的面源污染控制， 可削减NH3-N 入河负荷， 解决NH3-N 环境容量不足这一问题。