茫溪河流域乐山段污染成因识别及防治对策研究

2024-02-28刘义青付永胜

四川环境 2024年1期

钟林，刘义青，付永胜，张添，王辉，张兵

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 611756；2.成都西交扬华环保科技有限公司，成都 610000； 3.乐山市环境科学研究所，四川乐山 614000；4.四川省乐山生态环境监测中心站，四川乐山 614000)

前言

河流是人类赖以生存的自然资源，为社会进步、经济发展、水利运输、生态环境作出巨大贡献[1～3]。我国虽然水资源总量丰富，但人均占有量远低于世界水平，时空分布不均，水资源与经济的发展势必相互制约[4]。我国西南地区水系众多水资源较丰富但分布不均，供需矛盾突出[5]，以丘陵地区小流域最为突出，大部分靠降雨补给，而降雨又集中在夏秋两季，其余时期水资源困乏[6]。为解决用水问题通过构筑水坝、坑塘等方式用于蓄水，破坏了河流流通性，加之产业结构不合理，污染物入河现象多发，水环境遭受破坏。位于四川中部丘陵地区的茫溪河处于长江上游重要生态屏障区，为岷江一级支流[7]，自身资源性缺水，产业结构不合理，地区需水量与供水量不成比例，污染物入河量较大，茫溪河水环境遭受严重破坏，常年来水质处于Ⅳ～V类，甚至个别时段出现劣V类水质。有关茫溪河的研究不乏，刘琼英和张喜长[8]以2010年茫溪河水质数据为基础，得出其水质处于V类与劣V类之间，结合污染源得出水质主要受到农业、生活污染影响；杨立梦[9]利用输出系数法给出茫溪河农业面源污染负荷及入河量；周勤[10]通过研究茫溪河水环境容量，得出茫溪河治理应遵循总量控制原则；蔚辉等[11]利用MIKE11模型以日尺度预测其污染物的空间分布，为行政决策提供思路；凌冰等[12]通过构建SWAT模型以乡镇为单位给出每个区域的需水量，为水资源的分配做出科学依据；蔡孟林等[13]利用SWAT模型识别了茫溪河在汛期时以非点源污染为主。2022年乐山市小流域污染防治攻坚战专项重点工作要求茫溪大桥省控断面全年平均水质达地表水Ⅲ类水质，2023年全年稳定达Ⅲ类水质，任务艰巨、时间紧迫。为此，本文以茫溪河流域乐山段(以下简称茫溪河)为研究对象，基于调查茫溪河污染源信息和水质监测数据，分析茫溪河水质规律，识别茫溪河污染成因，为茫溪河提出科学的防治对策。

1 研究区概况

茫溪河有东西两源，西源主源发源于周坡镇宋家坡，东源殷家河发源于仁寿县大顶山至飞鸿山一带，全程95km流域集水面积1218km2，河床坡降0.46%，流域流经井研县、市中区、五通桥区、犍为县4个区县，自上而下共7条支流汇入，干流主要涉及井研县与五通桥区。其位置如图1所示。

图1 茫溪河流域位置图Fig.1 Location of Mangxi river basin

随着支流的依次汇入，河道径流沿程增加。茫溪河径流主要靠降雨补给，受季节性变化影响，据井研雨量站显示，茫溪河多年平均降雨量为988.3mm，5～9月份降雨量占全年85.28%，其中7、8月是全年降雨最多的两个月，茫溪河多年平均降雨量如图2所示。5～10月径流量占全年的80%以上，茫溪河被分为枯、平、丰3个水期，历史资料显示茫溪河多年平均流量7.6m3/s，多年平均径流量5.82亿m3。

为解决枯水期沿岸乡镇生产、农业灌溉用水以及河流防汛等问题，茫溪河干流沿程依次修建了新桥水坝、蚕宝滩、千佛水坝、长滩子水坝、牛头滩水坝等5座水坝，破坏了水体天然流动性，枯水期水坝关闸，部分区域易出现断流。

图2 茫溪河井研雨量站多年平均降雨量Fig.2 Multi-year average rainfall at Jingyan Rainfall Monitoring Station of Mangxi River

2 茫溪河干流水质分析

2.1 断面及评价方法

选取茫溪河干流新桥水坝、蚕宝滩、双龙桥、黄金桥、长滩子水坝、杨家河村2组、爱国桥、茫溪大桥等8个断面，自上而下简称S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，如图3所示。针对主要污染因子总磷、高锰酸盐指数、氨氮，利用单因子评价法评价其水质情况。

图3 茫溪河干流监测断面Fig.3 Monitoring section of trunk stream of Mangxi River

2.2 水质时空变化分析

根据2020年1月至2022年7月共31个月茫溪河8个监测断面氨氮、总磷、高锰酸盐指数3个指标逐月浓度绘制水质时空变化，如图4～图6所示。

图4 茫溪河总磷时空变化Fig.4 Spatial-temporal variation of total phosphorus in Mangxi River

图5 茫溪河氨氮时空变化Fig.5 Spatial-temporal variation of ammonia nitrogen in Mangxi River

图6 茫溪河高锰酸盐指数时空变化Fig.6 Spatial-temporal variation of permanganate index in Mangxi River

从时间纬度可知，2020年以来各断面总磷浓度在每年的6～9月汛期时往往存在一个大幅度升高趋势，呈现明显的季节性规律；S1～S6断面在1～8月内也多次出现过劣V类水质，其中近几年最高浓度为S2断面监测值0.94mg/L；S7与S8断面在每年2～9月内总磷会出现波动，一般在5～7月易超标。自2020年至今，茫溪河干流各断面(除S2外)总磷达标时段增多，整体上逐年改善。

从空间纬度可知，S1至S2经过井研县城及其支流殷家河汇入后S2总磷浓度绝大多数时期高于S1；S2至S5期间有两条支流汇入增加了水环境容量，沿水流方向总磷浓度总体逐步下降直至趋于平稳达标，该规律在每年10～12月较明显，但每年的5～7月存在一定波动；S6～S8位于下游区域，断面间距较长，同期总磷沿水流方向总体呈现先增后降的趋势。

2.2.2 氨氮

从近些年时间变化趋势可知，2～7月内氨氮污染处于高发期，S1近几年氨氮均能达标；与总磷类似至S2、S3时氨氮明显上升，每年1～7月内氨氮污染易发，两断面污染最严重时期分别为2020年1月S2(4.68mg/L)，2021年2月S3(2.90mg/L)；中下游区域S4～S8氨氮污染情况较少，个别断面在一年内存在突发污染情况，但超标倍数较低；氨氮污染存在突发性，整体来说也是逐年改善，特别是S2断面，2022年仅1月超标。

从空间纬度来说，氨氮污染主要集中在茫溪河中上游段，S2、S3两断面频次最多，氨氮沿程变化总体为先增后降的趋势，2022年起，S4～S6中氨氮浓度存在波动，偶尔出现超标情况。

2.2.3 高锰酸盐指数

对前面1～8道工序的铸造生产过程进行分析，计算制砂任务与造型任务的制砂能力MCSand-making与造型能力MCModeling。

每年的10～12月及次年1月各断面高锰酸盐指数浓度较低，一般能够达标，其余月份高锰酸盐指数频繁超标，有机物污染较重的时段集中在3～6月份，大部分时期各断面高锰酸盐指数在6mg/L～8mg/L间浮动；近几年出现的峰值为2021年4月S2(13.9mg/L)，其余时期各断面间相差不大；高锰酸盐指数总体较氨氮、总磷指标平稳，但改善不明显。

全程来看，茫溪河中上游S1～S2经过县城后，一般存在小幅度上升，其余断面自上而下变化规律性较弱，沿程微小波动，总体趋于平稳，但无法稳定达标。

茫溪大桥断面2022年1～7月总磷均值为0.17mg/L，氨氮为0.22mg/L，高锰酸盐指数为5.9mg/L，虽均值能够达标，但总磷、高锰酸盐指数接近Ⅲ类标准限值，从其上游水质情况可知，若要持续并稳定达标，需剖析各区域污染成因，并加强管控。

3 污染成因分析

根据乐山市生态环境局提供资料以及实地踏勘，茫溪河污染源较以往已发生变化，现干流沿线产业主要以农业和水产养殖业为主，水产养殖主要集中在市中区与井研县，沿线分布着零星的畜禽养殖点与工业企业，茫溪河农业源、生活源、工业源等污染物排污量利用生态环境部发布的《排放源统计调查产排污核算方法和系数手册》进行估算。

(1)水产养殖负荷：经过实地调查与区县环保部门2021年资料统计，茫溪河流域内市中区水产养殖量为5075.00t/a，井研县水产养殖量为16392.98t/a，五通桥区水产养殖量为116.35t/a利用公式(1)计算得各区县乡镇产污量，结果如表1所示。

W水产=N*α水产*10-3

(1)

W水产为水产养殖污染物排放量，t/a；N为水产年养殖量，t/a；α水产为四川省水产养殖排污系数，其中α总磷=0.299g/kg，αCOD=18.316g/kg，α氨氮=0.791g/kg。

表1 各乡镇水产养殖排污负荷Tab.1 Pollution discharge load of aquaculture in each township (t/a)

续表1

(2)畜禽养殖负荷：根据调查与区县环保部门2021年资料显示，茫溪河流域内以蛋鸡、生猪养殖为主，近些年大规模的沿河养殖已取缔，目前统计的养殖户(农家散户未计)主要集中在市中区、井研县，市中区肉猪养殖5160头，肉兔养殖10000只，肉鸭养殖6000只，肉鸡养殖6000只，肉鹅养殖2200只；井研县蛋鸡养殖80000只，肉鸽养殖220000只，生猪养殖8824头，肉鸡养殖300只；五通桥区蛋鸡养殖450只，生猪养殖20头。相关畜禽排污系数具体值见表2(规模化养殖一般生猪出栏≥500头；蛋鸡、鹅、鸭存栏≥20000羽；肉鸡、鹅、鸭出栏≥50000羽)。

表2 畜禽养殖排污系数Tab.2 Pollution discharge coefficient of livestock and poultry breeding (kg/只)

利用公式(2)计算各区县乡镇畜禽养殖产污负荷，结果如表3所示。

W畜禽=N*α畜禽*10-3

(2)

W畜禽为畜禽养殖特征污染物排放量，t/a；N为某种畜禽年养殖量，只/a；α畜禽为四川省畜禽养殖排污系数，kg/(只·年)。

表3 各乡镇畜禽养殖排污负荷Tab.3 Pollution load of livestock and poultry breeding in each township

续表3

(3)生活源负荷：城镇、农村人口数据以乐山市全国第七次人口普查(2020年)为基准，利用公式(3)和(4)，估算各个乡镇生活源负荷，计算结果如表4所示。

W农村=N*α农村*(1-β)*365*10-6

(3)

W农村为农村生活污水污染物排放量，t/a；N为农村人口数，人；α农村为排污系数，g/(人·天)；β为污染物综合去除率。其中α总磷=0.22g/(人·天)，αCOD=34.13g/(人·天)，α氨氮=1.42g/(人·天)，β总磷=47%，βCOD=64%，β氨氮=53%。

W城镇=W污水厂排放+W未收集利用

(4)

W城镇为城镇生活污水污染物排放量，t/a；W污水厂排放为城镇污水厂污染物年平均排放量，t/a；W未收集利用为城镇未收集利用污染物量。

表4 各乡镇生活源排污负荷Tab.4 Pollution load of domestic pollutants in each township

续表4

(4)工业源负荷：区县环保部门2021年资料显示茫溪河流域内外排污水的工业企业较少，仅有研城镇意龙印染科纺有限公司、三江镇桂祥化工等2个不涉磷的企业，尾水经过处理后直排入河，根据年均排污情况得出，COD排污量分别为23.7t/a、0.7t/a；NH3-N排污量分别为1.3t/a、0.35t/a。

(5)农业源负荷：由四川省2020年精度为1km的土地利用遥感地图获取茫溪河土地利用类型，得出研究区以水田、旱地为主，其余为林地，结合表5列出的排污系数，利用公式(5)估算各乡镇不同土地利用类型的其产污量，结果如表6所示。

W农业=N*α农业*λ*10-3

(5)

W农业为农田径流染物排放量，t/a；N为不同土地利用类型面积，亩；α农业为不同土地利用类型排污系数，kg/(亩·年)；λ为修正系数取0.3。

表5 不同土地利用类型排污系数Tab.5 Discharge coefficient of different types of land use [kg/(亩·年)]

将上述各污染源负荷以乡镇为单位汇总见表7，利用Arcgis10.2软件绘制成图，茫溪河产污负荷分布如图7所示。

表7 各乡镇排污负荷汇总Tab.7 Summary of pollution load of each township (t/a)

续表7

图7 各乡镇TP(a)、NH3-N(b)和COD(c)排污负荷Fig.7 Pollution load of TP (a)，NH3-N (b)and COD (c)in each township

由图7可知，茫溪河各污染指标排污负荷较多的区域：TP主要在研城、马踏、茅桥、竹根；NH3-N在研城、白马、马踏、竹根；COD在研城、王村、马踏、竹根等乡镇。

根据不同污染源排污负荷得出农业、生活源占主导地位，如图8所示。其中，TP以农业源贡献为主(占比68.26%)，其次为生活源(占比28.32%)、畜禽养殖(占比3.26%)、水产养殖(占比0.16%)；NH3-N以生活源贡献为主(占比64.84%)，其次为农业源(占比34.26%)、畜禽养殖(占比0.44%)、工业源(占比0.33%)、水产养殖(占比0.13%)；COD以生活源贡献为主(占比78.95%)，其次为农业源(占比17.07%)、畜禽养殖(占比3.33%)、工业源(占比0.41%)、水产养殖(占比0.24%)。

图8 各污染源TP(a)、NH3-N(b)和COD(c)贡献占比Fig.8 Contribution ratio of TP (a)，NH3-N (b)and substances with high COD (c)from various pollution sources

4 结论及建议

4.1 结论

本文通过研究茫溪河水质时空变化及污染源产污负荷得出：近几年来茫溪河干流以IV类水质为主，个别时期为V类、劣V类，中上游区域在2～7月易内发生氨氮突发性污染，总磷污染易发生在5～9月份并呈现较强的季节性规律，高锰酸盐指数除1月、11月、12月外全年大部分时期超标；茫溪河以农业、生活源污染为主，TP排放负荷较大的区域集中在研城、马踏、茅桥、竹根，NH3-N集中在研城、白马、马踏、竹根，COD集中在研城、王村、马踏、竹根等乡镇。