基于排污分區(qū)的流域水環(huán)境污染特征分析：以莆田市荔城區(qū)南洋水系為例

陳 浩 忻 飛 楊棠武 張 鵬 沈 翔 史新星 安樹青,3*

(1 南京大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇，南京，210024；2 南京大學(xué)常熟生態(tài)研究院，南大(常熟)研究院有限公司，江蘇，蘇州，215501；3 南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210046)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益凸顯，人們對(duì)良好生態(tài)環(huán)境的需求日益增加，水污染問題也成為當(dāng)前的熱點(diǎn)問題(Romanelli et al, 2021)。水環(huán)境污染不但影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，也影響著人們的生命安全。在推進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，做好生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作，強(qiáng)化水環(huán)境污染的治理與預(yù)防，已成為新時(shí)期經(jīng)濟(jì)發(fā)展與改革的重要主題(Feng et al, 2021; 杜明虹等, 2021)。

福建省莆田市荔城區(qū)南洋水系是莆田市污染較為嚴(yán)重的水系，生活污水排入、生活垃圾傾倒、農(nóng)業(yè)面源和城市徑流增加，導(dǎo)致南洋水系大部分河段水質(zhì)為Ⅴ類水、劣Ⅴ類水，局部河道出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象?，F(xiàn)有的排澇溝渠淤積嚴(yán)重，部分原本清澈見底的河道已經(jīng)成為污水溝，散發(fā)出怪味，蚊蟲滋生，嚴(yán)重影響了城市環(huán)境和人民群眾的身體健康(黃金志, 2009)。

目前，流域水環(huán)境污染特征主要通過劃分流域分區(qū)進(jìn)行區(qū)域分析(Sohoulande Djebou, 2018)。楊中文等(2020)通過鄱陽湖流域內(nèi)劃分流域分區(qū)對(duì)總磷污染源進(jìn)行解析，張岸飛(2019)等分流域?qū)υ鼋廴疚锱欧盘卣鬟M(jìn)行研究，劉修英等(2020)分河段流域?qū)Z魯河鄭州段污染源進(jìn)行解析。莆田市荔城區(qū)城市排水管網(wǎng)、道路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)改變了南洋水系原有的污染物入河途徑，單純采用原有的水系流域分區(qū)來分析污染物對(duì)河流水質(zhì)的影響與河流水質(zhì)現(xiàn)狀不符。本研究綜合考慮水系流域分區(qū)、排水管網(wǎng)分區(qū)、道路分區(qū)，并結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測斷面，將南洋水系劃分為后廖片區(qū)、港利片區(qū)、洋埕片區(qū)和東郊片區(qū)4個(gè)排污分區(qū)，分析南洋水系的污染物類別、數(shù)量、匯流方式、水系容量等特征，探究不同片區(qū)水質(zhì)的污染程度及其主要污染源并提出建議，為南洋水系及周邊水系水環(huán)境治理提供借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

荔城區(qū)南洋水系位于福建省莆田市荔城區(qū)，南洋平原位于木蘭溪下游南側(cè)，西起木蘭陂，東至東山閘，南至嶺頭山、壺公山、笏石、北高，總面積165 km2。福泉高速貫穿整個(gè)南洋平原，南洋平原高速路西面集雨面積為80.3 km2，主要排水河道有渠橋河、洋埕河和東郊河。南洋平原高速路東面集雨面積84.5 km2，主要排水河道為和平河。針對(duì)南洋平原高速路西面區(qū)域的后廖水閘斷面、港利水閘斷面、西洪水閘斷面和東郊河斷面的4個(gè)水質(zhì)斷面進(jìn)行水質(zhì)分析(圖1)，其對(duì)應(yīng)河道分別為錦墩河、渠橋河、洋埕河和東郊河。

圖1 南洋水系圖Fig.1 Nanyang water system map

2 研究方法

2.1 排污分區(qū)劃分

荔城區(qū)南洋水系以渠橋河為區(qū)域供水河道，后廖水閘、后廖東側(cè)農(nóng)田水閘、港利水閘(渠橋河)、西洪水閘(洋埕河)、西洪水閘西側(cè)農(nóng)田水閘、東郊河6個(gè)斷面為區(qū)域出水?dāng)嗝?。本研究綜合水系流域分區(qū)、排水管網(wǎng)分區(qū)、道路分區(qū)，結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測斷面，為方便后期污染特征分析，將南洋水系劃分為9個(gè)排污分區(qū)(圖2)。

圖2 排污分區(qū)圖Fig.2 Watershed zoning

其中，后廖片區(qū)、港利片區(qū)、洋埕片區(qū)及東郊片區(qū)分別向后廖水閘斷面、港利水閘斷面、西洪水閘斷面和東郊河斷面4個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面排放污染物，其他排污區(qū)（如東井片區(qū)、和平片區(qū)等）日常幾乎不排水，或不向研究區(qū)水質(zhì)監(jiān)測斷面排水，不作為研究范圍。因此，本研究區(qū)分別為后廖片區(qū)、港利片區(qū)、洋埕片區(qū)和東郊片區(qū)。根據(jù)衛(wèi)星影響及土地利用現(xiàn)狀調(diào)查分析，確定4個(gè)排污分區(qū)土地利用情況(表1)。

表1 排污分區(qū)土地利用現(xiàn)狀表Table 1 Status of land use in watershed Zones

2.2 水環(huán)境容量計(jì)算方法

2.2.1 邊界條件設(shè)定考慮流域水系特征、水文特征、排污狀況、水體水質(zhì)目標(biāo)以及水環(huán)境管理方面的需求等因素，確定水環(huán)境容量計(jì)算的邊界條件如下：(1)選擇河流分段進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算；(2)選擇補(bǔ)水水質(zhì)Ⅳ類水作為河道來水水質(zhì)；(3)選擇Ⅳ類水作為目標(biāo)水質(zhì)。

2.2.2 環(huán)境容量測算設(shè)計(jì)條件說明

(1)環(huán)境容量單元。為了更好地分析流域現(xiàn)有水環(huán)境容量，為后續(xù)污染物負(fù)荷削減奠定基礎(chǔ)，本方案分單元進(jìn)行水環(huán)境容量核算。

(2)測算模式選擇。根據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》(中國環(huán)境規(guī)劃院, 2003)采用一維模型測算水環(huán)境容量。假定污染物濃度僅在河流縱向上發(fā)生變化，污染物在較短時(shí)間內(nèi)基本能混合均勻，污染物濃度在斷面橫向方向變化不大，橫向和垂向的污染物濃度梯度可以忽略。

當(dāng)控制斷面符合指定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，河流中某種非持久性污染物的環(huán)境容量計(jì)算公式為：

式中：W為環(huán)境容量(kg/d)；Qh為河流雨季或非雨季期流量(m3/s)；C0為河流對(duì)照斷面的背景濃度(mg/L)；Cs為河流水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)濃度(mg/L)；K為污染物綜合降解系數(shù)(1/d)；L為河流長度(m)；U為河流斷面平均流速(m/s)。

2.3 污染源核算法

項(xiàng)目區(qū)主要污染源包括4類：(1)生活源污染，指未完全截污的生活污水造成的污染；(2)農(nóng)業(yè)面源污染，指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，農(nóng)田中的氮、磷等營養(yǎng)元素通過農(nóng)田排水進(jìn)入水體所引起的污染；(3)初期雨水污染，指降雨初期溶解空氣中的酸性氣體、汽車尾氣、工廠廢氣等污染性氣體，沖刷屋面、瀝青混凝土道路等后排入水體產(chǎn)生的污染；(4)內(nèi)源污染，指進(jìn)入水體中的營養(yǎng)物質(zhì)通過各種物理、化學(xué)和生物作用，逐漸沉降至湖泊底質(zhì)表層，當(dāng)累積到一定量后再向水體釋放形成的污染。

2.3.1 生活源污染核算生活源污染通過人口數(shù)量核算，區(qū)域人口數(shù)來自統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)。水量計(jì)算參數(shù)根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(上海市市政工程設(shè)計(jì)研究總院, 2016)計(jì)算。按照相關(guān)部門提供數(shù)據(jù)，管網(wǎng)截污率取70%計(jì)算。生活污水水質(zhì)參考南方生活污水水質(zhì)數(shù)據(jù)，其中，CODCr濃度為250 mg/L，氨氮濃度為20～30 mg/L(本項(xiàng)目暫取為25 mg/L)，總磷濃度為2～4 mg/L(本項(xiàng)目暫取為3 mg/L)。

2.3.2 農(nóng)業(yè)面源污染核算農(nóng)業(yè)面源污染通過農(nóng)田面積核算，區(qū)域農(nóng)田面積數(shù)據(jù)來自衛(wèi)星影像分析；源強(qiáng)系數(shù)根據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》(中國環(huán)境規(guī)劃院, 2003)中的標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田源強(qiáng)系數(shù)和修正系數(shù)選取。

2.3.3 初期雨水污染核算初期雨水污染通過城市建成區(qū)面積核算，按照8 mm降雨核算水量，結(jié)合以往研究對(duì)城市道路初期雨水徑流污染物濃度分析，選取CODCr平均濃度為80 mg/L，氨氮平均濃度為2.0 mg/L，總磷平均濃度為0.5 mg/L (李暢等, 2011; 李帥杰等, 2021; 車伍等, 2016)。

2.3.4 內(nèi)源污染核算動(dòng)水條件下水體中淤污泥顆粒以懸浮釋放為主，淤污泥中蓄積污染物的動(dòng)態(tài)釋放速率與流速基本成指數(shù)增長關(guān)系(中國環(huán)境規(guī)劃院, 2003)，釋放速率計(jì)算公式為：

式中 ：R為釋放速率[mg/(m2.d)] ；U為流速(m/s)；α為流速修正系數(shù)，取值范圍為0.003～0.006。

3 結(jié)果與分析

3.1 污染物入河總量及水環(huán)境容量分析

南洋水系4個(gè)排污分區(qū)內(nèi)水環(huán)境容量核算結(jié)果詳見表2。其中，港利片區(qū)的CODCr、氨氮和總磷水環(huán)境容量均為最大，后廖片區(qū)的均為最小，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其余3個(gè)片區(qū)。南洋水系4個(gè)小排污分區(qū)總水環(huán)境容量CODCr為11 536.29 kg/d、氨氮為224.40 kg/d、總磷為21.33 kg/d。

表2 南洋水系排污分區(qū)水環(huán)境容量核算結(jié)果 kg/dTable 2 Results of water environmental capacity of watershed zones of Nanyang river basin kg/d

南洋水系4個(gè)排污分區(qū)CODCr、氨氮和總磷的入河總量呈現(xiàn)不同趨勢(圖3)。其中，CODCr的入河總量變化趨勢與城市徑流污染趨勢一致，均為港利片區(qū)＞洋埕片區(qū)＞東郊片區(qū)＞后廖片區(qū)，表明CODCr入河量與城市徑流污染相關(guān)(表3，圖3A)。氨氮的入河總量與污染源趨勢不一致，表現(xiàn)為：港利片區(qū)＞東郊片區(qū)＞洋埕片區(qū)＞后廖片區(qū)，表明氨氮污染是多種污染源作用的結(jié)果(表3，圖3B)。總磷的入河總量與污染源趨勢不一致，表現(xiàn)為：東郊片區(qū)＞港利片區(qū)＞洋埕片區(qū)＞后廖片區(qū)，表明總磷污染是多種污染源作用的結(jié)果(表3，圖3C)。

表3 南洋水系排污分區(qū)污染源核算結(jié)果 kg/dTable 3 Results of pollution sources of watershed zones of Nanyang river basin kg/d

除CODCr外，氨氮和總磷的水環(huán)境容量均小于污染物入河量，因此該區(qū)域河流主要污染物為氨氮和總磷。

后廖片區(qū)的CODCr排放量大于水環(huán)境容量(圖3A)，表明后廖片區(qū)河流自凈能力無法正常降解排放入水體的CODCr，因此后廖片區(qū)河流存在CODCr污染。而港利片區(qū)、洋埕片區(qū)和東郊片區(qū)的CODCr排放量均小于水環(huán)境容量，表明這些片區(qū)水體能夠降解其入河的CODCr，因此對(duì)于港利片區(qū)、洋埕片區(qū)和東郊片區(qū)水體CODCr不存在超標(biāo)現(xiàn)象，該結(jié)論與水體現(xiàn)狀水質(zhì)一致。

4個(gè)片區(qū)氨氮排放量均大于水環(huán)境容量(圖3B)，表明河流自凈能力無法正常降解排放入水體的氨氮，因此4個(gè)片區(qū)的河流均存在氨氮污染。剩余氨氮等于氨氮排放量和水環(huán)境容量的差，由圖4B可埕片區(qū)＜東郊片區(qū)＜后廖片區(qū)，表明后廖片區(qū)水體氨氮污染最重，其次為東郊片區(qū)、洋埕片區(qū)、港利片區(qū)，該結(jié)論與水體現(xiàn)狀水質(zhì)一致。

圖3 CODCr、氨氮和總磷的入河總量與水環(huán)境容量分析Fig. 3 Analysis of water environmental capacity and total inflow of CODCr, ammonia-nitrogen and total phosphorus

圖4 不同污染源的污染物污染貢獻(xiàn)率Fig.4 Pollution contribution rate of each pollutant in different pollution sources

4個(gè)片區(qū)總磷排放量均大于水環(huán)境容量(圖3C)，表明河流自凈能力無法正常降解排放入水體的總磷，因此4個(gè)片區(qū)河流均存在總磷污染。剩余總磷等于總磷排放量與水環(huán)境容量的差，由圖3C可知，剩余總磷污染物由小到大依次為：洋埕片區(qū)＜港利片區(qū)＜后廖片區(qū)＜東郊片區(qū)，表明東郊片區(qū)水體總磷污染最重，其次為后廖片區(qū)、港利片區(qū)、洋埕片區(qū)，該結(jié)論與水體現(xiàn)狀水質(zhì)一致。

3.2 污染源貢獻(xiàn)率分析

污染源貢獻(xiàn)率指該污染源排放的污染物占入河污染物總量的比例。南洋水系4個(gè)排污分區(qū)的污染源核算結(jié)果詳見表3。南洋水系4個(gè)小排污分區(qū)總排污量中，CODCr為6 983.31 kg/d、氨氮為443.47 kg/d、總磷為99.83 kg/d。

CODCr的污染源貢獻(xiàn)率在各分區(qū)內(nèi)呈一致的趨勢，從高到低依次為城市徑流＞生活源＞農(nóng)業(yè)面源＞內(nèi)源(圖4A)，表明區(qū)域河流內(nèi)CODCr污染主要來源為城市徑流和生活源污染，兩者總占比為86.49%～93.71%?？刂茀^(qū)域CODCr污染主要需控制城市徑流和生活源污染。

氨氮的污染源貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)出不同趨勢，各分區(qū)中生活源的氨氮貢獻(xiàn)率最高，占比50%以上，其次農(nóng)業(yè)面源和城市徑流相當(dāng)，基本占比在20%左右(圖4B),表明區(qū)域河流內(nèi)氨氮污染主要來源為生活源污染，控制區(qū)域氨氮污染主要需控制生活源污染。該趨勢與秦柳等(2020)南湖污染源解析與污染負(fù)荷核算中的趨勢一致。

各分區(qū)中農(nóng)業(yè)面源的總磷貢獻(xiàn)率最高，占比40%以上，其次生活源和城市徑流相當(dāng)，基本占比在30%左右(圖4C),表明區(qū)域河流內(nèi)總磷污染主要來源為農(nóng)業(yè)面源、城市徑流和生活源污染，控制區(qū)域總磷污染主要需控制農(nóng)業(yè)面源污染。該趨勢與楊中文等(2020)基于源匯過程模擬的鄱陽湖流域總磷污染源解析，以及謝經(jīng)朝等(2019)對(duì)漢豐湖流域農(nóng)業(yè)面源污染氮磷排放特征分析中的趨勢一致。

4 結(jié)論與建議

莆田市荔城區(qū)南洋水系水污染問題已嚴(yán)重影響了城市環(huán)境和人民群眾的身體健康，采用劃分排污分區(qū)的方法，分析南洋水系水環(huán)境污染特征，結(jié)果表明：該地區(qū)水體除CODCr外，氨氮和總磷的水環(huán)境容量均小于污染物入河量，因此該區(qū)域河流主要污染物為氨氮和總磷。尤其是后廖片區(qū)的水環(huán)境容量較小，應(yīng)對(duì)自然水體進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，恢復(fù)水生動(dòng)植物，增強(qiáng)自然水體的自凈能力，提升水環(huán)境容量。

結(jié)合污染源分析發(fā)現(xiàn)，生活源污染對(duì)氨氮貢獻(xiàn)率最高，因此應(yīng)該在各區(qū)域?qū)嵤┪鬯占到y(tǒng)提標(biāo)改造工程，對(duì)生活源污水進(jìn)行截污管網(wǎng)建設(shè)，增加城鎮(zhèn)污水收集率，減少生活源污染入河；針對(duì)較遠(yuǎn)農(nóng)村生活源，可建設(shè)分散式污染處理設(shè)施，加強(qiáng)對(duì)生活源污染處理。另外，在4個(gè)片區(qū)中，農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)總磷貢獻(xiàn)率最高，應(yīng)采用源頭控制、過程攔截和末端治理相結(jié)合的措施對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行治理。減少化肥、農(nóng)藥使用量，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)源頭控制；建設(shè)生態(tài)攔截溝、生態(tài)溝渠等實(shí)現(xiàn)過程攔截；在末端建設(shè)濕地工程等實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染治理。