西北干旱區(qū)流域水污染特征與控制策略—以寧夏清水河流域?yàn)槔?/h1>
2022-09-27 06:30:08馬玉珅朱翔彭福全龐晴晴倪利曉杜鵬
環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào) 2022年5期
馬玉珅，朱翔，彭福全，龐晴晴，倪利曉，杜鵬
1.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所
2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院
3.寧夏回族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境廳
污染負(fù)荷估算可以明確流域污染狀況與特征，為治理流域污染、實(shí)現(xiàn)斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)以及制定相應(yīng)減排策略提供基礎(chǔ)[1]。流域水環(huán)境容量反映了流域的最大污染負(fù)荷承載能力，可以幫助制定相應(yīng)的減排目標(biāo)[2-3]。流域污染負(fù)荷估算與水環(huán)境容量分析已成為國(guó)內(nèi)外調(diào)查流域污染狀況的重要方法。如Yan等[4]估算了太湖北部區(qū)域的水環(huán)境容量，當(dāng)以GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水質(zhì)為目標(biāo)的情況下，總磷（TP）、化學(xué)需氧量（COD）和氨氮的污染負(fù)荷削減量分別為47%、-16%和24%；de Paula Filho等[5]首次引入人類活動(dòng)排放因子與土地利用狀況估算氮、磷污染負(fù)荷，發(fā)現(xiàn)巴西東北部半干旱區(qū)Salgado河的氮負(fù)荷為16 621 t/a，磷負(fù)荷為3 211 t/a，氮、磷負(fù)荷來(lái)源以農(nóng)田徑流和養(yǎng)殖業(yè)面源污染為主。同時(shí)，污染負(fù)荷與水環(huán)境容量的計(jì)算為環(huán)境管理措施的制定提供了科學(xué)依據(jù)。如Trang等[6]首次估算了越南譚江瀉湖在不同情境下的水環(huán)境容量，其中COD最大負(fù)荷為165 707 t/a，氨氮最大負(fù)荷為13 464 t/a，并結(jié)合該區(qū)域污染排放特點(diǎn)提出了新建沿海地區(qū)集中污水處理廠和分散污水處理設(shè)施等治污對(duì)策；Wang等[7]建立了博斯騰湖的水環(huán)境容量評(píng)價(jià)體系，計(jì)算結(jié)果表明博斯騰湖環(huán)境容量與納污量低，提出通過(guò)合理調(diào)蓄水量來(lái)提高環(huán)境容量。不同地區(qū)因氣候、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)水平等因素，水環(huán)境容量和污染負(fù)荷特征差異巨大，需要根據(jù)流域特征進(jìn)行具體分析。
黃河流域生態(tài)保護(hù)于2019年作為重大國(guó)家戰(zhàn)略被提出后，黃河生態(tài)治理與高質(zhì)量發(fā)展成為黃河流域發(fā)展的主要方向[8]。寧夏作為黃河上游的典型區(qū)域，其水質(zhì)對(duì)于寧夏及其下游地區(qū)意義重大。近幾十年來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和污染物排放量增加，加之地方治理能力不足，導(dǎo)致寧夏水環(huán)境污染加劇[9]，影響了區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展[10-12]。清水河是寧夏境內(nèi)黃河最大的一級(jí)支流，流域沿岸以畜牧業(yè)為主的農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)，生活源污染問(wèn)題突出，面源污染嚴(yán)重[13-15]。清水河流域已有的研究大多集中于水沙變化、生態(tài)水量和河水礦化等方面[16-17]，目前清水河流域污染負(fù)荷、水環(huán)境容量估算等基礎(chǔ)研究較為鮮見，不利于流域水環(huán)境問(wèn)題的深入分析與精準(zhǔn)解決。另外，西北干旱區(qū)流域氣候、產(chǎn)業(yè)特征等與其他地區(qū)差異很大，流域污染特征需要進(jìn)行專門的研究。因此，筆者以污染負(fù)荷、污染來(lái)源、污染特征和水環(huán)境容量等均不明晰的清水河流域?yàn)槔?，通過(guò)調(diào)查和模型估算得到了清水河流域2018年的污染負(fù)荷與來(lái)源，利用水質(zhì)一維模型計(jì)算了流域水環(huán)境容量，并將流域根據(jù)地市分為不同控制單元，研究各單元污染負(fù)荷情況，最后針對(duì)性給出適合不同控制單元的污染綜合治理措施，以期為制定清水河流域污染負(fù)荷削減方案，提升大流域水生態(tài)環(huán)境管理水平提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為黃河流域生態(tài)保護(hù)提供參考。
1 研究區(qū)與研究方法
1.1 研究區(qū)、控制單元及監(jiān)測(cè)斷面
1.1.1 研究區(qū)概況
清水河是寧夏境內(nèi)黃河最大的一級(jí)支流，發(fā)源于固原市原州區(qū)六盤山東北麓黑刺溝，由南向北縱貫寧夏南部山區(qū)和中部干旱帶，于中寧縣泉眼山入黃河。流域面積為14 481 km2，其中，寧夏境內(nèi)流域面積13 511 km2，占寧夏全區(qū)面積的20%。干流總長(zhǎng)320 km，流經(jīng)固原市、吳忠市和中衛(wèi)市共3市7縣（區(qū)）（圖1）。清水河多年平均徑流量為2.02億m3，占寧夏入黃河天然徑流量的85%。
圖 1 清水河流域概況、斷面與控制單元分布Fig.1 General situation and section and control unit distribution of Qingshui River basin
1.1.2 控制單元?jiǎng)澐?/p>
根據(jù)《寧夏水污染防治工作方案》與水功能區(qū)劃，流域可劃分為3個(gè)控制單元：1）固原控制單元。位于清水河流域最南部，為清水河的源頭與上游河段。全長(zhǎng)81 km，流域面積為2 075 km2，包括固原市原州區(qū)與西吉縣，為清水河流域面積最小的控制單元。2018年總?cè)丝跒?8萬(wàn)人，其中原州區(qū)為人口最多的區(qū)（縣），控制單元內(nèi)工業(yè)以紡織、農(nóng)產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)為主，產(chǎn)值占比達(dá)27.9%。2）中衛(wèi)控制單元。位于清水河流域西部，為清水河中下游河段。全長(zhǎng)181.09 km，流域面積為7 627.25 km2，主要包括中衛(wèi)市中寧縣、海原縣和沙坡頭區(qū)，為清水河流域面積最大的控制單元。2018年總?cè)丝跒?16萬(wàn)人，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以旅游業(yè)為主。3）吳忠控制單元。全長(zhǎng)94.5 km，流域面積為2 978.3 km2，包括紅寺堡區(qū)和同心縣。2018年總?cè)丝跒?4萬(wàn)人，區(qū)域禽畜養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)。
1.1.3 監(jiān)測(cè)斷面與水質(zhì)目標(biāo)
清水河流域有1個(gè)省控?cái)嗝妫ǘ镤仈嗝妫?個(gè)國(guó)控?cái)嗝妫ㄈ隣I(yíng)、泉眼山斷面）。二十里鋪斷面為清水河源頭斷面，位于固原市原州區(qū)以南，斷面水質(zhì)目標(biāo)為GB 3838—2002 Ⅱ類；三營(yíng)斷面為清水河流域由固原段進(jìn)入中衛(wèi)段的邊界斷面，斷面水質(zhì)目標(biāo)為Ⅳ類；泉眼山斷面為清水河與黃河的交匯斷面，斷面水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類。
1.2 研究方法
1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源
清水河流域省控和國(guó)控?cái)嗝鍯OD、氨氮和TP濃度來(lái)自2015—2018年的《全國(guó)地表水水質(zhì)月報(bào)》和實(shí)地采樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。其中，二十里鋪斷面數(shù)據(jù)時(shí)段包括2015—2017年、2018年1—9月；三營(yíng)斷面數(shù)據(jù)時(shí)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；泉眼山斷面數(shù)據(jù)時(shí)段包括2015—2017年、2018年1—11月。工業(yè)污染源資料和清水河流域各地市人口數(shù)據(jù)來(lái)自《2019寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒》。
1.2.2 水環(huán)境容量計(jì)算
本研究范圍為清水河流域而非單一河段，部分河段雖有大型河段的特點(diǎn)，但對(duì)于整個(gè)流域，從計(jì)算精度而言仍符合一維河道特點(diǎn)，一維穩(wěn)態(tài)模型適用于河道寬度與水深較河道長(zhǎng)度可以忽略的河流，因此水環(huán)境容量計(jì)算選取一維模型計(jì)算，計(jì)算公式參照文獻(xiàn)[18]。
模型計(jì)算選取的綜合降解系數(shù)（k）分別為0.2、0.3和0.1 d-1[19-20]。清水河流域豐水期（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（極端氣候下的11月—次年2月）的流量（Q0）分別為 0.48、0.23、0.14、0.06 m3/s，固原控制單元與吳忠控制單元污水排放量（q）為0.07 m3/s，中衛(wèi)控制單元污水排放量為0.33 m3/s[13]。
1.2.3 污染物排放量與入河量計(jì)算
1.2.3.1 城鎮(zhèn)生活源
城鎮(zhèn)與農(nóng)村生活源污染物來(lái)自清水河流經(jīng)的固原、中衛(wèi)與吳忠3個(gè)控制單元。各控制單元人均污染物排放量見表1。
表 1 各控制單元人均污染物排放量Table 1 Per capita pollutant discharges of each control unit g/(人· d)
城鎮(zhèn)生活源污染物入河量計(jì)算方法如下：
式中：WC1為城鎮(zhèn)生活源污染物排放量，t/a；Wp1為城鎮(zhèn)人均生活源污染物排放量，t/(人· d)；n1為控制單元城鎮(zhèn)人口數(shù)量，人；WC為城鎮(zhèn)生活源污染物入河量，t/a；m為城鎮(zhèn)污水收集率，%； β1為城鎮(zhèn)污水處理廠污染負(fù)荷削減率，均按照88%計(jì)； β2為城鎮(zhèn)生活源污染物未收集部分的入河系數(shù)，取0.90。
1.2.3.2 農(nóng)村生活源
農(nóng)村生活源污染物入河量計(jì)算方法如下：
式中：WA1為農(nóng)村生活源污染物排放量，t/a；Wp2為農(nóng)村人均生活源污染物排放量，t/(人· d)；n2為各控制單元農(nóng)村人口數(shù)量，人；由于寧夏冬季（12月—次年2月）基本無(wú)入河徑流產(chǎn)生，不計(jì)農(nóng)村生活源污染物入河量，因此1 a的計(jì)算時(shí)間取275 d；WA為農(nóng)村生活源污染物入河量，t/a； β3為農(nóng)村生活源污染物入河系數(shù)，由于西北地區(qū)農(nóng)村生活污水幾乎沒(méi)有分散收集措施，整體入河系數(shù)取0.35。入河系數(shù)、污染負(fù)荷削減率等的取值參照《污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)（上）》[21]。
工業(yè)源污染物入河量計(jì)算方法如下：
式中：WG為工業(yè)污染物入河量，t/a；WG1為工業(yè)污染物排放量，t/a； θ1污水處理廠處理的工業(yè)污染物量，t/a；β4為工業(yè)污染物入河系數(shù)，取值參照《污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)（上）》[21]。
1.2.3.4 農(nóng)業(yè)源
畜禽養(yǎng)殖污染物排放量與入河量計(jì)算方法如下：
式中：WL為畜禽養(yǎng)殖污染物入河量，t/a； δ1為畜禽個(gè)體日產(chǎn)糞量，t/(d·頭)；T為飼養(yǎng)期，d；NL為畜禽的飼養(yǎng)數(shù)量，頭； α4為畜禽糞中污染物平均含量，kg/t； δ2為畜禽個(gè)體日產(chǎn)尿量，t/(d·頭)； α5為畜禽尿中污染物平均含量，kg/t；WL1為畜禽養(yǎng)殖污染物排放量，t/a； β5為畜禽養(yǎng)殖污染物入河系數(shù)。
標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田污染物排放量與入河量按以下方法測(cè)算：
在進(jìn)行新課前，學(xué)生已掌握了借貸記賬法的基本知識(shí)，本課的教法為任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，學(xué)法為自主探究法、小組合作法。教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)為：知識(shí)目標(biāo)為理解會(huì)計(jì)分錄的概念以及種類，明確會(huì)計(jì)分錄的三要素；能力目標(biāo)是能夠熟練地對(duì)經(jīng)濟(jì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分析；德育目標(biāo)為感受小組合作學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。
式中：WF1為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田污染物排放量，t/a；WF為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田污染物入河量，t/a；M為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田面積，hm2； α3為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田排污系數(shù)； β6為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田污染物入河系數(shù)；γ1為修正系數(shù)。
水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物排放量與入河量按以下方法測(cè)算：
式中：WY1為水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物排放量，t/a；SY為年養(yǎng)殖面積，hm2；β7為水產(chǎn)養(yǎng)殖單位面積污染物排放量，t/hm2；WY為 水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物入河量，t/a； β8為水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物入河系數(shù)。
農(nóng)業(yè)源相關(guān)系統(tǒng)的取值均參照《污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)（上）》[21]。
2 結(jié)果與分析
2.1 流域水質(zhì)特征
2015—2018年，二十里鋪斷面COD、氨氮和TP可達(dá)Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，這是由于其位于清水河流域上游源頭段，人類活動(dòng)影響小，天然水質(zhì)良好。2015—2018年清水河流域三營(yíng)與泉眼山國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)變化見圖2。由圖2可知，三營(yíng)斷面COD和氨氮污染較為嚴(yán)重，2016—2017年COD和氨氮遠(yuǎn)超Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，COD超標(biāo)0.125～6.150倍，氨氮超標(biāo)0.18～15.50倍；雖然2017—2018年水質(zhì)有所提高，但仍無(wú)法穩(wěn)定達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。2015—2018年，泉眼山斷面TP可以穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但2017—2018年，氨氮和COD無(wú)法穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在個(gè)別月份出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。
圖 2 2015—2018年三營(yíng)與泉眼山國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)變化Fig.2 Water quality changes in Sanying and Quanyanshan national control sections from 2015 to 2018
2.2 流域水環(huán)境容量
西北地區(qū)降水季節(jié)分配極其不均，且年蒸發(fā)量大，豐、平、枯水期區(qū)別明顯。清水河流域在極端降水與氣候條件下，河道幾乎斷流，流量較枯水期更小，因此額外添加特枯水期計(jì)算極端條件下的水環(huán)境容量[13,22]。計(jì)算得到清水河流域豐、平、枯、特枯4個(gè)水期的水環(huán)境容量見表2。由表2可知，清水河流域COD、氨氮與TP水環(huán)境容量分別為592.83～1 238.25、51.99～193.60 和 5.02～12.85 t/a，豐水期與特枯水期的水環(huán)境容量差異較大，豐水期水環(huán)境容量為枯水期的2倍左右，這是由于降水量與水量分配不均，降水多集中于夏季，在枯水期甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象[23]。與一維模型計(jì)算的張家口永定河[24]（COD、氨氮和TP分別為16 264.4、789.15和183.64 t/a）和承德灤河[25]（COD、氨氮和TP分別為5 203.61、505.71和72.92 t/a）水環(huán)境容量相比，清水河TP水環(huán)境容量極低，COD和氨氮水環(huán)境容量偏低。這主要是因?yàn)榍逅恿饔蛘舭l(fā)量極高，最高可達(dá)降水量的10倍，造成豐水期水量不及同處半干旱區(qū)的其他流域；而在枯水期幾乎沒(méi)有降水，也沒(méi)有其他有效補(bǔ)水方式，枯水期的水生態(tài)環(huán)境更加脆弱；加上流域部分地區(qū)不同程度地受到工業(yè)、揚(yáng)水灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人類生活排放影響，流域水環(huán)境容量偏低[26-27]。
2.3 污染負(fù)荷與來(lái)源解析
2.3.1 固原控制單元
固原控制單元2018年污染負(fù)荷排放量與入河量如表3所示。由表3可知，固原控制單元COD、氨氮和TP排放量分別為 27 278.05、2 734.62和1 104.33 t/a，COD、氨氮和TP的排放來(lái)源均以禽畜養(yǎng)殖為主，分別占各自排放量的46.4%、48.5%和84.0%。COD、氨氮和TP入河量分別為6 318.82、456.96和128.34 t/a，其中COD入河量以工業(yè)源與農(nóng)村生活源為主，分別占46.0%和20.5%；氨氮入河量以農(nóng)村生活源和城鎮(zhèn)生活源為主，分別占35.4%和22.7%；TP入河量以禽畜養(yǎng)殖為主，占71.7%。
表 2 清水河流域不同水期水環(huán)境容量Table 2 Water environmental capacity of Qingshui River Basin in different water periods t/a
表 3 固原控制單元污染負(fù)荷排放量與入河量Table 3 Pollution load discharge and river inflow of Guyuan control unit t/a
固原控制單元近兩年工業(yè)發(fā)展較快，農(nóng)產(chǎn)品加工、紡織等產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，原州區(qū)工業(yè)增加值增長(zhǎng)速度高達(dá)46%，造成其來(lái)自工業(yè)源的COD污染負(fù)荷高，導(dǎo)致三營(yíng)斷面COD污染嚴(yán)重。農(nóng)村生活源造成的COD和氨氮入河量高主要是因?yàn)楣淘性輩^(qū)與西吉縣農(nóng)村人口較城鎮(zhèn)人口多，加上農(nóng)村地區(qū)生活污水處理率低，面源污染截留控制工程少，導(dǎo)致農(nóng)村生活源污染負(fù)荷入河量高[28]。清水河三營(yíng)斷面氨氮不穩(wěn)定達(dá)標(biāo)也與城鎮(zhèn)生活源污染負(fù)荷占比高有關(guān)。固原控制單元城鎮(zhèn)居民生活污水收集與處理能力不強(qiáng)，2018年城鎮(zhèn)污水收集率不到60%，污水收集率較低。TP污染負(fù)荷入河量主要來(lái)自禽畜養(yǎng)殖，禽畜養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)是固原市最具優(yōu)勢(shì)的地方性產(chǎn)業(yè)，以規(guī)?；B(yǎng)殖和農(nóng)民廣泛散養(yǎng)相結(jié)合為主，規(guī)?；B(yǎng)殖污水得到了處理，但農(nóng)民散養(yǎng)污水均以直排為主，因此產(chǎn)生的TP污染負(fù)荷較高。
2.3.2 中衛(wèi)控制單元
中衛(wèi)控制單元2018年污染負(fù)荷排放量與入河量如表4所示。由表4可知，中衛(wèi)控制單元COD、氨氮和TP排放量分別為2 7 459.00、3 345.11和1 612.93 t/a。禽畜養(yǎng)殖與農(nóng)村生活源是COD的主要排放來(lái)源，分別占42.6%和36.7%；氨氮的主要排放來(lái)源為農(nóng)村生活源與禽畜養(yǎng)殖，分別占38.6%和37.1%；TP排放量以禽畜養(yǎng)殖為主，占82.0%。COD、氨氮和TP入河量分別為6 738.45、868.88和218.12 t/a，COD入河量以農(nóng)村生活源與城鎮(zhèn)生活源為主，分別占39.2%和31.7%；氨氮入河量也以農(nóng)村生活源和城鎮(zhèn)生活源為主，分別占39.0%和31.6%；TP入河量以禽畜養(yǎng)殖為主，占61.0%。
中衛(wèi)控制單元城鎮(zhèn)生活源造成的COD和氨氮污染負(fù)荷入河量占比較高，對(duì)比城鎮(zhèn)生活源污染物排放量與入河量，可以發(fā)現(xiàn)中衛(wèi)控制單元城鎮(zhèn)生活源污染負(fù)荷入河率較高。這是由于中衛(wèi)控制單元2018年城鎮(zhèn)人口數(shù)較高，且每年接收大量旅游人口，使生活源污染負(fù)荷排放量大；其次，由于該控制單元城鎮(zhèn)生活污水納管率有待提升，污水處理廠亟待擴(kuò)容與提標(biāo)改造，造成城鎮(zhèn)生活源污染負(fù)荷高。已有研究表明，中衛(wèi)控制單元的TP污染負(fù)荷入河量大于130 t/a，入河污染負(fù)荷高，且禽畜養(yǎng)殖是入河污染負(fù)荷的主要來(lái)源之一，占37%[29]，這與本研究的結(jié)論相似。
2.3.3 吳忠控制單元
吳忠控制單元2018年污染負(fù)荷排放量與入河量如表5所示。由表5可知，吳忠控制單元COD、氨氮和TP排放量分別為15 899.27、2 009.99和1 116.47 t/a。禽畜養(yǎng)殖是COD的主要排放來(lái)源，占42.5%；禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)村生活源是氨氮的主要排放來(lái)源，分別占38.6%和36.8%；TP排放量以禽畜養(yǎng)殖為主，占比為84.6%。COD、氨氮和TP入河量分別為1 124.87、344.38和128.60 t/a，其中，COD和TP入河量主要來(lái)自禽畜養(yǎng)殖，分別占各自入河總量的84%和73%；氨氮入河量則主要來(lái)自農(nóng)村生活源，占比為56.3%。
表 4 中衛(wèi)控制單元污染負(fù)荷排放量與入河量Table 4 Pollution load discharge and river inflow of Zhongwei control unit t/a
表 5 吳忠控制單元污染負(fù)荷排放量與入河量Table 5 Pollution load discharge and river inflow of Wuzhong control unit t/a
吳忠控制單元的COD和TP污染負(fù)荷入河量受禽畜養(yǎng)殖的影響最大。邱小琮等[2]的研究也發(fā)現(xiàn)吳忠市禽畜養(yǎng)殖造成的入河污染負(fù)荷占比高達(dá)30%，為TP的最主要污染源。分析其原因，可能是因?yàn)榍逅訁侵叶伟涝资袌?chǎng)和1家規(guī)?；\(yùn)營(yíng)養(yǎng)殖場(chǎng)，養(yǎng)殖與屠宰產(chǎn)生的廢水收集率不高，處理設(shè)施建設(shè)不完善。氨氮入河量受農(nóng)村生活源影響較大，這與該控制單元城鎮(zhèn)化率較低、農(nóng)村人口多有關(guān)。
2.3.4 各控制單元比較
2018年各控制單元單位面積污染負(fù)荷排放量與入河量如表6所示。由表6可知，固原控制單元流域面積雖小，但其COD、氨氮和TP污染負(fù)荷總?cè)牒恿浚? 318.82、456.96和 128.34 t/a）在流域內(nèi)僅略低于中衛(wèi)控制單元（6 738.45、868.88 和 218.12 t/a），因此，其COD、氨氮和TP的單位面積污染負(fù)荷入河量為各控制單元中最高（3.04、0.22和0.06 t/km2）。中衛(wèi)控制單元雖然污染負(fù)荷總?cè)牒恿扛撸銫OD、氨氮與TP單位面積污染負(fù)荷入河量在流域各控制單元中較低（0.88、0.11 和 0.03 t/km2），尤其是 TP 單位面積污染負(fù)荷入河量為流域最低。吳忠控制單元COD、氨氮和TP污染負(fù)荷總?cè)牒恿繛榱饔蜃畹停? 124.87、344.38和 128.60 t/a），但其 COD、氨氮與TP單位面積污染負(fù)荷入河量（0.87、0.11和0.04 t/km2）與中衛(wèi)控制單元相當(dāng)，且顯著低于固原控制單元。
表 6 各控制單元單位面積污染負(fù)荷排放量與入河量Table 6 Pollution load discharge and river inflow per unit area of each control section t/km2
造成各控制單元總污染負(fù)荷與單位面積污染負(fù)荷差異的主要原因：1）中衛(wèi)控制單元與固原控制單元污染負(fù)荷入河量相當(dāng)，但中衛(wèi)控制單元面積約是固原控制單元的4倍，造成單位面積污染負(fù)荷差異大；2）清水河流域3個(gè)控制單元的人口密度不同，固原控制單元為212人/km2，遠(yuǎn)高于中衛(wèi)控制單元和吳忠控制單元的77和90人/km2，固原控制單元人與水環(huán)境的矛盾突出；3）中衛(wèi)控制單元以旅游產(chǎn)業(yè)為主，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)造成其單位面積污染負(fù)荷較低。
3 基于斷面水質(zhì)改善的污染控制措施
3.1 各控制單元污染負(fù)荷應(yīng)削減量
將各控制單元污染負(fù)荷入河量進(jìn)行合計(jì)，得到2018年清水河流域COD、氨氮和TP污染負(fù)荷入河量為15 661.10、1 670.20和784.50 t/a，污染負(fù)荷入河量分別是平水期水環(huán)境容量（COD為940.57 t/a，氨氮為114.64 t/a，TP 為 8.81 t/a）的 16、14和 89倍。可見，清水河流域需要削減污染負(fù)荷入河量。各控制單元污染負(fù)荷應(yīng)削減量見表7。
表 7 各控制單元水污染負(fù)荷應(yīng)削減量Table 7 Required water pollution load reduction amount in each control section t/a
3.2 各控制單元污染治理措施
固原控制單元位于清水河源頭，河流流量較小，水環(huán)境容量較小，但其各污染物負(fù)荷均較高，應(yīng)削減量較大，是清水河流域污染治理的重點(diǎn)控制單元。針對(duì)固原控制單元COD污染負(fù)荷以工業(yè)源和農(nóng)村生活源為主，氨氮污染負(fù)荷受到農(nóng)村和城鎮(zhèn)生活源影響大，TP污染負(fù)荷以禽畜養(yǎng)殖為主的特點(diǎn)，建議加強(qiáng)工業(yè)企業(yè)污水回收與利用管理，提高城鎮(zhèn)污水納管率和農(nóng)村污水分散收集處理率。同時(shí)，地方政府可以通過(guò)“出戶入園”政策減少農(nóng)戶家庭養(yǎng)殖，逐漸形成集中化管理。
中衛(wèi)控制單元是清水河流域面積最大，污染負(fù)荷最高的單元，以旅游為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)要求其污染負(fù)荷持續(xù)降低。針對(duì)中衛(wèi)控制單元城鎮(zhèn)與農(nóng)村生活源是COD和氨氮污染負(fù)荷入河主要來(lái)源的特點(diǎn)，建議建立污水管網(wǎng)排查和周期性檢測(cè)制度，補(bǔ)齊城鎮(zhèn)污水收集管網(wǎng)短板，加強(qiáng)農(nóng)村地區(qū)分散污水處理設(shè)施建設(shè)。除此之外，加強(qiáng)污水處理廠的尾水深度凈化能力，在流域重點(diǎn)河段和污水處理廠尾水排污口設(shè)置人工濕地，以保障尾水達(dá)標(biāo)。
針對(duì)吳忠控制單元COD和TP污染負(fù)荷入河量主要來(lái)自禽畜養(yǎng)殖，氨氮污染負(fù)荷入河量主要來(lái)自農(nóng)村生活源的特點(diǎn)，建議重點(diǎn)在規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)推行干清糞工藝，并及時(shí)對(duì)糞污進(jìn)行收集、貯存，鼓勵(lì)規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)采取糞肥還田、制取沼氣、生產(chǎn)有機(jī)肥等方式進(jìn)行資源化利用。同時(shí)，完善農(nóng)村污水收集管網(wǎng)、集中治理設(shè)施建設(shè)與農(nóng)村改廁有效銜接。
4 結(jié)論
（1）2015—2018年清水河源頭二十里鋪斷面水質(zhì)可穩(wěn)定達(dá)Ⅱ類，上游三營(yíng)斷面雖總體水質(zhì)穩(wěn)步提升，但COD和氨氮濃度仍較高，無(wú)法穩(wěn)定達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)，下游入黃河泉眼山斷面水質(zhì)可達(dá)到Ⅲ類，但COD存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。
（2）清水河流域平水期水環(huán)境容量COD、氨氮和TP分別為940.57、114.64和8.81 t/a，豐水期分別為1 238.25、193.60和12.85 t/a。2018年清水河流域COD、氨氮和TP污染負(fù)荷入河量分別為15 661.10、1 670.20和784.50 t/a，污染負(fù)荷入河量遠(yuǎn)高于水環(huán)境容量。
（3）清水河流域不同控制單元污染特征存在差異：固原控制單元單位面積污染負(fù)荷最高，工業(yè)源污染與城鎮(zhèn)生活源污染問(wèn)題突出；中衛(wèi)控制單元總污染負(fù)荷入河量最高，城鎮(zhèn)生活源污染問(wèn)題較嚴(yán)重；吳忠控制單元TP單位面積污染負(fù)荷偏高，禽畜養(yǎng)殖污染問(wèn)題較大。
（4）結(jié)合各控制單元的污染特征、水質(zhì)目標(biāo)提出有針對(duì)性的污染治理措施。固原控制單元應(yīng)加強(qiáng)工業(yè)污水收集、處理與回用，同時(shí)要提高城鎮(zhèn)污水收集與處理能力；中衛(wèi)控制單元應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注城鎮(zhèn)管網(wǎng)、污水處理廠建設(shè)與改造，提高深度凈化能力；吳忠控制單元應(yīng)在規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)推行禽畜糞便集中處理、回用設(shè)施。
猜你喜歡
清水河邊飛天(2022年5期)2022-05-18 08:11:45 清水河生態(tài)清潔小流域中國(guó)水土保持(2021年10期)2021-10-19 03:41:00 遼河保護(hù)區(qū)退耕封育措施消減污染物入河量估算環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)(2020年4期)2020-07-22 03:40:52 廊坊市面污染源入河量調(diào)查與分析地下水(2018年4期)2018-08-03 03:42:36 陸西地區(qū)清水河組一段儲(chǔ)層特征及差異性分析西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2018年1期)2018-02-10 05:23:16 河南省淮河流域入河排污口調(diào)查及布設(shè)研究水利技術(shù)監(jiān)督(2017年6期)2017-12-19 13:28:28 淮河流域永城市水功能區(qū)入河排污口調(diào)查分析水利科技與經(jīng)濟(jì)(2017年10期)2017-04-25 00:20:54 安陽(yáng)市入河排污口調(diào)查分析與研究河南水利與南水北調(diào)(2017年2期)2017-03-25 01:28:28 桂林市城區(qū)主要污染物入河量估算安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)(2016年24期)2016-10-14 05:21:21 清水河上游流域可收集雨水資源量估算與檢驗(yàn)水土保持通報(bào)(2014年5期)2014-06-09 08:27:18
環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)2022年5期
- 環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)的其它文章
- 生物磁效應(yīng)在環(huán)境污染治理與修復(fù)中的應(yīng)用
- 基于生物配位體模型的汾河銅水質(zhì)基準(zhǔn)研究
- 四環(huán)素水生生物基準(zhǔn)及對(duì)中國(guó)部分水體的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
- 北方地區(qū)農(nóng)村清潔取暖技術(shù)適用性評(píng)價(jià)—以北京為例
- 基于物聯(lián)網(wǎng)的固定源大氣污染物排放現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法監(jiān)管信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
- 基于DPSIR模型的省域綠色發(fā)展績(jī)效評(píng)價(jià)
馬玉珅，朱翔，彭福全，龐晴晴，倪利曉，杜鵬
1.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所
2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院
3.寧夏回族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境廳
污染負(fù)荷估算可以明確流域污染狀況與特征，為治理流域污染、實(shí)現(xiàn)斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)以及制定相應(yīng)減排策略提供基礎(chǔ)[1]。流域水環(huán)境容量反映了流域的最大污染負(fù)荷承載能力，可以幫助制定相應(yīng)的減排目標(biāo)[2-3]。流域污染負(fù)荷估算與水環(huán)境容量分析已成為國(guó)內(nèi)外調(diào)查流域污染狀況的重要方法。如Yan等[4]估算了太湖北部區(qū)域的水環(huán)境容量，當(dāng)以GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水質(zhì)為目標(biāo)的情況下，總磷（TP）、化學(xué)需氧量（COD）和氨氮的污染負(fù)荷削減量分別為47%、-16%和24%；de Paula Filho等[5]首次引入人類活動(dòng)排放因子與土地利用狀況估算氮、磷污染負(fù)荷，發(fā)現(xiàn)巴西東北部半干旱區(qū)Salgado河的氮負(fù)荷為16 621 t/a，磷負(fù)荷為3 211 t/a，氮、磷負(fù)荷來(lái)源以農(nóng)田徑流和養(yǎng)殖業(yè)面源污染為主。同時(shí)，污染負(fù)荷與水環(huán)境容量的計(jì)算為環(huán)境管理措施的制定提供了科學(xué)依據(jù)。如Trang等[6]首次估算了越南譚江瀉湖在不同情境下的水環(huán)境容量，其中COD最大負(fù)荷為165 707 t/a，氨氮最大負(fù)荷為13 464 t/a，并結(jié)合該區(qū)域污染排放特點(diǎn)提出了新建沿海地區(qū)集中污水處理廠和分散污水處理設(shè)施等治污對(duì)策；Wang等[7]建立了博斯騰湖的水環(huán)境容量評(píng)價(jià)體系，計(jì)算結(jié)果表明博斯騰湖環(huán)境容量與納污量低，提出通過(guò)合理調(diào)蓄水量來(lái)提高環(huán)境容量。不同地區(qū)因氣候、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)水平等因素，水環(huán)境容量和污染負(fù)荷特征差異巨大，需要根據(jù)流域特征進(jìn)行具體分析。
黃河流域生態(tài)保護(hù)于2019年作為重大國(guó)家戰(zhàn)略被提出后，黃河生態(tài)治理與高質(zhì)量發(fā)展成為黃河流域發(fā)展的主要方向[8]。寧夏作為黃河上游的典型區(qū)域，其水質(zhì)對(duì)于寧夏及其下游地區(qū)意義重大。近幾十年來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和污染物排放量增加，加之地方治理能力不足，導(dǎo)致寧夏水環(huán)境污染加劇[9]，影響了區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展[10-12]。清水河是寧夏境內(nèi)黃河最大的一級(jí)支流，流域沿岸以畜牧業(yè)為主的農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)，生活源污染問(wèn)題突出，面源污染嚴(yán)重[13-15]。清水河流域已有的研究大多集中于水沙變化、生態(tài)水量和河水礦化等方面[16-17]，目前清水河流域污染負(fù)荷、水環(huán)境容量估算等基礎(chǔ)研究較為鮮見，不利于流域水環(huán)境問(wèn)題的深入分析與精準(zhǔn)解決。另外，西北干旱區(qū)流域氣候、產(chǎn)業(yè)特征等與其他地區(qū)差異很大，流域污染特征需要進(jìn)行專門的研究。因此，筆者以污染負(fù)荷、污染來(lái)源、污染特征和水環(huán)境容量等均不明晰的清水河流域?yàn)槔?，通過(guò)調(diào)查和模型估算得到了清水河流域2018年的污染負(fù)荷與來(lái)源，利用水質(zhì)一維模型計(jì)算了流域水環(huán)境容量，并將流域根據(jù)地市分為不同控制單元，研究各單元污染負(fù)荷情況，最后針對(duì)性給出適合不同控制單元的污染綜合治理措施，以期為制定清水河流域污染負(fù)荷削減方案，提升大流域水生態(tài)環(huán)境管理水平提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為黃河流域生態(tài)保護(hù)提供參考。
1 研究區(qū)與研究方法
1.1 研究區(qū)、控制單元及監(jiān)測(cè)斷面
1.1.1 研究區(qū)概況
清水河是寧夏境內(nèi)黃河最大的一級(jí)支流，發(fā)源于固原市原州區(qū)六盤山東北麓黑刺溝，由南向北縱貫寧夏南部山區(qū)和中部干旱帶，于中寧縣泉眼山入黃河。流域面積為14 481 km2，其中，寧夏境內(nèi)流域面積13 511 km2，占寧夏全區(qū)面積的20%。干流總長(zhǎng)320 km，流經(jīng)固原市、吳忠市和中衛(wèi)市共3市7縣（區(qū)）（圖1）。清水河多年平均徑流量為2.02億m3，占寧夏入黃河天然徑流量的85%。
圖 1 清水河流域概況、斷面與控制單元分布Fig.1 General situation and section and control unit distribution of Qingshui River basin
1.1.2 控制單元?jiǎng)澐?/p>
根據(jù)《寧夏水污染防治工作方案》與水功能區(qū)劃，流域可劃分為3個(gè)控制單元：1）固原控制單元。位于清水河流域最南部，為清水河的源頭與上游河段。全長(zhǎng)81 km，流域面積為2 075 km2，包括固原市原州區(qū)與西吉縣，為清水河流域面積最小的控制單元。2018年總?cè)丝跒?8萬(wàn)人，其中原州區(qū)為人口最多的區(qū)（縣），控制單元內(nèi)工業(yè)以紡織、農(nóng)產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)為主，產(chǎn)值占比達(dá)27.9%。2）中衛(wèi)控制單元。位于清水河流域西部，為清水河中下游河段。全長(zhǎng)181.09 km，流域面積為7 627.25 km2，主要包括中衛(wèi)市中寧縣、海原縣和沙坡頭區(qū)，為清水河流域面積最大的控制單元。2018年總?cè)丝跒?16萬(wàn)人，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以旅游業(yè)為主。3）吳忠控制單元。全長(zhǎng)94.5 km，流域面積為2 978.3 km2，包括紅寺堡區(qū)和同心縣。2018年總?cè)丝跒?4萬(wàn)人，區(qū)域禽畜養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)。
1.1.3 監(jiān)測(cè)斷面與水質(zhì)目標(biāo)
清水河流域有1個(gè)省控?cái)嗝妫ǘ镤仈嗝妫?個(gè)國(guó)控?cái)嗝妫ㄈ隣I(yíng)、泉眼山斷面）。二十里鋪斷面為清水河源頭斷面，位于固原市原州區(qū)以南，斷面水質(zhì)目標(biāo)為GB 3838—2002 Ⅱ類；三營(yíng)斷面為清水河流域由固原段進(jìn)入中衛(wèi)段的邊界斷面，斷面水質(zhì)目標(biāo)為Ⅳ類；泉眼山斷面為清水河與黃河的交匯斷面，斷面水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類。
1.2 研究方法
1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源
清水河流域省控和國(guó)控?cái)嗝鍯OD、氨氮和TP濃度來(lái)自2015—2018年的《全國(guó)地表水水質(zhì)月報(bào)》和實(shí)地采樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。其中，二十里鋪斷面數(shù)據(jù)時(shí)段包括2015—2017年、2018年1—9月；三營(yíng)斷面數(shù)據(jù)時(shí)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；泉眼山斷面數(shù)據(jù)時(shí)段包括2015—2017年、2018年1—11月。工業(yè)污染源資料和清水河流域各地市人口數(shù)據(jù)來(lái)自《2019寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒》。
1.2.2 水環(huán)境容量計(jì)算
本研究范圍為清水河流域而非單一河段，部分河段雖有大型河段的特點(diǎn)，但對(duì)于整個(gè)流域，從計(jì)算精度而言仍符合一維河道特點(diǎn)，一維穩(wěn)態(tài)模型適用于河道寬度與水深較河道長(zhǎng)度可以忽略的河流，因此水環(huán)境容量計(jì)算選取一維模型計(jì)算，計(jì)算公式參照文獻(xiàn)[18]。
模型計(jì)算選取的綜合降解系數(shù)（k）分別為0.2、0.3和0.1 d-1[19-20]。清水河流域豐水期（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（極端氣候下的11月—次年2月）的流量（Q0）分別為 0.48、0.23、0.14、0.06 m3/s，固原控制單元與吳忠控制單元污水排放量（q）為0.07 m3/s，中衛(wèi)控制單元污水排放量為0.33 m3/s[13]。
1.2.3 污染物排放量與入河量計(jì)算
1.2.3.1 城鎮(zhèn)生活源
城鎮(zhèn)與農(nóng)村生活源污染物來(lái)自清水河流經(jīng)的固原、中衛(wèi)與吳忠3個(gè)控制單元。各控制單元人均污染物排放量見表1。
表 1 各控制單元人均污染物排放量Table 1 Per capita pollutant discharges of each control unit g/(人· d)
城鎮(zhèn)生活源污染物入河量計(jì)算方法如下：
式中：WC1為城鎮(zhèn)生活源污染物排放量，t/a；Wp1為城鎮(zhèn)人均生活源污染物排放量，t/(人· d)；n1為控制單元城鎮(zhèn)人口數(shù)量，人；WC為城鎮(zhèn)生活源污染物入河量，t/a；m為城鎮(zhèn)污水收集率，%； β1為城鎮(zhèn)污水處理廠污染負(fù)荷削減率，均按照88%計(jì)； β2為城鎮(zhèn)生活源污染物未收集部分的入河系數(shù)，取0.90。
1.2.3.2 農(nóng)村生活源
農(nóng)村生活源污染物入河量計(jì)算方法如下：
式中：WA1為農(nóng)村生活源污染物排放量，t/a；Wp2為農(nóng)村人均生活源污染物排放量，t/(人· d)；n2為各控制單元農(nóng)村人口數(shù)量，人；由于寧夏冬季（12月—次年2月）基本無(wú)入河徑流產(chǎn)生，不計(jì)農(nóng)村生活源污染物入河量，因此1 a的計(jì)算時(shí)間取275 d；WA為農(nóng)村生活源污染物入河量，t/a； β3為農(nóng)村生活源污染物入河系數(shù)，由于西北地區(qū)農(nóng)村生活污水幾乎沒(méi)有分散收集措施，整體入河系數(shù)取0.35。入河系數(shù)、污染負(fù)荷削減率等的取值參照《污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)（上）》[21]。
工業(yè)源污染物入河量計(jì)算方法如下：
式中：WG為工業(yè)污染物入河量，t/a；WG1為工業(yè)污染物排放量，t/a； θ1污水處理廠處理的工業(yè)污染物量，t/a；β4為工業(yè)污染物入河系數(shù)，取值參照《污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)（上）》[21]。
1.2.3.4 農(nóng)業(yè)源
畜禽養(yǎng)殖污染物排放量與入河量計(jì)算方法如下：
式中：WL為畜禽養(yǎng)殖污染物入河量，t/a； δ1為畜禽個(gè)體日產(chǎn)糞量，t/(d·頭)；T為飼養(yǎng)期，d；NL為畜禽的飼養(yǎng)數(shù)量，頭； α4為畜禽糞中污染物平均含量，kg/t； δ2為畜禽個(gè)體日產(chǎn)尿量，t/(d·頭)； α5為畜禽尿中污染物平均含量，kg/t；WL1為畜禽養(yǎng)殖污染物排放量，t/a； β5為畜禽養(yǎng)殖污染物入河系數(shù)。
標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田污染物排放量與入河量按以下方法測(cè)算：
在進(jìn)行新課前，學(xué)生已掌握了借貸記賬法的基本知識(shí)，本課的教法為任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，學(xué)法為自主探究法、小組合作法。教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)為：知識(shí)目標(biāo)為理解會(huì)計(jì)分錄的概念以及種類，明確會(huì)計(jì)分錄的三要素；能力目標(biāo)是能夠熟練地對(duì)經(jīng)濟(jì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分析；德育目標(biāo)為感受小組合作學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。
式中：WF1為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田污染物排放量，t/a；WF為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田污染物入河量，t/a；M為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田面積，hm2； α3為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田排污系數(shù)； β6為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田污染物入河系數(shù)；γ1為修正系數(shù)。
水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物排放量與入河量按以下方法測(cè)算：
式中：WY1為水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物排放量，t/a；SY為年養(yǎng)殖面積，hm2；β7為水產(chǎn)養(yǎng)殖單位面積污染物排放量，t/hm2；WY為 水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物入河量，t/a； β8為水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物入河系數(shù)。
農(nóng)業(yè)源相關(guān)系統(tǒng)的取值均參照《污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)（上）》[21]。
2 結(jié)果與分析
2.1 流域水質(zhì)特征
2015—2018年，二十里鋪斷面COD、氨氮和TP可達(dá)Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，這是由于其位于清水河流域上游源頭段，人類活動(dòng)影響小，天然水質(zhì)良好。2015—2018年清水河流域三營(yíng)與泉眼山國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)變化見圖2。由圖2可知，三營(yíng)斷面COD和氨氮污染較為嚴(yán)重，2016—2017年COD和氨氮遠(yuǎn)超Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，COD超標(biāo)0.125～6.150倍，氨氮超標(biāo)0.18～15.50倍；雖然2017—2018年水質(zhì)有所提高，但仍無(wú)法穩(wěn)定達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。2015—2018年，泉眼山斷面TP可以穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但2017—2018年，氨氮和COD無(wú)法穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在個(gè)別月份出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。
圖 2 2015—2018年三營(yíng)與泉眼山國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)變化Fig.2 Water quality changes in Sanying and Quanyanshan national control sections from 2015 to 2018
2.2 流域水環(huán)境容量
西北地區(qū)降水季節(jié)分配極其不均，且年蒸發(fā)量大，豐、平、枯水期區(qū)別明顯。清水河流域在極端降水與氣候條件下，河道幾乎斷流，流量較枯水期更小，因此額外添加特枯水期計(jì)算極端條件下的水環(huán)境容量[13,22]。計(jì)算得到清水河流域豐、平、枯、特枯4個(gè)水期的水環(huán)境容量見表2。由表2可知，清水河流域COD、氨氮與TP水環(huán)境容量分別為592.83～1 238.25、51.99～193.60 和 5.02～12.85 t/a，豐水期與特枯水期的水環(huán)境容量差異較大，豐水期水環(huán)境容量為枯水期的2倍左右，這是由于降水量與水量分配不均，降水多集中于夏季，在枯水期甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象[23]。與一維模型計(jì)算的張家口永定河[24]（COD、氨氮和TP分別為16 264.4、789.15和183.64 t/a）和承德灤河[25]（COD、氨氮和TP分別為5 203.61、505.71和72.92 t/a）水環(huán)境容量相比，清水河TP水環(huán)境容量極低，COD和氨氮水環(huán)境容量偏低。這主要是因?yàn)榍逅恿饔蛘舭l(fā)量極高，最高可達(dá)降水量的10倍，造成豐水期水量不及同處半干旱區(qū)的其他流域；而在枯水期幾乎沒(méi)有降水，也沒(méi)有其他有效補(bǔ)水方式，枯水期的水生態(tài)環(huán)境更加脆弱；加上流域部分地區(qū)不同程度地受到工業(yè)、揚(yáng)水灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人類生活排放影響，流域水環(huán)境容量偏低[26-27]。
2.3 污染負(fù)荷與來(lái)源解析
2.3.1 固原控制單元
固原控制單元2018年污染負(fù)荷排放量與入河量如表3所示。由表3可知，固原控制單元COD、氨氮和TP排放量分別為 27 278.05、2 734.62和1 104.33 t/a，COD、氨氮和TP的排放來(lái)源均以禽畜養(yǎng)殖為主，分別占各自排放量的46.4%、48.5%和84.0%。COD、氨氮和TP入河量分別為6 318.82、456.96和128.34 t/a，其中COD入河量以工業(yè)源與農(nóng)村生活源為主，分別占46.0%和20.5%；氨氮入河量以農(nóng)村生活源和城鎮(zhèn)生活源為主，分別占35.4%和22.7%；TP入河量以禽畜養(yǎng)殖為主，占71.7%。
表 2 清水河流域不同水期水環(huán)境容量Table 2 Water environmental capacity of Qingshui River Basin in different water periods t/a
表 3 固原控制單元污染負(fù)荷排放量與入河量Table 3 Pollution load discharge and river inflow of Guyuan control unit t/a
固原控制單元近兩年工業(yè)發(fā)展較快，農(nóng)產(chǎn)品加工、紡織等產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，原州區(qū)工業(yè)增加值增長(zhǎng)速度高達(dá)46%，造成其來(lái)自工業(yè)源的COD污染負(fù)荷高，導(dǎo)致三營(yíng)斷面COD污染嚴(yán)重。農(nóng)村生活源造成的COD和氨氮入河量高主要是因?yàn)楣淘性輩^(qū)與西吉縣農(nóng)村人口較城鎮(zhèn)人口多，加上農(nóng)村地區(qū)生活污水處理率低，面源污染截留控制工程少，導(dǎo)致農(nóng)村生活源污染負(fù)荷入河量高[28]。清水河三營(yíng)斷面氨氮不穩(wěn)定達(dá)標(biāo)也與城鎮(zhèn)生活源污染負(fù)荷占比高有關(guān)。固原控制單元城鎮(zhèn)居民生活污水收集與處理能力不強(qiáng)，2018年城鎮(zhèn)污水收集率不到60%，污水收集率較低。TP污染負(fù)荷入河量主要來(lái)自禽畜養(yǎng)殖，禽畜養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)是固原市最具優(yōu)勢(shì)的地方性產(chǎn)業(yè)，以規(guī)?；B(yǎng)殖和農(nóng)民廣泛散養(yǎng)相結(jié)合為主，規(guī)?；B(yǎng)殖污水得到了處理，但農(nóng)民散養(yǎng)污水均以直排為主，因此產(chǎn)生的TP污染負(fù)荷較高。
2.3.2 中衛(wèi)控制單元
中衛(wèi)控制單元2018年污染負(fù)荷排放量與入河量如表4所示。由表4可知，中衛(wèi)控制單元COD、氨氮和TP排放量分別為2 7 459.00、3 345.11和1 612.93 t/a。禽畜養(yǎng)殖與農(nóng)村生活源是COD的主要排放來(lái)源，分別占42.6%和36.7%；氨氮的主要排放來(lái)源為農(nóng)村生活源與禽畜養(yǎng)殖，分別占38.6%和37.1%；TP排放量以禽畜養(yǎng)殖為主，占82.0%。COD、氨氮和TP入河量分別為6 738.45、868.88和218.12 t/a，COD入河量以農(nóng)村生活源與城鎮(zhèn)生活源為主，分別占39.2%和31.7%；氨氮入河量也以農(nóng)村生活源和城鎮(zhèn)生活源為主，分別占39.0%和31.6%；TP入河量以禽畜養(yǎng)殖為主，占61.0%。
中衛(wèi)控制單元城鎮(zhèn)生活源造成的COD和氨氮污染負(fù)荷入河量占比較高，對(duì)比城鎮(zhèn)生活源污染物排放量與入河量，可以發(fā)現(xiàn)中衛(wèi)控制單元城鎮(zhèn)生活源污染負(fù)荷入河率較高。這是由于中衛(wèi)控制單元2018年城鎮(zhèn)人口數(shù)較高，且每年接收大量旅游人口，使生活源污染負(fù)荷排放量大；其次，由于該控制單元城鎮(zhèn)生活污水納管率有待提升，污水處理廠亟待擴(kuò)容與提標(biāo)改造，造成城鎮(zhèn)生活源污染負(fù)荷高。已有研究表明，中衛(wèi)控制單元的TP污染負(fù)荷入河量大于130 t/a，入河污染負(fù)荷高，且禽畜養(yǎng)殖是入河污染負(fù)荷的主要來(lái)源之一，占37%[29]，這與本研究的結(jié)論相似。
2.3.3 吳忠控制單元
吳忠控制單元2018年污染負(fù)荷排放量與入河量如表5所示。由表5可知，吳忠控制單元COD、氨氮和TP排放量分別為15 899.27、2 009.99和1 116.47 t/a。禽畜養(yǎng)殖是COD的主要排放來(lái)源，占42.5%；禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)村生活源是氨氮的主要排放來(lái)源，分別占38.6%和36.8%；TP排放量以禽畜養(yǎng)殖為主，占比為84.6%。COD、氨氮和TP入河量分別為1 124.87、344.38和128.60 t/a，其中，COD和TP入河量主要來(lái)自禽畜養(yǎng)殖，分別占各自入河總量的84%和73%；氨氮入河量則主要來(lái)自農(nóng)村生活源，占比為56.3%。
表 4 中衛(wèi)控制單元污染負(fù)荷排放量與入河量Table 4 Pollution load discharge and river inflow of Zhongwei control unit t/a
表 5 吳忠控制單元污染負(fù)荷排放量與入河量Table 5 Pollution load discharge and river inflow of Wuzhong control unit t/a
吳忠控制單元的COD和TP污染負(fù)荷入河量受禽畜養(yǎng)殖的影響最大。邱小琮等[2]的研究也發(fā)現(xiàn)吳忠市禽畜養(yǎng)殖造成的入河污染負(fù)荷占比高達(dá)30%，為TP的最主要污染源。分析其原因，可能是因?yàn)榍逅訁侵叶伟涝资袌?chǎng)和1家規(guī)?；\(yùn)營(yíng)養(yǎng)殖場(chǎng)，養(yǎng)殖與屠宰產(chǎn)生的廢水收集率不高，處理設(shè)施建設(shè)不完善。氨氮入河量受農(nóng)村生活源影響較大，這與該控制單元城鎮(zhèn)化率較低、農(nóng)村人口多有關(guān)。
2.3.4 各控制單元比較
2018年各控制單元單位面積污染負(fù)荷排放量與入河量如表6所示。由表6可知，固原控制單元流域面積雖小，但其COD、氨氮和TP污染負(fù)荷總?cè)牒恿浚? 318.82、456.96和 128.34 t/a）在流域內(nèi)僅略低于中衛(wèi)控制單元（6 738.45、868.88 和 218.12 t/a），因此，其COD、氨氮和TP的單位面積污染負(fù)荷入河量為各控制單元中最高（3.04、0.22和0.06 t/km2）。中衛(wèi)控制單元雖然污染負(fù)荷總?cè)牒恿扛撸銫OD、氨氮與TP單位面積污染負(fù)荷入河量在流域各控制單元中較低（0.88、0.11 和 0.03 t/km2），尤其是 TP 單位面積污染負(fù)荷入河量為流域最低。吳忠控制單元COD、氨氮和TP污染負(fù)荷總?cè)牒恿繛榱饔蜃畹停? 124.87、344.38和 128.60 t/a），但其 COD、氨氮與TP單位面積污染負(fù)荷入河量（0.87、0.11和0.04 t/km2）與中衛(wèi)控制單元相當(dāng)，且顯著低于固原控制單元。
表 6 各控制單元單位面積污染負(fù)荷排放量與入河量Table 6 Pollution load discharge and river inflow per unit area of each control section t/km2
造成各控制單元總污染負(fù)荷與單位面積污染負(fù)荷差異的主要原因：1）中衛(wèi)控制單元與固原控制單元污染負(fù)荷入河量相當(dāng)，但中衛(wèi)控制單元面積約是固原控制單元的4倍，造成單位面積污染負(fù)荷差異大；2）清水河流域3個(gè)控制單元的人口密度不同，固原控制單元為212人/km2，遠(yuǎn)高于中衛(wèi)控制單元和吳忠控制單元的77和90人/km2，固原控制單元人與水環(huán)境的矛盾突出；3）中衛(wèi)控制單元以旅游產(chǎn)業(yè)為主，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)造成其單位面積污染負(fù)荷較低。
3 基于斷面水質(zhì)改善的污染控制措施
3.1 各控制單元污染負(fù)荷應(yīng)削減量
將各控制單元污染負(fù)荷入河量進(jìn)行合計(jì)，得到2018年清水河流域COD、氨氮和TP污染負(fù)荷入河量為15 661.10、1 670.20和784.50 t/a，污染負(fù)荷入河量分別是平水期水環(huán)境容量（COD為940.57 t/a，氨氮為114.64 t/a，TP 為 8.81 t/a）的 16、14和 89倍。可見，清水河流域需要削減污染負(fù)荷入河量。各控制單元污染負(fù)荷應(yīng)削減量見表7。
表 7 各控制單元水污染負(fù)荷應(yīng)削減量Table 7 Required water pollution load reduction amount in each control section t/a
3.2 各控制單元污染治理措施
固原控制單元位于清水河源頭，河流流量較小，水環(huán)境容量較小，但其各污染物負(fù)荷均較高，應(yīng)削減量較大，是清水河流域污染治理的重點(diǎn)控制單元。針對(duì)固原控制單元COD污染負(fù)荷以工業(yè)源和農(nóng)村生活源為主，氨氮污染負(fù)荷受到農(nóng)村和城鎮(zhèn)生活源影響大，TP污染負(fù)荷以禽畜養(yǎng)殖為主的特點(diǎn)，建議加強(qiáng)工業(yè)企業(yè)污水回收與利用管理，提高城鎮(zhèn)污水納管率和農(nóng)村污水分散收集處理率。同時(shí)，地方政府可以通過(guò)“出戶入園”政策減少農(nóng)戶家庭養(yǎng)殖，逐漸形成集中化管理。
中衛(wèi)控制單元是清水河流域面積最大，污染負(fù)荷最高的單元，以旅游為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)要求其污染負(fù)荷持續(xù)降低。針對(duì)中衛(wèi)控制單元城鎮(zhèn)與農(nóng)村生活源是COD和氨氮污染負(fù)荷入河主要來(lái)源的特點(diǎn)，建議建立污水管網(wǎng)排查和周期性檢測(cè)制度，補(bǔ)齊城鎮(zhèn)污水收集管網(wǎng)短板，加強(qiáng)農(nóng)村地區(qū)分散污水處理設(shè)施建設(shè)。除此之外，加強(qiáng)污水處理廠的尾水深度凈化能力，在流域重點(diǎn)河段和污水處理廠尾水排污口設(shè)置人工濕地，以保障尾水達(dá)標(biāo)。
針對(duì)吳忠控制單元COD和TP污染負(fù)荷入河量主要來(lái)自禽畜養(yǎng)殖，氨氮污染負(fù)荷入河量主要來(lái)自農(nóng)村生活源的特點(diǎn)，建議重點(diǎn)在規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)推行干清糞工藝，并及時(shí)對(duì)糞污進(jìn)行收集、貯存，鼓勵(lì)規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)采取糞肥還田、制取沼氣、生產(chǎn)有機(jī)肥等方式進(jìn)行資源化利用。同時(shí)，完善農(nóng)村污水收集管網(wǎng)、集中治理設(shè)施建設(shè)與農(nóng)村改廁有效銜接。
4 結(jié)論
（1）2015—2018年清水河源頭二十里鋪斷面水質(zhì)可穩(wěn)定達(dá)Ⅱ類，上游三營(yíng)斷面雖總體水質(zhì)穩(wěn)步提升，但COD和氨氮濃度仍較高，無(wú)法穩(wěn)定達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)，下游入黃河泉眼山斷面水質(zhì)可達(dá)到Ⅲ類，但COD存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。
（2）清水河流域平水期水環(huán)境容量COD、氨氮和TP分別為940.57、114.64和8.81 t/a，豐水期分別為1 238.25、193.60和12.85 t/a。2018年清水河流域COD、氨氮和TP污染負(fù)荷入河量分別為15 661.10、1 670.20和784.50 t/a，污染負(fù)荷入河量遠(yuǎn)高于水環(huán)境容量。
（3）清水河流域不同控制單元污染特征存在差異：固原控制單元單位面積污染負(fù)荷最高，工業(yè)源污染與城鎮(zhèn)生活源污染問(wèn)題突出；中衛(wèi)控制單元總污染負(fù)荷入河量最高，城鎮(zhèn)生活源污染問(wèn)題較嚴(yán)重；吳忠控制單元TP單位面積污染負(fù)荷偏高，禽畜養(yǎng)殖污染問(wèn)題較大。
（4）結(jié)合各控制單元的污染特征、水質(zhì)目標(biāo)提出有針對(duì)性的污染治理措施。固原控制單元應(yīng)加強(qiáng)工業(yè)污水收集、處理與回用，同時(shí)要提高城鎮(zhèn)污水收集與處理能力；中衛(wèi)控制單元應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注城鎮(zhèn)管網(wǎng)、污水處理廠建設(shè)與改造，提高深度凈化能力；吳忠控制單元應(yīng)在規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)推行禽畜糞便集中處理、回用設(shè)施。
猜你喜歡
飛天(2022年5期)2022-05-18 08:11:45
中國(guó)水土保持(2021年10期)2021-10-19 03:41:00
環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)(2020年4期)2020-07-22 03:40:52
地下水(2018年4期)2018-08-03 03:42:36
西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2018年1期)2018-02-10 05:23:16
水利技術(shù)監(jiān)督(2017年6期)2017-12-19 13:28:28
水利科技與經(jīng)濟(jì)(2017年10期)2017-04-25 00:20:54
河南水利與南水北調(diào)(2017年2期)2017-03-25 01:28:28
安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)(2016年24期)2016-10-14 05:21:21
水土保持通報(bào)(2014年5期)2014-06-09 08:27:18
環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)2022年5期
- 環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)的其它文章
- 生物磁效應(yīng)在環(huán)境污染治理與修復(fù)中的應(yīng)用
- 基于生物配位體模型的汾河銅水質(zhì)基準(zhǔn)研究
- 四環(huán)素水生生物基準(zhǔn)及對(duì)中國(guó)部分水體的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
- 北方地區(qū)農(nóng)村清潔取暖技術(shù)適用性評(píng)價(jià)—以北京為例
- 基于物聯(lián)網(wǎng)的固定源大氣污染物排放現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法監(jiān)管信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
- 基于DPSIR模型的省域綠色發(fā)展績(jī)效評(píng)價(jià)