眉山市彭山區(qū)毛河流域水質(zhì)和水環(huán)境容量分析

李 白 劉守根 楊長(zhǎng)林

（眉山市彭山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站 四川眉山 620860）

引言

毛河，是岷江主要支流之一，發(fā)源于成都市新津區(qū)永商鎮(zhèn)，流經(jīng)眉山市彭山區(qū)公義鎮(zhèn)、謝家街道、鳳鳴街道和東坡區(qū)太和鎮(zhèn)，于太和鎮(zhèn)獅子灣村匯入岷江。由于岷江彭東交界斷面的水質(zhì)，在一定程度上受毛河水質(zhì)的影響，因此毛河流域水質(zhì)也是四川省、眉山市、彭山區(qū)政府和人民群眾關(guān)注的重點(diǎn)。

近年來(lái)，研究毛河水質(zhì)及周邊污染源情況的文獻(xiàn)較少。楊柳[1]等對(duì)毛河流域的治理方案進(jìn)行了探討，并建立一維穩(wěn)態(tài)模型模擬了COD、BOD、氨氮、溶解氧四項(xiàng)參數(shù)，但由于該研究時(shí)間較早（2014 年），且并未模擬TP（總磷）參數(shù)，因此，并不適用毛河流域的現(xiàn)狀分析；李紹義[2]等分析了毛河流域畜禽污染治理措施；周玉醴[3]等針對(duì)毛河流域的地下水調(diào)節(jié)進(jìn)行了分析和計(jì)算。因此，分析毛河流域水質(zhì)時(shí)空變化情況，建立適合毛河流域現(xiàn)狀的水量水質(zhì)計(jì)算模型，特別是總磷的參數(shù)模型，對(duì)于毛河流域污染防治和毛河穩(wěn)定達(dá)標(biāo)有著重要意義。

1 毛河流域基本情況

彭山區(qū)境內(nèi)毛河干流始于原保勝鄉(xiāng)連橋村，流向自西北向東南，最后匯入岷江。根據(jù)《眉山市市級(jí)水功能區(qū)區(qū)劃》（2018 年），毛河分為四個(gè)水功能區(qū)，各水功能區(qū)信息見(jiàn)表1。

表1 毛河水功能區(qū)劃信息表

2 毛河省控?cái)嗝娼陙?lái)水質(zhì)變化情況

2018 年1 月－2021 年6 月，毛河橋江橋省考斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。從水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，2020 年以來(lái)，毛河橋江橋斷面水質(zhì)總體基本能達(dá)到Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，但個(gè)別月總磷有超標(biāo)現(xiàn)象，總磷濃度已控制在0.30 mg/L 以下，可穩(wěn)定達(dá)到IV 類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。按各水質(zhì)因子年均值情況分析，總磷在2018－2019 年均超標(biāo)，于2020 年勉強(qiáng)達(dá)標(biāo)，2021 年可達(dá)標(biāo)。從時(shí)間上分析，橋江橋斷面水質(zhì)呈逐年改善趨勢(shì)，僅總磷濃度仍不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。其中2018 年各月總磷均超標(biāo)，2019 年1－10 月均超標(biāo)，2020 年1、4、5 月超標(biāo)，2021 年5、6 月超標(biāo)，可見(jiàn)總磷超標(biāo)情況已有較大改善，因此橋江橋斷面水質(zhì)能否穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的重點(diǎn)在于總磷能否穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。本文選取毛河干流重點(diǎn)斷面分析毛河各斷面總磷濃度變化情況。

圖1 2018-2021年橋江橋斷面TP濃度變化情況圖

3 毛河干流主要斷面水質(zhì)變化情況

目前毛河干流各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率較低，總磷不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。從空間分布上看，毛河上游起點(diǎn)至謝家街道鄧廟村段水質(zhì)達(dá)標(biāo)率較低，總磷超標(biāo)現(xiàn)象多，這由于上游流量較小，河流稀釋、自?xún)裟芰θ?，從毛河謝家街道段開(kāi)始水質(zhì)達(dá)標(biāo)率有所提升，而經(jīng)鳳鳴街道出彭山境后，總磷濃度有所升高，可見(jiàn)鳳鳴集鎮(zhèn)對(duì)橋江橋斷面污染物的貢獻(xiàn)占一定比重。從時(shí)間上分析，毛河干流各斷面水質(zhì)均呈逐年改善趨勢(shì)，并且從2018 年至今改善狀況明顯。

表2 毛河干流斷面水質(zhì)信息表

4 毛河流域水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的建立

4.1 水量模型基本方程

水量計(jì)算的微分方程是建立在動(dòng)量和質(zhì)量守恒定律基礎(chǔ)上的圣維南方程組，以流量Q（x,t）和水位Z（x,t）為未知變量，并充分考慮了漫灘和旁側(cè)入流的完全形式，圣維南方程組如下[5][6][7]。

其中：Q 為流量；x 為沿水流方向空間坐標(biāo)；BW為調(diào)蓄寬度，指包括灘地在內(nèi)的全部河寬；Z 為水位；t 為時(shí)間坐標(biāo)；q 為旁側(cè)入流流量，入流為正，出流為負(fù)；u為斷面平均流速；g 為重力加速度；A 為主槽過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；B 為主流斷面寬度；n 為糙率；R 為水力半徑。

4.2 水質(zhì)模型基本方程

河網(wǎng)對(duì)流傳輸移動(dòng)問(wèn)題的基本方程表達(dá)如下。

其中：Q、Z 是流量及水位；A 是河道面積；Ex 是縱向分散系數(shù)；C 是水流輸送的物質(zhì)濃度；Ω 是河道叉點(diǎn)—節(jié)點(diǎn)的水面面積；j 是節(jié)點(diǎn)編號(hào)；I 是與節(jié)點(diǎn)j 相聯(lián)接的河道編號(hào)；Sc 是與輸送物質(zhì)濃度有關(guān)的衰減項(xiàng)，Sc＝KdAC；Kd是衰減因子；S 是外部的源或匯項(xiàng)。對(duì)時(shí)間項(xiàng)采用向前差分，對(duì)流項(xiàng)采用上風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式。

5 模型參數(shù)率定

5.1 水動(dòng)力參數(shù)率定

采用建立的毛河流域河網(wǎng)水環(huán)境模型計(jì)算得到橋江橋省考斷面的流量，與同步監(jiān)測(cè)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，并結(jié)合流域內(nèi)水動(dòng)力特征，對(duì)模型水動(dòng)力情勢(shì)進(jìn)行率定，率定得到毛河水環(huán)境數(shù)學(xué)模型水動(dòng)力參數(shù)糙率為0.033-0.035。

5.2 水質(zhì)參數(shù)率定

將模型計(jì)算得到總磷濃度值與2020 年橋江橋水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差見(jiàn)表3，率定結(jié)果見(jiàn)圖2。計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差在正常范圍內(nèi)。率定得到總磷降解系數(shù)為0.06-0.08 d-1。

表3 模型水質(zhì)率定結(jié)果表

圖2 總磷模擬值監(jiān)測(cè)值對(duì)比圖

6 水環(huán)境容量概念及計(jì)算方法

依據(jù)毛河水質(zhì)邊界條件，在設(shè)計(jì)水文條件下，滿足橋江橋考核斷面及干流水功能區(qū)邊界斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)要求的入水體最大允許排放量，即為基于橋江橋省考斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的水環(huán)境容量。

對(duì)于區(qū)域水環(huán)境容量的分析，取不利水文設(shè)計(jì)條件，邊界水質(zhì)取現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)的不利值，利用所建立的毛河河網(wǎng)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，采用分段累加法進(jìn)行計(jì)算，每一個(gè)計(jì)算段上邊界水質(zhì)值采用上一段水質(zhì)計(jì)算結(jié)果。計(jì)算得出橋江橋斷面及各水功能區(qū)邊界斷面平均水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)各概化排口的允許排污量，由此相加即為區(qū)域水環(huán)境容量。

6.1 水文條件

根據(jù)具有長(zhǎng)序列降雨資料的彭山雨量站2001-2020 年共二十年的年降水量資料進(jìn)行頻率分析，選取2009 年為典型年，計(jì)算90%保證率下徑流量，并結(jié)合通濟(jì)堰引水量、各重要節(jié)點(diǎn)分流比，作為設(shè)計(jì)水文條件。

6.2 水質(zhì)邊界條件

毛河及通濟(jì)堰東干渠、西干渠水質(zhì)邊界取近三年監(jiān)測(cè)平均值。

6.3 水質(zhì)降解參數(shù)

水質(zhì)降解參數(shù)是反映污染物沿程變化的綜合系數(shù)，它體現(xiàn)了污染物自身的變化，也體現(xiàn)了環(huán)境對(duì)污染物的影響，是計(jì)算水體納污能力與水環(huán)境承載力的重要參數(shù)之一。取總磷降解系數(shù)為0.06-0.08 d-1。

表4 毛河干流水環(huán)境容量表

7 毛河主要污染物來(lái)源分析

7.1 管網(wǎng)溢流期污染源分析

利用建立的毛河河網(wǎng)模型對(duì)管網(wǎng)溢流期典型案例——2020 年5 月的毛河水環(huán)境進(jìn)行模擬，通過(guò)調(diào)整彭山城區(qū)污染源排口及其它排口排放量、排放濃度、入河系數(shù)，模擬在管網(wǎng)溢流期各污染源對(duì)毛河橋江橋斷面水質(zhì)的影響。再計(jì)算得到不同類(lèi)型污染源對(duì)毛河橋江橋斷面的月污染物貢獻(xiàn)通量及各污染因子影響權(quán)重見(jiàn)表5 及圖3。

表5 2020年5月各類(lèi)污染源對(duì)橋江橋斷面水質(zhì)影響權(quán)重結(jié)果表

圖3 2020年5月各類(lèi)污染物對(duì)毛河橋江橋斷面影響情況圖

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果分析可知，彭山城區(qū)污染源對(duì)毛河橋江橋斷面水質(zhì)的影響權(quán)重占主導(dǎo)地位，其中COD、氨氮及總磷分別占60.7%、58.4%及47.4%，通濟(jì)堰灌區(qū)污染源對(duì)毛河橋江橋斷面COD 及氨氮的影響處于較低水平，但對(duì)TP 的影響權(quán)重高達(dá)25.6%，顯著高于COD 及氨氮的影響水平，其它污染源對(duì)毛河橋江橋斷面水質(zhì)的影響較高于通濟(jì)堰灌區(qū)污染源，并且其3 種污染因子的影響權(quán)重大致處于同等水平。從影響權(quán)重結(jié)果分析，管網(wǎng)溢流期受夏季降雨影響，毛河下游城區(qū)管網(wǎng)發(fā)生溢流，污水接管率大幅度降低，大量污染溢流至毛河，并且初期降雨還帶來(lái)大量面源污染，最終導(dǎo)致毛河橋江橋斷面水質(zhì)惡化。

7.2 農(nóng)田退水期污染源分析

利用建立的毛河河網(wǎng)模型對(duì)農(nóng)田排水期典型案例——2021 年6 月的毛河水環(huán)境進(jìn)行模擬。通過(guò)調(diào)整彭山城區(qū)污染源排口、通濟(jì)堰灌區(qū)污染源排口及其它排口排放量、排放濃度、入河系數(shù)，模擬在農(nóng)田排水期各污染源對(duì)毛河橋江橋斷面水質(zhì)的影響。再計(jì)算得到不同類(lèi)型污染源對(duì)毛河橋江橋斷面水質(zhì)的月污染物貢獻(xiàn)通量及各污染因子影響權(quán)重見(jiàn)表6 及圖4。

圖4 2021年6月各類(lèi)型污染物對(duì)毛河橋江橋斷面影響情況圖

表6 2021年6月各類(lèi)污染源對(duì)毛河橋江橋斷面水質(zhì)影響權(quán)重結(jié)果表

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果分析可知，2021 年6 月通濟(jì)堰灌區(qū)農(nóng)田排水期間，毛河干流下游流量明顯增大，但彭山城區(qū)污染源對(duì)毛河橋江橋斷面水質(zhì)的影響權(quán)重仍占主導(dǎo)地位，其中COD、氨氮及總磷分別占59.6%、57.7%及40.7%，但通濟(jì)堰灌區(qū)污染源TP 排放量對(duì)毛河橋江橋斷面的影響權(quán)重有顯著提高，占37.0%，其它污染源對(duì)毛河橋江橋斷面水質(zhì)的影響較為穩(wěn)定。

2021 年農(nóng)田排水期間，通濟(jì)堰灌區(qū)農(nóng)田內(nèi)因施肥而產(chǎn)生的富營(yíng)養(yǎng)化廢水通過(guò)灌溉渠系匯流至梁河，導(dǎo)致梁河TP 濃度激增，匯入湄洲河后同步引起湄洲河觀音橋斷面TP 濃度驟升，高達(dá)0.28 mg/L?？梢?jiàn)農(nóng)田排水期退水污染對(duì)毛河橋江橋斷面的水質(zhì)有較大的不利影響。

8 結(jié)論

文中通過(guò)毛河不同時(shí)段、不同斷面的水質(zhì)變化情況，分析了毛河水質(zhì)的變化規(guī)律,結(jié)合毛河匯水區(qū)域范圍、斷面水質(zhì)情況，建立水量水質(zhì)模型，計(jì)算出了毛河水環(huán)境容量，主要結(jié)論如下。

（1）目前毛河干流各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率較低，總磷不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。從空間分布上看，毛河上游起點(diǎn)至謝家街道鄧廟村段水質(zhì)達(dá)標(biāo)率較低，總磷超標(biāo)現(xiàn)象多，這是由于上游流量較小，河流稀釋、自?xún)裟芰θ?；從毛河謝家街道段開(kāi)始水質(zhì)達(dá)標(biāo)率有所提升，而經(jīng)鳳鳴街道出彭山境后，總磷濃度有所升高，可見(jiàn)鳳鳴集鎮(zhèn)對(duì)橋江橋斷面污染物的貢獻(xiàn)占一定比重。從時(shí)間上分析，毛河干流各斷面水質(zhì)均呈逐年改善趨勢(shì)，并且從2018年至今改善狀況明顯。（2）采用建立的毛河流域河網(wǎng)水環(huán)境模型計(jì)算得到橋江橋省考斷面的流量，與同步監(jiān)測(cè)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，并結(jié)合流域內(nèi)水動(dòng)力特征，對(duì)模型水動(dòng)力情勢(shì)進(jìn)行率定，率定得到毛河水環(huán)境數(shù)學(xué)模型水動(dòng)力參數(shù)糙率為0.033-0.035，總磷降解系數(shù)為0.06-0.08 d-1。（3）目前，毛河流域水環(huán)境容量為24.4t/a。（4）管網(wǎng)溢流期彭山城區(qū)污染源對(duì)橋江橋斷面水質(zhì)的影響權(quán)重占主導(dǎo)地位，管網(wǎng)溢流期受夏季降雨影響，毛河下游城區(qū)管網(wǎng)發(fā)生溢流，污水接管率大幅度降低，大量污染溢流至毛河，并且初期降雨還帶來(lái)大量面源污染，最終導(dǎo)致橋江橋斷面水質(zhì)惡化。（5）農(nóng)田排水期通濟(jì)堰灌區(qū)農(nóng)田排水期間，毛河干流下游流量明顯增大，彭山城區(qū)污染源對(duì)橋江橋斷面水質(zhì)的影響權(quán)重仍占主導(dǎo)地位，通濟(jì)堰灌區(qū)污染源TP 排放量對(duì)橋江橋斷面的影響權(quán)重有顯著提高。農(nóng)田排水期退水污染對(duì)橋江橋斷面的水質(zhì)有較大的不利影響。

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)毛河不同時(shí)段、不同斷面的水質(zhì)變化情況，分析了毛河水質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律。結(jié)合毛河匯水區(qū)域范圍、斷面水質(zhì)情況，建立水量水質(zhì)模型，計(jì)算出毛河水環(huán)境容量，對(duì)毛河流域污染防治和毛河水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)有著重要指導(dǎo)作用。