晉城市丹河流域水環(huán)境特征及污染負(fù)荷來(lái)源解析

張 宇，趙新磊

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

2019年，習(xí)近平總書記指出黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展是重大國(guó)家戰(zhàn)略，持續(xù)鞏固和改善黃河流域水環(huán)境質(zhì)量將是沿黃各省區(qū)責(zé)任和使命。近年來(lái)，我國(guó)水環(huán)境治理研究已逐步轉(zhuǎn)向“源頭控制-過(guò)程阻斷-末端治理”的全過(guò)程治理體系，在一系列強(qiáng)有力的水污染治理舉措下，黃河流域水環(huán)境質(zhì)量得到有效改善。但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，流域內(nèi)水環(huán)境超載衍生的環(huán)境效應(yīng)逐步得到重視，單純的水污染防治已不能解決水環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的矛盾。因此從區(qū)域尺度結(jié)合當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分析流域水環(huán)境特征，識(shí)別水體主要污染物來(lái)源及空間分布情況，不僅對(duì)制定科學(xué)、合理的水環(huán)境保護(hù)措施具有重要意義，同時(shí)也將成為制定城市發(fā)展規(guī)劃的重要依據(jù)。

1 研究背景及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

丹河屬黃河流域沁河水系，是沁河一級(jí)支流和最大的支流，是流經(jīng)晉城市的第二大河流，丹河在山西省晉城市內(nèi)流域面積2945km2，河流全長(zhǎng)129km，丹河上游從源頭到高平市的寺莊鎮(zhèn)，中游從高平市寺莊鎮(zhèn)到太行山腳下，下游從太行山腳下到最后注入沁河，河道平均縱坡6.8‰。由于其匯入口在河南省，在山西省境內(nèi)丹河與沁河是兩條獨(dú)立的河系。丹河流域石灰?guī)r廣布，溶洞發(fā)育，斷層較多，水量滲漏嚴(yán)重，上游在高平市境內(nèi)除汛期外基本為干河，是嚴(yán)重的缺水地區(qū)。

近些年來(lái)，晉城市的水生態(tài)文明建設(shè)取得了顯著成效，水資源保護(hù)得到有效加強(qiáng)，水生態(tài)環(huán)境明顯改善。目前晉城市城鎮(zhèn)及大中型公開企業(yè)均有污水處理設(shè)施，但現(xiàn)狀部分污水處理廠已滿負(fù)荷運(yùn)行。同時(shí)，流域內(nèi)污水處理廠現(xiàn)狀執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，但其水質(zhì)仍與地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)相距較遠(yuǎn)，排入河道后會(huì)對(duì)河道水質(zhì)達(dá)標(biāo)造成較大的負(fù)面影響。此外，丹河流域沿河分布村落眾多，大多數(shù)村鎮(zhèn)農(nóng)村生活污水未處理直接無(wú)序的排放，對(duì)河流水質(zhì)造成污染。同時(shí)，丹河流域內(nèi)面源污染防治尚未形成，生活垃圾直接傾倒溪溝、大量施用化肥農(nóng)藥等，造成嚴(yán)重的面源污染。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

晉城市丹河流域污染物入河量除污水處理廠外，還需考慮農(nóng)田徑流污染負(fù)荷、畜禽養(yǎng)殖污染排放、農(nóng)村污水排放、農(nóng)村生活垃圾等幾個(gè)方面產(chǎn)生的面源污染入河量。其中農(nóng)田徑流污染負(fù)荷通過(guò)估算農(nóng)田的化肥流失量得出；畜禽養(yǎng)殖污染排放根據(jù)昆明市現(xiàn)狀存欄的畜禽養(yǎng)殖數(shù)量、糞便產(chǎn)生數(shù)量及污染物含量等統(tǒng)計(jì)得出，農(nóng)村污水排放和農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生的污染物入河根據(jù)農(nóng)村人口數(shù)量和人均產(chǎn)生的生活污水和垃圾排放量推算得出。所需主要數(shù)據(jù)包括晉城市丹河流域耕地面積，牛、羊、豬等大小牲畜數(shù)量，農(nóng)村人口數(shù)量，污水處理廠個(gè)數(shù)、實(shí)際排放量及排放濃度等。

本文采用的農(nóng)村人口、耕地面積、種植結(jié)構(gòu)、作物比例、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量數(shù)據(jù)來(lái)源于《晉城市統(tǒng)計(jì)年鑒》，點(diǎn)源污染主要參考晉城市污水處理廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)以及沿河工業(yè)園區(qū)排水口實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 污染物排放量

采用輸入輸出系統(tǒng)模型對(duì)城市污染源主要污染物COD氨氮、TP、TN排放量進(jìn)行計(jì)算[4-7]，模型如下：

L=∑Ei×Ai+P

(1)

式中，L—污染物在區(qū)域總排放量，kg/a；Ei—污染物在該區(qū)域輸出系數(shù)；i—區(qū)域中污染源類別；Ai—區(qū)域內(nèi)的數(shù)量；P—降雨輸入污染物總排放量。

本次針對(duì)晉城市丹河流域主要特點(diǎn)，考慮區(qū)域點(diǎn)源污染外，建立基于耕地面積、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污染排放的面源污染模型，如下式：

L=Ld+La+Ll+Lp

(2)

La=KG×EG

(3)

(4)

Lp=KP×EP

(5)

式中，Ld—區(qū)域點(diǎn)源污染排放量，kg/a；La—區(qū)域農(nóng)田徑流污染排放排放量；Ll—區(qū)域畜禽養(yǎng)殖污染排放量；Lp—區(qū)域農(nóng)村生活污染排放量；KG—耕地面積，hm2；EG—耕地輸出系數(shù)，kg/hm2；Ki—第i種牲畜數(shù)量，頭(只)；Ei—第i種牲畜輸出系數(shù)，kg/頭；KP—農(nóng)村人口數(shù)量；EP—農(nóng)村人口輸出系數(shù)。

2.2 污染程度分析

采用等標(biāo)污染負(fù)荷指數(shù)法計(jì)算城市污染嚴(yán)重程度。公式如下：

Pij=Cij/Ci0

(6)

(7)

式中，Rij—第j種污染源中第i種污染物的等標(biāo)污染指數(shù)；Pij—第j種污染源中第i種污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷總量，m3；W—水資源總量，Cij—第j種污染源中第i種污染物的年排放量，t；Ci0—第i種污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L。

3 結(jié)果與分析

3.1 污染負(fù)荷分析

3.1.1點(diǎn)源污染

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，晉城市丹河流域現(xiàn)有入河排污口46個(gè)，其中高平市34個(gè)，澤州縣12個(gè)。高平市現(xiàn)狀34個(gè)排污口均已登記，其中主要分布在寺莊鎮(zhèn)、馬村鎮(zhèn)。澤州縣12個(gè)，主要分布在中巴公河。現(xiàn)狀廢污水入河量8484.48萬(wàn)t/a，污染物COD入河量2021.26t/a，氨氮入河量185.61t/a。見表1。

表1 晉城市丹河流域規(guī)模以上排污口污染物入河總量統(tǒng)計(jì)表 單位：t/a

3.1.2農(nóng)村面源污染

采用輸入輸出模型計(jì)算晉城市丹河流域2019年主要污染源及不同污染物的貢獻(xiàn)率，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 晉城市丹河流域面源污染入河量統(tǒng)計(jì) 單位：t

2019年晉城市丹河流域面源污染COD負(fù)荷為9079.6t，氨氮負(fù)荷為696.4t，總氮負(fù)荷為1880.6t，總磷負(fù)荷為1336.5t。從區(qū)域看，高平市與澤州縣污染最為嚴(yán)重，其次是陵川縣。從污染源看，以農(nóng)田徑流、畜禽養(yǎng)殖污染問(wèn)題最為突出，兩者之和占面源污染的90%以上。

3.1.3面源污染程度分析

根據(jù)等標(biāo)污染負(fù)荷指數(shù)分析晉城市丹河流域各污染物污染程度，見表3。2019年丹河流域總磷等標(biāo)污染物排放指數(shù)最大，并且以高平市最大，達(dá)到50.1，超過(guò)流域平均值的4倍。排放量最大的COD等標(biāo)污染負(fù)荷指數(shù)最小，與污染物排放量排序截然不同，表明晉城市丹河流域總磷排放量雖小，但結(jié)合當(dāng)?shù)厮Y源條件，其污染嚴(yán)重程度較高，是流域重點(diǎn)防控對(duì)象。

表3 晉城市丹河流域等標(biāo)污染負(fù)荷指數(shù)

3.2 污染物分布特征

3.2.1污染物空間分布特征

晉城市丹河流域污染物入河總量分別為COD 11100.9t/a、NH3-N 882.0t/a、TN 1880.6t/a、TP 1336.5t/a；其中面源污染物入河量分別為COD 9079.6t/a、NH3-N 696.4t/a、TN 1880.6t/a、TP 1336.5t/a。面源污染占區(qū)域污染物的80%，見表4。從空間分布上來(lái)看，污染物排放主要集中在農(nóng)業(yè)種植為主的地區(qū)，其中高平市污染物占比最大，其次是澤州縣，城區(qū)污染物占比最小。

表4 晉城市丹河流域污染物分布 單位：t/a

3.2.2污染物時(shí)間分布特征

根據(jù)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果，本次選取丹河干流任莊水庫(kù)、東焦河水庫(kù)、后寨3個(gè)斷面進(jìn)行分析。如圖1所示。

圖1 晉城市丹河流域年內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

由水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，受上游農(nóng)田徑流及生活污水亂排的影響，丹河流域水環(huán)境治理呈現(xiàn)一定的年內(nèi)波動(dòng)，其中總氮全年維持在劣Ⅴ類水平，且4—6月份污染最為嚴(yán)重。COD、氨氮、總磷整體不超Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但個(gè)別月份水質(zhì)較差，初步分析與作物生長(zhǎng)期農(nóng)業(yè)化肥施用量有一定相關(guān)關(guān)系。

3.2.3不同污染源污染負(fù)荷特征

丹河流域主要污染源為農(nóng)田徑流及畜禽養(yǎng)殖污染，如圖2所示。由圖可知，流域內(nèi)總磷污染主要來(lái)自農(nóng)田徑流，總氮、氨氮及COD污染主要來(lái)自畜禽養(yǎng)殖，得出晉城市丹河流域各污染源不同污染物的貢獻(xiàn)率，其中畜禽養(yǎng)殖COD、氨氮、總氮的貢獻(xiàn)率最大，其次為農(nóng)田徑流；農(nóng)田徑流總氮貢獻(xiàn)率最大，其次為畜禽養(yǎng)殖。面源污染COD、氨氮均占總量90以上。面源污染中，農(nóng)田徑流污染源總氮、總磷分別占69%和49%，農(nóng)村污水COD、氨氮分別占43%和49%；畜禽養(yǎng)殖COD、氨氮分別占57%和51%。

圖2 晉城市丹河流域污染負(fù)荷

3.3 污染分布成因分析

隨著水資源保護(hù)力度不斷加大，點(diǎn)源污染問(wèn)題被有效控制，非點(diǎn)源污染引起的污染問(wèn)題正在被逐漸關(guān)注。晉城市丹河流域主要污染源來(lái)自面源污染，占污染物排放總量的80%。根據(jù)污染物排放結(jié)果可以看出，晉城市丹河流域總氮排放量是總磷排放量的1.4倍，畜禽糞污綜合利用率低于75%，規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)糞污處理設(shè)施裝備配套率低于全國(guó)93%水平。其中農(nóng)田徑流污染與畜禽養(yǎng)殖污染最為嚴(yán)重，與流域內(nèi)主要產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。初步分析與以下原因有關(guān)：

(1)排污口綜合整治初見成效，點(diǎn)源污染排放比例逐年減少

據(jù)統(tǒng)計(jì)，丹河流域點(diǎn)源污染排放占流域污染物總量的10%以內(nèi)，現(xiàn)狀污水處理廠均達(dá)到一級(jí)A標(biāo)，2021年1月污水處理廠污染物排放將執(zhí)行山西省《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，加嚴(yán)了化學(xué)需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)的控制指標(biāo)，新增了總磷和全鹽量指標(biāo)，更能適應(yīng)全省當(dāng)前水環(huán)境治理的要求，點(diǎn)源污染將不再是區(qū)域環(huán)境治理主要威脅。

(2)農(nóng)藥化肥施用量偏高，與區(qū)域種植模式有關(guān)

目前，丹河流域面源污染防治尚未形成，垃圾直接傾倒溪溝、大量施用化肥農(nóng)藥等，造成嚴(yán)重的面源污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，流域內(nèi)每畝耕地化肥施用59kg，高于8kg世界平均水平，化肥、農(nóng)藥使用量偏高，在用肥上存在重化肥輕有機(jī)肥現(xiàn)象，導(dǎo)致氮、磷養(yǎng)分隨地表徑流進(jìn)入水體，面源污染負(fù)荷大。尤其是氮磷肥的施用，導(dǎo)致區(qū)域總磷污染嚴(yán)重。符合黃河流域農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)面源污染排放主要特點(diǎn)。

(3)畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，后續(xù)配套廢棄物處理設(shè)施不完善

流域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖業(yè)較為發(fā)達(dá)，尤其是高平市的規(guī)?；B(yǎng)殖，占晉城市丹河流域的50%，養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的糞便也是造成水污染的影響因素，是污染防控的重點(diǎn)對(duì)象?，F(xiàn)狀畜牧獸醫(yī)主管部門備案并統(tǒng)一賦畜禽養(yǎng)殖代碼的畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)(小區(qū))糞便無(wú)害化處理和資源化利用率較低，導(dǎo)致畜禽養(yǎng)殖污染較為嚴(yán)重。

4 結(jié)論

(1)本文以晉城市丹河流域?yàn)槔?，通過(guò)采用輸入輸出系統(tǒng)模型對(duì)丹河流域主要污染物進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果顯示晉城市丹河流域污染物排放具有明顯的空間聚集性，污染物排放主要集中在丹河中下游，巴公河等人口密集的區(qū)域及農(nóng)業(yè)種植為主的地區(qū)。

(2)本文采用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域水環(huán)境特征及污染負(fù)荷進(jìn)行分析，探索了現(xiàn)狀經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下晉城市丹河流域主要污染物排放特點(diǎn)，為晉城市丹河流域調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)布局，制定合理的水環(huán)境保護(hù)措施提供依據(jù)。本次研究尚未考慮區(qū)域水資源、水環(huán)境承載能力，在后續(xù)研究中應(yīng)充分考慮區(qū)域水資源狀況，結(jié)合水環(huán)境承載能力共同探討區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展布局。