岷江大橋控制單元水體氨氮和總磷源解析

陳亞平，岳艾儒，韋婭儷，楊長軍

(四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，成都 610041)

隨著人口的急劇增長和工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，我國河流水質(zhì)惡化情況日益嚴(yán)重，尤以點(diǎn)源和非點(diǎn)源超負(fù)荷排放而引起的氮、磷元素超標(biāo)最為突出[1～5]。2015年4月國務(wù)院印發(fā)《水污染防治行動計(jì)劃》，要求切實(shí)加大水污染防治力度，針對水質(zhì)未達(dá)標(biāo)的地區(qū)應(yīng)制定達(dá)標(biāo)方案，將治污任務(wù)逐一落實(shí)到匯水范圍以內(nèi)的排污單位，并明確了防治措施及達(dá)標(biāo)時限。

四川省是“千河之省”，流域面積100 km2以上的河流有1 049條，屬長江流域的國土面積占96.7%，三峽庫區(qū)80%的水量來源于四川境內(nèi)?？梢姡拇ㄊ×饔蛭廴痉乐喂ぷ鲗θ龒{庫區(qū)水質(zhì)安全乃至全國的生態(tài)屏障的保護(hù)有著至關(guān)重要的作用。其中，岷江是長江上游的重要支流，流域范圍包括8個市(州)的36個縣(區(qū)、市)，但岷江流域中游村鎮(zhèn)眾多，以畜禽養(yǎng)殖業(yè)為主，所產(chǎn)生的氮磷污染嚴(yán)重，同時接納了上游成都市的排污，入境斷面氨氮和總磷指標(biāo)常年處在V類或劣V類水質(zhì)狀態(tài)[6]。2016年7月28日四川省委《關(guān)于推進(jìn)綠色發(fā)展建設(shè)美麗四川的決定》中明確提出，省內(nèi)將以強(qiáng)力控制和削減總磷、氨氮、COD等污染物為主攻方向，岷江流域是重點(diǎn)整治區(qū)域之一。2015年12月2日四川省人民政府發(fā)布的《<水污染防治行動計(jì)劃>四川省工作方案》(以下簡稱《四川省水十條》)，指出2014年，四川省86個國控?cái)嗝嬷?，?9個斷面超標(biāo)，以總磷超標(biāo)居多，為此提出到2020年，岷江流域水環(huán)境質(zhì)量需得到階段性改善，即達(dá)到2016年7月《四川省市(州)水污染防治目標(biāo)責(zé)任書》的階段性目標(biāo)；到2030年，岷江流域水環(huán)境質(zhì)量得到總體改善，即達(dá)到水體功能區(qū)類別要求的目標(biāo)?！端拇ㄊ∷畻l》還提出了針對岷江流域水污染控制的總體要求，一方面，以控制和削減總磷污染物為首要目標(biāo)的基礎(chǔ)上，兼顧氨氮、COD等其他特征的污染因子；另一方面，四川省市(州)在簽訂水污染防治目標(biāo)責(zé)任書的基礎(chǔ)上，對于超標(biāo)的斷面，均需制定相應(yīng)的水體達(dá)標(biāo)方案。

鑒于此，本文結(jié)合上游岷江(外江)南河董壩子斷面和府河黃龍溪斷面的水質(zhì)污染情況對岷江大橋斷面污染物進(jìn)行分析，在確定岷江大橋斷面水質(zhì)超標(biāo)的主要因子的基礎(chǔ)上，對岷江流域岷江大橋控制單元氨氮和總磷污染源解析，并構(gòu)建了相應(yīng)的達(dá)標(biāo)策略。

1 研究區(qū)域概況

岷江大橋控制單元地處四川省眉山市彭山區(qū)，作為岷江流域的國控?cái)嗝嬷?，位于岷江中游，即為岷?外江)南河納入府河后第一個考核斷面，又為岷江流經(jīng)眉山市最上游的考核斷面。在收集控制單元上游府河黃龍溪斷面(國控?cái)嗝?、岷江(外江)南河董壩子斷面和岷江大橋斷面2011年1月～2015年12月的常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測資料的基礎(chǔ)上，對岷江大橋控制單元內(nèi)水體環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行研究。岷江大橋控制單元水環(huán)境研究范圍，見圖1。

圖1 岷江大橋控制單元水環(huán)境研究范圍Fig.1 Study area of water environment of Minjiang bridge control unit

2 研究區(qū)域水環(huán)境現(xiàn)狀分析

根據(jù)2011年1月～2015年12月的水質(zhì)監(jiān)測資料，結(jié)合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)的要求，按照單因素評價方法，分析研究區(qū)域的超標(biāo)因子和超標(biāo)倍數(shù)。上游府河黃龍溪斷面位于成都市雙流區(qū)黃龍溪鎮(zhèn)與眉山市彭山區(qū)牧馬鎮(zhèn)交界處，為岷江支流府河成都市出境斷面；上游岷江(外江)南河董壩子斷面位于成都市新津縣鄧雙鎮(zhèn)與眉山市彭山區(qū)青龍鎮(zhèn)交界處，為岷江(外江)南河成都市出境斷面。上游的黃龍溪斷面和董壩子斷面COD、氨氮、總磷變化趨勢見圖2。岷江大橋斷面COD、氨氮、總磷變化趨勢見圖3。

圖2 黃龍溪與董壩子斷面污染物變化趨勢Fig.2 Variation tendency of pollution indexes of Huanglongxi section and Dongbazi section

通過圖2可知，首先從COD污染物來看，黃龍溪斷面和董壩子斷面2011～2015年基本可達(dá)GB3838-2002的Ⅳ類水體，其中黃龍溪斷面2011年6月、董壩子斷面2011年1月和2013年6月的除外，雖上游斷面的COD濃度總體上不能滿足水體功能區(qū)的Ⅲ類要求，但是2014～2015年均可滿足《四川省市(州)水污染防治目標(biāo)責(zé)任書》的2020年階段性目標(biāo)Ⅳ類要求；第二，從氨氮污染物來看，黃龍溪斷面氨氮濃度2011～2014年超標(biāo)嚴(yán)重，氨氮濃度在2013年4月出現(xiàn)峰值，超標(biāo)倍數(shù)高達(dá)8.6倍；董壩子斷面氨氮濃度呈現(xiàn)波動，歷年超標(biāo)集中在1～5月，氨氮濃度在2013年4月出現(xiàn)峰值，超標(biāo)倍數(shù)為4.76倍；2個上游斷面2015年氨氮濃度明顯有所降低；第三，從總磷污染物來看，黃龍溪斷面和董壩子斷面總磷濃度2011～2015年全面超標(biāo)，尤以2011～2014年超標(biāo)嚴(yán)重，黃龍溪斷面總磷濃度在2011年3月出現(xiàn)峰值，超標(biāo)倍數(shù)達(dá)9.9倍，董壩子斷面總磷濃度在2013年4月出現(xiàn)峰值，超標(biāo)倍數(shù)高達(dá)13.5倍，2個上游斷面2015年總磷濃度總體上有所降低。對比各類污染物2011～2015年逐月變化情況，各類污染物濃度最大超標(biāo)濃度均集中在每年1～5月，其污染因子月達(dá)標(biāo)率COD>氨氮>總磷。

圖3 岷江大橋斷面污染物變化趨勢Fig.3 Variation tendency of pollution indexes of Minjiang bridge section

從圖3可知，岷江大橋控制單元COD在2011～2015年普遍達(dá)標(biāo)(僅2013年4月COD為20.8mg/L，除外)；2011～2015年，氨氮濃度集中在每年的1～5月份超標(biāo)嚴(yán)重，且在2013年4月份出現(xiàn)峰值，超標(biāo)倍數(shù)達(dá)4.98倍，2015年氨氮濃度總體上有所降低；由于治污力度的加大和營養(yǎng)類物質(zhì)降解的滯后效應(yīng)，總磷濃度近年呈現(xiàn)波動，以2011～2014年超標(biāo)最為嚴(yán)重，總磷濃度在2014年5月出現(xiàn)峰值，超標(biāo)倍數(shù)為4.13倍，2015年總磷濃度明顯有所降低；污染因子月達(dá)標(biāo)率為COD>氨氮>總磷?？梢?，氨氮和總磷是導(dǎo)致岷江大橋斷面水質(zhì)超標(biāo)的主要因子。對比岷江上游的黃龍溪斷面、董壩子斷面與岷江中游的岷江大橋斷面可知，總體上岷江上游的污染現(xiàn)狀較中游的污染情況嚴(yán)重，可見上游來水的影響應(yīng)是岷江大橋斷面污染物超標(biāo)的主要因素之一。

3 研究區(qū)域氨氮和總磷源解析

3.1 污染源分擔(dān)率分析

根據(jù)2003年9月《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》中的規(guī)定，結(jié)合流域情況選取各類污染源的入河系數(shù)，分析水陸響應(yīng)單元的污染物的陸上排放量所對應(yīng)的入河量。岷江大橋控制單元內(nèi)工業(yè)污染源排污口設(shè)在河岸，污水直排入河，入河系數(shù)取1.0；由于研究范圍尚無正常投運(yùn)的城鎮(zhèn)污水處理廠，參考相似工程案例，城鎮(zhèn)生活污水污染源和規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖污染源的入河系數(shù)取0.8；畜禽散養(yǎng)污水、農(nóng)村生活污水、水產(chǎn)養(yǎng)殖污水、農(nóng)田面源和生活垃圾等污染源視實(shí)際情況分別取0.2、0.2、0.1、0.08和0.05。經(jīng)計(jì)算，2015年岷江大橋控制單元氨氮入河量共計(jì)195.88t/a，總磷入河量共計(jì)31.77t/a，各個污染源氨氮和總磷的分擔(dān)率見圖4。

圖4 控制單元內(nèi)各個污染源分擔(dān)率Fig.4 Contribution of pollution sources in the unit

按照污染源類型統(tǒng)計(jì)污染負(fù)荷，各污染源對控制單元內(nèi)氨氮、總磷污染負(fù)荷貢獻(xiàn)最大的污染源分別為城鎮(zhèn)生活污水污染源、規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖污染源，污染分擔(dān)率分別為42.54%、35.31%，各污染源對控制單元內(nèi)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)的排序?yàn)槌擎?zhèn)生活污水污染源>規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污染源>農(nóng)村生活污水污染源>農(nóng)田徑流污染源>畜禽散養(yǎng)污染源。因此，導(dǎo)致岷江大橋控制單元常年氨氮和總磷超標(biāo)的原因是城鎮(zhèn)生活污染源和規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖污染源的直接排放。

3.2 污染物時空變化分析

3.2.1 氮磷污染并重，受上游來水的影響

岷江大橋控制單元3個污染因子月達(dá)標(biāo)率的次序與上游2個匯入斷面的一致，且氨氮與總磷變化趨勢基本同步。上游黃龍溪斷面地水質(zhì)常年為劣V類，主要源自成都中心城區(qū)來水的影響，雖然中心城區(qū)生活污水集中處理率已超過80%，但是由于流域產(chǎn)物總量大及周邊區(qū)(市)縣污水收集處理率不高，加之?dāng)嗝嫖挥诼糜尉皡^(qū)，導(dǎo)致城鎮(zhèn)生活直排污水成為氨氮和總磷的主要來源。上游南河董壩子斷面匯入?yún)^(qū)域以耕地林地為主，雖城鎮(zhèn)化率不高，但該區(qū)域畜禽養(yǎng)殖活動強(qiáng)度較大，肉雞、肉兔、生豬等主要養(yǎng)殖是造成水體氮磷污染的主要原因?？紤]到岷江大橋控制單元的水質(zhì)受上游成都市來水的影響，計(jì)算范圍較廣，采用MIKE 21二維水動力水質(zhì)模型，以總磷為計(jì)算因子，對控制單元內(nèi)不同情景下(情景一：上游來水達(dá)標(biāo)；情景二：上游來水維持現(xiàn)狀，不達(dá)標(biāo))，污染物的影響范圍進(jìn)行模擬分析，詳見圖5。此處所說的達(dá)標(biāo)是指達(dá)到《四川省水十條》2020年的階段性目標(biāo)，按照《四川省市(州)水污染防治目標(biāo)責(zé)任書》，即上游黃龍溪斷面達(dá)到V類水體的要求，上游南河董壩子斷面達(dá)到“總磷≤0.22mg/L，其他指標(biāo)為Ⅲ類”的要求，研究的岷江大橋控制單元達(dá)到“總磷≤0.33mg/L，其他指標(biāo)為Ⅳ類”的要求。

圖5 支流匯入口下游500m總磷模擬分析Fig.5 Simulation analysis of total phosphorus at downstream 500m of the branches inlet

從圖5可知，在匯入支流上游的黃龍溪渡口斷面、董壩子斷面均不達(dá)標(biāo)，且在污染物濃度維持現(xiàn)狀的情境下，岷江大橋總磷濃度為0.39～0.48mg/L；在匯入支流的黃龍溪渡口斷面、董壩子斷面均達(dá)到規(guī)定的污染物濃度限值的情境下，岷江大橋總磷濃度為0.303～0.320mg/L，才能滿足低于0.33mg/L的考核要求?？梢?，岷江大橋控制單元受到成都市上游來水水質(zhì)影響較大，在支流上游斷面黃龍溪渡口、支流斷面董壩子斷面均達(dá)標(biāo)，且在岷江彭山段污染負(fù)荷得到有效控制的共同協(xié)作下，才能確保岷江大橋控制單元的總磷濃度達(dá)標(biāo)。

3.2.2 季節(jié)性變化明顯，受水源補(bǔ)給的影響

河流的流量主導(dǎo)著河流水質(zhì)，此類水源補(bǔ)給類型為常規(guī)水源補(bǔ)給，而非常規(guī)水源區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的常規(guī)的水資源，主要為其再生水或未經(jīng)處理的廢水[7]。非常規(guī)水源補(bǔ)給屬性的河流水體污染嚴(yán)重，水質(zhì)波動大。從岷江常年流量來看，一般枯水期是11月～第二年3月，平水期一般是4月、5月和10月，豐水期一般是6～9月。受流量和非常規(guī)水源補(bǔ)給的影響，岷江大橋控制單元水質(zhì)狀況的季節(jié)性變化特征為枯水期、平水期水體污染物濃度高于豐水期。對于超標(biāo)倍數(shù)較高的氨氮，由于污染物經(jīng)歷了枯水期和平水期，在豐水期剛來臨之際的1～5月份凸顯。

對于河流流量變化等不可控因素，積極從源頭上減排，淘汰落后產(chǎn)能，構(gòu)建新型產(chǎn)業(yè)體系，進(jìn)而控制非常規(guī)水源補(bǔ)給的水量和水質(zhì)。如大力推進(jìn)造紙、紡織印染、制革、電鍍、化工等重污染行業(yè)以及高水耗、高污染、低產(chǎn)出等落后產(chǎn)能的淘汰，鼓勵結(jié)合自身實(shí)際，提高淘汰標(biāo)準(zhǔn)、擴(kuò)大淘汰產(chǎn)品和工藝范圍，綜合運(yùn)用差別價格、環(huán)保、土地、市場準(zhǔn)入制度、安全生產(chǎn)等多種手段加快推進(jìn)落后產(chǎn)能淘汰。對于眉山市，著力推進(jìn)耕地保護(hù)、農(nóng)業(yè)“四化”建設(shè)、城鄉(xiāng)公共服務(wù)均等化、新型農(nóng)村社區(qū)建設(shè)，以都市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)為主導(dǎo)，推進(jìn)現(xiàn)代服務(wù)業(yè)與先進(jìn)制造業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展，同時嚴(yán)格限制畜禽養(yǎng)殖，劃定禁養(yǎng)區(qū)、限制養(yǎng)殖區(qū)，嚴(yán)格控制養(yǎng)殖數(shù)量，實(shí)現(xiàn)糞污零排放。

3.2.3 污染態(tài)勢有所減緩，受治污力度的影響

“十二五”期間，研究區(qū)域排污控制力度大大加強(qiáng)，岷江大橋控制單元累計(jì)完成3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)23個村莊環(huán)境綜合整治，4萬余戶農(nóng)戶開展了“兩池六改一集中”建設(shè)，15%的重點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)修建了集中式污水處理設(shè)施。區(qū)域內(nèi)逐步開展禁養(yǎng)區(qū)限養(yǎng)區(qū)劃定工作，積極推行清潔生產(chǎn)和生態(tài)養(yǎng)殖，先后對90多家規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖企業(yè)開展省、市、縣三級掛牌限期治理?！笆濉逼陂g實(shí)施的綜合治理項(xiàng)目，見下表。雖氨氮在2013年4月份出現(xiàn)峰值，總磷濃度在2014年5月出現(xiàn)峰值，但通過2012～2014年實(shí)施的8個綜合治理項(xiàng)目，2015年總磷濃度明顯有所降低，氨氮超標(biāo)現(xiàn)象也得到有效控制。

表 “十二五”期間實(shí)施的綜合治理項(xiàng)目Tab. The projects implemented during the Twelfth Five-year

4 控制單元水體達(dá)標(biāo)策略分析

4.1 控制單元水體達(dá)標(biāo)策略的構(gòu)建

岷江大橋控制單元地處中游，在接納上游成都市排污的同時，還擔(dān)負(fù)著為長江下游供水的功能。通過前文的討論，該地區(qū)的水質(zhì)受上游來水水質(zhì)影響很大。本著“一河一策”的原則，要使控制單元內(nèi)水質(zhì)達(dá)標(biāo)，從控源(源頭減排)、增容(區(qū)域綜合整治)、統(tǒng)籌(全程監(jiān)管)3個方面入手，做到嚴(yán)格環(huán)境準(zhǔn)入、全面開展區(qū)域治理、完善流域協(xié)作機(jī)制[8～10]，岷江大橋控制單元水體達(dá)標(biāo)策略框圖，見圖6。

圖6 岷江大橋控制單元水體達(dá)標(biāo)策略Fig.6 Strategy for water body reaching the standard of Minjiang bridge unit

4.2 可達(dá)性分析

水質(zhì)目標(biāo)的可達(dá)性分析包括不可控型風(fēng)險分析和可控型風(fēng)險分析兩部分，不可控型風(fēng)險主要包括流域水量變化和上游來水影響兩部分，可控型風(fēng)險主要是指實(shí)施污染控制工程后的風(fēng)險。水量長時間處于枯水期，或新建大型水利工程，造成水體流場變化導(dǎo)致的水體自凈能力下降的情況，都將加重下游岷江大橋水質(zhì)超標(biāo)的風(fēng)險。在支流匯入斷面均達(dá)標(biāo)，且在研究段污染負(fù)荷得到有效控制的共同協(xié)作下，能確?？刂茊卧w達(dá)標(biāo)。

根據(jù)2017年3月編制的《岷江彭山岷江大橋控制單元水體達(dá)標(biāo)方案》，2016～2020年將斥資逾10億元，實(shí)施工業(yè)污染防治項(xiàng)目、城鎮(zhèn)污水處理及管網(wǎng)建設(shè)、城鎮(zhèn)生活垃圾收運(yùn)及處置、農(nóng)業(yè)農(nóng)村環(huán)境綜合整治、水環(huán)境綜合整治與生態(tài)修復(fù)、飲用水源地保護(hù)區(qū)規(guī)范化建設(shè)六類重點(diǎn)工程，工程實(shí)施后，控制單元內(nèi)COD、氨氮和總磷的入河量分別削減1 712.05t、110.98t和21.94t，與2015年相比污染物入河量削減比例分別達(dá)75.38%、56.65%和69.06%，能確保控制單元水體的氨氮和總磷濃度達(dá)標(biāo)。

5 結(jié) 語

5.1 岷江控制單元水環(huán)境現(xiàn)狀分析表明，與上游的黃龍溪斷面、董壩子斷面的污染特征相似，氨氮和總磷是岷江中游的岷江大橋斷面水質(zhì)超標(biāo)的主要因子，其中氨氮濃度集中在1～5月超標(biāo)嚴(yán)重，在2013年4月份出現(xiàn)峰值，總磷在2011～2014年普遍超標(biāo)嚴(yán)重，在2014年5月出現(xiàn)峰值。

5.2 通過污染源分擔(dān)率分析可知，研究區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)生活污染源和規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污染源的直接排放是導(dǎo)致岷江大橋控制單元常年氨氮和總磷超標(biāo)的主要原因，由于氮磷污染受上游來水、其他補(bǔ)給水源的影響，呈季節(jié)性變化，近年污染態(tài)勢有所減緩。

5.3 鑒于“十二五”期間治污初見成效，本著“一河一策”的原則，從控源(源頭減排)、增容(區(qū)域綜合整治)、統(tǒng)籌(全程監(jiān)管)3方面構(gòu)建了岷江大橋控制單元水體達(dá)標(biāo)策略，為岷江流域水體達(dá)標(biāo)措施的實(shí)施及其他流域水體達(dá)標(biāo)方案的制定提供參考。

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