农村河道水环境承载力评价模型研究

韩 磊，赵 盼

（1.天津市水务局，天津 300074；2.天津市海河管理处，天津 300141）

作为农村水体主要载体的农村河道生态环境遭受了极大破坏，且大大削减了农村河道的功能。城市河道水资源承载力、水环境承载力的研究已取得较多成果，而有关农村河道生态环境承载力的研究还处于起步阶段[1，2]。

1 水环境承载力的研究方法

1.1 指标体系评价法

指标体系评价法根据各项评价指标的具体数值，应用统计方法或其他数学方法计算出综合指数，实现对水环境承载力的评价。水环境承载力指数常用的计算方法有：向量模法、模糊综合评价法和主成分分析法。

1.2 系统动力学方法

系统动力学方法从系统的内部要素和结构分析入手，通过一阶微分方程组来反映系统各个模块变量之间的因果反馈关系，进而建立系统动力学模型。系统动力学模型以现实存在为前提，通过改变系统的参数和结构，模拟不同发展方案下人口总量、经济发展和承载力之间的动态变化。系统动力学方法从整体上定量描述人口、资源、环境和发展之间的关系，揭示水环境承载力的动态性[3]。该方法的优点在于处理高阶次、非线性、多重反馈、复杂时变的系统问题[4]；而水环境承载力涉及社会、经济、资源、环境等诸多要素，要素之间存在着相互影响、相互制约的动态联系。因此，系统动力学方法适用于水环境承载力的评价与预测，并具有较强的可操作性，但不适于长期发展前提下的模拟。

2 农村河道水环境承载力评价模型的构建

农村河道水环境承载力评价模型的构建基于河道环境容量。通过对农村河道环境容量概念及内涵的分析，可以得出农村河道水环境承载力包括河道稀释承载力和河道自净承载力两部分。

2.1 河道环境容量概念及内涵

环境容量概念最初由日本学者在1968年提出，目的是在环境质量管理中实施总量控制。在定义水环境容量时，目前还没有一个明确统一的概念，比较具有代表性的说法是，在一定的环境目标下，某一水域能够承担的某种（类）污染物的最大允许负荷量，称为该污染物在这一水域的水环境容量。按照污染物的降解机理，水环境容量可以划分为稀释容量和自净容量两部分。稀释容量是指在给定水域的来水污染物浓度低于水质目标时，依靠稀释作用达到水质目标所承纳的污染物量。自净容量是通过水体沉降、生化、吸附等物理、化学和生物作用，给定水域达到水质目标所能自净的污染物量。因此，水环境容量往往是一组数值，是在分析稀释容量与降解自净容量的基础上，不改变排污口位置和水质目标等情况下，确定的农村河道的水环境容量（E），如图1所示。

图1 水环境容量构成

2.2 农村河道水环境承载力计算模型

2.2.1 河道水环境承载力模型

计算河道水环境承载力的模型主要有根据河流段情况确定的零维模型、一维模型及二维模型，还有利用物质平衡原理计算复杂河流断面的黑箱模型。

零维模型为：

式中：W为河流水环境容量（g/s）；Cs为计算河段水质保护目标值（mg/L）；Q为计算河段上游设计来水流量（m3/s）；C0为污染物背景浓度（mg/L）为计算河段接纳的污废水总量（m3/s）。

一维模型为：

式中：k为污染物自净系数（1/d）；x为排污断面距下游功能敏感断面的距离（km）；u为平均流速（m/s）；其他符号意义同上。

二维模型为：

式中：h为河段平均水深（m）；Ez为横向扩散系数（m2/s）；其他符号意义同上。

黑箱模型为：

式中：Q1、Q2为计算河段上、下游断面的流量（m3/s）；C1、C2为计算河段上、下游断面的污染物浓度（mg/L）；Ks为污染物综合削减系数；其他符号意义同上。

通过推导和变换，得出水环境容量计算模型表达式：

由式（6）可以推出：

这些模型在计算河道水环境承载力方面都有其自身的特点，零维模型假定污水进入河流后瞬时完全混合，主要适用于点源。对于推算较长河流段及横向扩散系数较大的河流，采用多维模型计算河流的水环境承载力。黑箱模型利用了物质平衡原理，主要运用在情况比较复杂的河流段计算河流水环境承载力。笔者计算农村河流生态环境承载力采用了河道水环境容量概念模型。

2.2.2 水环境容量概念模型

根据河道水环境容量的概念，可以建立农村河道水环境容量的表达式：

式中：E为河道水环境容量（t/d）；E稀释为河道稀释容量（t/d）；E自净为河道自净容量（t/d）。

2.2.3 河道稀释容量（E稀释）的计算

对于可降解的污染物质而言，在计算水环境容量时，C0值一般选取计算河段上游断面实测污染物浓度的年平均值。如果河流污染严重，上游河段的污染严重影响下游河段的水质背景浓度，则选取上游河段的水质规划目标值或天然情况下的河段背景值等。

基于排入污染物浓度与河道功能区段水质的差别，已知C0和Cs，可以将河道的稀释容量表达为：

2.2.4 污染物综合衰减系数（Ks）的计算

第一种为实测法。选取一个河道顺直、水流稳定、中间无支流汇入、无排污口的河段，分别在河段上游（A点）和下游（B点）布设采样点，监测污染物浓度，并测定断面平均流速，综合衰减系数（Ks）计算公式为：

式中：v为河道断面平均流速（m/s）；x为上下断面之间的距离（m）；CA为上断面污染物浓度（mg/L）；CB为下断面污染物浓度（mg/L）。

第二种为经验公式法[5]，其计算公式为：式中：P为河床湿周（m）；怀特根据美国23个河系、36个河段资料多元回归分析得到，参数α=10.3，γ=0.49，β=39.6，ξ=0.34；其他符号意义同上。

2.2.5 河道自净容量（E自净）的计算

自净容量是给定水域通过水体沉降、生化、吸附等物理、化学和生物作用，达到水质目标所能自净的污染物量。可以设定一个聚集各种降解作用的河道综合衰减系数，则河道水环境自净容量的表达式为：

式中：V为水体体积（L）；其他符号意义同上。

3 白马镇岔河水环境承载力评价

水环境承载力评价建立在水样分析的基础上，采用实时采集的水样分析各种指标的实际值，利用前述农村河道水环境承载力评价模型进行评价。

3.1 取样方法

对水样进行监测分析，采样的原则要求所取水样必须具有代表性，能够真实反映水体的质量。采样时采集瓶或装水容器必须事前洗干，以免杂质进入水样中，影响水样质量。采样前，先用水样洗涤容器2～3次。有些测定项目对时间、温度的变化非常敏感，最好现场测定。

3.1.1 水样采集

（1）采集表层水。用桶、瓶等容器直接采取，一般将容器沉至水下0.3～0.5 m处采集。

（2）采集深层水。将带有重锤的具塞采样器沉入水中，达到所需深度后（从拉伸的绳子标度上看出），拉伸瓶口塞子上连接的细绳，打开瓶塞，待水样充满后提出来。

3.1.2 水样运输

对采集的每一个水样，都应做好记录，并在采样瓶上贴好标签，运送到实验室。

3.1.3 水样保存

（1）冷藏或冷冻。其作用是抑制微生物活动，减慢物理挥发和化学反应速率。

（2）加入化学试剂。加入酸或碱调节pH，能使一些化学成分在水样中保持稳定；加入生物抑制剂，可抑制微生物的氧化还原作用；加入氧化剂或还原剂，可使一些待测成分转化为稳定的化学物质，而且不干扰以后的分析测定。

3.2 主要污染指标选取

试验的取样地点为白马镇岔河，岔河是新桥河上游白马河的支流，位于白马镇东侧，贯穿白马镇区。岔河汇水面积4.09 km2，穿越集镇段长度1.17 km。岔河承担着白马镇东半部近1 km2的生活、生产用水排放任务，河道两岸镇区的总体规划为居民区，各种生活垃圾的排放导致水体污染日益严重。随着白马镇三城九镇建设的不断推进，岔河已成为镇区内河，逐步开展岔河整治，增添城镇绿色景观。因此，在对岔河进行功能区划定位时，把白马镇岔河划分为农业灌溉及一般景观河道，其水体为国家地表水标准中的Ⅴ类水。根据当地主要污染物状况，选取了5种污染指标分别为总磷（TP）、总氮（TN）、生物耗氧量（BOD）、化学需氧量（COD）及pH值。

3.3 污染指标分析

表1 5种主要污染指标在不同月份的测定值 mg/L

岔河水体中5种主要污染物随月份变化状况，如图2-6所示。

3.3.1 水体取样分析

水体取样后，通过水质分析可以得到以下结论：①由图2可以看出，白马镇岔河水体的pH值较稳定，季节变化起伏不大，主要位于7.8～8.1，水体呈弱碱性。②由图3可以看出，白马镇岔河水体的TP最大值出现在春季（2008年4月15日测得），其值为0.32 mg/L，全年4个季度的均值为0.14 mg/L，达到了白马镇岔河作为农业灌溉用水及一般景观用水的Ⅴ

分别用表格和柱状图的方式描述pH值、TP、TN、BOD、COD在4、8、10、12月4个月份里的变化状况。

图2 不同月份pH值变化

图3 不同月份TP变化

图4 不同月份TN变化

图5 不同月份BOD变化

图6 不同月份COD变化

5种主要污染指标在不同月份取样试验的测定值，见表1。类水标准，即TP＜0.2 mg/L。③由图4可以看出，白马镇岔河水体的TN最大值出现在春季，其值为2.75 mg/L，全年4个季度的均值为2.43 mg/L，都超出了Ⅴ类水质TN的标准，即TN＞2 mg/L。④由图5可以看出，白马镇岔河水体的BOD最大值为7.76 mg/L，出现在夏季，达到了农业灌溉用水及一般景观用水的Ⅴ类水标准（BOD＜10 mg/L）。⑤由图6可以看出，白马镇岔河水体的COD最大值为25.72 mg/L，出现在春季，于2008年4月15日测得，同样达到了河道Ⅴ类水质的标准（COD＜40 mg/L）。

3.3.2 污染指标随季节变化分析

对污染指标随季节变化进行分析，可以得出以下结论：①7—8月，白马镇岔河处于汛期，降水多、径流量大，各污染因子汛期的值分别为TP 0.04 mg/L、TN1.52mg/L、pH值7.8、BOD7.76mg/L、COD16.8mg/L；而枯水期（3—4、10—12月）降水量减少，径流量小，各污染因子在枯水期的平均值分别为TP 0.18 mg/L、TN2.34 mg/L、pH 值 8.0、BOD 7.44 mg/L、COD 24.74 mg/L。这说明汛期水的污染程度轻于非汛期，一个原因是降雨量增大了岔河水体的环境承载力，另一个原因是正值农作物生长旺盛期需要大量的N、P、K，从而在一定程度上减少了这些被冲入河道的污染物量，使得各项污染指标值都有不同程度的降低。②2008年4月15日测定的污染物指标都较其他时间偏高，尤其是TN的含量，原因是这个时节正是当地进行春耕春种的时刻，大量使用化肥，而只有较少部分真正为农作物生长所吸收，其余部分经地表径流或地下水直接进入到岔河水体中，从而较大提高了TN的含量，对河水形成了严重污染。③秋、冬季节的水样各项污染指标值介于春夏之间，原因是秋冬季节属农作物生长淡季，化肥农药使用大量减少，降雨减少，地表径流引起污染物进入河道水体中的量也随之降低，加上少部分水量蒸发的减少，相比春季不同程度地降低了污染物指标值，而相对于夏季少了降雨和农作物生长吸收。

3.4 岔河水环境承载力计算

3.4.1 选取TN为计算指标

根据试验资料，相比于其他4个指标pH值、TP、BOD、COD，TN在春、夏、秋、冬各个时段内的测定值分别为2.75、1.52、2.3、1.97 mg/L，几乎都接近或超过了Ⅴ类水TN的标准限值2 mg/L，而其他指标基本没有超出Ⅴ类水标准限值，根据最大值原理，选择TN作为白马镇岔河污染的代表指标值来计算河道水环境承载力。

3.4.2 造成TN污染严重的因素分析

结合白马镇岔河周边的实际情况，经分析发现TN来源主要如下：

（1）生产大量使用化肥、农药导致的污染[6]。首先，化肥、农药的利用率只有30%～40%，其余大都进入到河道水体中，直接增加了水体中N的含量；其次，农药和除草剂的使用可能引起水生生物中毒，水生生物中毒又直接影响了水体中N元素的降解，加剧了水体中的TN含量。

（2）养殖业污染[7]。据粗略统计，大量畜禽粪便仅有少部分被直接还田、为农作物生长综合利用，大部分直接无组织的排放随地表径流进入河道水体，从而导致了岔河水质TN浓度增高。

（3）生活污染。岔河周边缺少专门的固体废弃物处理设施，绝大部分生活污水直接进入岔河中，这也是导致水体中TN增高的一个重要因素。

（4）农村污水处理水平低下。由于污水处理设施不完善，农村污水处理水平很低。甚至有一些乡镇企业生产废水没有经过污水达标处理，就直接排放到河水中，导致河水污染指标增高。

3.4.3 不同季节岔河水环境承载力计算

水环境承载力计算公式为：

将 Q＝22.89m3/s、Cs＝20 mg/L、Ks＝10.3Q-0.49、x＝1.166 km、μ＝2.38 m/s代入式（12）和式（13），可以得到 E＝31.536[22.89×（20-C0）+10.3×22.89-0.49×20×22.89×1.166/2.38×86 400]。

再代入每个月份测得的C0，选取TN为代表指标进行计算，结果见表2及如图7所示。

表2 TN为指标的不同月份的水环境承载力值

图7 岔河不同月份TN的水环境承载力

由图7可知，白马镇岔河对于TN的容纳能力已不容乐观，特别是在春季，河道对于TN的承载能力为-12.46 t。由此可见，岔河河道水体中的TN含量已经严重超出了Ⅴ类水标准，夏季由于降雨及农作物生长，岔河对于TN的承纳能力还有一定的空间，其值15.70 t为全年的最高值；其次为冬季河道的纳N能力，其值为5.40 t。岔河对于TN的吸纳能力与河道内的TN含量基本上达到一种平衡，使得岔河对于TN的承纳处于饱和状态。

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[3]惠泱河，蒋晓辉，黄强，等.二元模式下水资源承载力系统动态仿真模型研究[J].地理研究，2001，20（2）：191-198.

[4]王其藩.高级系统动力学[M].北京：清华大学出版社，1995.

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[6]殷明.丹江口水库水质总氮超标成因初步分析及控制对策[J].环境科学与技术，2007，30（7）：35-36.

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