岷江悦来渡口控制单元水体总磷达标分析

韦娅俪，陈亚平，岳艾儒，杨长军，朱建超

(1.四川省生态环境科学研究院，成都 610041;2.四川省环保科技工程有限责任公司,成都 610041 3.中国环境科学研究院,北京 100012)

1 前 言

2015年4月，国务院印发《水污染防治行动计划》(以下称《水十条》)，要求未达到水质目标要求的地区制定达标方案。环保部与四川省人民政府签署的《四川省水污染防治目标责任书》中明确提出眉山市岷江悦来渡口控制单元的水质控制断面悦来渡口断面应于2020年底前实现“总磷≤0.32mg/L，其他指标为IV类”的水质目标。四川省人民政府与眉山市人民政府签订的《眉山市水污染防治目标责任书》中增加提出岷江思蒙河口断面应于2019年实现“总磷≤0.3mg/L，其他指标为Ⅲ类”的水质目标；岷江醴泉河口断面应于2020年实现“Ⅳ类”水质目标；桥江桥断面应于2019年实现“总磷≤0.33mg/L，其他指标为IV类”的水质目标。悦来渡口控制单元涉及的水系包括岷江干流，岷江一级支流醴泉河、思蒙河、毛河、金牛河；涉及的行政区域包括眉山市丹棱县4个乡镇，东坡区全域26个乡镇，彭山区7个乡镇，青神县全域10个乡镇，仁寿县6个乡镇，共计53个乡镇。岷江眉山段承接成都来水与区域内小流域汇水污染负荷，悦来渡口断面作为岷江眉山入乐山考核断面，水质常年处在V类水质状态，主要污染因子为总磷，不满足《四川省水污染防治目标责任书》要求。本研究通过对悦来渡口控制单元总磷浓度变化的分析、总磷入河量及水环境容量的计算，识别主要环境问题和成因，确定水质改善目标和指标，提出水环境改善的工作思路，支撑《四川省水污染防治目标责任书》的实现。

2 水质变化分析

岷江悦来渡口控制单元纳入国家考核的监测断面有1个，为悦来渡口断面；纳入省考核的监测断面有3个，分别是思蒙河口断面、醴泉河口断面、桥江桥断面。悦来渡口断面为岷江眉山入乐山考核断面，思蒙河口断面为思蒙河汇入岷江断面，醴泉河口断面为醴泉河汇入岷江断面，桥江桥断面为毛河汇入岷江断面。研究河段水系图及国、省控断面的位置见图1，控制单元内各考核断面(点位)水质类别变化见表1。

监测断面201120122013201420152016悦来渡口ⅤⅤⅤⅤⅤⅣ思蒙河口Ⅴ劣ⅤⅤ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ醴泉河口劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ桥江桥ⅤⅤ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ劣Ⅴ

2.1 悦来渡口断面水质分析

悦来渡口断面为国考断面，该断面为岷江眉山入乐山断面，根据断面水质评价，悦来渡口断面从2011～2015年一直保持为Ⅴ类水体，2016年改善为Ⅳ类，该断面主要污染因子为总磷。悦来渡口断面总磷浓度年度及月度变化趋势分别见图2、图3。

图2 悦来渡口断面总磷浓度年度变化趋势Fig.2 Annual variation trend of TP concentration of Yuelaidukou Section

《水污染防治目标责任书》确定的悦来渡口断面水质目标为“总磷≤0.32mg/L，其他指标为Ⅳ类”，从图1可以看出，按照浓度年均值，总磷浓度从2011～2016年总体呈下降趋势，2011年到2014年总磷浓度年均值不能达到水质目标要求，但2015年、2016年总磷浓度年均值已降到目标值以下，满足水质目标要求。从月度变化趋势来看，断面总磷超标呈周期性变化，每年1～5月总磷超标严重，6～10月总磷浓度基本能达到水质目标要求。

2.2 三条小流域断面水质分析

岷江思蒙河、岷江醴泉河、岷江毛河为岷江的3条一级支流，均纳入四川省重点整治的24条小流域。思蒙河接纳了丹棱县3个乡镇、东坡区7个乡镇、青神县2个乡镇的污染负荷；醴泉河接纳了东坡区6个乡镇的污染负荷，毛河接纳了彭山区4个乡镇的污染负荷，从断面水质类别来看，这3条小流域汇入岷江的控制断面思蒙河口、醴泉河口、桥江桥从2011～2016年一直保持为Ⅴ类、劣Ⅴ类水质，这3个断面均为省考断面，3个断面总磷浓度变化趋势见图4.

图4 3条小流域省考断面总磷浓度变化趋势Fig.4 Annual variation trend of TP concentrations of the three provincial assessed Sections

根据《眉山市水污染防治目标责任书》，思蒙河口断面总磷浓度应于2019年达到0.3mg/L，醴泉河口断面总磷浓度应于2020年达到即0.3mg/L，毛河桥江桥断面应于2019年达0.33mg/L。从图3的变化趋势看出，这三个断面均不能满足水质目标要求。醴泉河口断面总磷浓度超标最严重，但近几年有好转趋势，相反，思蒙河口和桥江桥断面总磷浓度有升高趋势。

3 污染源调查

污染源调查包括对污染源排放去向(对应水环境功能区/控制子单元)和排放量、入河量的调查。从分析水体上下游关系入手，水陆并重，从水环境功能区水域～入河排污口～陆上汇流区域三个层次进行污染源、入河排污口、水域的对应关系调查，弄清影响水域水质的主要入河排污口和主要污染源。

3.1 控制子单元划分

以水环境功能区划为基础，通过入河排污口将水环境功能区和对应的陆上汇流区进行连接，按照输入响应关系，构成控制子单元[1]。本文将悦来渡口控制单元划分为3个控制分区，分别为岷江干流上段、岷江干流中段、岷江干流下段。再同时结合小流域和行政区划，将每个控制分区划分控制子单元，岷江上游区为1个控制子单元，岷江中游区划分为3个控制子单元，岷江下游区划分为4个控制子单元，见表2。控制子单元划分图见图5。

表2 悦来渡口断面控制子单元划分Tab.2 Control subunits division of Yuelaidukou section

图5 控制子单元划分图Fig.5 Map of control subunits division

通过选择适当的水质模型，建立基于控制子单元的污染物排放与水环境质量的输入响应关系，在一定的排污条件下，计算各控制子单元的水环境容量，并结合环境管理需求，确定排污削减量，以水质达标倒逼任务措施。

3.2 污染物入河量计算

以2015年为基准年，本研究通过实地调查、资料收集、资料填报的方式，计算出研究范围内各乡镇的工业污染源、城镇生活污水污染源、城镇生活垃圾污染源、城市面源污染源、规模化畜禽养殖污染源、农村生活污水污染源、散养畜禽污染源、水产养殖污染源、农村生活垃圾污染源及农业面源污染源共10种污染源的污染物排放量。然后根据《全国水环境容量核定技术指南》中的规定，结合流域情况选取各类污染源的入河系数，分析水陆响应单元的污染物陆上排放量的对应入河量。由于岷江悦来渡口控制单元内工业污染源，污水直排入河，入河系数取1。城镇生活污水污染源和规模化畜禽养殖污染源由于靠近河边，入河系数取0.8。畜禽散养污水、农村生活污水、水产养殖污水、农田面源和生活垃圾视实际情况分别取0.2、0.2、0.1、0.08和0.05[2]。由此计算出各控制子单元污染物入河量，见表3。

表3 悦来渡口断面各控制子单元总磷入河量统计表Tab.3 The TP pollution load of each subunit in Yuelaidukou section (t/a)

由表3可知，2015年，悦来渡口控制单元总磷入河量为429.29t。其中总磷排放最多的控制子单元是思蒙河东坡区-丹棱县片区控制子单元，每年排放90.31t总磷进入控制单元水体，占控制单元内总磷负荷总量的21.03%；其次是东坡区江西片区控制子单元，每年排放88.36t总磷进入控制单元水体，占控制单元内总磷负荷总量的20.58%；再次是毛河彭山县片区控制子单元和东坡区江东片区控制子单元。

根据以上4个控制子单元污染源入河量占比分析，各污染源入河量如表4所示。

表4 总磷入河量较大的4个控制子单元各污染源占比分析Tab.4 Proportion of pollution sources of four subunits which have higher TP load (t/a)

毛河彭山县片区控制子单元总磷排放主要来自于规模化畜禽养殖污染。东坡区江西片区控制子单元总磷排放主要来自于规模化畜禽养殖污染，其次是城镇生活污水污染和畜禽散养污染。东坡区江东片区控制子单元总磷排放主要来自于畜禽散养，其次是城镇生活污水。思蒙河东坡区-丹棱县片区子控制单元总磷排放主要来自于畜禽散养、其次是规模化畜禽养殖。

4 水体达标系统分析

4.1 环境容量计算

针对控制分区岷江眉山段特点，选取DHI-MIKE 11一维水质模型。通过控制方程的选择、有限体的离散以及动量方程和连续方程的耦合，模型可以很好的模拟流速、水位、污染物浓度的时空变化，即可模拟一段河道的流动，还可以模拟复杂区域的流动，还可以考虑到露滩等问题，比如支流汇流口、分叉流动等[3]。

4.1.1 模型方程

对影响水质的要素进行了合理概化，对于各种物理化学和生物作用过程对水质的影响，统一概化为综合衰减，并由综合衰减系数K表征。通过一系列合理的概化，建立了描述模拟河段水质的一维非恒定流数学模型。

c(x)|ζ=c1

c(t)|t=0=c0

式中，C为污染物浓度；D为扩散系数；ν为断面平均流速；K为综合衰减系数；S为源汇项；C1、C0分别为边界和初始浓度。

模型采用的 MIKE 11 软件系统中描述水质变化规律的对流扩散方程，采用完全时间和空间中心隐式差分格式进行离散，线性方程组的求解采用双重扫描算法，在流量节点和水位节点上都求解模拟变量。对流扩散方程采用了无条件稳定差分格式，同时为了减少三阶截断误差，引入一个校正项，使得带有梯度较大浓度前锋面的对流扩散问题得以求解。

4.1.2 初边界条件

水动力模型中计算域的边界包括入流边界，出流边界以及岸边界。一般在入流边界给定上游来量以及浓度值，在出流边界给定水位条件，在岸边界直接给定陆地边界条件。

岷江选择府河与金马河汇合口下游100m为上边界，悦来渡口作为下边界，上边界采用多年平均日流量过程，下边界采用悦来渡口多年平均日水位过程。中间主要支流毛河、醴泉河、思蒙河汇入，采用多年平均日流量过程。毛河选择谢家镇毛河上游为上边界，毛河汇入岷江口为下边界。上边界采用多年平均日流量过程，下边界采用毛河汇入岷江干流断面的多年平均日水位过程。醴泉河选择太平村醴泉河上游为上边界，醴泉河汇入岷江口为下边界。上边界采用多年平均日流量过程，下边界采用醴泉河汇入岷江干流断面的多年平均日水位过程。思蒙河选择中隆乡思蒙河上游为上边界，思蒙河汇入岷江口为下边界。上边界采用多年平均日流量过程，下边界采用思蒙河汇入岷江干流断面的多年平均日水位过程。模拟水质指标为总磷。水质模型概化示意图见图6。

图6 一维水动力水质模型河流概化示意图Fig.6 Schematic diagram of one-dimensional hydrodynamic water quality model

4.1.3 模型参数

4.1.3.1 河床糙率的选取

本文中参考了有关文献，该模型河床糙率在整个区域内取不同的值，河道曼宁系数内取1/30、1/20、1/20、1/25、1/25。

4.1.3.2 污染物质的衰减系数

污染物消减系数可用实测资料反推、水团追踪法、类比分析等得以确定。本计算参照地区相关论文资料，利用类比分析选取计算河流消减系数。

模型参数选取见表5。

采用岷江眉山段彭山大桥水文站2015年实测水文数据进行验证，2015年日均计算水位与实测水位的拟合结果较好。

4.2 总磷环境容量及削减规模计算

以2015年为基准年，根据各控制子单元水质目标计算水环境容量，结合污染负荷，可以理论上确定各控制子单元的削减量与削减比例，见表6。

表5 计算参数汇总Tab.5 Parameters of the model

表6 各控制子单元的总磷环境容量与削减比例汇总Tab.6 TP environment capacity and reduction proportion of each control subunit (t/a)

续表6

序号控制单元河流环境容量总磷污染负荷量54.77削减比例(%)273岷江环境容量86.22东坡区江东片区控制子单元污染负荷量99.59削减比例(%)134黑龙滩水库控制子单元黑龙滩水库环境容量47.67污染负荷量27.08削减比例-5思蒙河东坡区-丹棱县片区控制子单元思蒙河环境容量51.5污染负荷量90.31削减比例(%)436思蒙河青神县片区控制子单元思蒙河环境容量7.88污染负荷量11.98削减比例(%)34岷江环境容量2.51污染负荷量3.97削减比例(%)377青神县江东片区控制子单元岷江环境容量17.84污染负荷量25.54削减比例(%)308金牛河-岷江眉山下游片区控制子单元金牛河环境容量11.55污染负荷量12.94削减比例(%)11岷江环境容量13.05污染负荷量29.08削减比例(%)55

从表6可知，若总磷要达到“悦来渡口控制断面总磷≤0.32mg/L；思蒙河口断面总磷≤0.3mg/L；醴泉河口断面总磷实现IV类；桥江桥断面总磷≤0.33mg/L”的水质目标。在2015年的水质基础上，毛河彭山县片区控制子单元毛河需要削减总磷17%，岷江需要削减总磷17%；东坡区江西片区控制子单元和东坡区江东片区控制子单元醴泉河需要削减总磷27%，岷江需要削减总磷13%；黑龙滩水库控制子单元还有剩余环境容量，不需要削减；思蒙河东坡区-丹棱县片区控制子单元思蒙河需要削减总磷43%；思蒙河青神县片区控制子单元思蒙河需要削减总磷34%，岷江需要削减总磷37%；青神县江东片区控制子单元岷江需要削减总磷30%；金牛河-岷江眉山下游片区控制子单元金牛河需要削减总磷11%，岷江需要削减总磷55%。除了黑龙滩水库控制子单元外，其余的控制子单元都已经没有剩余环境容量。

5 结 论

5.1 岷江悦来渡口控制单元纳入国家考核的监测断面有1个，为悦来渡口断面；纳入省考核的监测断面有3个，分别是思蒙河口断面、醴泉河口断面、桥江桥断面。四个断面的水质目标分布为：悦来渡口断面于2020年底前实现“总磷≤0.32mg/L，其他指标为IV类”；岷江思蒙河口断面于2019年实现“总磷≤0.3mg/L，其他指标为Ⅲ类”；岷江醴泉河口断面于2020年实现“Ⅳ类”；岷江毛河桥江桥断面于2019年实现“总磷≤0.33mg/L，其他指标为Ⅳ类”。根据断面水质评价，悦来渡口断面从2011年至2015年一直保持为Ⅴ类水体，2016年改善为Ⅳ类，该断面主要污染因子为总磷。3个省考断面均为劣Ⅴ类，不能满足水质目标要求。醴泉河口断面总磷浓度超标最严重，但近几年有好转趋势，相反，思蒙河口和桥江桥断面总磷浓度有升高趋势[4]。

5.2 悦来渡口控制单元内总磷排放最多的控制子单元是思蒙河东坡区-丹棱县片区控制子单元，其次是东坡区江西片区控制子单元，然后是毛河彭山县片区控制子单元和东坡区江东片区控制子单元。总体看来，这几个控制子单元的总磷排放主要来自于规模化畜禽养殖污染、畜禽散养污染以及城镇生活污水污染。

5.3 以2015年为基准，根据各考核断面水质目标计算各控制子单元水环境容量，结合污染负荷，理论上确定各控制子单元总磷的削减量与削减比例。除了黑龙滩水库控制子单元外，其余的控制子单元都已经没有剩余环境容量[5]。4个控制子单元需要削减的比例较大，分别是思蒙河东坡区-丹棱县片区控制子单元、思蒙河青神县片区控制子单元、青神县江东片区控制子单元、金牛河-岷江眉山下游片区控制子单元。

5.4 眉山市岷江悦来渡口控制单元需要加强畜禽养殖污染治理和城镇生活污水治理，各控制子单元完成相应的削减目标，才能确保控制单元内4个考核断面达到相应的考核目标。