眉山市彭山区毛河流域水质和水环境容量分析

李 白 刘守根 杨长林

（眉山市彭山生态环境监测站 四川眉山 620860）

引言

毛河，是岷江主要支流之一，发源于成都市新津区永商镇，流经眉山市彭山区公义镇、谢家街道、凤鸣街道和东坡区太和镇，于太和镇狮子湾村汇入岷江。由于岷江彭东交界断面的水质，在一定程度上受毛河水质的影响，因此毛河流域水质也是四川省、眉山市、彭山区政府和人民群众关注的重点。

近年来，研究毛河水质及周边污染源情况的文献较少。杨柳[1]等对毛河流域的治理方案进行了探讨，并建立一维稳态模型模拟了COD、BOD、氨氮、溶解氧四项参数，但由于该研究时间较早（2014 年），且并未模拟TP（总磷）参数，因此，并不适用毛河流域的现状分析；李绍义[2]等分析了毛河流域畜禽污染治理措施；周玉醴[3]等针对毛河流域的地下水调节进行了分析和计算。因此，分析毛河流域水质时空变化情况，建立适合毛河流域现状的水量水质计算模型，特别是总磷的参数模型，对于毛河流域污染防治和毛河稳定达标有着重要意义。

1 毛河流域基本情况

彭山区境内毛河干流始于原保胜乡连桥村，流向自西北向东南，最后汇入岷江。根据《眉山市市级水功能区区划》（2018 年），毛河分为四个水功能区，各水功能区信息见表1。

表1 毛河水功能区划信息表

2 毛河省控断面近年来水质变化情况

2018 年1 月－2021 年6 月，毛河桥江桥省考断面水质数据按《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准进行评价[4]。从水质监测结果来看，2020 年以来，毛河桥江桥断面水质总体基本能达到Ⅲ类水标准，但个别月总磷有超标现象，总磷浓度已控制在0.30 mg/L 以下，可稳定达到IV 类水质标准。按各水质因子年均值情况分析，总磷在2018－2019 年均超标，于2020 年勉强达标，2021 年可达标。从时间上分析，桥江桥断面水质呈逐年改善趋势，仅总磷浓度仍不能稳定达标。其中2018 年各月总磷均超标，2019 年1－10 月均超标，2020 年1、4、5 月超标，2021 年5、6 月超标，可见总磷超标情况已有较大改善，因此桥江桥断面水质能否稳定达标的重点在于总磷能否稳定达标。本文选取毛河干流重点断面分析毛河各断面总磷浓度变化情况。

图1 2018-2021年桥江桥断面TP浓度变化情况图

3 毛河干流主要断面水质变化情况

目前毛河干流各监测断面水质达标率较低，总磷不能稳定达标。从空间分布上看，毛河上游起点至谢家街道邓庙村段水质达标率较低，总磷超标现象多，这由于上游流量较小，河流稀释、自净能力弱，从毛河谢家街道段开始水质达标率有所提升，而经凤鸣街道出彭山境后，总磷浓度有所升高，可见凤鸣集镇对桥江桥断面污染物的贡献占一定比重。从时间上分析，毛河干流各断面水质均呈逐年改善趋势，并且从2018 年至今改善状况明显。

表2 毛河干流断面水质信息表

4 毛河流域水环境数学模型的建立

4.1 水量模型基本方程

水量计算的微分方程是建立在动量和质量守恒定律基础上的圣维南方程组，以流量Q（x,t）和水位Z（x,t）为未知变量，并充分考虑了漫滩和旁侧入流的完全形式，圣维南方程组如下[5][6][7]。

其中：Q 为流量；x 为沿水流方向空间坐标；BW为调蓄宽度，指包括滩地在内的全部河宽；Z 为水位；t 为时间坐标；q 为旁侧入流流量，入流为正，出流为负；u为断面平均流速；g 为重力加速度；A 为主槽过水断面面积；B 为主流断面宽度；n 为糙率；R 为水力半径。

4.2 水质模型基本方程

河网对流传输移动问题的基本方程表达如下。

其中：Q、Z 是流量及水位；A 是河道面积；Ex 是纵向分散系数；C 是水流输送的物质浓度；Ω 是河道叉点—节点的水面面积；j 是节点编号；I 是与节点j 相联接的河道编号；Sc 是与输送物质浓度有关的衰减项，Sc＝KdAC；Kd是衰减因子；S 是外部的源或汇项。对时间项采用向前差分，对流项采用上风格式，扩散项采用中心差分格式。

5 模型参数率定

5.1 水动力参数率定

采用建立的毛河流域河网水环境模型计算得到桥江桥省考断面的流量，与同步监测水文数据进行比对，并结合流域内水动力特征，对模型水动力情势进行率定，率定得到毛河水环境数学模型水动力参数糙率为0.033-0.035。

5.2 水质参数率定

将模型计算得到总磷浓度值与2020 年桥江桥水质数据进行比较，计算值与实测值相对误差见表3，率定结果见图2。计算值与实测值的误差在正常范围内。率定得到总磷降解系数为0.06-0.08 d-1。

表3 模型水质率定结果表

图2 总磷模拟值监测值对比图

6 水环境容量概念及计算方法

依据毛河水质边界条件，在设计水文条件下，满足桥江桥考核断面及干流水功能区边界断面水质达标要求的入水体最大允许排放量，即为基于桥江桥省考断面水质达标的水环境容量。

对于区域水环境容量的分析，取不利水文设计条件，边界水质取现状监测的不利值，利用所建立的毛河河网水环境数学模型，采用分段累加法进行计算，每一个计算段上边界水质值采用上一段水质计算结果。计算得出桥江桥断面及各水功能区边界断面平均水质达标时各概化排口的允许排污量，由此相加即为区域水环境容量。

6.1 水文条件

根据具有长序列降雨资料的彭山雨量站2001-2020 年共二十年的年降水量资料进行频率分析，选取2009 年为典型年，计算90%保证率下径流量，并结合通济堰引水量、各重要节点分流比，作为设计水文条件。

6.2 水质边界条件

毛河及通济堰东干渠、西干渠水质边界取近三年监测平均值。

6.3 水质降解参数

水质降解参数是反映污染物沿程变化的综合系数，它体现了污染物自身的变化，也体现了环境对污染物的影响，是计算水体纳污能力与水环境承载力的重要参数之一。取总磷降解系数为0.06-0.08 d-1。

表4 毛河干流水环境容量表

7 毛河主要污染物来源分析

7.1 管网溢流期污染源分析

利用建立的毛河河网模型对管网溢流期典型案例——2020 年5 月的毛河水环境进行模拟，通过调整彭山城区污染源排口及其它排口排放量、排放浓度、入河系数，模拟在管网溢流期各污染源对毛河桥江桥断面水质的影响。再计算得到不同类型污染源对毛河桥江桥断面的月污染物贡献通量及各污染因子影响权重见表5 及图3。

表5 2020年5月各类污染源对桥江桥断面水质影响权重结果表

图3 2020年5月各类污染物对毛河桥江桥断面影响情况图

根据模拟计算结果分析可知，彭山城区污染源对毛河桥江桥断面水质的影响权重占主导地位，其中COD、氨氮及总磷分别占60.7%、58.4%及47.4%，通济堰灌区污染源对毛河桥江桥断面COD 及氨氮的影响处于较低水平，但对TP 的影响权重高达25.6%，显著高于COD 及氨氮的影响水平，其它污染源对毛河桥江桥断面水质的影响较高于通济堰灌区污染源，并且其3 种污染因子的影响权重大致处于同等水平。从影响权重结果分析，管网溢流期受夏季降雨影响，毛河下游城区管网发生溢流，污水接管率大幅度降低，大量污染溢流至毛河，并且初期降雨还带来大量面源污染，最终导致毛河桥江桥断面水质恶化。

7.2 农田退水期污染源分析

利用建立的毛河河网模型对农田排水期典型案例——2021 年6 月的毛河水环境进行模拟。通过调整彭山城区污染源排口、通济堰灌区污染源排口及其它排口排放量、排放浓度、入河系数，模拟在农田排水期各污染源对毛河桥江桥断面水质的影响。再计算得到不同类型污染源对毛河桥江桥断面水质的月污染物贡献通量及各污染因子影响权重见表6 及图4。

图4 2021年6月各类型污染物对毛河桥江桥断面影响情况图

表6 2021年6月各类污染源对毛河桥江桥断面水质影响权重结果表

根据模拟计算结果分析可知，2021 年6 月通济堰灌区农田排水期间，毛河干流下游流量明显增大，但彭山城区污染源对毛河桥江桥断面水质的影响权重仍占主导地位，其中COD、氨氮及总磷分别占59.6%、57.7%及40.7%，但通济堰灌区污染源TP 排放量对毛河桥江桥断面的影响权重有显著提高，占37.0%，其它污染源对毛河桥江桥断面水质的影响较为稳定。

2021 年农田排水期间，通济堰灌区农田内因施肥而产生的富营养化废水通过灌溉渠系汇流至梁河，导致梁河TP 浓度激增，汇入湄洲河后同步引起湄洲河观音桥断面TP 浓度骤升，高达0.28 mg/L。可见农田排水期退水污染对毛河桥江桥断面的水质有较大的不利影响。

8 结论

文中通过毛河不同时段、不同断面的水质变化情况，分析了毛河水质的变化规律,结合毛河汇水区域范围、断面水质情况，建立水量水质模型，计算出了毛河水环境容量，主要结论如下。

（1）目前毛河干流各监测断面水质达标率较低，总磷不能稳定达标。从空间分布上看，毛河上游起点至谢家街道邓庙村段水质达标率较低，总磷超标现象多，这是由于上游流量较小，河流稀释、自净能力弱；从毛河谢家街道段开始水质达标率有所提升，而经凤鸣街道出彭山境后，总磷浓度有所升高，可见凤鸣集镇对桥江桥断面污染物的贡献占一定比重。从时间上分析，毛河干流各断面水质均呈逐年改善趋势，并且从2018年至今改善状况明显。（2）采用建立的毛河流域河网水环境模型计算得到桥江桥省考断面的流量，与同步监测水文数据进行比对，并结合流域内水动力特征，对模型水动力情势进行率定，率定得到毛河水环境数学模型水动力参数糙率为0.033-0.035，总磷降解系数为0.06-0.08 d-1。（3）目前，毛河流域水环境容量为24.4t/a。（4）管网溢流期彭山城区污染源对桥江桥断面水质的影响权重占主导地位，管网溢流期受夏季降雨影响，毛河下游城区管网发生溢流，污水接管率大幅度降低，大量污染溢流至毛河，并且初期降雨还带来大量面源污染，最终导致桥江桥断面水质恶化。（5）农田排水期通济堰灌区农田排水期间，毛河干流下游流量明显增大，彭山城区污染源对桥江桥断面水质的影响权重仍占主导地位，通济堰灌区污染源TP 排放量对桥江桥断面的影响权重有显著提高。农田排水期退水污染对桥江桥断面的水质有较大的不利影响。

结语

本文通过毛河不同时段、不同断面的水质变化情况，分析了毛河水质的时空变化规律。结合毛河汇水区域范围、断面水质情况，建立水量水质模型，计算出毛河水环境容量，对毛河流域污染防治和毛河水质稳定达标有着重要指导作用。