晋城市丹河流域水环境特征及污染负荷来源解析

张 宇，赵新磊

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

0 引言

2019年，习近平总书记指出黄河流域生态保护和高质量发展是重大国家战略，持续巩固和改善黄河流域水环境质量将是沿黄各省区责任和使命。近年来，我国水环境治理研究已逐步转向“源头控制-过程阻断-末端治理”的全过程治理体系，在一系列强有力的水污染治理举措下，黄河流域水环境质量得到有效改善。但随着经济社会发展，流域内水环境超载衍生的环境效应逐步得到重视，单纯的水污染防治已不能解决水环境保护与经济社会发展的矛盾。因此从区域尺度结合当地产业结构分析流域水环境特征，识别水体主要污染物来源及空间分布情况，不仅对制定科学、合理的水环境保护措施具有重要意义，同时也将成为制定城市发展规划的重要依据。

1 研究背景及数据来源

1.1 研究区概况

丹河属黄河流域沁河水系，是沁河一级支流和最大的支流，是流经晋城市的第二大河流，丹河在山西省晋城市内流域面积2945km2，河流全长129km，丹河上游从源头到高平市的寺庄镇，中游从高平市寺庄镇到太行山脚下，下游从太行山脚下到最后注入沁河，河道平均纵坡6.8‰。由于其汇入口在河南省，在山西省境内丹河与沁河是两条独立的河系。丹河流域石灰岩广布，溶洞发育，断层较多，水量渗漏严重，上游在高平市境内除汛期外基本为干河，是严重的缺水地区。

近些年来，晋城市的水生态文明建设取得了显著成效，水资源保护得到有效加强，水生态环境明显改善。目前晋城市城镇及大中型公开企业均有污水处理设施，但现状部分污水处理厂已满负荷运行。同时，流域内污水处理厂现状执行《城镇污水处理厂污染物综合排放标准》，但其水质仍与地表水Ⅳ类标准相距较远，排入河道后会对河道水质达标造成较大的负面影响。此外，丹河流域沿河分布村落众多，大多数村镇农村生活污水未处理直接无序的排放，对河流水质造成污染。同时，丹河流域内面源污染防治尚未形成，生活垃圾直接倾倒溪沟、大量施用化肥农药等，造成严重的面源污染。

1.2 数据来源

晋城市丹河流域污染物入河量除污水处理厂外，还需考虑农田径流污染负荷、畜禽养殖污染排放、农村污水排放、农村生活垃圾等几个方面产生的面源污染入河量。其中农田径流污染负荷通过估算农田的化肥流失量得出；畜禽养殖污染排放根据昆明市现状存栏的畜禽养殖数量、粪便产生数量及污染物含量等统计得出，农村污水排放和农村生活垃圾产生的污染物入河根据农村人口数量和人均产生的生活污水和垃圾排放量推算得出。所需主要数据包括晋城市丹河流域耕地面积，牛、羊、猪等大小牲畜数量，农村人口数量，污水处理厂个数、实际排放量及排放浓度等。

本文采用的农村人口、耕地面积、种植结构、作物比例、畜禽养殖数量数据来源于《晋城市统计年鉴》，点源污染主要参考晋城市污水处理厂实际运行数据以及沿河工业园区排水口实际运行数据。

2 研究方法

2.1 污染物排放量

采用输入输出系统模型对城市污染源主要污染物COD氨氮、TP、TN排放量进行计算[4-7]，模型如下：

L=∑Ei×Ai+P

(1)

式中，L—污染物在区域总排放量，kg/a；Ei—污染物在该区域输出系数；i—区域中污染源类别；Ai—区域内的数量；P—降雨输入污染物总排放量。

本次针对晋城市丹河流域主要特点，考虑区域点源污染外，建立基于耕地面积、畜禽养殖、农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—区域点源污染排放量，kg/a；La—区域农田径流污染排放排放量；Ll—区域畜禽养殖污染排放量；Lp—区域农村生活污染排放量；KG—耕地面积，hm2；EG—耕地输出系数，kg/hm2；Ki—第i种牲畜数量，头(只)；Ei—第i种牲畜输出系数，kg/头；KP—农村人口数量；EP—农村人口输出系数。

2.2 污染程度分析

采用等标污染负荷指数法计算城市污染严重程度。公式如下：

Pij=Cij/Ci0

(6)

(7)

式中，Rij—第j种污染源中第i种污染物的等标污染指数；Pij—第j种污染源中第i种污染物的等标污染负荷总量，m3；W—水资源总量，Cij—第j种污染源中第i种污染物的年排放量，t；Ci0—第i种污染物的评价标准，mg/L。

3 结果与分析

3.1 污染负荷分析

3.1.1点源污染

根据调查统计，晋城市丹河流域现有入河排污口46个，其中高平市34个，泽州县12个。高平市现状34个排污口均已登记，其中主要分布在寺庄镇、马村镇。泽州县12个，主要分布在中巴公河。现状废污水入河量8484.48万t/a，污染物COD入河量2021.26t/a，氨氮入河量185.61t/a。见表1。

表1 晋城市丹河流域规模以上排污口污染物入河总量统计表 单位：t/a

3.1.2农村面源污染

采用输入输出模型计算晋城市丹河流域2019年主要污染源及不同污染物的贡献率，计算结果见表2。

表2 晋城市丹河流域面源污染入河量统计 单位：t

2019年晋城市丹河流域面源污染COD负荷为9079.6t，氨氮负荷为696.4t，总氮负荷为1880.6t，总磷负荷为1336.5t。从区域看，高平市与泽州县污染最为严重，其次是陵川县。从污染源看，以农田径流、畜禽养殖污染问题最为突出，两者之和占面源污染的90%以上。

3.1.3面源污染程度分析

根据等标污染负荷指数分析晋城市丹河流域各污染物污染程度，见表3。2019年丹河流域总磷等标污染物排放指数最大，并且以高平市最大，达到50.1，超过流域平均值的4倍。排放量最大的COD等标污染负荷指数最小，与污染物排放量排序截然不同，表明晋城市丹河流域总磷排放量虽小，但结合当地水资源条件，其污染严重程度较高，是流域重点防控对象。

表3 晋城市丹河流域等标污染负荷指数

3.2 污染物分布特征

3.2.1污染物空间分布特征

晋城市丹河流域污染物入河总量分别为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别为COD 9079.6t/a、NH3-N 696.4t/a、TN 1880.6t/a、TP 1336.5t/a。面源污染占区域污染物的80%，见表4。从空间分布上来看，污染物排放主要集中在农业种植为主的地区，其中高平市污染物占比最大，其次是泽州县，城区污染物占比最小。

表4 晋城市丹河流域污染物分布 单位：t/a

3.2.2污染物时间分布特征

根据环境保护监测站地表水环境监测结果，本次选取丹河干流任庄水库、东焦河水库、后寨3个断面进行分析。如图1所示。

图1 晋城市丹河流域年内水质监测结果

由水质监测结果可知，受上游农田径流及生活污水乱排的影响，丹河流域水环境治理呈现一定的年内波动，其中总氮全年维持在劣Ⅴ类水平，且4—6月份污染最为严重。COD、氨氮、总磷整体不超Ⅲ类水质标准，但个别月份水质较差，初步分析与作物生长期农业化肥施用量有一定相关关系。

3.2.3不同污染源污染负荷特征

丹河流域主要污染源为农田径流及畜禽养殖污染，如图2所示。由图可知，流域内总磷污染主要来自农田径流，总氮、氨氮及COD污染主要来自畜禽养殖，得出晋城市丹河流域各污染源不同污染物的贡献率，其中畜禽养殖COD、氨氮、总氮的贡献率最大，其次为农田径流；农田径流总氮贡献率最大，其次为畜禽养殖。面源污染COD、氨氮均占总量90以上。面源污染中，农田径流污染源总氮、总磷分别占69%和49%，农村污水COD、氨氮分别占43%和49%；畜禽养殖COD、氨氮分别占57%和51%。

图2 晋城市丹河流域污染负荷

3.3 污染分布成因分析

随着水资源保护力度不断加大，点源污染问题被有效控制，非点源污染引起的污染问题正在被逐渐关注。晋城市丹河流域主要污染源来自面源污染，占污染物排放总量的80%。根据污染物排放结果可以看出，晋城市丹河流域总氮排放量是总磷排放量的1.4倍，畜禽粪污综合利用率低于75%，规模养殖场粪污处理设施装备配套率低于全国93%水平。其中农田径流污染与畜禽养殖污染最为严重，与流域内主要产业结构关系密切。初步分析与以下原因有关：

(1)排污口综合整治初见成效，点源污染排放比例逐年减少

据统计，丹河流域点源污染排放占流域污染物总量的10%以内，现状污水处理厂均达到一级A标，2021年1月污水处理厂污染物排放将执行山西省《污水综合排放标准》，加严了化学需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)的控制指标，新增了总磷和全盐量指标，更能适应全省当前水环境治理的要求，点源污染将不再是区域环境治理主要威胁。

(2)农药化肥施用量偏高，与区域种植模式有关

目前，丹河流域面源污染防治尚未形成，垃圾直接倾倒溪沟、大量施用化肥农药等，造成严重的面源污染。据统计，流域内每亩耕地化肥施用59kg，高于8kg世界平均水平，化肥、农药使用量偏高，在用肥上存在重化肥轻有机肥现象，导致氮、磷养分随地表径流进入水体，面源污染负荷大。尤其是氮磷肥的施用，导致区域总磷污染严重。符合黄河流域农产品主产区面源污染排放主要特点。

(3)畜禽养殖业发达，后续配套废弃物处理设施不完善

流域内畜禽养殖业较为发达，尤其是高平市的规模化养殖，占晋城市丹河流域的50%，养殖业产生的粪便也是造成水污染的影响因素，是污染防控的重点对象。现状畜牧兽医主管部门备案并统一赋畜禽养殖代码的畜禽规模养殖场(小区)粪便无害化处理和资源化利用率较低，导致畜禽养殖污染较为严重。

4 结论

(1)本文以晋城市丹河流域为利，通过采用输入输出系统模型对丹河流域主要污染物进行分析计算，结果显示晋城市丹河流域污染物排放具有明显的空间聚集性，污染物排放主要集中在丹河中下游，巴公河等人口密集的区域及农业种植为主的地区。

(2)本文采用现状统计数据对区域水环境特征及污染负荷进行分析，探索了现状经济发展模式下晋城市丹河流域主要污染物排放特点，为晋城市丹河流域调整种植结构、产业布局，制定合理的水环境保护措施提供依据。本次研究尚未考虑区域水资源、水环境承载能力，在后续研究中应充分考虑区域水资源状况，结合水环境承载能力共同探讨区域经济社会发展布局。