農村河道水環境承載力評價模型研究

韓 磊，趙 盼

（1.天津市水務局，天津 300074；2.天津市海河管理處，天津 300141）

作為農村水體主要載體的農村河道生態環境遭受了極大破壞，且大大削減了農村河道的功能。城市河道水資源承載力、水環境承載力的研究已取得較多成果，而有關農村河道生態環境承載力的研究還處于起步階段[1，2]。

1 水環境承載力的研究方法

1.1 指標體系評價法

指標體系評價法根據各項評價指標的具體數值，應用統計方法或其他數學方法計算出綜合指數，實現對水環境承載力的評價。水環境承載力指數常用的計算方法有：向量模法、模糊綜合評價法和主成分分析法。

1.2 系統動力學方法

系統動力學方法從系統的內部要素和結構分析入手，通過一階微分方程組來反映系統各個模塊變量之間的因果反饋關系，進而建立系統動力學模型。系統動力學模型以現實存在為前提，通過改變系統的參數和結構，模擬不同發展方案下人口總量、經濟發展和承載力之間的動態變化。系統動力學方法從整體上定量描述人口、資源、環境和發展之間的關系，揭示水環境承載力的動態性[3]。該方法的優點在于處理高階次、非線性、多重反饋、復雜時變的系統問題[4]；而水環境承載力涉及社會、經濟、資源、環境等諸多要素，要素之間存在著相互影響、相互制約的動態聯系。因此，系統動力學方法適用于水環境承載力的評價與預測，并具有較強的可操作性，但不適于長期發展前提下的模擬。

2 農村河道水環境承載力評價模型的構建

農村河道水環境承載力評價模型的構建基于河道環境容量。通過對農村河道環境容量概念及內涵的分析，可以得出農村河道水環境承載力包括河道稀釋承載力和河道自凈承載力兩部分。

2.1 河道環境容量概念及內涵

環境容量概念最初由日本學者在1968年提出，目的是在環境質量管理中實施總量控制。在定義水環境容量時，目前還沒有一個明確統一的概念，比較具有代表性的說法是，在一定的環境目標下，某一水域能夠承擔的某種（類）污染物的最大允許負荷量，稱為該污染物在這一水域的水環境容量。按照污染物的降解機理，水環境容量可以劃分為稀釋容量和自凈容量兩部分。稀釋容量是指在給定水域的來水污染物濃度低于水質目標時，依靠稀釋作用達到水質目標所承納的污染物量。自凈容量是通過水體沉降、生化、吸附等物理、化學和生物作用，給定水域達到水質目標所能自凈的污染物量。因此，水環境容量往往是一組數值，是在分析稀釋容量與降解自凈容量的基礎上，不改變排污口位置和水質目標等情況下，確定的農村河道的水環境容量（E），如圖1所示。

圖1 水環境容量構成

2.2 農村河道水環境承載力計算模型

2.2.1 河道水環境承載力模型

計算河道水環境承載力的模型主要有根據河流段情況確定的零維模型、一維模型及二維模型，還有利用物質平衡原理計算復雜河流斷面的黑箱模型。

零維模型為：

式中：W為河流水環境容量（g/s）；Cs為計算河段水質保護目標值（mg/L）；Q為計算河段上游設計來水流量（m3/s）；C0為污染物背景濃度（mg/L）為計算河段接納的污廢水總量（m3/s）。

一維模型為：

式中：k為污染物自凈系數（1/d）；x為排污斷面距下游功能敏感斷面的距離（km）；u為平均流速（m/s）；其他符號意義同上。

二維模型為：

式中：h為河段平均水深（m）；Ez為橫向擴散系數（m2/s）；其他符號意義同上。

黑箱模型為：

式中：Q1、Q2為計算河段上、下游斷面的流量（m3/s）；C1、C2為計算河段上、下游斷面的污染物濃度（mg/L）；Ks為污染物綜合削減系數；其他符號意義同上。

通過推導和變換，得出水環境容量計算模型表達式：

由式（6）可以推出：

這些模型在計算河道水環境承載力方面都有其自身的特點，零維模型假定污水進入河流后瞬時完全混合，主要適用于點源。對于推算較長河流段及橫向擴散系數較大的河流，采用多維模型計算河流的水環境承載力。黑箱模型利用了物質平衡原理，主要運用在情況比較復雜的河流段計算河流水環境承載力。筆者計算農村河流生態環境承載力采用了河道水環境容量概念模型。

2.2.2 水環境容量概念模型

根據河道水環境容量的概念，可以建立農村河道水環境容量的表達式：

式中：E為河道水環境容量（t/d）；E稀釋為河道稀釋容量（t/d）；E自凈為河道自凈容量（t/d）。

2.2.3 河道稀釋容量（E稀釋）的計算

對于可降解的污染物質而言，在計算水環境容量時，C0值一般選取計算河段上游斷面實測污染物濃度的年平均值。如果河流污染嚴重，上游河段的污染嚴重影響下游河段的水質背景濃度，則選取上游河段的水質規劃目標值或天然情況下的河段背景值等。

基于排入污染物濃度與河道功能區段水質的差別，已知C0和Cs，可以將河道的稀釋容量表達為：

2.2.4 污染物綜合衰減系數（Ks）的計算

第一種為實測法。選取一個河道順直、水流穩定、中間無支流匯入、無排污口的河段，分別在河段上游（A點）和下游（B點）布設采樣點，監測污染物濃度，并測定斷面平均流速，綜合衰減系數（Ks）計算公式為：

式中：v為河道斷面平均流速（m/s）；x為上下斷面之間的距離（m）；CA為上斷面污染物濃度（mg/L）；CB為下斷面污染物濃度（mg/L）。

第二種為經驗公式法[5]，其計算公式為：式中：P為河床濕周（m）；懷特根據美國23個河系、36個河段資料多元回歸分析得到，參數α=10.3，γ=0.49，β=39.6，ξ=0.34；其他符號意義同上。

2.2.5 河道自凈容量（E自凈）的計算

自凈容量是給定水域通過水體沉降、生化、吸附等物理、化學和生物作用，達到水質目標所能自凈的污染物量。可以設定一個聚集各種降解作用的河道綜合衰減系數，則河道水環境自凈容量的表達式為：

式中：V為水體體積（L）；其他符號意義同上。

3 白馬鎮岔河水環境承載力評價

水環境承載力評價建立在水樣分析的基礎上，采用實時采集的水樣分析各種指標的實際值，利用前述農村河道水環境承載力評價模型進行評價。

3.1 取樣方法

對水樣進行監測分析，采樣的原則要求所取水樣必須具有代表性，能夠真實反映水體的質量。采樣時采集瓶或裝水容器必須事前洗干，以免雜質進入水樣中，影響水樣質量。采樣前，先用水樣洗滌容器2～3次。有些測定項目對時間、溫度的變化非常敏感，最好現場測定。

3.1.1 水樣采集

（1）采集表層水。用桶、瓶等容器直接采取，一般將容器沉至水下0.3～0.5 m處采集。

（2）采集深層水。將帶有重錘的具塞采樣器沉入水中，達到所需深度后（從拉伸的繩子標度上看出），拉伸瓶口塞子上連接的細繩，打開瓶塞，待水樣充滿后提出來。

3.1.2 水樣運輸

對采集的每一個水樣，都應做好記錄，并在采樣瓶上貼好標簽，運送到實驗室。

3.1.3 水樣保存

（1）冷藏或冷凍。其作用是抑制微生物活動，減慢物理揮發和化學反應速率。

（2）加入化學試劑。加入酸或堿調節pH，能使一些化學成分在水樣中保持穩定；加入生物抑制劑，可抑制微生物的氧化還原作用；加入氧化劑或還原劑，可使一些待測成分轉化為穩定的化學物質，而且不干擾以后的分析測定。

3.2 主要污染指標選取

試驗的取樣地點為白馬鎮岔河，岔河是新橋河上游白馬河的支流，位于白馬鎮東側，貫穿白馬鎮區。岔河匯水面積4.09 km2，穿越集鎮段長度1.17 km。岔河承擔著白馬鎮東半部近1 km2的生活、生產用水排放任務，河道兩岸鎮區的總體規劃為居民區，各種生活垃圾的排放導致水體污染日益嚴重。隨著白馬鎮三城九鎮建設的不斷推進，岔河已成為鎮區內河，逐步開展岔河整治，增添城鎮綠色景觀。因此，在對岔河進行功能區劃定位時，把白馬鎮岔河劃分為農業灌溉及一般景觀河道，其水體為國家地表水標準中的Ⅴ類水。根據當地主要污染物狀況，選取了5種污染指標分別為總磷（TP）、總氮（TN）、生物耗氧量（BOD）、化學需氧量（COD）及pH值。

3.3 污染指標分析

表1 5種主要污染指標在不同月份的測定值 mg/L

岔河水體中5種主要污染物隨月份變化狀況，如圖2-6所示。

3.3.1 水體取樣分析

水體取樣后，通過水質分析可以得到以下結論：①由圖2可以看出，白馬鎮岔河水體的pH值較穩定，季節變化起伏不大，主要位于7.8～8.1，水體呈弱堿性。②由圖3可以看出，白馬鎮岔河水體的TP最大值出現在春季（2008年4月15日測得），其值為0.32 mg/L，全年4個季度的均值為0.14 mg/L，達到了白馬鎮岔河作為農業灌溉用水及一般景觀用水的Ⅴ

分別用表格和柱狀圖的方式描述pH值、TP、TN、BOD、COD在4、8、10、12月4個月份里的變化狀況。

圖2 不同月份pH值變化

圖3 不同月份TP變化

圖4 不同月份TN變化

圖5 不同月份BOD變化

圖6 不同月份COD變化

5種主要污染指標在不同月份取樣試驗的測定值，見表1。類水標準，即TP＜0.2 mg/L。③由圖4可以看出，白馬鎮岔河水體的TN最大值出現在春季，其值為2.75 mg/L，全年4個季度的均值為2.43 mg/L，都超出了Ⅴ類水質TN的標準，即TN＞2 mg/L。④由圖5可以看出，白馬鎮岔河水體的BOD最大值為7.76 mg/L，出現在夏季，達到了農業灌溉用水及一般景觀用水的Ⅴ類水標準（BOD＜10 mg/L）。⑤由圖6可以看出，白馬鎮岔河水體的COD最大值為25.72 mg/L，出現在春季，于2008年4月15日測得，同樣達到了河道Ⅴ類水質的標準（COD＜40 mg/L）。

3.3.2 污染指標隨季節變化分析

對污染指標隨季節變化進行分析，可以得出以下結論：①7—8月，白馬鎮岔河處于汛期，降水多、徑流量大，各污染因子汛期的值分別為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）降水量減少，徑流量小，各污染因子在枯水期的平均值分別為TP 0.18 mg/L、TN2.34 mg/L、pH 值 8.0、BOD 7.44 mg/L、COD 24.74 mg/L。這說明汛期水的污染程度輕于非汛期，一個原因是降雨量增大了岔河水體的環境承載力，另一個原因是正值農作物生長旺盛期需要大量的N、P、K，從而在一定程度上減少了這些被沖入河道的污染物量，使得各項污染指標值都有不同程度的降低。②2008年4月15日測定的污染物指標都較其他時間偏高，尤其是TN的含量，原因是這個時節正是當地進行春耕春種的時刻，大量使用化肥，而只有較少部分真正為農作物生長所吸收，其余部分經地表徑流或地下水直接進入到岔河水體中，從而較大提高了TN的含量，對河水形成了嚴重污染。③秋、冬季節的水樣各項污染指標值介于春夏之間，原因是秋冬季節屬農作物生長淡季，化肥農藥使用大量減少，降雨減少，地表徑流引起污染物進入河道水體中的量也隨之降低，加上少部分水量蒸發的減少，相比春季不同程度地降低了污染物指標值，而相對于夏季少了降雨和農作物生長吸收。

3.4 岔河水環境承載力計算

3.4.1 選取TN為計算指標

根據試驗資料，相比于其他4個指標pH值、TP、BOD、COD，TN在春、夏、秋、冬各個時段內的測定值分別為2.75、1.52、2.3、1.97 mg/L，幾乎都接近或超過了Ⅴ類水TN的標準限值2 mg/L，而其他指標基本沒有超出Ⅴ類水標準限值，根據最大值原理，選擇TN作為白馬鎮岔河污染的代表指標值來計算河道水環境承載力。

3.4.2 造成TN污染嚴重的因素分析

結合白馬鎮岔河周邊的實際情況，經分析發現TN來源主要如下：

（1）生產大量使用化肥、農藥導致的污染[6]。首先，化肥、農藥的利用率只有30%～40%，其余大都進入到河道水體中，直接增加了水體中N的含量；其次，農藥和除草劑的使用可能引起水生生物中毒，水生生物中毒又直接影響了水體中N元素的降解，加劇了水體中的TN含量。

（2）養殖業污染[7]。據粗略統計，大量畜禽糞便僅有少部分被直接還田、為農作物生長綜合利用，大部分直接無組織的排放隨地表徑流進入河道水體，從而導致了岔河水質TN濃度增高。

（3）生活污染。岔河周邊缺少專門的固體廢棄物處理設施，絕大部分生活污水直接進入岔河中，這也是導致水體中TN增高的一個重要因素。

（4）農村污水處理水平低下。由于污水處理設施不完善，農村污水處理水平很低。甚至有一些鄉鎮企業生產廢水沒有經過污水達標處理，就直接排放到河水中，導致河水污染指標增高。

3.4.3 不同季節岔河水環境承載力計算

水環境承載力計算公式為：

將 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]。

再代入每個月份測得的C0，選取TN為代表指標進行計算，結果見表2及如圖7所示。

表2 TN為指標的不同月份的水環境承載力值

圖7 岔河不同月份TN的水環境承載力

由圖7可知，白馬鎮岔河對于TN的容納能力已不容樂觀，特別是在春季，河道對于TN的承載能力為-12.46 t。由此可見，岔河河道水體中的TN含量已經嚴重超出了Ⅴ類水標準，夏季由于降雨及農作物生長，岔河對于TN的承納能力還有一定的空間，其值15.70 t為全年的最高值；其次為冬季河道的納N能力，其值為5.40 t。岔河對于TN的吸納能力與河道內的TN含量基本上達到一種平衡，使得岔河對于TN的承納處于飽和狀態。

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