基于小流域降雨徑流面源污染物匯流過程探析

邱曉巍

(營口市老邊區(qū)水利事務(wù)中心， 遼寧 營口 115000)

0 引 言

水環(huán)境容量是研究和控制水污染物總量的基礎(chǔ)，同時也是研究流域水文特征的方式，在規(guī)范污染物排放和轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)上，將環(huán)境需求的管理和控制目標(biāo)結(jié)合起來，以此反映了人類社會對水環(huán)境研究的需求[1]。根據(jù)水環(huán)境容量的定義，水文條件、排污方式、水質(zhì)目標(biāo)和單位時間是制約水環(huán)境容量的重要因素，各因素在一定程度上對水環(huán)境容量的確定起著決定性的作用，水污染物的實施總量控制具有重要的實際意義，因而對水環(huán)境容量在不同約束條件下影響的研究具有重要的理論意義和實用價值。根據(jù)水環(huán)境污染物允許通量的定義，水質(zhì)目標(biāo)和單位時間是其重要的決定因素。由于污染物所在河流的水文條件是動態(tài)的，不同水文情景下的河流污染物通量也是不同的；由于不同河段水環(huán)境功能區(qū)的不同，不同水質(zhì)目標(biāo)的污染物允許通量也不同。水文條件和水質(zhì)目標(biāo)在許用通量計算中起著重要作用，直接影響水環(huán)境容量的計算。根據(jù)水環(huán)境容量參考(設(shè)置)水文條件，在實際水環(huán)境容量計算中，水文條件采用90% 保證率[2]。

在實地調(diào)查和建立水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析了流域水環(huán)境污染物的時空變化，研究了不同水文情景下的水環(huán)境污染物，得到了不同水文條件(水平年、水文周期和月份)下重要污染因子(COD、NH3-N)的允許通量，開發(fā)了基于GIS 的水環(huán)境容量總量控制決策支持系統(tǒng)，為實現(xiàn)水污染物總量控制指標(biāo)從定值到情景值、從年度控制到期間控制、月度控制以及可視化決策管理提供了重要的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 遼河流域環(huán)境流量

遼河流域缺水較為嚴(yán)重，降水分布及其不均勻，年際差異較大，空間由東向西遞減。該流域東部為山地，西部大多為丘陵外，其余部分均為平原，地勢相對平坦。遼河流域在水資源稟賦不高的情況下，通過建設(shè)大型水庫和閘壩工程，克服流域水資源嚴(yán)重時空分異的問題，為流域工業(yè)和城市提供穩(wěn)定的水源，有力地支持了流域工業(yè)化和城市化的發(fā)展進(jìn)程。通過實施水庫和閘壩的聯(lián)合運行調(diào)度，為遼河流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了大量的灌溉用水。流域水資源利用率為45.6% ，地表水利用率為48% ，農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)和城市用水利用率分別為65.7% 、18.3% 和11.2% 。另一方面，在有限的水資源總量情況下，閘壩聯(lián)合調(diào)度使流域成為高度調(diào)節(jié)的流域，流域水情發(fā)生了變化。流域內(nèi)的城市和工業(yè)基地相對集中在渾太河中下游，因此，渾太河中下游的水生生物不僅要承受上游用水引起的水文狀況變化的壓力，而且還要承受水化學(xué)壓力。遼河流域上游水源地的生態(tài)質(zhì)量基本良好，但下游水源地的生態(tài)質(zhì)量明顯下降，浮游植物由敏感種轉(zhuǎn)變?yōu)槟臀鄯N，魚類種類數(shù)量由上游向下游、由支流向主流、由水庫向河流減少。遼河流域中下游生態(tài)用水主要是生產(chǎn)用水和生活用水，城市和產(chǎn)業(yè)分布集中，灌溉農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)特點發(fā)達(dá)，水文情勢變化和水質(zhì)惡化引起的生境脅迫和水化學(xué)脅迫是該流域中下游河流生態(tài)退化的主要原因[3]。

由于遼河流域生態(tài)退化嚴(yán)重，但仍具有生態(tài)恢復(fù)的潛力。水庫閘壩聯(lián)合運行調(diào)度生產(chǎn)用水和生活用水占用生態(tài)用水創(chuàng)造了條件。但是，在明確了造成流域生態(tài)退化的主要原因并決定恢復(fù)流域生態(tài)系統(tǒng)之后，仍然有可能通過水庫的閘壩聯(lián)合運行，為壓縮生產(chǎn)和生活用水，并為生態(tài)環(huán)境騰出用水，通過水渠大壩的聯(lián)合運行，還提供了水渠的蓄水能力，并為魚類在冰期過冬提供棲息地[4]。

2 實 例

2.1 流域概況

2.1.1 地理位置

凡河是遼河流域的一條支流，發(fā)源于撫順清原滿族自治縣的白旗寨村，流經(jīng)白七寨鄉(xiāng)、雞官山等7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，泛河流域面積1180.5km2，河長102km，控制面積369km2，在凡河鎮(zhèn)窯王廟村匯入遼河，在凡目前承接經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和鐵嶺新區(qū)。流域水功能區(qū)為三類水質(zhì)。

2.1.2 地形地貌

海拔約200-600m，土地相對肥沃，地勢平坦，水資源產(chǎn)業(yè)較為豐富，為農(nóng)林副漁的發(fā)展提供了較強的條件。

2.1.3 水文特征

凡河大部分河段為平原河谷，河床一般為10.0-30.0 m，河床最寬為50.0 m，歷年最大洪峰流量為2390 m3/s，低水位流量為5.0 m3/s，河道比降一般在1.0-1.2 m之間。其上游森林覆蓋面積大，水源涵養(yǎng)條件好，榛子嶺水庫調(diào)度，樊河水文情況相對穩(wěn)定。

2.1.4 土壤與植被

凡河土地主要由黃黑土、棕黃土和河流淤泥土組成。土層厚度約30-60cm,有機質(zhì)含量在2.4-2.7之間，pH值6.1-7.6之間。植物群落復(fù)雜，垂直分布不明顯。植物群落由天然次生林和人工林組成，原始林遭到破壞后，大部分灌木種類為胡枝子、榛子、金銀花等。葡萄品種有山葡萄、五味子等。

2.1.5 社會經(jīng)濟(jì)

凡河流域包含5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，人口約為15萬人。民族有漢族、朝鮮族和滿族等，以漢族為主。

2.1.6 水質(zhì)狀況

凡流域水質(zhì)較好，由于沒有大型污染企業(yè)，總體情況較好。但由于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)比較發(fā)達(dá)，畜禽糞便產(chǎn)生的污水大部分未經(jīng)處理直接排放，對水環(huán)境造成很大影響；同時，在白旗寨地區(qū)，由于小型鐵礦、采石場數(shù)量相對較多，多種混合物的直接排放嚴(yán)重影響了水環(huán)境和周圍的生態(tài)環(huán)境。在可能的情況下，應(yīng)當(dāng)采取行政措施重新安置或者關(guān)閉，或者為當(dāng)?shù)氐男〈迩f建立污水處理設(shè)施。

凡河段的環(huán)境狀況是102公路大橋至橡膠壩范河1號橋，河道經(jīng)過疏浚和綜合整治，河里有少量的灌木和建筑垃圾。其中遼河入河口為河口灘，以沙為主。河水相對清澈，沒有懸浮物質(zhì)。河流的其余部分，大部分彎曲河道的自然形成，兩側(cè)沙坡塌陷，無植被，水土流失較嚴(yán)重，河道沿線村莊的非點源污染影響很大，生活垃圾、建筑垃圾、樹木、秸稈等的分布不均勻。

2.1.7 采樣點位

考慮實際情況，選取凡河下游近遼河干流處，受城市及工業(yè)影響小的合適位置。根據(jù)遙感影像分析結(jié)果，研究選取了遼河流經(jīng)鐵嶺天水河匯流口區(qū)域作為本次遼河流域典型小流域水生態(tài)降雨產(chǎn)流產(chǎn)污監(jiān)測的研究區(qū)域。

2.2 試驗方法

1)應(yīng)充分考慮河道水流入口和出口的數(shù)量和分布狀況、污染物排放、河道所在地形、水文和支流匯及水利工程，例如植被和土壤侵蝕對水質(zhì)及其均勻性的影響。

2)在監(jiān)測橫截面的條件下，為了客觀地反映區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量和污染物的分布及時空特征，在監(jiān)測樣本中盡可能少地使用最具代表性的樣本。

3)選擇河流直，河岸穩(wěn)定，水流穩(wěn)定，交通便利的區(qū)域。

4)盡量與水文斷面結(jié)合起來。

5)河流的采樣垂線布設(shè)需要滿足表1要求。

表1 河流采樣斷面布設(shè)

6)河流的采樣點布設(shè)需要滿足表2要求。

表2 采樣點位置布設(shè)

2.3 野外實驗過程

采樣選取凡河及其支流3個采樣斷面采取水質(zhì)樣本，分為雨前、雨中和雨后三個時間點。上游采樣點控制凡河流域面積為956km2，占凡河流域總面積的91%，其中，草地面積8.42km2、耕地面積658.33km2、建筑用地面積3.80km2、林地面積284.56km2、水域面積1.14km2。見表3。

表3 采樣點位坐標(biāo)

2.3.1 第一場降雨

采集的第一場降雨時間為2019年8月19日，此次降雨持續(xù)至8月20日，降水量27mm，其中19日降雨6mm、20日降雨21mm。水質(zhì)分析結(jié)果見表4所示。

表4 水質(zhì)分析結(jié)果

2.3.2 第二場降雨

采集的第二場降雨時間為2019年8月28日，此次降雨持續(xù)至8月29日，降水量16.5mm，其中28日降雨13mm、29日降雨3.5mm。水質(zhì)分析結(jié)果見表5所示。

表5 水質(zhì)分析結(jié)果

2.3.3 第三場降雨

采集的第三場降雨時間為2020年7月21日，此次降雨持續(xù)至7月22日，降水量23mm，其中21日降雨17mm、22日降雨6mm。水質(zhì)分析結(jié)果見表6所示。

表6 水質(zhì)分析結(jié)果

3 結(jié) 語

由于遼河流域水工程高度調(diào)控、水資源短缺、水污染嚴(yán)重、河流形態(tài)變化大，河流生態(tài)系統(tǒng)承受著棲息地、水化學(xué)等多重脅迫，導(dǎo)致該區(qū)域水生態(tài)的嚴(yán)重退化，在流域生態(tài)環(huán)境水權(quán)缺位的情況下，生產(chǎn)生活用水?dāng)D占生態(tài)環(huán)境用水以及由此引發(fā)的用水供水格局、利益格局、多重脅迫格局相對固化是造成流域生態(tài)退化的主因。環(huán)境排放保護(hù)是促進(jìn)遼河流域生態(tài)恢復(fù)的有力措施,遼河流域環(huán)境流量標(biāo)準(zhǔn)是落實環(huán)境流量管理的關(guān)鍵，其可實施性取決于是否能夠反映流域河流生態(tài)系統(tǒng)基本特征及生態(tài)脅迫特征。