遼河流域鐵嶺段水環境評價

那榮越

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，沈陽 110006)

0 引 言

水是生態之基、生產之要、生命之源，我國正重點解決生態退化、水質惡化、用水效率低下、河湖水空間占用、過度用水等一系列水問題。隨著社會經濟的發展和生態環境認識的提高，水環境污染與水資源短缺正逐漸成為制約社會經濟可持續發展的重要問題[1-2]。鐵嶺屬于中國典型的缺水地區，遼河承擔著重要的供水任務，而近年來因城鎮化和工業化的快速發展，流域內居民生活、養殖、種植、工業污水不斷排入河流，常年水質較差，水資源水環境壓力持續增大。目前，水資源與水環境問題已成為制約鐵嶺地區可持續發展的“瓶頸”。

對流域水環境污染情況開展科學合理的評價是提高流域水資源綜合利用效率、制定水污染治理方案的重要條件，對此國內外學者提出了諸多評價方法，如物元可拓法、模糊數學法、灰色關聯法、內梅羅水污染指數法等[3-6]，但在評價過程中這些方法大多未考慮水量對水環境的影響。2008年，Hoekstra等[7]學者最先提出了灰水足跡的概念，即以現有的環境水質標準和自然本地濃度為基準，吸收同化一定污染物負荷所需的淡水體積，該方法提供了一種新的水環境評價思路，即從水量的角度對比分析水資源量值與水污染程度，結合經濟社會相關指標還可實現動態評價。目前，國內外學者比較側重于省級、國家、全球等大尺度水環境評價，對流域等小尺度層面的灰水足跡研究相對較少，如黃萬霞等[8]定量預測了大伙房水庫上游流域的灰水足跡；張鑫等[9]從定量計算、定性分析的角度研究了汾河流域農業灰水足跡。然而以上研究僅考慮養殖業、農業等流域內的幾種污染源，而未核算居民生活、工業等污染源，并且核算過程中未采用統一的原則選取各項參數，從而導致核算結果缺少相互可比性，結果精準度較低。

文章以遼河流域鐵嶺段為例，通過核算研究區內種植業、禽畜養殖業、工業和居民生活污染的灰水足跡，評價分析了灰水足跡空間分布特征及其水環境狀況。本研究解決了以往的參數選擇不統一、污染核算不全面等灰水足跡評價中存在的問題，可為其它流域水污染治理與水環境評價提供一定借鑒。

1 區域概況

遼河屬于中國七大河流之一，橫跨河北、吉林、遼寧、內蒙古四省，全長1345km，總面積21.9km2，東、西遼河于鐵嶺市的福德店水文站上游匯合后始稱干流。從福德店入境至珠爾山出鐵嶺市稱為遼河干流鐵嶺段，河長170.1km，遼河主要有清河、招蘇臺河等支流。鐵嶺市屬于大陸性季風氣候區，季節性干濕交替特征明顯，日照豐富，雨熱同季，年均氣溫6.8℃，降水量524.5mm/a，其中汛期降水約占全年的60%，在地域上降水量呈西北少、東南多的分布特征，遼河屬鐵嶺地區工農業生產和經濟發展的重要水源，也是生態安全屏障區、水資源配置能源基地和戰略水源地，其賦存的巨大水資源可提供灌溉、供水、發電、航運等服務功能，支撐著鐵嶺地區的經濟社會可持續發展。

遼河干流上布設有珠爾山、沙寶臺、通江口水質監測斷面，清河和招蘇臺河兩大支流布設有八棵樹、開原、王寶慶水質監測斷面。調查顯示，重工業產業聚集區與食品加工企業為遼河干流主要工業污染源，市區生活污水與重工業產業聚集區的少量工業廢水經污水處理廠處理后排入遼河支流招蘇臺河，一般由企業自建食品加工污水處理設施，經處理后排入遼河干流。牛肉、豬、蛋雞、肉雞養殖為禽畜養殖主要污染源，禽畜養殖場的糞污清理方式大多為干清糞，少量養殖場采取了尿液簡單沉淀存儲海田、糞便堆發酵還田等措施，大多數養殖場都是直接由農戶拉走堆肥還田，基本未采取處理措施。城鄉居民生活污水排放是城鎮、農村主要生活污染源，除鐵嶺市區生活污水經污水廠處理后排入招蘇臺河外，其余的均為直接排放。果園與耕地種植實施的磷肥、氮肥所產生的流失為種植業主要污染源[10-13]。

2 研究方法

2.1 數據來源

流域灰水足跡準確核算的重要前提是全面收集流域污染數據，以遼河流經的10個典型城鎮污染數據作為本研究的基礎，相關數據來源，見表1。

表1 相關數據來源

2.2 灰水足跡核算法

流域內主要有種植業、禽畜養殖業、工業和居民生活污染等污染源，借鑒《水足跡評價手冊》推薦的方法核算以上4個方面的污染源[14]，其表達式為：

TGWF=PGWF+LGWF+IGWF+HGWF

(1)

式中：TGWF為總灰水足跡，m3；PGWF、LGWF、IGWF、HGWF為依次代表種植業、禽畜養殖業、居民生活污染和工業灰水足跡，m3。

2.2.1 種植業灰水足跡

種植過程中農藥、化肥的施工為種植業污染主要來源，農藥、化肥的合理使用能夠提高作物質量和產量，但施用過量時會引起氮磷的流失，所以總磷和總氮為種植業主要污染物，并且屬于流失過程不確定、時空分布范圍廣闊的面源污染，計算過程符合“短板原理”。文章結合《水足跡評價手冊》和曹連海等研究成果提出流域種植業灰水足跡核算方法，其表達式為：

(2)

最終，可以采用以下公式計算種植業灰水足跡PGWF，其表達式為：

PGWF=max(PGWFTP，PGWFTN)

(3)

式中：PGEFTP、PGEFTN為種植業污染中的總磷、總氮的灰水足跡，m3。

2.2.2 禽畜養殖業灰水足跡

禽畜糞尿排放中的污染物為造成禽畜養殖的主要污染源，結合流域內實際養殖情況，養牛場、養豬場和養雞場均采用干清糞工藝清理糞便，并對殘余糞便用少量水沖洗，養殖場大多未采取處理措施就直接排入河流，或者由農戶直接拉走堆肥還田。禽畜糞尿主要有TN、TP、CODCr等污染物，并且會有一定污水，借鑒《水足跡評價手冊》推薦的方法計算禽畜養殖業灰水足跡，其表達式為：

(4)

式中：IGWFi為禽畜養殖糞尿中污染物i的灰水足跡，m3；Wdli為禽畜養殖污水排放量，m3。另外，若考慮禽畜的出欄和存欄量會造成污染負荷量重復計算的問題[15]。針對不出欄或飼養周期為一年的蛋雞、奶牛和肉牛等家禽，利用年末存欄量進行計算，對于一年內能夠完成超過一次飼養周期的餓、生豬、肉雞等家禽，在污染物負荷核算時按照年末出欄數較年末村欄數進行計算，其表達式為：

Li=mtlnliλ

(5)

式中：m、tl為某種禽畜的飼養數量(羽或頭)及其飼養周期，d；nli為禽畜排泄物中某污染物的含量即禽畜養殖產物系數，g/頭·d；λ為禽畜糞尿水體流失率。禽畜養殖污水排放量Wdli利用以下計算公式確定，即Wdli=mωi，其中ωi為干糞工藝允許排水量標準值，m3/百頭·d-1。

最終，可以采用以下公式計算禽畜養殖業灰水足跡LGWF，其表達式為：

LGWF=max(LGWFTP,LGWFTN,LGWFCOD)

(6)

式中：LGEFTP、LGEFTN、LGEFCOD分別為禽畜養殖業中總磷、總氮、CODCr的灰水足跡，m3。

2.2.3 工業灰水足跡

工業污染是指工業生產過程中形成的污染負荷經處理或隨廢水直接排入水體而產生的污染，排入流域中的形式一般以點源污染為主，排放廢水同時包含TP、TN、NH3-N、CODCr等污染物質。依據“短板原理”，在考慮工業廢水排放量的情況下，由稀釋所需水量最大的污染物決定了工業灰水足跡，利用《水足跡手冊》推薦的方法計算工業灰水足跡，即：

(7)

式中：IGWFi、Wdi為工業廢水中污染物i的灰水足跡(m3)和工業廢水排放量(m3)；Li為污染物i的負荷量，m3。

最終采用以下公式計算工業灰水足跡IGWF，其表達式為：

IGWF=max(IGWFTN，IGWFNH3-N,IGWFCOD)

(8)

式中：IGEFTN、IGEFNH3-N、IGEFCOD分別為工業污染中總氮、氨氮、CODCr的灰水足跡，m3。

2.2.4 居民生活污染灰水足跡

農村與城鎮居民生活污水為居民生活污染主要來源，其中城鎮和農村生活污染分別為點源、面源污染，前者大多經污水常處理后排放，后者大多為直接排放。生活污水排放也包含各類污染物，所以可借鑒工業灰水足跡核算法確定居民生活污染灰水足跡，其表達式為：

(9)

式中：HGWFi、Wdi為生活污水中污染物i的灰水足跡(m3)和生活污水排放量(m3)。可利用下式確定污染物i的負荷量Li，即：

Li=Wdh×ni=(PnWpnnhiγ+PcWpcnhiγ)th

(10)

式中：nhi為污水中污染物i的濃度，以污水處理廠進水指標作為城鎮未處理的生活污水污染物指標，按照農村總磷3.2mg/L、城鎮總磷4.0mg/L、CODCr260mg/L、氨氮20mg/L估算；Pn、Pc為農村和城鎮區域人口數；Wpn、Wpc為農村最高日用水定額和城鎮平均綜合用水定額，L/人·d；th、γ為時間(d)和生活污水產生系數。

最終可利用以下公式計算居民生活污染灰水足跡HGWF，其表達式為：

HGWF=max(HGWFTP，HGWFNH3-N,HGWFCOD)

(11)

式中：HGEFTP、HGEFNH3-N、HGEFCOD分別為居民生活污染中總磷、氨氮、CODCr的灰水足跡，m3。

2.2.5 水環境可持續性

流域徑流剩余的納污能力和污染物負荷決定了維持流域水環境的可持續性，若水體所有的納污能力均被污染物所消耗，將會形成灰水足跡熱點地區。流域水環境可持續性評價指標選用《水足跡評價手冊》中的水污染程度(WPL)，即流域總納污能力中已消耗納污能力所占的比例，這是衡量污染程度的重要參數。流域納污能力全部被使用時的水污染程度達到100%，該條件下無法容納更多污染物，水質超標時的水污染程度達到100%以上。采用以下公式計算流域x在時間t內的水污染程度，即：

(12)

式中：WPL(x,t)為2019年遼河流域鐵嶺段水污染程度，%；Ract為流域實際徑流量，遼河流域鐵嶺段年均徑流量35 270萬m3；∑WFgrey(x,y)為2019年遼河流域鐵嶺段的灰水足跡，m3；t為時間，a。

2.3 灰水足跡核算參數

1)環境最大允許濃度Cmax。依據《地表水環境質量標準》[11]中Ⅲ類地表水的有關規定，總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、化學需氧量(CODCr)的最大允許排放值依次為1.0mg/L、0.2mg/L、1.0mg/L、20mg/L。遼河流域鐵嶺段水功能區劃為農業用水區和飲用水區，執行Ⅲ類以上地表水標準，因此環境最大允許濃度Cmax確定為Ⅲ類水允許最大污染物排放至。

2)環境中的本地濃度Cnat。遼河流域覆蓋范圍廣泛，年內污染物量值經常變化且選取的污染源種類復雜，一般難以直接獲取自然本底濃度數據，加之飲用水區，水量大、河流長且對水質要求較高。同時，考慮到研究成果的對比分析，借鑒《水足跡評價手冊》近似確定Cnat值為0。

3)肥料的流失系數αi。氮肥的流失方式一般有反硝化、揮發、滲漏和徑流等，而占比最大的為滲漏和徑流。磷肥的流失方式一般有淋溶、侵蝕和徑流等，而占比最大的為徑流，東北地區肥料徑流流失系數，見表2。

4)干糞凈化工藝允許排水量標準值ωi。禽畜養殖業干糞凈化工藝允許排放量標準值按《禽畜養殖業污染物排放標準》中的有關規定確定，干糞凈化工藝允許排水量，見表3。

表3 干糞凈化工藝允許排水量

5)禽畜糞尿水體流失率λ。禽畜糞便污染物水體流失率按照《全國規模化禽畜養殖業污染情況調查技術報告》確定，禽畜糞便污染物水體流失率，見表4。

表4 禽畜糞便污染物水體流失率 %

6)禽畜養殖產物系數nl。根據《全國規模化禽畜養殖業污染情況調查技術報告》和《禽畜養殖業源查排污系數手冊》確定我國東北區域的禽畜養殖產物系數，禽畜養殖產污系數，見表5。

表5 禽畜養殖產污系數 g/(頭·d)

7)禽畜飼養周期tl。通過實地調查分析，并考慮飼料類型、飼養品種等因素，按以下時間確定涉及禽畜飼養周期，即生豬、肉雞的飼養周期為150d和60d，蛋雞、奶牛、肉牛的飼養周期均為365d。

8)生活污水產生系數γ。根據遼河流域鐵嶺段城鄉居民生活實際情況，并結合《城市居民生活用水量標準》和《全國污染源普查城鎮生活源產排污系數手冊》確定農村和城鎮居民的生活污水產生系數為0.80、0.85。

9)農村最高日居民生活用水定額Wpn。農村地區的公共設施和建筑用水較少，但存在家庭小作坊、三用汽車拖拉機和居民散養家禽生產用水。根據《村鎮供水工程設計規范》遼河流域鐵嶺段屬于有少量衛生設施、有洗滌池的地區，結合城鎮農村生活污染源調查結果和最高日居民生活用水定額45-70L/(人·d)的范圍，本研究取Wpn值為60L/(人·d)。

10)城鎮平均日綜合生活用水定額Wpc。遼河流域鐵嶺段按《室外給水設計規范》屬于二區城市，結合城鎮農村生活污染源調查結果和平均日綜合生活用水定額110-180/(人·d)的范圍，鐵嶺市區的Wpc取180/(人·d)，其余鄉鎮Wpc取110/(人·d)。

3 水環境評價分析

3.1 灰水足跡的量值

3.1.1 居民生活污染灰水足跡

居民生活污染灰水足跡在很大程度上取決于人口數量，采用前文所述相關公式核算2019年遼河流域鐵嶺段10個鄉鎮城鄉居民的灰水足跡。以污染物TP、氨氮、COD核算的居民生活污染灰水足跡為5.917億m3、6.177億m3、3.950億m3，考慮到水體對各類污染物都有稀釋作用，因此以氨氮作為決定性污染物。以氨氮為污染物核算的城鄉居民生活污染灰水足跡量化值，氨氮污染物的居民生活污染灰水足跡，見表6。從表6可以看出，農村居民和城鎮居民的生活污染灰水足跡分別為1.185億m3、5.327億m3，城鎮約為農村的5倍，其中灰水足跡最高的鐵嶺縣城區的5.041億m3。

表6 氨氮污染物的居民生活污染灰水足跡

3.1.2 禽畜養殖業灰水足跡

采用文中所述相關公式核算2019年遼河流域鐵嶺段生豬、肉雞、蛋雞、奶牛、肉牛的灰水足跡。以污染物TP、TN、COD核算的禽畜養殖業灰水足跡為13.126億m3、9.881億m3、9.50億m3，考慮到水體對各類污染物都有稀釋作用，因此以TP作為決定性污染物。以TP為污染物核算的養殖業灰水足跡量化值，TP污染物的禽畜養殖業灰水足跡，見表7。從表7可以看出，大甸子鎮的禽畜養殖業灰水足跡高為2.548億m3；六類禽畜養殖中灰水足跡值最大的為肉雞，達到8.7095.327億m3，飼養方法、飼養數量等是影響各類禽畜灰數組織量值的主要因素。

表7 TP污染物的禽畜養殖業灰水足跡

3.1.3 工業灰水足跡

采用前文所述相關公式核算2019年遼河流域鐵嶺段25家大型企業的灰水足跡。以污染物TN、氨氮、COD核算的工業灰水足跡為0.274億m3、0.115億m3、0.042億m3，考慮到水體對各類污染物都有稀釋作用，因此以TN作為決定性污染物。以TN為污染物核算的各鄉鎮工業灰水足跡量化值，TN污染物的工業灰水足跡，見表8。從表8可以看出，遼河流域鐵嶺段各鄉鎮工業灰水足跡處于0-0.086億m3之間，李家臺鄉達到最大值的0.086億m3，由于昌圖鎮、八棵樹鎮、城東鄉沒有大型排污企業，所以核算結果為0，經核算工業灰水足跡為0.274億m3。

3.1.4 種植業灰水足跡

采用前文所述相關公式核算2019年遼河流域鐵嶺段經濟作物、園林水果、糧食作物3類種植業的灰水足跡。以污染物TN、TP核算的種植業灰水足跡為0.616億m3、9.712億m3，考慮到水體對各類污染物都有稀釋作用，因此以TN作為決定性污染物。以TN為污染物核算的種植業業灰水足跡量化值，TN污染物的種植業灰水足跡，見表9。從表9可以看出，遼河流域鐵嶺段3類種植業灰水足跡相差不大，其中經濟作物、園林水果和糧食作物的灰水足跡占比分別為22.92%、35.65%、41.43%。種植業灰水足跡較大的鄉鎮有昌圖鎮、大甸子鎮、李家臺鄉，三者達到4.716億m3。

表9 TN污染物的種植業灰水足跡

3.1.5 總灰水足跡

文章核算了2019年遼河流域鐵嶺段禽畜養殖業、種植業、居民生活污染和工業灰水足跡，選取TN、TP、氨氮、TN分別作為以上四類灰水足跡核算的決定性污染物，經加和運算確定總灰水足跡，遼河流域鐵嶺段灰水足跡量值，見表10。從表10可以看出，四類灰水足跡中養殖業達到最大值為13.124億m3，工業灰水足跡最小為0.274億m3。受居民生活污水灰水足跡影響鐵嶺縣城區屬遼河流域鐵嶺段灰水足跡最高的區域，其灰水足跡達到6.059億m3，其次為大甸子鎮、昌圖鎮、八寶鎮、李家臺相，相應的灰水足跡為4.230億m3、3.637億m3、3.386億m3、3.081億m3，禽畜養殖業為主要影響因素。

表10 遼河流域鐵嶺段灰水足跡量值

從空間分布上，總灰水足跡呈現出上游小于中下游的變化趨勢。其中，鐵嶺縣城區的灰水足跡最大達到6.059億m3，而上游城東鄉的灰水足跡僅有0.754億m3，并且禽畜養殖業、居民生活污染灰水足跡也表現出相似的分布規律，由此表明總灰水足跡受禽畜養殖業和居民生活污的影響較大。

3.2 流域水環境評價

綜上分析，氮磷元素為遼河流域鐵嶺段水環境的關鍵污染物，居民生活污染與種植業污染為氮元素主要來源，禽畜養殖業污染為磷元素主要來源，流域水環境受工業污染的影響較低。水環境污染最為嚴重的區域位于鐵嶺縣城區，其主要影響因素為居民生活污染；大甸子鎮、昌圖鎮、八寶鎮的水環境污染較為嚴重，主要與種植業、養殖業污染有關。采用流域水污染程度(WPL)指標和灰水足跡核算結果，利用公式(12)以整體流域為單元確定遼河流域鐵嶺段水污染程度為726.20%，表明流域水環境受污染比較嚴重，已明顯超過Ⅲ類地表水標準，僅僅依靠天然來水量難以實現流域水質的有效恢復，現有流域污染源甚至會進一步加劇水環境的惡化。

3.3 對策建議

為改善遼河流域水體環境，建議采取污水處理、科學養殖與種植、強化城鎮生活污水治理、推進禽畜養殖污染處理、控制種植業面源污染等措施，加強水環境保護，最大程度的減少灰水足跡，逐漸轉變水污染形勢。

4 結 論

1)灰水足跡量化結果。2019年遼河流域鐵嶺段總灰水足跡為28.875億m3，其中種植業、禽畜養殖業、居民生活污染和工業灰水足跡依次為9.300億m3、13.124億m3、6.177億m3、0.273億m3。鐵嶺縣城區的灰水足跡屬于超高水平，達到6.059億m3。從空間分布上，自上游至下游灰水足跡總體呈波動上升趨勢。

2)水污染程度分析。遼河流域鐵嶺段水污染程度為726.20%，表明已全部耗盡地表水納污能力，流域內產生的污染物現已無法全部吸收凈化。氮、磷污染為流域特征污染物，主要來源于居民生活污染、養殖業和種植業。流域灰水足跡較高主要受養殖業污染的影響，此外居民生活污染是引起鐵嶺縣城區灰水足跡超高水平的關鍵，種植業與養殖業是引起大甸子鎮、昌圖鎮、八寶鎮的水環境污染較為嚴重的主要原因。