西北干旱區流域水污染特征與控制策略—以寧夏清水河流域為例

馬玉珅，朱翔，彭福全，龐晴晴，倪利曉，杜鵬

1.生態環境部南京環境科學研究所

2.河海大學環境學院

3.寧夏回族自治區生態環境廳

污染負荷估算可以明確流域污染狀況與特征，為治理流域污染、實現斷面水質達標以及制定相應減排策略提供基礎[1]。流域水環境容量反映了流域的最大污染負荷承載能力，可以幫助制定相應的減排目標[2-3]。流域污染負荷估算與水環境容量分析已成為國內外調查流域污染狀況的重要方法。如Yan等[4]估算了太湖北部區域的水環境容量，當以GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類水質為目標的情況下，總磷（TP）、化學需氧量（COD）和氨氮的污染負荷削減量分別為47%、-16%和24%；de Paula Filho等[5]首次引入人類活動排放因子與土地利用狀況估算氮、磷污染負荷，發現巴西東北部半干旱區Salgado河的氮負荷為16 621 t/a，磷負荷為3 211 t/a，氮、磷負荷來源以農田徑流和養殖業面源污染為主。同時，污染負荷與水環境容量的計算為環境管理措施的制定提供了科學依據。如Trang等[6]首次估算了越南譚江瀉湖在不同情境下的水環境容量，其中COD最大負荷為165 707 t/a，氨氮最大負荷為13 464 t/a，并結合該區域污染排放特點提出了新建沿海地區集中污水處理廠和分散污水處理設施等治污對策；Wang等[7]建立了博斯騰湖的水環境容量評價體系，計算結果表明博斯騰湖環境容量與納污量低，提出通過合理調蓄水量來提高環境容量。不同地區因氣候、產業結構和經濟水平等因素，水環境容量和污染負荷特征差異巨大，需要根據流域特征進行具體分析。

黃河流域生態保護于2019年作為重大國家戰略被提出后，黃河生態治理與高質量發展成為黃河流域發展的主要方向[8]。寧夏作為黃河上游的典型區域，其水質對于寧夏及其下游地區意義重大。近幾十年來，由于經濟發展和污染物排放量增加，加之地方治理能力不足，導致寧夏水環境污染加劇[9]，影響了區域高質量發展[10-12]。清水河是寧夏境內黃河最大的一級支流，流域沿岸以畜牧業為主的農業較發達，生活源污染問題突出，面源污染嚴重[13-15]。清水河流域已有的研究大多集中于水沙變化、生態水量和河水礦化等方面[16-17]，目前清水河流域污染負荷、水環境容量估算等基礎研究較為鮮見，不利于流域水環境問題的深入分析與精準解決。另外，西北干旱區流域氣候、產業特征等與其他地區差異很大，流域污染特征需要進行專門的研究。因此，筆者以污染負荷、污染來源、污染特征和水環境容量等均不明晰的清水河流域為例，通過調查和模型估算得到了清水河流域2018年的污染負荷與來源，利用水質一維模型計算了流域水環境容量，并將流域根據地市分為不同控制單元，研究各單元污染負荷情況，最后針對性給出適合不同控制單元的污染綜合治理措施，以期為制定清水河流域污染負荷削減方案，提升大流域水生態環境管理水平提供科學依據，同時也為黃河流域生態保護提供參考。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區、控制單元及監測斷面

1.1.1 研究區概況

清水河是寧夏境內黃河最大的一級支流，發源于固原市原州區六盤山東北麓黑刺溝，由南向北縱貫寧夏南部山區和中部干旱帶，于中寧縣泉眼山入黃河。流域面積為14 481 km2，其中，寧夏境內流域面積13 511 km2，占寧夏全區面積的20%。干流總長320 km，流經固原市、吳忠市和中衛市共3市7縣（區）（圖1）。清水河多年平均徑流量為2.02億m3，占寧夏入黃河天然徑流量的85%。

圖 1 清水河流域概況、斷面與控制單元分布Fig.1 General situation and section and control unit distribution of Qingshui River basin

1.1.2 控制單元劃分

根據《寧夏水污染防治工作方案》與水功能區劃，流域可劃分為3個控制單元：1）固原控制單元。位于清水河流域最南部，為清水河的源頭與上游河段。全長81 km，流域面積為2 075 km2，包括固原市原州區與西吉縣，為清水河流域面積最小的控制單元。2018年總人口為78萬人，其中原州區為人口最多的區（縣），控制單元內工業以紡織、農產品加工產業為主，產值占比達27.9%。2）中衛控制單元。位于清水河流域西部，為清水河中下游河段。全長181.09 km，流域面積為7 627.25 km2，主要包括中衛市中寧縣、海原縣和沙坡頭區，為清水河流域面積最大的控制單元。2018年總人口為116萬人，產業結構以旅游業為主。3）吳忠控制單元。全長94.5 km，流域面積為2 978.3 km2，包括紅寺堡區和同心縣。2018年總人口為54萬人，區域禽畜養殖產業發達。

1.1.3 監測斷面與水質目標

清水河流域有1個省控斷面（二十里鋪斷面），2個國控斷面（三營、泉眼山斷面）。二十里鋪斷面為清水河源頭斷面，位于固原市原州區以南，斷面水質目標為GB 3838—2002 Ⅱ類；三營斷面為清水河流域由固原段進入中衛段的邊界斷面，斷面水質目標為Ⅳ類；泉眼山斷面為清水河與黃河的交匯斷面，斷面水質目標為Ⅲ類。

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源

清水河流域省控和國控斷面COD、氨氮和TP濃度來自2015—2018年的《全國地表水水質月報》和實地采樣監測數據。其中，二十里鋪斷面數據時段包括2015—2017年、2018年1—9月；三營斷面數據時段包括2015年 1—8月、11—12月，2016年 1—6月、11月，2017年 3—6月、9—12月，2018年全年；泉眼山斷面數據時段包括2015—2017年、2018年1—11月。工業污染源資料和清水河流域各地市人口數據來自《2019寧夏統計年鑒》。

1.2.2 水環境容量計算

本研究范圍為清水河流域而非單一河段，部分河段雖有大型河段的特點，但對于整個流域，從計算精度而言仍符合一維河道特點，一維穩態模型適用于河道寬度與水深較河道長度可以忽略的河流，因此水環境容量計算選取一維模型計算，計算公式參照文獻[18]。

模型計算選取的綜合降解系數（k）分別為0.2、0.3和0.1 d-1[19-20]。清水河流域豐水期（7—9月）、平水期（3—6月、10月）、枯水期（11月—次年2月）和特枯水期（極端氣候下的11月—次年2月）的流量（Q0）分別為 0.48、0.23、0.14、0.06 m3/s，固原控制單元與吳忠控制單元污水排放量（q）為0.07 m3/s，中衛控制單元污水排放量為0.33 m3/s[13]。

1.2.3 污染物排放量與入河量計算

1.2.3.1 城鎮生活源

城鎮與農村生活源污染物來自清水河流經的固原、中衛與吳忠3個控制單元。各控制單元人均污染物排放量見表1。

表 1 各控制單元人均污染物排放量Table 1 Per capita pollutant discharges of each control unit g/(人· d)

城鎮生活源污染物入河量計算方法如下：

式中：WC1為城鎮生活源污染物排放量，t/a；Wp1為城鎮人均生活源污染物排放量，t/(人· d)；n1為控制單元城鎮人口數量，人；WC為城鎮生活源污染物入河量，t/a；m為城鎮污水收集率，%； β1為城鎮污水處理廠污染負荷削減率，均按照88%計； β2為城鎮生活源污染物未收集部分的入河系數，取0.90。

1.2.3.2 農村生活源

農村生活源污染物入河量計算方法如下：

式中：WA1為農村生活源污染物排放量，t/a；Wp2為農村人均生活源污染物排放量，t/(人· d)；n2為各控制單元農村人口數量，人；由于寧夏冬季（12月—次年2月）基本無入河徑流產生，不計農村生活源污染物入河量，因此1 a的計算時間取275 d；WA為農村生活源污染物入河量，t/a； β3為農村生活源污染物入河系數，由于西北地區農村生活污水幾乎沒有分散收集措施，整體入河系數取0.35。入河系數、污染負荷削減率等的取值參照《污染源普查產排污系數手冊（上）》[21]。

工業源污染物入河量計算方法如下：

式中：WG為工業污染物入河量，t/a；WG1為工業污染物排放量，t/a； θ1污水處理廠處理的工業污染物量，t/a；β4為工業污染物入河系數，取值參照《污染源普查產排污系數手冊（上）》[21]。

1.2.3.4 農業源

畜禽養殖污染物排放量與入河量計算方法如下：

式中：WL為畜禽養殖污染物入河量，t/a； δ1為畜禽個體日產糞量，t/(d·頭)；T為飼養期，d；NL為畜禽的飼養數量，頭； α4為畜禽糞中污染物平均含量，kg/t； δ2為畜禽個體日產尿量，t/(d·頭)； α5為畜禽尿中污染物平均含量，kg/t；WL1為畜禽養殖污染物排放量，t/a； β5為畜禽養殖污染物入河系數。

標準農田污染物排放量與入河量按以下方法測算：

在進行新課前，學生已掌握了借貸記賬法的基本知識，本課的教法為任務驅動法，學法為自主探究法、小組合作法。教學目標設計為：知識目標為理解會計分錄的概念以及種類，明確會計分錄的三要素；能力目標是能夠熟練地對經濟業務進行分析；德育目標為感受小組合作學習的樂趣。

式中：WF1為標準農田污染物排放量，t/a；WF為標準農田污染物入河量，t/a；M為標準農田面積，hm2； α3為標準農田排污系數； β6為標準農田污染物入河系數；γ1為修正系數。

水產養殖污染物排放量與入河量按以下方法測算：

式中：WY1為水產養殖污染物排放量，t/a；SY為年養殖面積，hm2；β7為水產養殖單位面積污染物排放量，t/hm2；WY為 水產養殖污染物入河量，t/a； β8為水產養殖污染物入河系數。

農業源相關系統的取值均參照《污染源普查產排污系數手冊（上）》[21]。

2 結果與分析

2.1 流域水質特征

2015—2018年，二十里鋪斷面COD、氨氮和TP可達Ⅱ類水質標準，這是由于其位于清水河流域上游源頭段，人類活動影響小，天然水質良好。2015—2018年清水河流域三營與泉眼山國控斷面水質變化見圖2。由圖2可知，三營斷面COD和氨氮污染較為嚴重，2016—2017年COD和氨氮遠超Ⅳ類水質標準，COD超標0.125～6.150倍，氨氮超標0.18～15.50倍；雖然2017—2018年水質有所提高，但仍無法穩定達到Ⅳ類水質標準。2015—2018年，泉眼山斷面TP可以穩定達到Ⅲ類水質標準，但2017—2018年，氨氮和COD無法穩定達到Ⅲ類水質標準，在個別月份出現超標現象。

圖 2 2015—2018年三營與泉眼山國控斷面水質變化Fig.2 Water quality changes in Sanying and Quanyanshan national control sections from 2015 to 2018

2.2 流域水環境容量

西北地區降水季節分配極其不均，且年蒸發量大，豐、平、枯水期區別明顯。清水河流域在極端降水與氣候條件下，河道幾乎斷流，流量較枯水期更小，因此額外添加特枯水期計算極端條件下的水環境容量[13,22]。計算得到清水河流域豐、平、枯、特枯4個水期的水環境容量見表2。由表2可知，清水河流域COD、氨氮與TP水環境容量分別為592.83～1 238.25、51.99～193.60 和 5.02～12.85 t/a，豐水期與特枯水期的水環境容量差異較大，豐水期水環境容量為枯水期的2倍左右，這是由于降水量與水量分配不均，降水多集中于夏季，在枯水期甚至出現斷流現象[23]。與一維模型計算的張家口永定河[24]（COD、氨氮和TP分別為16 264.4、789.15和183.64 t/a）和承德灤河[25]（COD、氨氮和TP分別為5 203.61、505.71和72.92 t/a）水環境容量相比，清水河TP水環境容量極低，COD和氨氮水環境容量偏低。這主要是因為清水河流域蒸發量極高，最高可達降水量的10倍，造成豐水期水量不及同處半干旱區的其他流域；而在枯水期幾乎沒有降水，也沒有其他有效補水方式，枯水期的水生態環境更加脆弱；加上流域部分地區不同程度地受到工業、揚水灌區農業生產以及人類生活排放影響，流域水環境容量偏低[26-27]。

2.3 污染負荷與來源解析

2.3.1 固原控制單元

固原控制單元2018年污染負荷排放量與入河量如表3所示。由表3可知，固原控制單元COD、氨氮和TP排放量分別為 27 278.05、2 734.62和1 104.33 t/a，COD、氨氮和TP的排放來源均以禽畜養殖為主，分別占各自排放量的46.4%、48.5%和84.0%。COD、氨氮和TP入河量分別為6 318.82、456.96和128.34 t/a，其中COD入河量以工業源與農村生活源為主，分別占46.0%和20.5%；氨氮入河量以農村生活源和城鎮生活源為主，分別占35.4%和22.7%；TP入河量以禽畜養殖為主，占71.7%。

表 2 清水河流域不同水期水環境容量Table 2 Water environmental capacity of Qingshui River Basin in different water periods t/a

表 3 固原控制單元污染負荷排放量與入河量Table 3 Pollution load discharge and river inflow of Guyuan control unit t/a

固原控制單元近兩年工業發展較快，農產品加工、紡織等產業快速發展，原州區工業增加值增長速度高達46%，造成其來自工業源的COD污染負荷高，導致三營斷面COD污染嚴重。農村生活源造成的COD和氨氮入河量高主要是因為固原市原州區與西吉縣農村人口較城鎮人口多，加上農村地區生活污水處理率低，面源污染截留控制工程少，導致農村生活源污染負荷入河量高[28]。清水河三營斷面氨氮不穩定達標也與城鎮生活源污染負荷占比高有關。固原控制單元城鎮居民生活污水收集與處理能力不強，2018年城鎮污水收集率不到60%，污水收集率較低。TP污染負荷入河量主要來自禽畜養殖，禽畜養殖產業是固原市最具優勢的地方性產業，以規模化養殖和農民廣泛散養相結合為主，規模化養殖污水得到了處理，但農民散養污水均以直排為主，因此產生的TP污染負荷較高。

2.3.2 中衛控制單元

中衛控制單元2018年污染負荷排放量與入河量如表4所示。由表4可知，中衛控制單元COD、氨氮和TP排放量分別為2 7 459.00、3 345.11和1 612.93 t/a。禽畜養殖與農村生活源是COD的主要排放來源，分別占42.6%和36.7%；氨氮的主要排放來源為農村生活源與禽畜養殖，分別占38.6%和37.1%；TP排放量以禽畜養殖為主，占82.0%。COD、氨氮和TP入河量分別為6 738.45、868.88和218.12 t/a，COD入河量以農村生活源與城鎮生活源為主，分別占39.2%和31.7%；氨氮入河量也以農村生活源和城鎮生活源為主，分別占39.0%和31.6%；TP入河量以禽畜養殖為主，占61.0%。

中衛控制單元城鎮生活源造成的COD和氨氮污染負荷入河量占比較高，對比城鎮生活源污染物排放量與入河量，可以發現中衛控制單元城鎮生活源污染負荷入河率較高。這是由于中衛控制單元2018年城鎮人口數較高，且每年接收大量旅游人口，使生活源污染負荷排放量大；其次，由于該控制單元城鎮生活污水納管率有待提升，污水處理廠亟待擴容與提標改造，造成城鎮生活源污染負荷高。已有研究表明，中衛控制單元的TP污染負荷入河量大于130 t/a，入河污染負荷高，且禽畜養殖是入河污染負荷的主要來源之一，占37%[29]，這與本研究的結論相似。

2.3.3 吳忠控制單元

吳忠控制單元2018年污染負荷排放量與入河量如表5所示。由表5可知，吳忠控制單元COD、氨氮和TP排放量分別為15 899.27、2 009.99和1 116.47 t/a。禽畜養殖是COD的主要排放來源，占42.5%；禽畜養殖和農村生活源是氨氮的主要排放來源，分別占38.6%和36.8%；TP排放量以禽畜養殖為主，占比為84.6%。COD、氨氮和TP入河量分別為1 124.87、344.38和128.60 t/a，其中，COD和TP入河量主要來自禽畜養殖，分別占各自入河總量的84%和73%；氨氮入河量則主要來自農村生活源，占比為56.3%。

表 4 中衛控制單元污染負荷排放量與入河量Table 4 Pollution load discharge and river inflow of Zhongwei control unit t/a

表 5 吳忠控制單元污染負荷排放量與入河量Table 5 Pollution load discharge and river inflow of Wuzhong control unit t/a

吳忠控制單元的COD和TP污染負荷入河量受禽畜養殖的影響最大。邱小琮等[2]的研究也發現吳忠市禽畜養殖造成的入河污染負荷占比高達30%，為TP的最主要污染源。分析其原因，可能是因為清水河吳忠段包含屠宰市場和1家規模化運營養殖場，養殖與屠宰產生的廢水收集率不高，處理設施建設不完善。氨氮入河量受農村生活源影響較大，這與該控制單元城鎮化率較低、農村人口多有關。

2.3.4 各控制單元比較

2018年各控制單元單位面積污染負荷排放量與入河量如表6所示。由表6可知，固原控制單元流域面積雖小，但其COD、氨氮和TP污染負荷總入河量（6 318.82、456.96和 128.34 t/a）在流域內僅略低于中衛控制單元（6 738.45、868.88 和 218.12 t/a），因此，其COD、氨氮和TP的單位面積污染負荷入河量為各控制單元中最高（3.04、0.22和0.06 t/km2）。中衛控制單元雖然污染負荷總入河量高，但其COD、氨氮與TP單位面積污染負荷入河量在流域各控制單元中較低（0.88、0.11 和 0.03 t/km2），尤其是 TP 單位面積污染負荷入河量為流域最低。吳忠控制單元COD、氨氮和TP污染負荷總入河量為流域最低（1 124.87、344.38和 128.60 t/a），但其 COD、氨氮與TP單位面積污染負荷入河量（0.87、0.11和0.04 t/km2）與中衛控制單元相當，且顯著低于固原控制單元。

表 6 各控制單元單位面積污染負荷排放量與入河量Table 6 Pollution load discharge and river inflow per unit area of each control section t/km2

造成各控制單元總污染負荷與單位面積污染負荷差異的主要原因：1）中衛控制單元與固原控制單元污染負荷入河量相當，但中衛控制單元面積約是固原控制單元的4倍，造成單位面積污染負荷差異大；2）清水河流域3個控制單元的人口密度不同，固原控制單元為212人/km2，遠高于中衛控制單元和吳忠控制單元的77和90人/km2，固原控制單元人與水環境的矛盾突出；3）中衛控制單元以旅游產業為主，產業結構造成其單位面積污染負荷較低。

3 基于斷面水質改善的污染控制措施

3.1 各控制單元污染負荷應削減量

將各控制單元污染負荷入河量進行合計，得到2018年清水河流域COD、氨氮和TP污染負荷入河量為15 661.10、1 670.20和784.50 t/a，污染負荷入河量分別是平水期水環境容量（COD為940.57 t/a，氨氮為114.64 t/a，TP 為 8.81 t/a）的 16、14和 89倍。可見，清水河流域需要削減污染負荷入河量。各控制單元污染負荷應削減量見表7。

表 7 各控制單元水污染負荷應削減量Table 7 Required water pollution load reduction amount in each control section t/a

3.2 各控制單元污染治理措施

固原控制單元位于清水河源頭，河流流量較小，水環境容量較小，但其各污染物負荷均較高，應削減量較大，是清水河流域污染治理的重點控制單元。針對固原控制單元COD污染負荷以工業源和農村生活源為主，氨氮污染負荷受到農村和城鎮生活源影響大，TP污染負荷以禽畜養殖為主的特點，建議加強工業企業污水回收與利用管理，提高城鎮污水納管率和農村污水分散收集處理率。同時，地方政府可以通過“出戶入園”政策減少農戶家庭養殖，逐漸形成集中化管理。

中衛控制單元是清水河流域面積最大，污染負荷最高的單元，以旅游為主的產業結構要求其污染負荷持續降低。針對中衛控制單元城鎮與農村生活源是COD和氨氮污染負荷入河主要來源的特點，建議建立污水管網排查和周期性檢測制度，補齊城鎮污水收集管網短板，加強農村地區分散污水處理設施建設。除此之外，加強污水處理廠的尾水深度凈化能力，在流域重點河段和污水處理廠尾水排污口設置人工濕地，以保障尾水達標。

針對吳忠控制單元COD和TP污染負荷入河量主要來自禽畜養殖，氨氮污染負荷入河量主要來自農村生活源的特點，建議重點在規模化畜禽養殖場推行干清糞工藝，并及時對糞污進行收集、貯存，鼓勵規模化養殖場采取糞肥還田、制取沼氣、生產有機肥等方式進行資源化利用。同時，完善農村污水收集管網、集中治理設施建設與農村改廁有效銜接。

4 結論

（1）2015—2018年清水河源頭二十里鋪斷面水質可穩定達Ⅱ類，上游三營斷面雖總體水質穩步提升，但COD和氨氮濃度仍較高，無法穩定達到Ⅳ類水質，下游入黃河泉眼山斷面水質可達到Ⅲ類，但COD存在超標風險。

（2）清水河流域平水期水環境容量COD、氨氮和TP分別為940.57、114.64和8.81 t/a，豐水期分別為1 238.25、193.60和12.85 t/a。2018年清水河流域COD、氨氮和TP污染負荷入河量分別為15 661.10、1 670.20和784.50 t/a，污染負荷入河量遠高于水環境容量。

（3）清水河流域不同控制單元污染特征存在差異：固原控制單元單位面積污染負荷最高，工業源污染與城鎮生活源污染問題突出；中衛控制單元總污染負荷入河量最高，城鎮生活源污染問題較嚴重；吳忠控制單元TP單位面積污染負荷偏高，禽畜養殖污染問題較大。

（4）結合各控制單元的污染特征、水質目標提出有針對性的污染治理措施。固原控制單元應加強工業污水收集、處理與回用，同時要提高城鎮污水收集與處理能力；中衛控制單元應重點關注城鎮管網、污水處理廠建設與改造，提高深度凈化能力；吳忠控制單元應在規模化養殖場推行禽畜糞便集中處理、回用設施。