黃河小浪底至花園口(小花段)非點源污染研究*

李海華，張榮開，李遠航，蘇彩麗

(華北水利水電大學環境與市政工程學院，河南 鄭州 450046)

在地表水污染中，點源污染相對較為固定，主要來自城鎮生活污水和工業廢水，目前已得到較好的控制[1]。而非點源污染往往具有分散性、隨機性、隱秘性和累積性等特點，因此對其難以監測和量化，防控和治理難度較大[2]，已成為影響水環境質量的重要污染源[3]。通過估算地表水的非點源污染負荷來調查水污染狀況，對地表水污染防治的規劃和管理至關重要。非點源污染負荷的估算方法主要分為三類：經驗統計模型(如SPARROW)；集總式模型(如GLEAMS)；分布式與半分布式模型(如SWAT和HSPF)等[4]。國內也出現了很多便于應用的非點源污染負荷估算方法，如輸出系數法[5]、水文估算法[6]、潛在非點源污染指數法[7]、平均濃度法[8]、污染負荷當量法[9]和降雨量差值法[10]等。水文估算法已經在多個地區應用于分割點源污染與非點源污染，應用較為廣泛[11]。

黃河小浪底至花園口段(簡稱小花段)地處黃河中下游的交接地帶，流域內農業發達，為了研究黃河流域小花段的非點源污染情況，本研究采用基于水文分割法的污染負荷估算模型，分析了黃河干流和支流非點源的污染負荷及貢獻比重，以期為區域水污染控制規劃的制定提供科學依據。

1 區域概況

黃河流域小花段西起小浪底水庫，東至鄭州市花園口黃河大橋，全長133.3 km，其間有伊洛河和沁河兩大支流匯入，流域面積約3.55萬 km2。區域土地利用類型以農業耕地為主，占比約39.1%，為主要的土地利用類型，主要分布在沿黃兩岸和支流中下游(圖1)。

圖1 小花段流域土地利用類型及監測點位

2 研究方法

2.1 估算模型的建立

一般認為非點源污染主要由洪水期地表徑流引起的，而枯水期的水質污染主要由點源污染引起[11]。點源污染負荷由于排放量相對穩定，根據河流的水文特點可由河川基流(枯水期徑流)推求，非點源負荷可根據洪水期地表徑流推求，因此流域的總污染負荷WT可表示為：

(1)

式中:t為時間；Cp(t) 為t時刻點源污染物質量濃度；Cnp(t)為t時刻非點源污染物質量濃度；Qp(t)為河川基流量；Qnp(t)為地表徑流量；WT為河流污染總負荷。

根據流量和濃度的同步監測資料對公式 (1) 進行離散化處理。首先將無明顯地表徑流的枯水期河流徑流量作為河川基流量，再采用水文學中的水平線分割法將洪水期徑流量分為洪水期地表徑流量和河川基流量，將式(1)改為：

(2)

式(2)中的WT可由監測斷面的水質、流量數據直接求出:

(3)

其中點源污染負荷Wp與非點源污染負荷Wnp可分別表示為：

(4)

Wnp=WT-Wp

(5)

式中:Ci為第i次監測的污染物濃度；Qi為第i次監測的流量；Δt為第i次監測所代表的時間段；Cp為枯水期濃度(采用12、1、2月的加權平均濃度)；Qp為枯水期流量(采用枯水期最小月均流量)。

2.2 數據來源

為分析黃河流域小花段的水質狀況及水體主要污染物的污染負荷，選取4個水文水質監測斷面，黃河干流為小浪底和花園口，支流為伊洛河七里鋪和沁河渠首(圖2)。水質數據來自國控水質監測站的每月監測數據，月均流量數據由水利部黃河水利委員會公布的2017-2021年的每日流量計算得出。

圖2 監測斷面的月均流量變化(2017-1至2021-12)

2.3 基流流量的確定

四個斷面近五年的流量變化見圖2，選取每年枯水期中的最枯月為河川基流量進行水平水文分割，得到四個斷面每年的基流量和地表徑流量，如表1所示。

表1 不同監測斷面的年基流量和地表徑流量

3 結果與討論

3.1 黃河小花段水質特征分析

圖3 黃河流域小花段的污染物濃度變化趨勢

各污染物濃度與月均流量的相關性分析見表2。由表2可知，各斷面各污染物濃度與流量的相關性較小，說明污染物濃度的變化主要受污染物來源及轉化過程的影響，流量增加引起的混合稀釋對其影響較小。

表2 污染物濃度與流量的相關系數

3.2 非點源污染負荷分析

根據圖1，選取流量相對較為穩定的2018至2020年進行計算，各斷面的計算結果如表3所示。

表3 各斷面的污染負荷及貢獻率

續表3

由表3可知，花園口CODMn和TP的總污染負荷分別為110709.06～118152.16 噸/年和3116.20～5425.96 噸/年，均高于同期上游的小浪底斷面。不考慮CODMn和TP的降解、沉降等損失，以三年的均值計，花園口斷面CODMn和TP總負荷比上游小浪底斷面分別增加19568.40噸/年和2503.81噸/年，增加量一部分來自匯入的兩條支流，匯入量分別為CODMn5682.30噸/年，TP 148.26噸/年，僅占總負荷增加量的29.04%和5.92%，其它污染負荷主要來自黃河小花段的非點源污染。由兩個斷面的非點源污染負荷值對比分析可知，花園口非點源污染負荷分別增加了CODMn19491.85噸/年，TP 1320.57噸/年，占總負荷增加量的99.61%和52.74%，由此可知，黃河小花段的非點源污染貢獻量大，對于黃河下一步的治理管控至關重要。

4 結 論

(2)黃河干流花園口斷面CODMn和TP的總污染負荷比上游的小浪底斷面平均高 19568.4噸/年和2503.81噸/年，增加量主要來自黃河小花段的非點源污染，非點源污染占增加量的比值分別為99.61%和52.74%，沿黃流域農業非點源污染是其主要來源。