摘要：為了改善巢湖水質，選取巢湖流域典型農村小流域——石茨河流域作為研究對象，在對該流域進行水文和水污染分析的基礎上，構建HSPF流域模型對其負荷和水質進行計算，根據(jù)確立的污染分配原則對負荷進行削減，以滿足考核斷面水質達標要求，并計算得到石茨河流域最大日負荷總量（TMDL），同時提出流域水質管理建議。結果表明，石茨河干流各水質指標（COD、NH3-N與TP）均超出考核標準（地表水Ⅲ類標準）；流域污染源中點源除明確排口管控外，還需重點關注鎮(zhèn)區(qū)難以收集的散排點源，面源需重點關注集鎮(zhèn)、村莊、工業(yè)用地與稻田等地塊單元。經(jīng)計算，在滿足石茨河考核斷面水質達到地表水Ⅲ類標準時，COD、NH3-N與TP允許排放的污染物量分別為1196.31、30.25、2.43kg/d；同時，從空間和時間角度提出分區(qū)和分階段管理模式，以實現(xiàn)水質穩(wěn)定達標。
劉田欣，碩士，助理工程師，主要研究方向為水環(huán)境模型模擬與流域TMDL管理。
巢湖是全國五大淡水湖之一，近年來受地形、降水、江湖關系和人類活動等影響，巢湖流域水旱災害、水質污染、岸線崩塌、河道淤積、水系萎縮、濕地消失、生態(tài)退化等問題較為突出，是全國水污染重點防治的湖泊之一。匯入巢湖的河流有33條，各河道水質情況對巢湖水環(huán)境狀況有著直接且重要的影響。由于河道污染時空分布不均，且大部分河流流經(jīng)區(qū)域為農業(yè)農村區(qū)，因此削減入湖污染物，加強沿湖農村小流域的水質管理，是改善巢湖水質的重要任務之一。由于巢湖流域水體交換頻繁，河道之間存在相互影響、相互作用，導致該地區(qū)水質管理難度大，單純的濃度控制和點源控制難以使水質達標。因此，建立有效的水質管理模式是河網(wǎng)地區(qū)水質改善的關鍵環(huán)節(jié)。最大日負荷總量（Total Maximum Daily Loads，TMDL）水質管理模式是一種比較成功的水質管理模式，已在美國各地廣泛開展應用，為改善水環(huán)境質量作出了重要貢獻。TMDL研究往往以流域為單元，以模型為工具，由于巢湖地區(qū)農村小流域受非點源污染影響較大，因此選擇HSPF（Hydrologic Simulate Program-FORTRAN）模型，該模型集水文、水力、水質模擬于一體，能對透水地面、不透水地面及河流水庫的水文和水質過程進行模擬，對流域非點源污染的模擬效果尤其突出。選取巢湖流域農村小流域——石茨河流域為研究對象，基于HSPF模型開展流域COD、NH3-N與TP允許排放量研究，并基于TMDL提出該流域水質管理對策，以期為環(huán)境管理部門進行水污染控制和流域水環(huán)境管理提供依據(jù)。石茨河為巢湖南岸支流，南北流向。上游為干流與武山支渠交口處以南，中游為干流與武山支渠交口以北至支流南大圩排洪溝入口處，下游為支流南大圩排洪溝入口以北至巢湖入口處。區(qū)域位置圖和水系分布見圖1。流域面積約32.47km2，干流長約7km。流域屬于亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，降雨多集中在夏季。多年平均降水量1 032 mm，最大年降雨量1450mm，最小年降雨量630mm，汛期（6月— 9月）降水量一般占全年的60%。流域地勢西南高東北低，地面高程為1.7~221.9m。上游東側與西南側主要為山區(qū)和林地，坡度較大；中游為丘陵區(qū)過渡帶和槐林鎮(zhèn)建成區(qū)；下游為圩區(qū)，坡度平緩。
圖1 石茨河流域地理位置及水系分布
基于《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010—2017）中土地利用類型定義及模型需求，對石茨河流域土地利用類型進行分類，共劃分為12種，分別為稻田、藕塘、旱地、園地、林地、草地、裸地、工業(yè)用地、集鎮(zhèn)、村莊、交通用地和水域。各土地利用類型具體分布見圖2。流域范圍內上游為低山區(qū)與農業(yè)區(qū)，土地利用類型以林地與稻田為主；中間過渡區(qū)，以居民聚集區(qū)與農田為主，土地利用類型主要為集鎮(zhèn)、村莊與稻田；下游為圩區(qū)，主要土地利用類型為稻田。
圖2 石茨河流域土地利用劃分
為系統(tǒng)梳理流域產匯流傳輸關系和污染物輸移路徑，根據(jù)DEM和高清影像數(shù)據(jù)，借助ArcGIS工具分析石茨河自然匯流過程，并通過踏勘調研驗證核實，將石茨河流域劃分為41個子匯水區(qū)，并梳理出陸域-水體之間的拓撲聯(lián)系。TMDL定義為在水體水質滿足水質標準的基礎上，水體能夠容納的某污染物的最大日負荷量，定義公式如下：
式中：WLA為點源允許排放的污染負荷量；LA為非點源允許排放的污染負荷量；MOS為安全余量。TMDL管理模式根據(jù)一個流域的水環(huán)境現(xiàn)狀和自凈能力，考慮社會經(jīng)濟發(fā)展水平，科學合理地提出不同時期的水環(huán)境目標，依據(jù)目標計算出研究范圍所允許的各類污染物的最大排放量，通過對污染源治理能力的經(jīng)濟與技術可行性分析和排污控制方案優(yōu)選，將各總量指標分配至各區(qū)域內的點源和非點源，進一步提出有效的工程或非工程措施實現(xiàn)負荷削減，從而實現(xiàn)階段性水環(huán)境目標的一種水環(huán)境管理理念。本研究是在對石茨河河道、沿河點源與重點非點源水質監(jiān)測成果進行分析、得出污染源類型及地理位置的基礎上，建立石茨河流域模型，定量計算出點源與非點源的現(xiàn)狀負荷量及TMDL值，進而依據(jù)TMDL結果提出石茨河流域水環(huán)境管理建議。采用HSPF流域模型。HSPF模型是由美國國家環(huán)境保護局開發(fā)，用于較大流域范圍內的水文水質過程的連續(xù)模擬。HSPF模型是集水量和水質連續(xù)模擬為一體的模型。它以氣象數(shù)據(jù)、土地利用狀態(tài)、土壤特點和植被覆蓋情況作為基本輸入資料，模擬流域內的水、顆粒物及其他物質隨時間的變化情況。通過HSPF模型可以了解從地表經(jīng)過不同土壤層到地下水的傳輸狀況，模擬河道內水量及水質的變化，計算各土地利用地塊入河負荷量。
3.1 河道水體現(xiàn)狀水質分析
為了解石茨河流域污染特征、鎖定污染區(qū)域，在河道上游至下游設置了H1~H6共6個河道監(jiān)測點位，監(jiān)測點位設置原則見表1，具體位置見圖3。
表1 河道監(jiān)測點位設置原則
圖3 石茨河河道考核斷面及監(jiān)測點位分布
2021年4月—6月對這6個點位的水質分別進行晴天及雨天密集采樣監(jiān)測，以COD、NH3-N和TP為主要評價指標，監(jiān)測結果如表2所示。
表2 各監(jiān)測點位晴雨天水質指標濃度范圍
mg·L-1
根據(jù)降雨情況將這批監(jiān)測數(shù)據(jù)按照晴天及雨天分別分析。晴天數(shù)據(jù)顯示：COD在各點位變化不大，水質為地表水Ⅳ~Ⅴ類。NH3-N與TP變化趨勢類似，H1~H4點位水質較為穩(wěn)定，變化幅度不大，NH3-N為地表水Ⅲ~劣Ⅴ類，TP為地表水Ⅳ~劣Ⅴ類，而在H5即南大圩排洪溝段濃度出現(xiàn)陡增，可以看出南大圩排洪溝接收的農村散排污水與鎮(zhèn)區(qū)點源污染對石茨河的水質影響較大。在H6入湖點處各水質指標監(jiān)測值明顯下降，可以看出石茨河下游會受到巢湖頂托影響。雨天數(shù)據(jù)顯示各點位的污染指標濃度變化趨勢與晴天一致，但濃度值略高于晴天監(jiān)測值，且NH3-N在H4存在部分數(shù)據(jù)較大現(xiàn)象，可能與鎮(zhèn)區(qū)段降雨期間合流制溢流污染（CSOS）排口出水濃度較高有關。各指標在H5濃度明顯增大，說明南大圩排洪溝接收的農業(yè)非點源與鎮(zhèn)區(qū)非點源污染對石茨河水質影響較大。通過對石茨河流域建設項目工程污染源調查報告內容及數(shù)據(jù)進行整理分析，得出石茨河流域主要污染源，包括點源與面源（見圖4）。點源包括城鎮(zhèn)生活源、農村生活源與工業(yè)區(qū)污染源等晴天通過管網(wǎng)入河的污染源，面源包括農業(yè)面源、農村面源與城鎮(zhèn)面源等通過降雨徑流入河的污染源。該區(qū)域污染源分布不均，城鎮(zhèn)地表徑流、城鎮(zhèn)生活污染主要集中在槐林鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)，農村生活污染、農田地表徑流主要分布在石茨河上游農業(yè)區(qū)及下游圩區(qū)，工業(yè)企業(yè)主要分布在鎮(zhèn)區(qū)。依據(jù)實地調研及污染源分析，對流域內的典型點源與面源進行了監(jiān)測，監(jiān)測點位分布如圖4所示。
圖4 流域污染源及監(jiān)測點位分布
表3 污染源監(jiān)測點位設置情況
經(jīng)調研發(fā)現(xiàn)，槐林鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)段存在兩個晴天有出流的點源排口，并在2021年6月晴天對這兩個排口D1、D2進行連續(xù)性監(jiān)測。從監(jiān)測獲得的流量與水質數(shù)據(jù)來看，這兩個排口對石茨河水質影響不大。但是從現(xiàn)場調研來看，槐林鎮(zhèn)屬于正快速發(fā)展的鎮(zhèn)區(qū)，除了沿河直排污水點源和CSOs排口，還包括沿河岸邊的散排點源，這些點源具有很明顯的特征，即排口較多、間斷性排水、難以收集采樣監(jiān)測等。石茨河流域各種污染源中占比較大的還有非點源污染，由于石茨河河道雨天鎮(zhèn)區(qū)段污染嚴重，通過對雨天合流制溢流管網(wǎng)排水水質進行分析以了解非點源對石茨河水質的影響十分必要。為了解非點源對石茨河流域水質的影響，選取了2個監(jiān)測點M1（鎮(zhèn)區(qū)面源）與M2（工業(yè)企業(yè)面源），在2021年6月的兩場降雨中對雨水管道進行了采樣監(jiān)測，監(jiān)測結果如表4所示�？梢钥闯�，降雨量較小時，槐林鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)合流制溢流管網(wǎng)排水對石茨河河道的水質影響較大。
表4 非點源監(jiān)測點位監(jiān)測結果
按照石茨河出口考核斷面2020年、2030年水質目標考核要求，達到《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅲ類水質標準，考核指標為COD、NH3-N和TP�？己宋恢镁喑埠s1km。模型中需先輸入背景數(shù)據(jù)（子流域特征、水文響應單元的確定、河道形狀和河道的上下游關系等）與驅動數(shù)據(jù)（點源污染時間序列輸入、降雨時間序列輸入文件）搭建初步框架。模型率定以2021年河道監(jiān)測數(shù)據(jù)為主，包括水位、水溫、DO以及其他水質指標率定。其中，以模擬-實測對比曲線圖為參考，水位、水溫和DO率定模擬和監(jiān)測之間的偏差約10%，COD、NH3-N、TP率定模擬和監(jiān)測之間的平均偏差約20%，模型驗證以2018年—2020年河長制數(shù)據(jù)為主，與模型率定偏差值基本相符。總量控制制定時間選取2018年1月1日—2020年12月31日，模型結果輸出頻率按每日輸出水質濃度，按年均值輸出負荷質量。基于模型對流域現(xiàn)狀的模擬情況，計算得出流域內各點源與非點源的現(xiàn)狀年平均負荷量見表5。按照地表Ⅲ類水考核標準，根據(jù)年平均超標天數(shù)占比評估出COD、NH3-N和TP指標年平均超標率分別為60.77%、91.70%和99.64%。
表5 石茨河流域現(xiàn)狀年平均負荷量
其中，點源負荷與各土地利用地塊非點源負荷占比如圖5所示。
圖5 現(xiàn)狀負荷中點源與不同土地利用類型非點源負荷占比
在分配原則上以污染源對水體受損貢獻程度為主導，污染源負荷削減的優(yōu)先級為：優(yōu)先管控點源執(zhí)行《巢湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠和工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》（DB 34—2710—2016）排放標準；其次考慮非點源污染削減，即根據(jù)負荷和源強大小，按照“誰污染重，削減誰”的原則對各非點源類型負荷進行削減，以滿足水質達標。在總量控制方案實施的過程中，有效控制污染源的負荷排放量是關鍵。依據(jù)上述分配原則，結合各污染源現(xiàn)狀污染排放特征，將COD、NH3-N與TP待削減負荷量分解至現(xiàn)狀點源、非點源，以實現(xiàn)考核斷面水質達標。在考核斷面水質達標的基礎上，流域內入河允許排放總量是一定的，但存在多種污染源負荷分配方案，使得各污染源削減比例也存在多種組合。根據(jù)污染物分配原則，得到各指標點源與非點源負荷削減量及總削減率如表6所示。
表6 污染物負荷年平均削減量與削減率
在削減過程中，發(fā)現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)行點源排放標準對NH3-N進行削減后，將非點源負荷100%進行削減都無法實現(xiàn)考核斷面水質達標，因此，建議將石茨河流域內現(xiàn)有調查點源排放標準提高至NH3-N≤1.5mg/L。COD、TP在點源削減后，COD還需重點關注集鎮(zhèn)、稻田的非點源負荷，TP還需重點關注水域、集鎮(zhèn)的非點源負荷。為確保水質達標，在制定流域總量控制計劃時需包括安全余量，以作為關于非點源負荷和點源負荷分配與水質之間缺失的聯(lián)系性信息。國內外相關資料說明，安全余量可以是隱式的（即在分析過程中融入總量控制中的保守假設），也可以是顯式的（即在總量控制中預留一定的負荷），本研究選擇顯式。目前較為普遍的是選取TMDL的5%~10%作為安全余量，本研究選取10%作為安全余量。以石茨河水環(huán)境目標為基準，通過模型不斷迭代計算，在滿足考核斷面水質達標的前提下，流域內的點源和非點源各自允許排放的污染物量如表7所示。
表7 各水質指標TMDL值計算結果
kg·d-1
其中，點源排放NH3-N指標建議由現(xiàn)有排放標準（2mg/L）提升至1.5mg/L。經(jīng)過負荷總量控制后，模型模擬2018年—2020年石茨河考核斷面水質指標COD、NH3-N與TP濃度變化情況如圖6所示。由圖6可見，COD、NH3-N和TP指標均可達到石茨河考核水環(huán)境目標。
圖6 2018年—2020年水質現(xiàn)狀與總量控制后濃度變化模擬情況
為滿足TMDL流域管理模式的實施，便于有針對性地制定各區(qū)污染物總量控制計劃和污染物削減方案，基于流域內陸域水文特征、河道水體受損情況、污染源分布和貢獻程度及行政區(qū)劃等因素，可將石茨河流域劃分為A～G共7個總量控制單元，并識別劃定三級重點管控區(qū)域，不同的總量控制單元具有各自污染特征，其中Ⅰ級管控區(qū)為污染嚴重區(qū)域，在進行區(qū)域總量控制管理時應列為首要管控單元。具體分區(qū)分布見圖7，分區(qū)依據(jù)見表8。
圖7 總量控制單元劃定和重點管控區(qū)域識別
表8 總量控制單元劃分及分級依據(jù)
從污染物排放的空間復雜性、污染負荷的強度、管控的難易度、治理的可操作性等方面綜合考慮，按照優(yōu)先治理點源，其次治理非點源的原則，分析在通過不同階段不同污染對象治理后，水質的變化特征情況。以石茨河水質指標TP為例，考慮到非點源對考核斷面水質達標的貢獻率，即需要削減的TP非點源負荷占總TP負荷削減量的比例為63.91%，因此，在滿足水質達標的基礎上，除點源執(zhí)行現(xiàn)行排放標準外，還需結合工程措施和管理措施加強對非點源污染物產生、過程、末端的梯級管控和治理。表9列出了經(jīng)過模型計算，針對不同治理對象采取措施需要削減的TP負荷在總削減負荷的占比，各階段治理后與現(xiàn)狀濃度和負荷的變化對比見圖8。
表9 針對不同治理對象的削減TP負荷措施的貢獻率對比
圖8 各階段措施實施后TP負荷與濃度變化情況
結合石茨河流域總量控制分區(qū)針對不同治理對象，對流域內污染物削減提出以下措施建議：① 南大圩范圍需加強農村生活污水收集處理能力，嚴防偷排散排；② 石茨河干流中下游槐林鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)范圍需加強對排口的管控能力，防止生活污水或工業(yè)廢水直排入河；③ 工業(yè)廠區(qū)加強內部雨水管理，加強廠區(qū)內廢水收集和出水穩(wěn)定達標；鎮(zhèn)區(qū)要完善管網(wǎng)，雨污分流，對初期雨水進行收集調蓄處理，就近利用自然濕地系統(tǒng)或建造人工濕地，同時加強散排點源的收集或就近處理；對于農村散戶，綜合污水資源化利用、污水統(tǒng)一管網(wǎng)收集、構建河岸緩沖帶等措施，防止生活污水直接入河；④ 旱地、園地、稻田等農業(yè)用地需減控施肥，調整種植結構，充分利用自然溝塘渠的自然凈化能力減少污染，圩區(qū)需加強泵站調控，強化圩區(qū)內部污染物滯蓄凈化；裸地增加植被覆蓋，增強土壤有機質抗蝕力；流域內水體（溝塘渠等）需加強定期管理，如定期清淤、強化曝氣等。
① 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，石茨河上游至下游水質都較差，各指標水質狀況均為地表水Ⅳ~劣Ⅴ類，支流南大圩排洪溝水質尤其差，各水質指標均為地表水劣Ⅴ類，需要重點關注該流域的污染源。點源需要關注難以收集的散排點源，面源需要關注集鎮(zhèn)（槐林鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)和南大圩排洪溝沿岸鎮(zhèn)區(qū)）、村莊、工業(yè)用地、稻田等土地利用類型。
②基于HSPF流域模型對2018年—2020年石茨河水質的模擬，依據(jù)現(xiàn)狀污染負荷與水環(huán)境目標進行污染物削減分配計算，得出COD、NH3-N與TP的TMDL值分別為1196.31、30.25、2.43kg/d。需要注意的是，對于點源NH3-N指標的削減需要嚴于現(xiàn)有排放標準（≤2mg/L），建議執(zhí)行NH3-N≤1.5mg/L，才能保證考核斷面穩(wěn)定達標。
③ 基于TMDL對石茨河流域污染源進行管理，就空間管理而言，可以依據(jù)總量控制分區(qū)對流域重點污染區(qū)域進行分區(qū)分級管理，治理優(yōu)先級可參考D區(qū)、E區(qū)>A區(qū)、F區(qū)>C區(qū)；就污染源治理順序而言，可根據(jù)點源位置及不同土地利用類型分別對污染源進行治理，點源可先治理對石茨河水質貢獻較大的南大圩點源，再治理石茨河干流點源，面源可先管理較易管控的集鎮(zhèn)、村莊、工業(yè)用地、交通用地等土地利用類型，再對流域內水域、稻田、旱地等土地利用類型進行管理。
④ 在巢湖流域入湖農村小流域水環(huán)境治理工程中，在對流域產匯流分析及流域水環(huán)境現(xiàn)狀問題識別的基礎上建立流域模型，計算TMDL值，依據(jù)計算得到的點源與非點源允許排放量對流域污染源實施精準管控，可滿足石茨河考核斷面的水質達標要求。
本文的完整版刊登在《中國給水排水》2024年第4期，作者及單位如下：TMDL管理模式用于農村小流域水環(huán)境治理劉田欣1，周曉平2，薛樹紅2，葉勇1，張維納2，馬凌超1，王淦1（1.安徽泛湖生態(tài)科技股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065）
參考文獻引用的標準著錄格式：
劉田欣,周曉平,薛樹紅,等.TMDL管理模式用于農村小流域水環(huán)境治理[J].中國給水排水,2024,40(4):123-131.
LIU Tianxin,ZHOU Xiaoping,XUE Shuhong,et al.Application of TMDL management mode in water environment treatment of rural watersheds[J].China Water & Wastewater,2024,40(4):123-131(in Chinese).
制作：文 凱
審核：李德強
