山西省沁河流域農(nóng)村生活污水入河水質(zhì)研究

　　1 引言(Introduction)

　　隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和鄉(xiāng)村休閑旅游業(yè)的發(fā)展, 農(nóng)村生活污水排放量日益增多, 且農(nóng)村污水排放存在量少分散的特點(diǎn), 集中收集難度大, 污水處理存在設(shè)施運(yùn)行維護(hù)經(jīng)費(fèi)缺乏、日常監(jiān)督管理不到位等問(wèn)題, 致使農(nóng)村生活污水無(wú)法得到有效處理, 并已成為制約農(nóng)村環(huán)境改善的重要因素(尹愛(ài)經(jīng)等, 2017; Gong et al., 2012).目前國(guó)家還未出臺(tái)針對(duì)農(nóng)村污水的排放標(biāo)準(zhǔn), 大部分地區(qū)仍執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002), 但該標(biāo)準(zhǔn)主要適用于城鎮(zhèn)污水處理廠的管理和排放, 并未考慮農(nóng)村生活污水排放分散、去向復(fù)雜及經(jīng)濟(jì)水平較低等因素, 且農(nóng)村生活污水與城鎮(zhèn)污水相比, 無(wú)論排放量、排放特征, 還是污水的進(jìn)出水質(zhì)、處理技術(shù)都存在較大差距, 如果執(zhí)行城鎮(zhèn)排放標(biāo)準(zhǔn), 對(duì)農(nóng)村生活污水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、處理效果和運(yùn)行管理水平都有很高的要求, 也是一項(xiàng)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān).在此情況下, 部分省市針對(duì)農(nóng)村生活污水處理出臺(tái)了相應(yīng)的地方排放標(biāo)準(zhǔn), 標(biāo)準(zhǔn)多以水體為管理對(duì)象, 以污染物排放為核心, 未考慮污水產(chǎn)生的地理位置, 而農(nóng)村生活污水產(chǎn)源分散, 不同地區(qū)的農(nóng)村生活污水具有不同的排放特征.若使用同一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同地區(qū)的農(nóng)村生活污水進(jìn)行管理缺乏針對(duì)性, 因此, 有必要開(kāi)展農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)研究.

　　農(nóng)村污水產(chǎn)源分散, 且農(nóng)村水環(huán)境容量較大, 根據(jù)農(nóng)村水環(huán)境特征, 對(duì)于農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn), 一是可根據(jù)污水處理技術(shù)水平制定, 二是可根據(jù)水環(huán)境要求制定.農(nóng)村生活污水主要有6種排放去向：①用于農(nóng)業(yè)灌溉, ②用于雜用水, ③用于畜禽養(yǎng)殖, ④用于水產(chǎn)養(yǎng)殖, ⑤回灌地下水, ⑥排入河流.對(duì)于排入河流的農(nóng)村生活污水, 可考慮河流水環(huán)境容量, 在保持水功能用途的前提下, 計(jì)算農(nóng)村生活污水最大允許污染負(fù)荷量.

　　目前, 國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)村生活污水的研究主要集中在農(nóng)村生活污水排放特征和污水處理技術(shù)兩方面(Smyk et al., 2018; Gong et al., 2018; Toyama et al., 2018), 對(duì)農(nóng)村生活污水入河水質(zhì)的研究很少.基于此, 本文在研究流域水生態(tài)功能分區(qū)的基礎(chǔ)上, 劃分不同的水環(huán)境控制單元, 重點(diǎn)探討不同水環(huán)境控制單元內(nèi)排入河流的農(nóng)村生活污水污染物排放限值.通過(guò)建立由水生態(tài)功能區(qū)-水環(huán)境控制單元-入河水質(zhì)目標(biāo)構(gòu)成的農(nóng)村生活污水水質(zhì)目標(biāo)控制體系, 并以山西省沁河流域?yàn)槔龑?duì)農(nóng)村生活污水入河水質(zhì)進(jìn)行計(jì)算.以期為農(nóng)村生活污水管理提供決策依據(jù)和技術(shù)支持, 并為水生態(tài)功能分區(qū)在農(nóng)村生活污水管理研究中的應(yīng)用提供參考.

　　2 農(nóng)村生活污水入河水質(zhì)估算方法(A calculating method for water quality discharge to river)

　　本文建立了由水生態(tài)功能區(qū)-水環(huán)境控制單元-入河水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)組成的農(nóng)村生活污水入河水質(zhì)核算體系.其中, 水生態(tài)功能分區(qū)是指在水生態(tài)系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)和功能上具有相對(duì)一致性的水體及其影響陸域所組成的區(qū)域單元(李艷梅等, 2009), 是面向水質(zhì)目標(biāo)管理污染控制單元?jiǎng)澐值幕�礎(chǔ)(孫然好等, 2013).水環(huán)境控制單元是進(jìn)行水污染控制和管理的基本單元, 劃分控制單元的主要目的是使復(fù)雜的流域水環(huán)境問(wèn)題分解到各控制單元內(nèi), 使具體的流域水環(huán)境管理措施和政策能夠有效實(shí)施和落實(shí), 從而實(shí)現(xiàn)流域水環(huán)境質(zhì)量的改善.因此, 基于水生態(tài)功能分區(qū)對(duì)水環(huán)境控制單元進(jìn)行劃分, 以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)水生態(tài)雙重管控, 構(gòu)建分區(qū)、分類、分級(jí)的管理體系.

　　靠近河流附近的農(nóng)村, 其產(chǎn)生并將未經(jīng)處理的生活污水直接排入河流, 導(dǎo)致農(nóng)村河流水體環(huán)境容量和生態(tài)承載能力下降, 從而使農(nóng)村水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞.農(nóng)村生活污水入河水質(zhì)目標(biāo)的計(jì)算需考慮排放河流自身的水環(huán)境容量, 在保護(hù)水環(huán)境功能不降低的前提下, 現(xiàn)有的各類污染物排放總量不得超過(guò)水環(huán)境容量, 因此, 通過(guò)計(jì)算河流水環(huán)境容量及各類污染物入河量, 確定農(nóng)村生活污水中各類污染物排放限值.

　　農(nóng)村生活污水入河水質(zhì)目標(biāo)估算具體步驟為(圖 1)：根據(jù)影響水資源和水環(huán)境的自然環(huán)境因子, 對(duì)水生態(tài)功能進(jìn)行分區(qū), 再結(jié)合水文單元和行政區(qū)對(duì)水環(huán)境控制單元進(jìn)行邊界識(shí)別, 通過(guò)水生態(tài)功能分區(qū)和人類活動(dòng)脅迫效應(yīng)研究, 對(duì)水環(huán)境控制單元的生態(tài)現(xiàn)狀進(jìn)行分析; 在提取河流所在的水環(huán)境控制單元的基礎(chǔ)上確定需要進(jìn)行農(nóng)村生活污水入河水質(zhì)研究的水環(huán)境控制單元, 首先對(duì)控制單元內(nèi)的水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算, 再選取河流所在的水文單元作為河流納污范圍, 調(diào)查納污范圍內(nèi)的各類污染源, 計(jì)算其污染物排放量和入河量, 最后在水環(huán)境容量及各類污染物入河量的基礎(chǔ)上估算農(nóng)村生活污水污染物排放限值.

　　圖 1

　　圖 1 農(nóng)村生活污水入河水質(zhì)估算流程

　　2.1 水生態(tài)功能分區(qū)

　　目前, 水生態(tài)功能分區(qū)研究已較為成熟, 國(guó)際上相關(guān)研究主要集中在水生態(tài)分區(qū)方案構(gòu)建、理論研究等方面(孫小銀等, 2010), 國(guó)內(nèi)研究主要包括水生態(tài)功能分區(qū)(蔣艷等, 2015; 高喆等, 2015)和基于生態(tài)分區(qū)體系的環(huán)境管理、評(píng)價(jià)等(宋策等, 2012; 王宏巖等, 2012), 對(duì)本文水生態(tài)功能分區(qū)指標(biāo)體系的建立具有借鑒作用.

　　根據(jù)流域水資源空間特征差異進(jìn)行水生態(tài)功能一級(jí)分區(qū), 可反映水資源供給功能的空間格局特征(郭巾巾等, 2011; 蔣艷等, 2015).地貌特征會(huì)直接影響降雨、徑流等水資源的形成和分配, 進(jìn)而影響流域的供水功能和生態(tài)水文效應(yīng)的發(fā)揮, 同時(shí)，降水量和蒸發(fā)量制約著流域水資源的空間分布, 因此, 選取地貌類型、降水量、蒸發(fā)量作為一級(jí)分區(qū)指標(biāo).

　　根據(jù)生態(tài)水文和水質(zhì)凈化功能的空間異質(zhì)性對(duì)水生態(tài)功能進(jìn)行二級(jí)分區(qū), 以反映流域生態(tài)水文過(guò)程及水質(zhì)凈化功能的空間格局特征.植被通過(guò)截留水分影響徑流, 具有水源涵養(yǎng)功能, 同時(shí)通過(guò)生物化學(xué)作用吸收水體污染物, 發(fā)揮水質(zhì)凈化功能.不同類型土壤下滲率不同, 產(chǎn)匯流過(guò)程不同.因此, 選取植被類型和土壤類型作為水生態(tài)功能的二級(jí)分區(qū)指標(biāo), 其中, 植被類型分為水源涵養(yǎng)和洪水調(diào)蓄功能較好的林地、功能一般的草地和功能較差的其他用地.

　　2.2 水環(huán)境控制單元?jiǎng)澏?

2.2.1 水環(huán)境控制單元邊界識(shí)別

　　根據(jù)不同的管理模式和劃分依據(jù), 控制單元的劃分主要有基于水文單元、水生態(tài)區(qū)和行政區(qū)的3種劃分方法(張倩等, 2013; 劉媛媛等, 2013; 方玉杰等, 2015).多數(shù)水環(huán)境控制單元的研究只考慮水文單元、水生態(tài)區(qū)和行政區(qū)的一個(gè)或兩個(gè)因素, 而基于水文單元?jiǎng)澐值目刂茊卧�可解決水污染問(wèn)題, 基于水生態(tài)分區(qū)劃分的控制單元可實(shí)現(xiàn)流域水生態(tài)保護(hù)的目標(biāo), 基于行政區(qū)劃分的控制單元可達(dá)到流域水環(huán)境管理的目的, 因此, 在現(xiàn)有方法基礎(chǔ)上對(duì)水環(huán)境控制單元的識(shí)別做進(jìn)一步深化.本文綜合水文單元、水生態(tài)功能區(qū)和行政區(qū)3個(gè)因素對(duì)水環(huán)境控制單元邊界進(jìn)行識(shí)別, 將“匯水”和“水質(zhì)”、“流域”和“行政”相結(jié)合, 綜合考慮水污染和匯水特征, 有利于水生態(tài)保護(hù), 便于水環(huán)境管理.

　　首先, 基于數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù), 利用SWAT模型提取沁河流域內(nèi)的集水區(qū), 且集水區(qū)形狀要符合實(shí)際水系特征, 生成沁河流域內(nèi)不同面積的水文單位; 其次, 依據(jù)水生態(tài)功能二級(jí)分區(qū)結(jié)果, 結(jié)合河流水系特征, 確定水文單位大小, 使不同水文單元內(nèi)的水生態(tài)功能盡可能一致; 最后, 將水文單元與流域內(nèi)各市行政區(qū)進(jìn)行疊加, 根據(jù)行政區(qū)邊界調(diào)整水文單位邊界, 調(diào)整后的水文單元即為水環(huán)境控制單元; 并確保水環(huán)境控制單元與相應(yīng)的水環(huán)境功能區(qū)劃中的水功能分區(qū)相吻合.

　　2.2.2 水環(huán)境控制單元生態(tài)現(xiàn)狀分析

　　不同的水環(huán)境控制單元具有不同的自然環(huán)境特征, 以及不同的人類活動(dòng)影響范圍和程度, 從自然環(huán)境和人為活動(dòng)兩方面對(duì)控制單元的生態(tài)現(xiàn)狀進(jìn)行分析, 為分區(qū)管理提供依據(jù).其中, 自然環(huán)境依據(jù)水生態(tài)二級(jí)分區(qū)結(jié)果, 人為因素依據(jù)人類活動(dòng)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的脅迫效應(yīng).

　　人類活動(dòng)會(huì)影響水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能, 主要體現(xiàn)為對(duì)水資源供應(yīng)和水環(huán)境凈化功能具有一定的占用作用, 表現(xiàn)為人類活動(dòng)對(duì)水量和水質(zhì)的脅迫.人類活動(dòng)區(qū)域主要集中于農(nóng)田、工業(yè)用地、居住地等, 其中, 工業(yè)用水和工業(yè)污水排放多集中于工業(yè)用地, 農(nóng)業(yè)用水和農(nóng)業(yè)污水排放集中在農(nóng)田, 城鎮(zhèn)生活用水和生活污水排放集中于城鎮(zhèn)用地, 將工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城鄉(xiāng)生活所消耗的水資源量換算成對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的占用水量來(lái)表示人類活動(dòng)對(duì)水量的脅迫(李芬等, 2010).

　　依據(jù)生態(tài)現(xiàn)狀, 對(duì)水環(huán)境控制單元進(jìn)行命名.對(duì)生態(tài)環(huán)境較好、人類活動(dòng)影響較小的區(qū)域, 維持現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境, 并保證水量充足, 水質(zhì)達(dá)標(biāo), 控制單元按照“單元位置+生境維持區(qū)”進(jìn)行命名; 對(duì)生態(tài)環(huán)境一般、人類活動(dòng)影響較大的區(qū)域, 依據(jù)人類活動(dòng)干擾類型, 從水量和水質(zhì)脅迫兩方面對(duì)控制單元進(jìn)行區(qū)分, 按照“單元位置+干擾類型”進(jìn)行命名.

　　2.3 農(nóng)村生活污水入河水質(zhì)目標(biāo)估算

　　依據(jù)河流水系數(shù)據(jù), 提取區(qū)域內(nèi)存在河流的水環(huán)境控制單元, 并依據(jù)控制單元內(nèi)是否有城市分布, 即控制單元內(nèi)的河流水質(zhì)是否受城市污水排放的影響, 將水環(huán)境控制單元分為農(nóng)村水環(huán)境控制單元和城市水環(huán)境控制單元; 結(jié)合河流水系特征, 分析計(jì)算水環(huán)境控制單元內(nèi)的河流水環(huán)境容量; 對(duì)控制單元的農(nóng)村生活污水水質(zhì)按照流納污范圍劃定-污染物入河量估算-農(nóng)村生活污水污染物排放限值估算進(jìn)行確定.因城市水環(huán)境控制單元的河流污染物有部分來(lái)源于城市污水, 因此, 計(jì)算農(nóng)村污水的水質(zhì)目標(biāo)時(shí)需排除城市污水對(duì)河流水環(huán)境的影響.

　　2.3.1 水環(huán)境容量計(jì)算

　　天然理想的水環(huán)境容量只與地表水體的自然水文條件及其水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)要求相關(guān), 反映區(qū)域水環(huán)境資源多寡和分布特性.為便于利用簡(jiǎn)單的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型來(lái)描述研究水體的水質(zhì)變化規(guī)律, 本文對(duì)天然水域進(jìn)行概化, 將天然河道概化成順直河道, 非穩(wěn)態(tài)水流簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)水流, 計(jì)算天然條件下的水環(huán)境容量.

　　本文利用確定性方法中的解析公式法計(jì)算水環(huán)境容量, 計(jì)算公式如下(付可等, 2016)：

　　(1)

　　式中, W為水環(huán)境容量(kg·d-1); Q0為流量(m3·s-1); q為廢水量(m3·s-1); Cs為水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(mg·L-1); C0為河段上斷面污染物濃度(mg·L-1); k為污染物降解系數(shù)(d-1); x為上下斷面間距離(km); u為河流流速(m·s-1).

　　2.3.2 河流納污范圍劃分

　　小流域即水文單元內(nèi)的自然地理、氣候、地質(zhì)和土地利用等要素決定著河流的徑流、河道、基底類型、水沙特性等物理及水化學(xué)特征, 一般能真實(shí)、全面地反映流域水污染分布特征及變化規(guī)律.依據(jù)DEM數(shù)據(jù), 利用SWAT模型劃分水環(huán)境控制單元內(nèi)的水文單元, 選取河流所在的水文單元作為河流納污范圍, 納污范圍內(nèi)的各類污染源最終匯入河流, 對(duì)河流水質(zhì)產(chǎn)生影響.水環(huán)境控制單元納污范圍內(nèi)的農(nóng)村執(zhí)行相應(yīng)的農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn).

　　2.3.3 污染物排放量估算

　　污染物來(lái)源包括上游污染物、沿岸污染物和自然徑流污染物.依據(jù)河流污染控制的“零污染原理”和“上游污染不影響下游”的水環(huán)境資源分配理論, 河流利用水體自身的凈化能力, 使得水功能區(qū)之間的污染不再傳遞, 因此, 對(duì)于一個(gè)水環(huán)境控制單元, 只考慮沿岸污染源污染物排放.

　　農(nóng)業(yè)源排放量：采用《全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》中“標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田法”估算農(nóng)田徑流污染物, 計(jì)算公式如式(2)所示.

　　(2)

　　式中, E農(nóng)業(yè)i為農(nóng)業(yè)源i種污染物的負(fù)荷量(t·a-1); S農(nóng)業(yè)i為標(biāo)準(zhǔn)源強(qiáng)系數(shù), COD為15 t·km-2·a-1, 氨氮為3 t·km-2·a-1; A為耕地面積(km2); α為坡度修正系數(shù), 坡度在25°以下, 系數(shù)為1.0~1.2, 坡度在25°以上, 系數(shù)為1.2~1.5;β為土壤類型修正系數(shù), 壤土為1.0, 砂土為1.0~0.8, 粘土為0.8~0.6;γ為降雨量修正系數(shù), 當(dāng)降雨量≤400 mm時(shí)為0.6~1.0, 當(dāng)400 mm<降雨量≤800 mm時(shí)為1.0~1.2, 當(dāng)年降雨量>800 mm時(shí)為1.2~1.5.

　　農(nóng)村生活源排放量：農(nóng)村生活污染負(fù)荷計(jì)算公式如式(3)所示.

　　(3)

　　式中, E農(nóng)村i為農(nóng)村生活源i種污染物的負(fù)荷量(t·a-1); e農(nóng)村i為農(nóng)村生活源i種污染源綜合產(chǎn)生系數(shù)(g·人-1·d-1); P農(nóng)村i為農(nóng)村人口數(shù)量(人); F為農(nóng)村人均生活用水量(L·d-1); a為農(nóng)村生活排水系數(shù).

　　城市生活污染源：生活污染源主要指城鎮(zhèn)居民生活排出的生活污水對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生的污染, 計(jì)算公式如式(4)所示.

　　(4)

　　式中, E城i為城市生活源i種污染物的負(fù)荷量(t·a-1); e城i為城市生活源i種污染源綜合產(chǎn)生系數(shù)(g·人-1·d-1); P城i為城市人口數(shù)量(人).

　　2.3.4 污染物入河量估算

　　農(nóng)業(yè)源、農(nóng)村生活源和城市生活污染物入河量的估算公式如下：

　　(5)

　　(6)

　　(7)

　　式中, G農(nóng)業(yè)i、G農(nóng)村i、G城i分別為農(nóng)業(yè)源、農(nóng)村生活源和城市生活污染源入河量(t·a-1), K農(nóng)業(yè)、K農(nóng)村和K城分別為農(nóng)業(yè)源、農(nóng)村生活源和城市生活源入河系數(shù).

　　2.3.5 農(nóng)村生活污水污染物排放限值估算

　　安全余量估算：安全余量是總量控制技術(shù)中為保障水環(huán)境功能所必須考慮的因素, 指基于謹(jǐn)慎性考慮對(duì)環(huán)境容量的預(yù)留部分, 一般根據(jù)區(qū)域的敏感性選取水環(huán)境容量的5%~10%作為安全余量(吳坤等, 2015).

　　污染物排放限值估算：河流中的污染物總量不超過(guò)天然條件下各污染物因子所對(duì)應(yīng)的水環(huán)境容量, 依據(jù)水環(huán)境容量、安全余量、非農(nóng)村生活污染源污染物入河量, 以及河流納污范圍內(nèi)農(nóng)村人均生活用水量和控制單元內(nèi)農(nóng)村人口數(shù)量, 得到各污染物排放限值.具體公式如下：

　　(8)

　　(9)

　　式中, W為水環(huán)境容量(t·a-1); W安全為安全余量(t·a-1); G農(nóng)村i、G非農(nóng)村i分別為農(nóng)村生活污染源、非農(nóng)村生活污染源的污染物入河量(t·a-1); L農(nóng)村i為污染物排放限值(g·L-1·d-1); F為河流納污范圍內(nèi)農(nóng)村人均生活用水量(L·d-1); Pi為納污范圍內(nèi)農(nóng)村人口數(shù)量(人); a為農(nóng)村生活排水系數(shù); K農(nóng)村為農(nóng)村生活源入河系數(shù).

　　3 沁河流域農(nóng)村生活污水入河水質(zhì)研究(Study on the rural sewage quality for discharge to river in the Qin River valley of Shanxi) 3.1 研究區(qū)概況

　　沁河是黃河三門峽至花園口區(qū)間一條較大的一級(jí)支流, 流域總面積13532 km2(圖 2).其在山西省境內(nèi)呈闊葉形, 長(zhǎng)363 km, 流域面積12264 km2, 占總面積的91%, 地處我國(guó)東部季風(fēng)區(qū)暖溫帶半濕潤(rùn)地區(qū)的西緣, 四季分明, 冬長(zhǎng)夏短, 雨熱同季, 主要涉及長(zhǎng)治市的沁源縣、長(zhǎng)子縣, 臨汾市的安澤縣、浮山縣, 晉城市的沁水縣、陽(yáng)城縣、高平市、澤州縣、城區(qū)和陵川縣等10個(gè)縣(市), 各市縣的經(jīng)濟(jì)、生活水平不同, 為農(nóng)村生活污水的管理帶來(lái)挑戰(zhàn).具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 2

　　圖 2 沁河流域水系圖

　　3.2 數(shù)據(jù)資料

　　本文的氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于研究區(qū)周圍20個(gè)氣象站點(diǎn)所提供的2010—2017年氣象資料, 利用ArcGIS中的克里金插值得到研究區(qū)多年平均降水量和蒸發(fā)量柵格圖; DEM數(shù)據(jù)來(lái)自ASTER GDEM, 空間分辨率為250 m; 土地利用類型數(shù)據(jù)基于山西省生態(tài)10年數(shù)據(jù); 土壤屬性數(shù)據(jù)來(lái)源于聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和維也納國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)研究所所構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù).

　　3.3 水生態(tài)功能分區(qū)

　　在ArcGIS中, 按照表 1中的指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沁河流域的地貌和氣候進(jìn)行分類, 并對(duì)已分好類的地貌圖層和氣候圖層進(jìn)行疊加合并, 再對(duì)其邊界進(jìn)行處理, 形成沁河流域水生態(tài)功能一級(jí)分區(qū)(圖 3).在一級(jí)分區(qū)的基礎(chǔ)上, 結(jié)合植被類型和土壤類型, 對(duì)分區(qū)指標(biāo)進(jìn)行空間疊加聚類, 得到初步的二級(jí)分區(qū)結(jié)果, 依據(jù)區(qū)域的整體性和完整性原則, 對(duì)二級(jí)分區(qū)邊界進(jìn)行調(diào)整, 最終得到沁河流域水生態(tài)功能二級(jí)分區(qū)(圖 3), 且按照“氣候區(qū)+地貌類型+土壤類型+植被類型”進(jìn)行命名.沁河流域水生態(tài)功能二級(jí)區(qū)可分為半濕潤(rùn)山地淋溶土林區(qū)、半濕潤(rùn)山地粗骨土林區(qū)、半濕潤(rùn)山地雛形土林區(qū)、半濕潤(rùn)山地草區(qū)、半濕潤(rùn)平原林區(qū)、濕潤(rùn)平原草區(qū)和濕潤(rùn)平原非林草區(qū), 面積分別為897.78、597.37、5380.04、761.89、1481.54、1806.07和1329.51 km2.

　　圖 3

　　圖 3 沁河流域水生態(tài)功能一級(jí)分區(qū)(a)和二級(jí)分區(qū)(b) 

　　3.4 水環(huán)境控制單元

　　沁河流域劃分為15個(gè)水環(huán)境控制單元(圖 4a), 隸屬于長(zhǎng)治市、臨汾市和晉城市.基于土地利用賦值法, 利用各市級(jí)2016年統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù), 對(duì)不同土地利用斑塊的用水信息進(jìn)行賦值.沁河流域各控制單元的總占用水量介于159~27897萬(wàn)m3·a-1之間.人類活動(dòng)對(duì)水質(zhì)的脅迫可依據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 根據(jù)《長(zhǎng)治市地表水質(zhì)量月報(bào)》、《臨汾市地表水質(zhì)量月報(bào)》和《晉城市地表水質(zhì)量月報(bào)》, 沁河流域共有監(jiān)測(cè)斷面13個(gè), 2017年每月監(jiān)測(cè)1次, 全年監(jiān)測(cè)12次, 除丹河趙莊至高平河西段和白水河源頭至斷面段的水質(zhì)全年均為劣Ⅴ類外, 其余監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)均達(dá)到相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).沁河流域內(nèi)水環(huán)境控制單元的生態(tài)現(xiàn)狀見(jiàn)圖 4b和表 2.

　　圖 4

　　圖 4 沁河流域水環(huán)境控制單元(a)及生態(tài)現(xiàn)狀(b) 

　　3.5 農(nóng)村生活污水入河水質(zhì)計(jì)算

　　農(nóng)村生活污水成分一般以無(wú)毒的無(wú)機(jī)鹽類居多, 主要含有有機(jī)物、氮、磷及致病細(xì)菌等, 且《全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》將COD和NH3-N作為農(nóng)村生活污染物排放主要控制因子, 因此, 本文選取COD和NH3-N作為河道污染物總量控制因子.沁河流域農(nóng)村水環(huán)境控制單元分為農(nóng)村水環(huán)境控制單元和城市水環(huán)境控制單元(圖 5).以城市水環(huán)境控制單元內(nèi)的沁河上游水質(zhì)改善區(qū)為例, 計(jì)算農(nóng)村生活污水COD和NH3-N的排放限值.

　　圖 5

　　圖 5 沁河流域水環(huán)境控制單元分類

　　3.5.1 河流納污范圍劃分

　　沁河上游水質(zhì)改善區(qū)的納污范圍為249.92 km2, 污染源包括農(nóng)業(yè)源、農(nóng)村生活源和城市污染源, 其中, 農(nóng)業(yè)源為位于紫紅河兩側(cè)的農(nóng)田, 面積為70 km2, 納污范圍內(nèi)的農(nóng)村共有197個(gè), 包括韓洪溝村、西嶺上村、四元村等, 城市污染源為沁源縣城.

　　3.5.2 農(nóng)村生活污水污染物排放限值估算

　　控制單元內(nèi)平均坡度為11°, 土壤類型主要為砂土, 年均降雨量在506 mm左右, 因此, 確定流失系數(shù)為1.0, 土壤類型修正系數(shù)為0.8, 降雨量修正系數(shù)為1.1.根據(jù)《生活源產(chǎn)排污系數(shù)及使用說(shuō)明》, 確定區(qū)域城鎮(zhèn)生活污水COD和NH3-N的人均排污系數(shù)分別為55 g·人-1·d-1和7.3 g·人-1·d-1.對(duì)農(nóng)業(yè)源和農(nóng)村生活源, 取COD入河系數(shù)為0.3, NH3-N入河系數(shù)為0.2(毛光君等, 2014); 對(duì)城鎮(zhèn)生活源, 取COD入河系數(shù)為0.56, NH3-N入河系數(shù)為0.56(陳釗等, 2009).計(jì)算得到沁河上游水質(zhì)改善區(qū)內(nèi)河流的COD容量為1178.52 t·a-1, NH3-N容量為68.53 t·a-1.城鎮(zhèn)生活源COD和NH3-N的年入河總量分別為812.83 t和107.88 t, 農(nóng)業(yè)源COD和NH3-N的年入河總量分別為277.2 t和36.96 t.

　　根據(jù)前期實(shí)地調(diào)研, 控制單元內(nèi)農(nóng)村人均生活用水量約為24 L·d-1, 常駐人口約為34027人，排水系數(shù)取0.5.為防止出現(xiàn)“保護(hù)不足”或者“過(guò)度保護(hù)”的情況, 選用中間值7%作為安全余量比例, 據(jù)此得到沁河上游水質(zhì)改善區(qū)內(nèi)的農(nóng)村生活污水COD排放限值為134.05 mg·L-1; 控制單元內(nèi)的農(nóng)業(yè)源和城市生活源的實(shí)際NH3-N入河量超過(guò)水環(huán)境容量, 說(shuō)明在Ⅱ類水質(zhì)目標(biāo)下, 河流不滿足接納農(nóng)村污水進(jìn)行NH3-N消減的條件, 若河流要接納農(nóng)村生活污水, 需以NH3-N為約束性指標(biāo), 對(duì)控制單元實(shí)施污染物減排, 減少進(jìn)入河流的污水排放量或提高污水處理率, 為農(nóng)村生活污水預(yù)留一定容量.

　　圖 6

　　圖 6 沁河上游水質(zhì)改善區(qū)河流納污范圍

　　4 農(nóng)村生活污水管理(Rural sewage management)

　　農(nóng)村生活污水管理可從橫向和縱向分別進(jìn)行管理.橫向管理從“水”、“陸”方面進(jìn)行, 包括污染物排放管理和陸地空間管理兩方面, 縱向管理指對(duì)污水排放進(jìn)行分區(qū)、分級(jí)管理.

　　污染物排放管理：污染物排放管理側(cè)重對(duì)農(nóng)村生活污水中各污染物控制因子排放量的控制.水環(huán)境控制單元為進(jìn)行水污染控制和管理的基本單元, 基于控制斷面水質(zhì)目標(biāo)可得到不同單元內(nèi)的水環(huán)境容量, 從而估算得到農(nóng)村生活污水入河水質(zhì)要求.不同控制單位采取不同的農(nóng)村生活污水水質(zhì)管理目標(biāo), 具有不同的農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn).

　　陸地空間管理：不同水環(huán)境控制單元內(nèi)自然環(huán)境不同, 各村莊的生活方式及經(jīng)濟(jì)條件不同, 使農(nóng)村生活污水的排放形式和處理方式不同, 對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響不同, 促使不同控制單元內(nèi)對(duì)農(nóng)村生活污水的陸地空間管理側(cè)重點(diǎn)不同.如位于水質(zhì)改善區(qū)的農(nóng)村, 一般靠近城市, 因受城市生活污水及工業(yè)污水排放的影響, 河流受到一定程度污染, 水環(huán)境容量降低, 對(duì)周圍污水的接納度降低, 可對(duì)此類型控制單元實(shí)施污染物減排措施, 減少進(jìn)入河流的污水排放量或提高污水處理率, 使河流可以同時(shí)承擔(dān)一定的城市污水和農(nóng)村生活污水的排放, 且該控制單元內(nèi)的農(nóng)村以集中分布為主, 可收集農(nóng)村生活污水并采取污染物去除效果較好的措施進(jìn)行污水處理.位于水量脅迫區(qū)內(nèi)的農(nóng)村, 主要為平原型農(nóng)村, 用水量及污水排放量均較多, 污水處理可采取以水資源回用為主的方式, 減少人類活動(dòng)對(duì)河流水資源的壓力.

　　5 結(jié)論(Conclusions)

　　1) 根據(jù)地貌類型、降水蒸發(fā)量、植被和土壤類型等指標(biāo), 對(duì)沁河流域水生態(tài)功能進(jìn)行了二級(jí)分區(qū).沁河流域共劃分為2個(gè)一級(jí)區(qū)、7個(gè)二級(jí)區(qū), 二級(jí)區(qū)可分為半濕潤(rùn)山地淋溶土林區(qū)、半濕潤(rùn)山地粗骨土林區(qū)、半濕潤(rùn)山地雛形土林區(qū)、半濕潤(rùn)山地草區(qū)、半濕潤(rùn)平原林區(qū)、濕潤(rùn)平原草區(qū)和濕潤(rùn)平原非林草區(qū).

　　2) 在水生態(tài)功能分區(qū)基礎(chǔ)上, 結(jié)合水文單元和行政區(qū)邊界, 劃定了水環(huán)境控制單元.沁河流域可劃分為15個(gè)水環(huán)境控制單元, 隸屬于長(zhǎng)治市、臨汾市和晉城市, 不同控制單元內(nèi)的生態(tài)環(huán)境及人類活動(dòng)對(duì)水量和水質(zhì)的影響不同.

　　3) 以城市水環(huán)境控制單元內(nèi)的沁河上游水質(zhì)改善區(qū)為例, 區(qū)域內(nèi)農(nóng)村生活污水COD排放限值為134.05 mg·L-1, 且此標(biāo)準(zhǔn)下河流不滿足接納農(nóng)村污水進(jìn)行NH3-N消減的條件.(來(lái)源：環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào) 作者：郭新亞)