2022, Vol. 52
2. 中国环境科学研究院水生态环境研究所, 北京 100000
随着人口总量的增长，工业化、城镇化快速推进，村镇环境污染加剧、生态功能日渐退化，各种环境问题逐渐突出。在推行污染物总量控制的大背景下，解析流域污染负荷、核算水环境容量、对污染物进行总量控制研究已经成为人们重点关注的环境问题[1-2]。小清河在山东省的供水、生态环境保护中起着重要作用，其每年向莱州湾输入的营养盐、无机氮等物质的量不容忽视。为解决小清河流域的水环境问题，明确水环境容量、进行污染负荷分配可为流域水环境规划与管理提供基础依据，对减轻海洋污染负担起到重要作用。
中国于20世纪70年代后期引入了环境容量这一概念，目前国内外普遍认可的一种定义为：在规定的目标条件下水体环境能容纳的污染物量即为水环境容量[3-5]。污染负荷分配以环境容量为基础[6-7]，遵照一定的原则对污染物负荷进行分配。水污染负荷分配需要根据水质保护目标或污染物减排目标要求向各基础单元或污染源合理分配[8]，主要方法包括：线性规划法[9]、基尼系数法[10-12]、等比例分配法[13]、贡献率分配法[14]、层次分析法[15]等。贡献率分配法是较为基础的方法，赵杰杰等[14]通过该方法对永定河河北段的水环境容量进行分配，并给出相应的负荷削减分析。等比例分配法是TMDL中应用较多的一种分配方法，是以污染物排放单元的排污现状为分配基础，分配的排污量是按等量的削减比例，该方法还衍生出贡献率分配法和加权分配法。林高松等[16]首先以公平性为首要原则提出等比例分配法，莫蕾等[17]将该方法应用于鄱阳湖流域的总量控制规划，但该方法对于流域实际可削减量的考虑不足。在实际分配工作中，还需要同时考虑技术和方案的可行性[18-19]，多种分配方法联合使用可在一定程度上减小单一方法局限性造成的影响。王笑楠等[20]借助基尼系数法对永定河张家口段的污染物允许排放量进行优化分配，肖伟华等[21]将层次分析法和基尼系数法结合起来对汤逊湖流域污染排放量进行总量分配。
本研究基于2018年山东省环统数据及各市统计年鉴对小清河流域排污情况进行核算，综合考虑各控制单元的人口、经济、耕地面积和排污情况，采用等比例分配法对污染物允许排放量做出分配，并根据水环境现状与分配结果提出合理的减排意见，以期为改善小清河河水水质、促进流域可持续发展提供理论依据。
1 研究区概况小清河是山东省重要河道之一，东侧紧邻莱州湾，发源于济南西郊睦里庄，流经济南、淄博、滨州、东营和潍坊等5市18县，最终于潍坊寿光羊角沟汇入渤海。全长约233 km，流域面积10 336 km2，主要支流有巨野河、绣江河、孝妇河、淄河等。小清河流域属于暖温带季风气候，夏季盛行偏南风，炎热多雨，冬季多偏北风，寒冷干燥，年均气温13 ℃。河流径流量受降水情况的影响，多年平均降水量为600.3 mm，季节性变化明显。
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图 1 研究区域地理位置图 Fig. 1 Location map of the study area |
为便于水环境管理与污染防控，可以根据流域特点和研究区域行政区划情况将流域划成多个控制单元，便于进行水污染管控，有利于各基础单元的水质目标实现情况的考察、合理分配污染负荷。
划分控制单元主要是采用定量自动和人工辅助相结合的方式进行[22-23]，需遵循汇水区隔离原则、行政管理隔离原则、水体调整隔离原则、优先保护水体功能、便于管理和实施等原则。在充分考虑国家重点流域“十四五”规划国控断面汇水范围的基础上，结合行政区区划、土地利用类型、地形地貌、海拔高度(数字高程)、水系和集污区分布等，按与街镇面积匹配度≥95%且不跨行政区的要求，利用ARCGIS软件将研究区域划分为28个控制单元，其中10个位于济南市、1个位于东营市、3个位于滨州市、2个位于潍坊市、12个位于淄博市，各单元基本信息见表 1。
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图 2 研究区域控制单元的划分 Fig. 2 The division of control units in the research area |
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表 1 小清河流域控制单元基本信息 Table 1 Basic information of Xiaoqing River basin control unit |
文章对研究区域内10个监测断面的水质数据进行分析，采用污染指数法和改进的内梅罗综合污染指数法进行评价。污染指数包括单因子指数、平均污染指数、综合污染指数等。单因子指数(Pi)表示某监测断面的某污染物实测浓度与其评价标准的比值，计算公式为：
| $ P_{i}=C_{i} / S_{i }。$ | (1) |
式中：Pi为污染物i的单因子指数；Ci为污染物i在某监测断面的实测浓度；Si为该断面污染物i的评价标准。Pi≤1即为符合标准。
改进后的内梅罗指数法的基本计算公式如下:
| $ P\text{ip}=\sqrt{\frac{C \text{ip}_{\max }^{2}+C \text{ip}_{\text {ave }}^{2}}{2}} 。$ | (2) |
式中：Pip为某监测点位水环境综合污染指数；Cipmax为某监测点的最大单项污染指数；Cipave为某监测点位各单项污染指数的平均值。
2.3 流域污染物排放量核算研究采用数据调查法，以控制单元为基础核算单元，整理了山东省2018年环统数据，核算点源和非点源污染排放量。点源污染主要包括工业源、污水处理厂排放量；非点源污染主要包括农业源、分散式规模化畜禽养殖、城镇生活源、农村生活源污染排放量。
2.4 污染物允许排放量计算允许排放量的计算方法众多[24-25]，研究收集了2018年山东省水文数据，统计分析了黄台桥、岔河、石村水文站逐日平均流量数据。根据研究区域内水质监测断面的分布情况，在空间分布以就近水文站流量作为对应控制断面流量，结合第一章中水环境质量的分析结果，充分考虑掌握的数据完整和连续情况以及后续总量分配的可行性、合理性，本次研究选取了还乡店断面、位桥断面、石村断面、羊口断面作为研究断面。结合各断面处水质管理目标，确定水质标准值，计算公式如下：
| $ W=S_{i} \times C 。$ | (3) |
式中：W为最大允许排放量，t/a；Si为污染物i的水质目标值，mg/L；C为设计流量，m3/s。
山东省流域水质考核标准要求还乡店、金家闸、石村、羊口断面2018年应达到《地表水环境质量标准》中V类水质标准。选择化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)作为污染物允许排放量核算与污染负荷分配的评价因子，根据《山东省生态环境委员会关于在小清河流域开展陆海协同共治试点工作的指导意见》，总氮浓度应基本控制在7.0 mg/L以下。
2.5 污染物总量分配USEPA在制定TMDL计划过程中，认为TMDL是点源允许负荷、非点源允许负荷及安全余量之和[26]，在实际研究中，可通过基本的估算或模型计算来确定安全余量。本研究中在计算污染物允许排放量过程中已考虑部分安全余量，因此先利用综合分配法对流域允许排放总量进行一级分配，得到各控制单元的污染物允许排放总量，再结合各单元点源、非点源排污占比进一步分配得到二级分配结果。在进行总量分配时，确定污染物允许排放量并将其在污染源和控制单元之间合理、科学地分配是最关键的一步。
2.5.1 一级分配本研究收集了2018年山东省各市统计年鉴、2018年研究区域土地利用数据，整理出各控制单元的常住人口数、经济产值和耕地面积，利用综合分配法对总排污量进行总量分配，分配公式如下：
| $ 各单元控制总量 =\left(k_{1} \times\right. 常住人口占比 +k_{2} \times 经 济产值占比 +k_{3} \times 耕地占比 +k_{4} \times 排污量占比 ) \times 允 许排放量。$ | (4) |
式中：k为比例系数，∑k=1。
其中，常住人口占比为各单元内常住人口数量占所选断面控制范围内总人口的比例；经济产值占比为各单元内经济产值占所选断面控制范围内经济总产值的比例；耕地占比为各单元内耕地面积占所选断面控制范围内耕地总面积的比例；排污量占比为各单元内排污量占所选断面控制范围内排污总量的比例。其中，排污量由污染物排放量核算阶段确定。
2.5.2 二级分配将环境允许最大排污量分配到各控制单元后，通过贡献率分配法对各单元内点源和非点源容量进行二级分配，即：
| $ 点源污染控制总量 = 控制单元控制总量 \times 点源污 染排放量占比。$ | (5) |
| $ 非点源污染控制总量=控制单元控制总量×非点源污染排放量占比。$ | (6) |
式中：控制单元控制总量由上一级分配结果确定；点源污染排放量占比为各控制单元内点源污染排放量与控制单元污染排放总量的比值；非点源污染排放占比为该控制单元非点源污染排放量与控制单元污染排放总量的比值。
3 结果与讨论 3.1 水质情况分析利用改进的内梅罗综合污染指数法分析小清河流域2006—2017年间水质情况，结果表明，流域的水质基本可以满足水环境功能区要求，上游水质能够保持在Ⅱ类—Ⅲ类；下游水质基本为Ⅳ类水。另外结合污染分担率分析各污染因子对流域整体的污染贡献情况，小清河上游、中游河段NH3-N对水质污染贡献最大，TP次之；下游河段NH3-N和COD对水质污染的贡献最大。
小清河流域2018年7个断面的水质数据显示，主要超标的物质为NH3-N和TN；睦里庄断面、羊口断面、王道闸断面TP未出现超标，其余断面超标情况主要发生在冬季12—3月；COD仅有睦里庄断面12月和范李断面6月存在超标情况。
3.2 污染物排放情况分析以2018年山东省环统数据为依据进行污染物排放量核算，主要统计工业企业源排污量、污水处理厂排污量、规模化畜禽养殖排污量、农业面源排污量、农村生活源排污量及城镇生活源排污量。为直观反映出研究区域内污染负荷的空间分布情况，利用ARCGIS绘制出各控制单元四类污染物质的排放总量分布图(见图 3)。
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( 污染源原始数据来源于山东省2018年环境统计数据。The original data comes from the environmental statistics of Shandong Province in 2018. ) 图 3 研究区域污染物质排放总量 Fig. 3 Total emission of pollutants in the study area |
根据控制单元划分原则将研究区域划为28个控制单元，其中还乡店断面、位桥断面为地表水Ⅴ类标准，石村断面及羊口断面为地表水Ⅳ类标准。在计算过程中假设各控制单元的排污情况只对最近断面产生影响。
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表 2 各水质站点污染物允许排放量计算结果 Table 2 Calculation results of allowable pollutant discharge at each water quality station |
首先整理出各控制单元与水质断面的对应关系，根据控制单元总量一级分配公式对污染物进行分配。在一级分配的基础上，结合各控制单元内点源污染和非点源污染排放量核算结果对单元内各类污染物的污染负荷进行二级分配，分配结果如表 3所示。
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表 3 二级分配结果 Table 3 Secondary distribution results |
污染物削减量可由允许排放量减去污染物现状量得到。在达到流域水质目标要求和断面最大允许排放量两个约束条件下，得到各控制单元的污染物削减量，计算公式如下：
| $ 控制单元污染物削减量=控制单元允许排放量-污染物入河量。$ | (7) |
| $ 控制单元污染物削减量=\\ \frac{控制单元允许排放量-污染物入河量}{控制单元允许排放量}。$ | (8) |
污染物质进入河流后在随河水流至监测断面的过程中存在部分污染物降解作用，现假定降解部分污染物不会对水质监测断面及流域水质目标考核造成影响，在计算污染物削减量时需考虑到已降解污染物的量。
若计算得到的污染物削减率为正值，表明该控制单元的允许排放量还有剩余；若污染物削减量为负值，表明该控制单元需要进行相应污染物削减。将削减率 < 30%的控制单元设置为次级优先管控单元，削减率≥30%的控制单元设置为优先管控单元通过对比污染物现状排放量与负荷分配量，可以识别出研究区域内各污染物优先管控单元分布情况见图 4。
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图 4 研究区域污染物优先管控单元分布图 Fig. 4 Distribution map of priority control units of pollutants in the study area |
根据污染物削减率结果，小清河流域包含28个控制单元中，需进行NH3-N削减的控制单元有1个，需进行TN削减的控制单元有12个。其中，各单元的TN削减率范围在18.26%~50.48%，最高的为XQ-ZB-WG控制单元。
根据分配结果及污染物排放量核算情况进行各类物质的削减分析，得到的削减量情况见表 4。
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表 4 研究区域内需管控的控制单元污染物削减量 Table 4 Pollutant reduction of control units to be controlled in the study area |
从表 4可以看出，流域NH3-N削减量为11.63 t/a，TN削减量为2 606.14 t/a，需进行削减的控制单元主要集中在淄博市，重点管控单元普遍存在污水管网覆盖不够的问题，导致生活污水收集处理不完全、雨季污水溢流；单元内大型企业主要以原料加工和制造业为主，工业源污染情况突出；多数畜禽养殖场没有污水统一收集处理设施，养殖粪污在雨季时直接通过沟渠排入河道，影响河流水质。济南段作为河流上游，水质情况相对较好，对污染负荷核定之后NH3-N、COD、TP仍有剩余容量，不需要进行削减，部分控制单元TN需要承担削减任务，但削减率均在30%以下；淄博市总氮排放量为3 561.66 t，其中点源排放总量达3 185.33 t，非点源排放总量为376.33 t，主要来源于工业源和城镇生活源，其中，临淄区和张店区工业企业较多，是导致总氮排污量大的主要原因之一，另外控制单元内普遍存在污水管网覆盖度不足，生活污水收集处理率低的问题，规模化畜禽养殖场也应完善污水收集和处理设施，避免雨季养殖废弃物未经处理随雨水直接排入河流，影响河水水质；滨州市共需削减NH3-N 11.63 t/a，TN 449.67 t/a，其中全市TN削减率为27.07%，污染主要来源于城镇生活源和农业面源污染，污水处理设施建设有待进一步加强，部分乡镇的水资源环利用率低；农业种植肥料施用量没有得到良好控制，畜禽粪污可以进行资源化利用。
4 结论(1) 小清河流域整体水质情况尚可，未达到水质目标的断面主要超标污染物质为TN和NH3-N，主要来源于工业企业源和城镇生活源。
(2) 小清河流域NH3-N、COD、TN和TP总入河量分别为1 983.32，33 222.49，11 922.17和386.55 t/a。其中XQ-ZB-WG、XQ-ZB-YC、XQ-ZB-LZ三个控制单元为重点管控单元。
(3) 依据《山东省生态环境委员会办公室关于在小清河流域开展陆海协同共治试点工作的指导意见》、《山东省地方标准流域水污染综合排放标准第3部分：小清河流域》等文件，结合小清河流域排污情况与污染物允许排放量分析结果，从源头削减与污染物质管控的角度给出以下削减建议：
① 完善各单元城镇污水处理设施，进一步提高污水处理能力，加强污水处理设施运营监管，对原有的设施进行改进以保证污水处理厂出水能够达标排放。
② 加快推进控制单元的规模化畜禽养殖污染防治，提高畜禽废弃物资源化利用程度，实施规模化和分散式规模化畜禽养殖资源化利用，鼓励养殖场进行污染物和废弃物管理设施建设。
③ 加强农业面源污染防控，减少农药化肥使用量，鼓励施用有机肥、精准化施肥，推广生态农耕模式, 减少农业面源污染。
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2. Institute of Water Ecology and Environment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing, 10000 China