漳卫南运河流域河流典型污染物通量与累积负荷量研究

漳卫南运河流域河流典型污染物通量与累积负荷
量研究1
张明
中国人民大学环境学院，北京（100872）
E-mail：zhangmingruc@
摘要：本文以省控断面划分漳卫南运河子流域主要河段，采用瞬时浓度与时段平均流量相乘的方法计算断面的污染物通量，用一维水质模型计算污染物削减量，并在此基础上以物料平衡为基本原理计算各河段典型污染物累积负荷量。

计算结果：观台、龙王庙、馆陶以及辛集闸断面2004年COD通量分别为7619.44吨、295873.06吨、89129.86吨、34889.36吨以及98364.34吨；氨氮年通量分别为335.71吨、18131.56吨、6459.23吨，2650.48吨以及7078.13吨；观台，龙王庙－馆陶河段、馆陶－四女寺河段以及四女寺－辛集闸河段2004年COD 累积负荷分别为82157吨、8016吨和－90745.48吨；氨氮累积负荷分别为5188.73吨、2344吨以及－6291.57吨。

关键词：漳卫南运河，河流，污染物通量，污染累积负荷
河流污染物累积是由于水库拦截以及污水利用、土壤吸附等作用引起的。

目前河流、湖泊、水库等水体内污染负荷累积效应所形成的内源污染问题日趋突出，并严重影响流域水污染防治工作。

外源污染源存在时，底泥中的污染物只在某时期对水体发挥显著作用。

外源污染受抑后，污染物会逐步释放[1]，短期内造成污染负荷急剧上升和水环境质量急剧下降。

由于污染累积效应，污染物在传输过程中很难被完全输送入海，国内外水体内源污染的事例较多，在英国等发达国家，污染物排放已经得到严格控制条件下，由于泥沙吸附和累积效应，使许多低污染河口海湾出现短期毒素爆发和水质恶化(如赤潮)的现象也常发生。

国内的滇池和太湖等水体都有类似的问题[2]。

因此，为完善水污染防治必须对内源污染强度进行定量化研究，并分析内源污染形成的主要原因。

了解流域范围内的污染物累积问题，对于揭示流域污染物分布规律具有重要意义。

目前，国内对河流污染累积负荷量的研究很少：翟淑华等对太湖进出湖污染负荷和净入湖负荷进行了研究，并得出了沿湖各地区的贡献率[3]；张丹[4]等对栈道污染物累积负荷过程做了研究，并体现了时刻累积负荷和时段累积负荷的概念。

而污染累积负荷估算方法与实证研究较少，本文以物料平衡基本理论依据，在断面通量和污染入河量、污染负荷削减量计算的基础上研究河段污染累积负荷量的估算方法，并在漳卫南运河子流域内进行实证研究，分析主要河段典型污染物累积特征。

1．材料与方法
1.1研究区域与河段划分
漳卫南运河是海河流域南系的一条主要排洪入海河道，位于东经112°～118°，北纬35°～39°，流域面积37700平方公里，占海河流域总面积的11.9％。

由漳河、卫河、卫运河、漳卫新河和南运河组成，是海河流域跨省污染的典型地区。

近年来，流域水资源利用率达90％以上，严重超过国际上40％的警戒线；同时，流域水污染防治规划实施效果不理想，水环境质量日益恶化，省界污染纠纷频繁。

本文在计算断面污染物通量、污染物入河负荷和削减负荷的基础上，进一步分析河段污染累积负荷特征，旨在为研究流域污染空间特征、污染
1本课题得到全球环境基金项目(GEF) “海河流域水污染防治规划管理与产业结构调整战略研究”的资助。

物迁移规律提供定量化依据，为流域污染总量控制做辅助工作。

采用跨界控制断面划分卫河及以下主要河段，如图1所示主要划分3个河段，分别为：观台、龙王面至馆陶河段；馆陶至四女寺河段；四女寺至辛集闸河段。

图1漳卫南运河主要河段划分示意图
1.2时段污染累积负荷量的概念与计算方法
目前国内文献中还没有对河流“时段污染累积负荷量”做出准确定义，笔者根据其他学者相关的研究成果尝试对此定义。

张丹等[4]对九寨沟公园的公路和游客栈道内污染物时刻累积负荷的概念阐述如下：
对于第i种污染物时刻t（t≥2min）的累积负荷计算公式如下：
L i，t＝L i，t－1＋C t Q t △t （1）式中：L i，t——t时刻的累积负荷值，mg；
L i，t－1——t-1时刻的累积负荷值，mg；
C t——t时刻的实测浓度值，mg/L；
Q t——t时刻的径流量，m3/s；
△t——时间间隔，s
据此，笔者定义河流时段污染累积负荷量为某一段时间间隔内河流污染负荷的增加值，即L i，t－L i，t－1。

然而，对于河流而言并不像公路或栈道那么简单，河流污染负荷的增加值并不等于沿河两岸点源污染、面源污染和支流汇入污染负荷的总和，还应该考虑污染物沿河的自然削减量，即对于一个河段而言，其污染负荷具有如图1所示的平衡关系，根据物料平衡原理可根据下式计算河道污染负荷累积量：
W=(A+C)－(B+D) （2）其中：W——污染物时段累积负荷值，t/a；A——上断面污染物进入量，即为上断面时段通量，t/a；B——下断面污染物流出量，即为下断面时段通量，t/a；C——污染物入河量，t/a；D——污染物削减量，t/a；
图2 河段污染负荷组成
1.3污染物通量计算方法
关于断面污染物通量计算方法的研究，国内外已有许多学者取得了比较成熟的研究成果，其中中国环境科学研究院的富国总结性的提出了河流污染物时段通量的五种估算方法及各自特点和适用范围[5
，6]。

根据漳卫南运河的污染特征以及水文、水质数据的质量，本文采
用如下方法计算污染物年通量：
1
n
i p i W c Q ==∑ （3）
式中：W 代表污染物年通量，kg/a ；ci 表示第i 月瞬时浓度，kg/m3；p Q 表示月平均流
量，m 3；n ＝12。

1.4污染物入河负荷量的计算方法
污染物入河负荷是指研究河段两岸的点源、非点源污染物入河量。

点源污染入河负荷可直接通过污染企业排污数据以及各排污口数据获得；农业非点源污染入河负荷可采用入河系数法计算。

如前所述，由于研究区域内没有主要支流汇入，因此认为非点源污染是通过小的沟渠排入到干流中来的，而又由于这些小的沟渠难以统计，所以本文用流域内各市县的农村非点源入河量代替。

农村非点源主要包括农村生活、畜禽养殖和化肥施用三个部分，考虑到散养畜禽所排放的COD 和氨氮大都随着农村居民生活污水一起直接进入村河或直接排入沟渠，因此，本文把农村居民生活污染源和散养畜禽排放的COD 和氨氮合为一体，统称为农村生活污染源。

对于农村生活污染源首先采用人均系数法分别计算各排放量，然后采用入河系数法计算各污染物入河量；而对于氮肥施用部分首先采用流失率法和入河系数法计算氨氮入河负荷。

所有计算参数均采用国内外相关研究结果的平均值： COD 折合人均的农村生活源排放源强系数为50g/d ，氨氮为4.5g/d ；氮肥的流失率为3%~5%，本文取4%；农村生活污染入河系数取0.02，化肥流失取0.146。

1.5污染物沿程削减量计算方法
对于窄而浅的河道，污染物削减量利用一维水质模型进行确定，即认为污染物浓度仅在河流纵向上发生变化。

本文假设在水流交汇处（包括排污口），由于污水量变化不大基本不影响流速，因此计算时将包括上断面来水和各排污口等在内的所有污染物汇入点看作互不干扰的个体，即可以单独计算各单元的污染物削减量，然后将各单元削减量相加。

因此，污染
物削减量D 有如下计算公式：
/00()(1)kx u D Q C C QC e −=−=−
（5）
式中，C 为削减后污染物浓度，mg/L ；C 0为污染物削减前的浓度，mg/L ； K 为综合自净系数，1/d ；x 为计算单元长度，km ；u 为计算单元流速，km/d 。

其中，综合自净系数K 以及河流流速均采用水利部海河水利委员会水资源保护科学研究所提供的《海河流域漳卫南运河纳污能力与限制排污总量方案》的研究成果，
K COD =0.05+0.68U(1/d)； K NH3-N ＝0.061+0.551U （1/d ）
降解距离来源于漳卫南运河子流域GIS 数据，需要特别说明的是上由于面源污染没有确切的排污口，无法准确统计降解距离，本文假定同一河段内面源污染均由河段中点入河，降解距离为河段上下断面间距的1/2。

2．计算结果
2.1 断面污染物通量计算
根据海河流域水环境监测中心提供的水质数据和海河水利委员会提供的流量数据，按照公式（3）计算2004年漳卫南运河子流域主要省界断面的污染物通量结果如下表：
表1 2004年漳卫南运河子流域主要省控断面污染物通量
污染物通量（t/a)
断面名称
COD
氨氮 观台 7619.44335.71 龙王庙 295873.0618131.56 馆陶 89128.866459.23 四女寺 34889.362650.48 辛集闸
98364.34
7078.13
从通量计算的结果来看，龙王庙断面污染物通量最高，说明河南排污量最大，卫河段污染严重；观台断面年流量仅低于龙王庙断面，但污染物通量却最小，主要原因在于污染物浓度较低，一方面说明上游来水水质较好，同时也说明观台断面控制岳城水库入库水质的水污染防治工作效果明显；辛集闸作为入海水量控制断面污染物通量明显高于四女寺断面，原因主要是南运河将作为南水北调的输水线路，德州的污水改排工程正逐步削减进入南运河的污水量，而将污水排入漳卫新河。

总之，污染通量结果所反应的河段污染空间特征与流域内排污状况以及污染控制状况基本吻合。

2.2入河污染负荷计算
2.2.1点源入河污染负荷统计
本文研究的三条河段内共有9个主要入河排污口，排污强度的计算以国家环保局对漳卫南运河子流域工业污染源2004年的统计数据为基础，缺省数据以《漳卫南运河水资源水环境综合管理战略行动计划（SAP ）基线调查报告》中2003年的排污口数据作为补充，入河排污口排污强度如表2所示：
表2 点源污染物入河负荷
污染物入河负荷（t/a)
河段序号 排污口个数（个）
COD
氨氮
1 4 136.4933.66
2 1 29394.88 303.97
3 4 6687.64
369.45
2.2.2非点源污染负荷计算
根据本文1.4中介绍的方法计算漳卫南运河主要河段农村非点源污染入河负荷结果如下
表： 表3漳卫南运河主要河段农村非点源污染入河负荷
农村生活污染源排放量（t/a ） 入河负荷（t/a ） 河段序号 市县 COD 氨氮 氮肥流失
量（t/a ） COD
氨氮
1 磁县、临漳、魏县、大名 40825.673674.291623.28816.51 310.48
2 馆陶、聊城、邢台、武城、夏津、故城
405285.2
36475.65
28257.42
8105.70 4855.10
3
庆云、乐陵、宁津、德州、陵县、平原、吴桥、东光、南皮、盐山、海兴
63429.295708.624308.71268.59 743.24
注：人口与氮肥施用量等原始数据来源于2005年河南省、河北省、山东省、山西省统计年鉴。

2.3 污染物削减量计算
漳卫南运河污染物削减量包括上断面污染物削减量、排污口污染物削减量和面源污染物削减量三个部分。

根据2.2计算所得的排污数据，按照1.5中介绍的削减量计算方法，分别计算点源、面源、上断面污染物削减量，结果如表4～表6：
表4 排污口污染物削减量
污染负荷削减量（t/a)
河段序号COD
氨氮
1
92.7152921.056092 16702160.3081
3
5341.863285.7818
表5 面源污染物削减量
污染物入河量（t/a ）综合自净系数
污染负荷削减量（t/a)河段序号 起始－终止断面 COD
NH3-N
降解距离（km ） 流速
（km/d ）K COD
K NH3-N COD 氨氮 1 观台，龙王庙－馆陶
816.51 310.487344.280.39850.343388 393.2138134.21112 馆陶－四女寺 8105.7 4855.165.524.880.245840.219688 3862.322132.2723
四女寺－辛集闸
1268.59 743.24
82.5
15.984
0.1758
0.162935
756.6102
422.688
表6 上断面污染物削减量
污染物通量（t/a)
综合自净系数
污染负荷削减量（t/a)
断面名称 降解距离（km ）
COD 氨氮 流速
（km/d ）K COD
K NH3-N COD 氨氮
观台 146
7619
335.741.040.3730.3223 5604.92 225.09龙王庙 62 2958731813242.340.38320.3195 127068.1 6775.63馆陶 131 89129645932.40.3050.2673 63159.94 4266.75四女寺
165 34889
2650
16.42
0.1792
0.1655
29128.63
2147.64
综合以上计算结果，三条河段污染物削减总量如表7：
表7 河段污染负荷削减总量
河段序号 起止断面 COD 削减量（t/a ）氨氮削减量（t/a ）
1 观台，龙王庙－馆陶1331597164.41
2 馆陶－四女寺 83724.266623.46 3
四女寺－辛集闸
35226.7
2976.27
2.4河段污染负荷累积
综合2.1～2.3的计算结果，根据物料平衡公式（1）计算漳卫南运河子流域主要河段2004年污染负荷累积量，结果如下：
表8 漳卫南运河主要河段污染负荷累积
污染物入河量（t/a ） 上断面污染物入境量(t/a)
污染物削减量(t/a)下断面污染物出境量(t/a)
河段累积量(t/a)
河段序号 起始－终止断面 COD NH3-N COD NH3-N COD NH3-N COD NH3-N COD NH3-N
1 观台，龙王庙－馆陶 953 344.14 303492184681331597164.4189129 6459 82157
5188.732 馆陶－四女寺 37500.58 5159.07 89129
645983724.266623.4634889 2650 8016.32
2344.61
3
四女寺－辛集闸
7956.22 1112.7 34889
265035226.72976.2798364
7078 -90745.48-6291.57
在观台、龙王庙至馆陶河段污染物负荷累积量最大，主要有两方面原因：一是岳城水库控制下泄水量，污染物没有被冲刷出下馆陶断面，根据漳卫南运河SAP 基线调查报告，岳城水库1980年至2000年平均下泄水量仅为1.33亿立方米；二是龙王庙断面污染物通量较大，龙王庙断面主要控制河南排污量，河南省境内共62个排污口，年入河COD 量达18万吨以上、NH3-N 入河量为1.13万吨以上，分别占整个漳卫南流域的76.9％和66.2％。

馆陶至四女寺河段，COD 累积负荷量仅次于1号河段，主要原因在于河段中间临清站附近有一排污口排污强度较大，年COD 入河量达3.9万吨，氨氮入河量303吨/年。

对于四女寺以下河段：首先，由于南运河逐渐变为南水北调工程的输水廊道，为此国家于2003年3月建成投入运行漳卫南运河污水改排工程，工程主要用于处理德州城区南运河两岸污水，该工程配套建设了53公里南运河污水收集管网，使南运河两岸污水即西部区域的污水“截污”进入改排工程，经三级氧化塘处理后改排岔河，即四女寺的来水以及德州市的污水不再排入南运河，而通过岔河进入漳卫新河；其次，四女寺断面断流严重，仅在丰水期有水，全年径流总量仅为2.16 亿立方米，而辛集闸断面年经流量可达到7亿立方米以上，主要原因是德州市用水多数来自于超采的地下水和引黄水，而污水却排到漳卫新河，河道内
流量逐渐增加，导致水流冲刷作用明显，污染物难以累积于河道中；另外，也存在统计数据的准确性问题，根据其他相关研究的分析结果，此河道接受了大量来自外流域农业灌溉的退水，造成辛集闸的水量增大，故造成辛集闸得通量远大于四女寺。

3．讨论
3.1 污染累积负荷主要去向
由上述方法计算所得的污染物累积负荷实际包含两个部分：第一，通过引水灌溉等途径，污染物累积于近河道两侧农田或引水渠道当中；第二，伴随泥沙淤积、沉降等过程形成河道内污染源。

通过进一步确定两者的比例可以对河道水环境污染程度有更清晰的认识。

3.2 W正值与负值的理解
W为河流时段污染累积负荷，所以计算得到的W值可以是正值，也可以是负值：
W＞0，说明所研究河段污染累积负荷增加；
W＝0，说明所研究河段污染累积负荷不变；
W＜0，说明所研究河段污染累积负荷减少；
W＜0多发生于下断面流量远大于上断面流量时，此时河流冲刷作用明显，因此可以将前一时段累积污染负荷冲刷出河段。

相反，当下断面流量远小于上断面流量时，河流冲刷作用小于泥沙的吸附和累积效应，则污染物累积于河道当中。

对于案例中，四女寺－辛集闸河段，四女寺全年实测径流总量Q1＝2.1617亿立方米，辛集闸全年实测径流总量Q2＝7.0851亿立方米，Q2远大于Q1，因此，该河段COD和氨氮累积负荷均小于零。

3.3方法误差分析
误差产生原因主要体现在四个方面：
第一，污染负荷削减量计算方法中假设条件并不完全符合河流的实际情况，由于水环境系统中存在很大的随机性和偶然因素，必然导致输出结果的不确定性；
第二，面源污染负荷削减量的准确分析方法还有待于进一步研究，由于面源污染没有确定的入河口，因此无法确定一维水质模型中k，x，u等变量，本文采用平均综合自净系数法，将面源污染负荷假定于分析河段中点入河进行分析，因此存在一定的方法误差；
第三，对于断面时段通量的计算，由于污染源汇集特性不同，不同污染物点源、非电源所占比例不同，方法学选择上的误差；
第四，数据短缺，水文水质数据不同步等技术原因产生误差。

4 结论
（1）观台、龙王庙、馆陶、四女寺、辛集闸断面2004年COD年通量分别为：7619.44t、295873.06 t、89128.86 t、34889.36 t和98364.34 t；氨氮年通量分别为：335.71 t、18131.56 t、6459.23 t、2650.48 t和7078.13 t。

比较分析，龙王庙断面污染物通量最高，说明河南排污量最大，卫河段污染严重；观台断面年流量仅低于龙王庙断面，但污染物通量却最小，主要原因在于污染物浓度较低，一方面说明上游来水水质较好，同时也说明观台断面控制岳城水库入库水质的水污染防治工作效果明显；辛集闸作为入海水量控制断面污染物通量明显高于四女寺断面，原因主要是南运河将作为南水北调的输水线路，德州的污水改排工程正逐步削减
进入南运河的污水量，而将污水排入漳卫新河。

总之，污染通量结果所反应的河段污染空间特征与流域内排污状况以及污染控制状况基本吻合。

（2）由上而下三条河段2004年COD污染累积负荷分别为82157t、8016.32t和-90745.48t，氨氮为5188.73t、2344.61t和-6291.57t。

观台、龙王庙至馆陶河段污染物负荷累积量最大，即内源污染严重，在外界环境适宜情况下容易造成短时间内的水质浓度急剧下降，潜在危险严重；由于沿河流方向上流量不断增加，导致四女寺至辛集闸河段污染累积负荷均小于零，污染物被冲刷入海。

参考文献
[1]郑一，王学军，江耀慈等。

环太湖河道水质分析与入湖污染负荷量估算[J]。

地理学与国土研究，2001，17（1）：40～44
[2]周玉军，林秉南，李玉梁等。

关于三峡水库内源污染控制的研究[J]。

科技导报2006，（10）：5～10
[3]翟淑华，张红举。

环太湖河流进出湖水量及污染负荷（2000～2002年）[J]。

湖泊科学，2006，18（3）：225～230
[4]张丹，于苏俊。

九寨沟公路和栈道降雨径流污染负荷过程的研究[J]。

环境工程学报，2007，1（2）：25～28
[5]富国。

河流污染物通量估算方法分析（Ⅰ）——时段通量估算方法比较分析[J]。

环境科学研究，2003，16（1）：1～4
[6]富国，雷坤。

河流污染物通量估算方法分析（Ⅱ）——时空平均离散通量误差判断[J]。

环境科学研究，2003，16（1）：5～10
The research of typical contamination flux and accumulated capacity in the Zhangweinan Channel drainage area
Zhang Ming
School of Environmental Sciences，China Renmin University，Beijing （100872）
Abstract
This article carve up the main reach of Zhangweinan Channel by provincial control. It uses the way to calculate the contamination flux in one cover, and the way is that instantaneous concentration multiplies the average flow in a period of time. We use the one dimensional model to calculate the decrement of contamination. Based on this, we use the material equal keystone to calculate the accumulated burden of all rivers. The result of calculation: in the year of 2004, the COD flux of Guantai, Longwangmiao, Guantao and Xinjizha in one cover is 7619.44tons, 295873.06tons, 34889.36tons and 98364.34tons; the ammonia nitrogen flux of these four places is 335.71tons, 18131.56tons, 6459.23tons, 2650.48 tons and 7078.13tons; in the year of 2004, the COD accumulated capacity of the river in the Guantai, Longwangmiao to Guantao, Guantao to Sinvsi and Sinvsi to Xinjizha is 82157tons, 8016tons and —90745.48tons, the ammonia nitrogen accumulated capacity of these four places is 5188.73tons, 2344tons, and －6291.57tons.
Keywords：Zhangweinan Channel，river，the contamination flux，accumulated capacity of the contamination。