1 引言(Introduction)
随着农村经济和乡村休闲旅游业的发展, 农村生活污水排放量日益增多, 且农村污水排放存在量少分散的特点, 集中收集难度大, 污水处理存在设施运行维护经费缺乏、日常监督管理不到位等问题, 致使农村生活污水无法得到有效处理, 并已成为制约农村环境改善的重要因素(尹爱经等, 2017; Gong et al., 2012).目前国家还未出台针对农村污水的排放标准, 大部分地区仍执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002), 但该标准主要适用于城镇污水处理厂的管理和排放, 并未考虑农村生活污水排放分散、去向复杂及经济水平较低等因素, 且农村生活污水与城镇污水相比, 无论排放量、排放特征, 还是污水的进出水质、处理技术都存在较大差距, 如果执行城镇排放标准, 对农村生活污水设计标准、处理效果和运行管理水平都有很高的要求, 也是一项沉重的经济负担.在此情况下, 部分省市针对农村生活污水处理出台了相应的地方排放标准, 标准多以水体为管理对象, 以污染物排放为核心, 未考虑污水产生的地理位置, 而农村生活污水产源分散, 不同地区的农村生活污水具有不同的排放特征.若使用同一标准对不同地区的农村生活污水进行管理缺乏针对性, 因此, 有必要开展农村生活污水排放标准研究.
农村污水产源分散, 且农村水环境容量较大, 根据农村水环境特征, 对于农村生活污水排放标准, 一是可根据污水处理技术水平制定, 二是可根据水环境要求制定.农村生活污水主要有6种排放去向：①用于农业灌溉, ②用于杂用水, ③用于畜禽养殖, ④用于水产养殖, ⑤回灌地下水, ⑥排入河流.对于排入河流的农村生活污水, 可考虑河流水环境容量, 在保持水功能用途的前提下, 计算农村生活污水最大允许污染负荷量.
目前, 国内外对农村生活污水的研究主要集中在农村生活污水排放特征和污水处理技术两方面(Smyk et al., 2018; Gong et al., 2018; Toyama et al., 2018), 对农村生活污水入河水质的研究很少.基于此, 本文在研究流域水生态功能分区的基础上, 划分不同的水环境控制单元, 重点探讨不同水环境控制单元内排入河流的农村生活污水污染物排放限值.通过建立由水生态功能区-水环境控制单元-入河水质目标构成的农村生活污水水质目标控制体系, 并以山西省沁河流域为例对农村生活污水入河水质进行计算.以期为农村生活污水管理提供决策依据和技术支持, 并为水生态功能分区在农村生活污水管理研究中的应用提供参考.
2 农村生活污水入河水质估算方法(A calculating method for water quality discharge to river)
本文建立了由水生态功能区-水环境控制单元-入河水质标准组成的农村生活污水入河水质核算体系.其中, 水生态功能分区是指在水生态系统组成、结构和功能上具有相对一致性的水体及其影响陆域所组成的区域单元(李艳梅等, 2009), 是面向水质目标管理污染控制单元划分的基础(孙然好等, 2013).水环境控制单元是进行水污染控制和管理的基本单元, 划分控制单元的主要目的是使复杂的流域水环境问题分解到各控制单元内, 使具体的流域水环境管理措施和政策能够有效实施和落实, 从而实现流域水环境质量的改善.因此, 基于水生态功能分区对水环境控制单元进行划分, 以实现水质水生态双重管控, 构建分区、分类、分级的管理体系.
靠近河流附近的农村, 其产生并将未经处理的生活污水直接排入河流, 导致农村河流水体环境容量和生态承载能力下降, 从而使农村水环境生态系统受到严重破坏.农村生活污水入河水质目标的计算需考虑排放河流自身的水环境容量, 在保护水环境功能不降低的前提下, 现有的各类污染物排放总量不得超过水环境容量, 因此, 通过计算河流水环境容量及各类污染物入河量, 确定农村生活污水中各类污染物排放限值.
农村生活污水入河水质目标估算具体步骤为(图 1)：根据影响水资源和水环境的自然环境因子, 对水生态功能进行分区, 再结合水文单元和行政区对水环境控制单元进行边界识别, 通过水生态功能分区和人类活动胁迫效应研究, 对水环境控制单元的生态现状进行分析; 在提取河流所在的水环境控制单元的基础上确定需要进行农村生活污水入河水质研究的水环境控制单元, 首先对控制单元内的水环境容量进行计算, 再选取河流所在的水文单元作为河流纳污范围, 调查纳污范围内的各类污染源, 计算其污染物排放量和入河量, 最后在水环境容量及各类污染物入河量的基础上估算农村生活污水污染物排放限值.
图 1
图 1 农村生活污水入河水质估算流程
2.1 水生态功能分区
目前, 水生态功能分区研究已较为成熟, 国际上相关研究主要集中在水生态分区方案构建、理论研究等方面(孙小银等, 2010), 国内研究主要包括水生态功能分区(蒋艳等, 2015; 高喆等, 2015)和基于生态分区体系的环境管理、评价等(宋策等, 2012; 王宏岩等, 2012), 对本文水生态功能分区指标体系的建立具有借鉴作用.
根据流域水资源空间特征差异进行水生态功能一级分区, 可反映水资源供给功能的空间格局特征(郭巾巾等, 2011; 蒋艳等, 2015).地貌特征会直接影响降雨、径流等水资源的形成和分配, 进而影响流域的供水功能和生态水文效应的发挥, 同时，降水量和蒸发量制约着流域水资源的空间分布, 因此, 选取地貌类型、降水量、蒸发量作为一级分区指标.
根据生态水文和水质净化功能的空间异质性对水生态功能进行二级分区, 以反映流域生态水文过程及水质净化功能的空间格局特征.植被通过截留水分影响径流, 具有水源涵养功能, 同时通过生物化学作用吸收水体污染物, 发挥水质净化功能.不同类型土壤下渗率不同, 产汇流过程不同.因此, 选取植被类型和土壤类型作为水生态功能的二级分区指标, 其中, 植被类型分为水源涵养和洪水调蓄功能较好的林地、功能一般的草地和功能较差的其他用地.
2.2 水环境控制单元划定
2.2.1 水环境控制单元边界识别
根据不同的管理模式和划分依据, 控制单元的划分主要有基于水文单元、水生态区和行政区的3种划分方法(张倩等, 2013; 刘媛媛等, 2013; 方玉杰等, 2015).多数水环境控制单元的研究只考虑水文单元、水生态区和行政区的一个或两个因素, 而基于水文单元划分的控制单元可解决水污染问题, 基于水生态分区划分的控制单元可实现流域水生态保护的目标, 基于行政区划分的控制单元可达到流域水环境管理的目的, 因此, 在现有方法基础上对水环境控制单元的识别做进一步深化.本文综合水文单元、水生态功能区和行政区3个因素对水环境控制单元边界进行识别, 将“汇水”和“水质”、“流域”和“行政”相结合, 综合考虑水污染和汇水特征, 有利于水生态保护, 便于水环境管理.
首先, 基于数字高程模型(DEM)数据, 利用SWAT模型提取沁河流域内的集水区, 且集水区形状要符合实际水系特征, 生成沁河流域内不同面积的水文单位; 其次, 依据水生态功能二级分区结果, 结合河流水系特征, 确定水文单位大小, 使不同水文单元内的水生态功能尽可能一致; 最后, 将水文单元与流域内各市行政区进行叠加, 根据行政区边界调整水文单位边界, 调整后的水文单元即为水环境控制单元; 并确保水环境控制单元与相应的水环境功能区划中的水功能分区相吻合.
2.2.2 水环境控制单元生态现状分析
不同的水环境控制单元具有不同的自然环境特征, 以及不同的人类活动影响范围和程度, 从自然环境和人为活动两方面对控制单元的生态现状进行分析, 为分区管理提供依据.其中, 自然环境依据水生态二级分区结果, 人为因素依据人类活动对水生态系统的胁迫效应.
人类活动会影响水生态系统服务功能, 主要体现为对水资源供应和水环境净化功能具有一定的占用作用, 表现为人类活动对水量和水质的胁迫.人类活动区域主要集中于农田、工业用地、居住地等, 其中, 工业用水和工业污水排放多集中于工业用地, 农业用水和农业污水排放集中在农田, 城镇生活用水和生活污水排放集中于城镇用地, 将工业、农业和城乡生活所消耗的水资源量换算成对水生态系统服务功能的占用水量来表示人类活动对水量的胁迫(李芬等, 2010).
依据生态现状, 对水环境控制单元进行命名.对生态环境较好、人类活动影响较小的区域, 维持现有的生态环境, 并保证水量充足, 水质达标, 控制单元按照“单元位置+生境维持区”进行命名; 对生态环境一般、人类活动影响较大的区域, 依据人类活动干扰类型, 从水量和水质胁迫两方面对控制单元进行区分, 按照“单元位置+干扰类型”进行命名.
2.3 农村生活污水入河水质目标估算
依据河流水系数据, 提取区域内存在河流的水环境控制单元, 并依据控制单元内是否有城市分布, 即控制单元内的河流水质是否受城市污水排放的影响, 将水环境控制单元分为农村水环境控制单元和城市水环境控制单元; 结合河流水系特征, 分析计算水环境控制单元内的河流水环境容量; 对控制单元的农村生活污水水质按照流纳污范围划定-污染物入河量估算-农村生活污水污染物排放限值估算进行确定.因城市水环境控制单元的河流污染物有部分来源于城市污水, 因此, 计算农村污水的水质目标时需排除城市污水对河流水环境的影响.
2.3.1 水环境容量计算
天然理想的水环境容量只与地表水体的自然水文条件及其水质保护目标要求相关, 反映区域水环境资源多寡和分布特性.为便于利用简单的稳态数学模型来描述研究水体的水质变化规律, 本文对天然水域进行概化, 将天然河道概化成顺直河道, 非稳态水流简化为稳态水流, 计算天然条件下的水环境容量.
本文利用确定性方法中的解析公式法计算水环境容量, 计算公式如下(付可等, 2016)：
(1)
式中, W为水环境容量(kg·d-1); Q0为流量(m3·s-1); q为废水量(m3·s-1); Cs为水环境质量标准(mg·L-1); C0为河段上断面污染物浓度(mg·L-1); k为污染物降解系数(d-1); x为上下断面间距离(km); u为河流流速(m·s-1).
2.3.2 河流纳污范围划分
小流域即水文单元内的自然地理、气候、地质和土地利用等要素决定着河流的径流、河道、基底类型、水沙特性等物理及水化学特征, 一般能真实、全面地反映流域水污染分布特征及变化规律.依据DEM数据, 利用SWAT模型划分水环境控制单元内的水文单元, 选取河流所在的水文单元作为河流纳污范围, 纳污范围内的各类污染源最终汇入河流, 对河流水质产生影响.水环境控制单元纳污范围内的农村执行相应的农村生活污水排放标准.
2.3.3 污染物排放量估算
污染物来源包括上游污染物、沿岸污染物和自然径流污染物.依据河流污染控制的“零污染原理”和“上游污染不影响下游”的水环境资源分配理论, 河流利用水体自身的净化能力, 使得水功能区之间的污染不再传递, 因此, 对于一个水环境控制单元, 只考虑沿岸污染源污染物排放.
农业源排放量：采用《全国水环境容量核定技术指南》中“标准农田法”估算农田径流污染物, 计算公式如式(2)所示.
(2)
式中, E农业i为农业源i种污染物的负荷量(t·a-1); S农业i为标准源强系数, COD为15 t·km-2·a-1, 氨氮为3 t·km-2·a-1; A为耕地面积(km2); α为坡度修正系数, 坡度在25°以下, 系数为1.0~1.2, 坡度在25°以上, 系数为1.2~1.5;β为土壤类型修正系数, 壤土为1.0, 砂土为1.0~0.8, 粘土为0.8~0.6;γ为降雨量修正系数, 当降雨量≤400 mm时为0.6~1.0, 当400 mm<降雨量≤800 mm时为1.0~1.2, 当年降雨量>800 mm时为1.2~1.5.
农村生活源排放量：农村生活污染负荷计算公式如式(3)所示.
(3)
式中, E农村i为农村生活源i种污染物的负荷量(t·a-1); e农村i为农村生活源i种污染源综合产生系数(g·人-1·d-1); P农村i为农村人口数量(人); F为农村人均生活用水量(L·d-1); a为农村生活排水系数.
城市生活污染源：生活污染源主要指城镇居民生活排出的生活污水对水环境产生的污染, 计算公式如式(4)所示.
(4)
式中, E城i为城市生活源i种污染物的负荷量(t·a-1); e城i为城市生活源i种污染源综合产生系数(g·人-1·d-1); P城i为城市人口数量(人).
2.3.4 污染物入河量估算
农业源、农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农业i、G农村i、G城i分别为农业源、农村生活源和城市生活污染源入河量(t·a-1), K农业、K农村和K城分别为农业源、农村生活源和城市生活源入河系数.
2.3.5 农村生活污水污染物排放限值估算
安全余量估算：安全余量是总量控制技术中为保障水环境功能所必须考虑的因素, 指基于谨慎性考虑对环境容量的预留部分, 一般根据区域的敏感性选取水环境容量的5%~10%作为安全余量(吴坤等, 2015).
污染物排放限值估算：河流中的污染物总量不超过天然条件下各污染物因子所对应的水环境容量, 依据水环境容量、安全余量、非农村生活污染源污染物入河量, 以及河流纳污范围内农村人均生活用水量和控制单元内农村人口数量, 得到各污染物排放限值.具体公式如下：
(8)
(9)
式中, W为水环境容量(t·a-1); W安全为安全余量(t·a-1); G农村i、G非农村i分别为农村生活污染源、非农村生活污染源的污染物入河量(t·a-1); L农村i为污染物排放限值(g·L-1·d-1); F为河流纳污范围内农村人均生活用水量(L·d-1); Pi为纳污范围内农村人口数量(人); a为农村生活排水系数; K农村为农村生活源入河系数.
3 沁河流域农村生活污水入河水质研究(Study on the rural sewage quality for discharge to river in the Qin River valley of Shanxi) 3.1 研究区概况
沁河是黄河三门峡至花园口区间一条较大的一级支流, 流域总面积13532 km2(图 2).其在山西省境内呈阔叶形, 长363 km, 流域面积12264 km2, 占总面积的91%, 地处我国东部季风区暖温带半湿润地区的西缘, 四季分明, 冬长夏短, 雨热同季, 主要涉及长治市的沁源县、长子县, 临汾市的安泽县、浮山县, 晋城市的沁水县、阳城县、高平市、泽州县、城区和陵川县等10个县(市), 各市县的经济、生活水平不同, 为农村生活污水的管理带来挑战.具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
图 2
图 2 沁河流域水系图
3.2 数据资料
本文的气象数据来源于研究区周围20个气象站点所提供的2010—2017年气象资料, 利用ArcGIS中的克里金插值得到研究区多年平均降水量和蒸发量栅格图; DEM数据来自ASTER GDEM, 空间分辨率为250 m; 土地利用类型数据基于山西省生态10年数据; 土壤属性数据来源于联合国粮农组织和维也纳国际应用系统研究所所构建的世界土壤数据库.
3.3 水生态功能分区
在ArcGIS中, 按照表 1中的指标分级标准对沁河流域的地貌和气候进行分类, 并对已分好类的地貌图层和气候图层进行叠加合并, 再对其边界进行处理, 形成沁河流域水生态功能一级分区(图 3).在一级分区的基础上, 结合植被类型和土壤类型, 对分区指标进行空间叠加聚类, 得到初步的二级分区结果, 依据区域的整体性和完整性原则, 对二级分区边界进行调整, 最终得到沁河流域水生态功能二级分区(图 3), 且按照“气候区+地貌类型+土壤类型+植被类型”进行命名.沁河流域水生态功能二级区可分为半湿润山地淋溶土林区、半湿润山地粗骨土林区、半湿润山地雏形土林区、半湿润山地草区、半湿润平原林区、湿润平原草区和湿润平原非林草区, 面积分别为897.78、597.37、5380.04、761.89、1481.54、1806.07和1329.51 km2.
图 3
图 3 沁河流域水生态功能一级分区(a)和二级分区(b)
3.4 水环境控制单元
沁河流域划分为15个水环境控制单元(图 4a), 隶属于长治市、临汾市和晋城市.基于土地利用赋值法, 利用各市级2016年统计年鉴数据, 对不同土地利用斑块的用水信息进行赋值.沁河流域各控制单元的总占用水量介于159~27897万m3·a-1之间.人类活动对水质的胁迫可依据水质监测数据, 根据《长治市地表水质量月报》、《临汾市地表水质量月报》和《晋城市地表水质量月报》, 沁河流域共有监测断面13个, 2017年每月监测1次, 全年监测12次, 除丹河赵庄至高平河西段和白水河源头至断面段的水质全年均为劣Ⅴ类外, 其余监测断面的水质均达到相应的水质标准.沁河流域内水环境控制单元的生态现状见图 4b和表 2.
图 4
图 4 沁河流域水环境控制单元(a)及生态现状(b)
3.5 农村生活污水入河水质计算
农村生活污水成分一般以无毒的无机盐类居多, 主要含有有机物、氮、磷及致病细菌等, 且《全国水环境容量核定技术指南》将COD和NH3-N作为农村生活污染物排放主要控制因子, 因此, 本文选取COD和NH3-N作为河道污染物总量控制因子.沁河流域农村水环境控制单元分为农村水环境控制单元和城市水环境控制单元(图 5).以城市水环境控制单元内的沁河上游水质改善区为例, 计算农村生活污水COD和NH3-N的排放限值.
图 5
图 5 沁河流域水环境控制单元分类
3.5.1 河流纳污范围划分
沁河上游水质改善区的纳污范围为249.92 km2, 污染源包括农业源、农村生活源和城市污染源, 其中, 农业源为位于紫红河两侧的农田, 面积为70 km2, 纳污范围内的农村共有197个, 包括韩洪沟村、西岭上村、四元村等, 城市污染源为沁源县城.
3.5.2 农村生活污水污染物排放限值估算
控制单元内平均坡度为11°, 土壤类型主要为砂土, 年均降雨量在506 mm左右, 因此, 确定流失系数为1.0, 土壤类型修正系数为0.8, 降雨量修正系数为1.1.根据《生活源产排污系数及使用说明》, 确定区域城镇生活污水COD和NH3-N的人均排污系数分别为55 g·人-1·d-1和7.3 g·人-1·d-1.对农业源和农村生活源, 取COD入河系数为0.3, NH3-N入河系数为0.2(毛光君等, 2014); 对城镇生活源, 取COD入河系数为0.56, NH3-N入河系数为0.56(陈钊等, 2009).计算得到沁河上游水质改善区内河流的COD容量为1178.52 t·a-1, NH3-N容量为68.53 t·a-1.城镇生活源COD和NH3-N的年入河总量分别为812.83 t和107.88 t, 农业源COD和NH3-N的年入河总量分别为277.2 t和36.96 t.
根据前期实地调研, 控制单元内农村人均生活用水量约为24 L·d-1, 常驻人口约为34027人，排水系数取0.5.为防止出现“保护不足”或者“过度保护”的情况, 选用中间值7%作为安全余量比例, 据此得到沁河上游水质改善区内的农村生活污水COD排放限值为134.05 mg·L-1; 控制单元内的农业源和城市生活源的实际NH3-N入河量超过水环境容量, 说明在Ⅱ类水质目标下, 河流不满足接纳农村污水进行NH3-N消减的条件, 若河流要接纳农村生活污水, 需以NH3-N为约束性指标, 对控制单元实施污染物减排, 减少进入河流的污水排放量或提高污水处理率, 为农村生活污水预留一定容量.
图 6
图 6 沁河上游水质改善区河流纳污范围
4 农村生活污水管理(Rural sewage management)
农村生活污水管理可从横向和纵向分别进行管理.横向管理从“水”、“陆”方面进行, 包括污染物排放管理和陆地空间管理两方面, 纵向管理指对污水排放进行分区、分级管理.
污染物排放管理：污染物排放管理侧重对农村生活污水中各污染物控制因子排放量的控制.水环境控制单元为进行水污染控制和管理的基本单元, 基于控制断面水质目标可得到不同单元内的水环境容量, 从而估算得到农村生活污水入河水质要求.不同控制单位采取不同的农村生活污水水质管理目标, 具有不同的农村生活污水排放标准.
陆地空间管理：不同水环境控制单元内自然环境不同, 各村庄的生活方式及经济条件不同, 使农村生活污水的排放形式和处理方式不同, 对当地生态环境的影响不同, 促使不同控制单元内对农村生活污水的陆地空间管理侧重点不同.如位于水质改善区的农村, 一般靠近城市, 因受城市生活污水及工业污水排放的影响, 河流受到一定程度污染, 水环境容量降低, 对周围污水的接纳度降低, 可对此类型控制单元实施污染物减排措施, 减少进入河流的污水排放量或提高污水处理率, 使河流可以同时承担一定的城市污水和农村生活污水的排放, 且该控制单元内的农村以集中分布为主, 可收集农村生活污水并采取污染物去除效果较好的措施进行污水处理.位于水量胁迫区内的农村, 主要为平原型农村, 用水量及污水排放量均较多, 污水处理可采取以水资源回用为主的方式, 减少人类活动对河流水资源的压力.
5 结论(Conclusions)
1) 根据地貌类型、降水蒸发量、植被和土壤类型等指标, 对沁河流域水生态功能进行了二级分区.沁河流域共划分为2个一级区、7个二级区, 二级区可分为半湿润山地淋溶土林区、半湿润山地粗骨土林区、半湿润山地雏形土林区、半湿润山地草区、半湿润平原林区、湿润平原草区和湿润平原非林草区.
2) 在水生态功能分区基础上, 结合水文单元和行政区边界, 划定了水环境控制单元.沁河流域可划分为15个水环境控制单元, 隶属于长治市、临汾市和晋城市, 不同控制单元内的生态环境及人类活动对水量和水质的影响不同.
3) 以城市水环境控制单元内的沁河上游水质改善区为例, 区域内农村生活污水COD排放限值为134.05 mg·L-1, 且此标准下河流不满足接纳农村污水进行NH3-N消减的条件.(来源：环境科学学报 作者：郭新亚)
