1 引言(Introduction)

　　隨著農村經濟和鄉村休閑旅游業的發展, 農村生活污水排放量日益增多, 且農村污水排放存在量少分散的特點, 集中收集難度大, 污水處理存在設施運行維護經費缺乏、日常監督管理不到位等問題, 致使農村生活污水無法得到有效處理, 并已成為制約農村環境改善的重要因素(尹愛經等, 2017; Gong et al., 2012).目前國家還未出臺針對農村污水的排放標準, 大部分地區仍執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002), 但該標準主要適用于城鎮污水處理廠的管理和排放, 并未考慮農村生活污水排放分散、去向復雜及經濟水平較低等因素, 且農村生活污水與城鎮污水相比, 無論排放量、排放特征, 還是污水的進出水質、處理技術都存在較大差距, 如果執行城鎮排放標準, 對農村生活污水設計標準、處理效果和運行管理水平都有很高的要求, 也是一項沉重的經濟負擔.在此情況下, 部分省市針對農村生活污水處理出臺了相應的地方排放標準, 標準多以水體為管理對象, 以污染物排放為核心, 未考慮污水產生的地理位置, 而農村生活污水產源分散, 不同地區的農村生活污水具有不同的排放特征.若使用同一標準對不同地區的農村生活污水進行管理缺乏針對性, 因此, 有必要開展農村生活污水排放標準研究.

　　農村污水產源分散, 且農村水環境容量較大, 根據農村水環境特征, 對于農村生活污水排放標準, 一是可根據污水處理技術水平制定, 二是可根據水環境要求制定.農村生活污水主要有6種排放去向：①用于農業灌溉, ②用于雜用水, ③用于畜禽養殖, ④用于水產養殖, ⑤回灌地下水, ⑥排入河流.對于排入河流的農村生活污水, 可考慮河流水環境容量, 在保持水功能用途的前提下, 計算農村生活污水最大允許污染負荷量.

　　目前, 國內外對農村生活污水的研究主要集中在農村生活污水排放特征和污水處理技術兩方面(Smyk et al., 2018; Gong et al., 2018; Toyama et al., 2018), 對農村生活污水入河水質的研究很少.基于此, 本文在研究流域水生態功能分區的基礎上, 劃分不同的水環境控制單元, 重點探討不同水環境控制單元內排入河流的農村生活污水污染物排放限值.通過建立由水生態功能區-水環境控制單元-入河水質目標構成的農村生活污水水質目標控制體系, 并以山西省沁河流域為例對農村生活污水入河水質進行計算.以期為農村生活污水管理提供決策依據和技術支持, 并為水生態功能分區在農村生活污水管理研究中的應用提供參考.

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

　　本文建立了由水生態功能區-水環境控制單元-入河水質標準組成的農村生活污水入河水質核算體系.其中, 水生態功能分區是指在水生態系統組成、結構和功能上具有相對一致性的水體及其影響陸域所組成的區域單元(李艷梅等, 2009), 是面向水質目標管理污染控制單元劃分的基礎(孫然好等, 2013).水環境控制單元是進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雜的流域水環境問題分解到各控制單元內, 使具體的流域水環境管理措施和政策能夠有效實施和落實, 從而實現流域水環境質量的改善.因此, 基于水生態功能分區對水環境控制單元進行劃分, 以實現水質水生態雙重管控, 構建分區、分類、分級的管理體系.

　　靠近河流附近的農村, 其產生并將未經處理的生活污水直接排入河流, 導致農村河流水體環境容量和生態承載能力下降, 從而使農村水環境生態系統受到嚴重破壞.農村生活污水入河水質目標的計算需考慮排放河流自身的水環境容量, 在保護水環境功能不降低的前提下, 現有的各類污染物排放總量不得超過水環境容量, 因此, 通過計算河流水環境容量及各類污染物入河量, 確定農村生活污水中各類污染物排放限值.

　　農村生活污水入河水質目標估算具體步驟為(圖 1)：根據影響水資源和水環境的自然環境因子, 對水生態功能進行分區, 再結合水文單元和行政區對水環境控制單元進行邊界識別, 通過水生態功能分區和人類活動脅迫效應研究, 對水環境控制單元的生態現狀進行分析; 在提取河流所在的水環境控制單元的基礎上確定需要進行農村生活污水入河水質研究的水環境控制單元, 首先對控制單元內的水環境容量進行計算, 再選取河流所在的水文單元作為河流納污范圍, 調查納污范圍內的各類污染源, 計算其污染物排放量和入河量, 最后在水環境容量及各類污染物入河量的基礎上估算農村生活污水污染物排放限值.

　　圖 1

　　圖 1 農村生活污水入河水質估算流程

　　2.1 水生態功能分區

　　目前, 水生態功能分區研究已較為成熟, 國際上相關研究主要集中在水生態分區方案構建、理論研究等方面(孫小銀等, 2010), 國內研究主要包括水生態功能分區(蔣艷等, 2015; 高喆等, 2015)和基于生態分區體系的環境管理、評價等(宋策等, 2012; 王宏巖等, 2012), 對本文水生態功能分區指標體系的建立具有借鑒作用.

　　根據流域水資源空間特征差異進行水生態功能一級分區, 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).地貌特征會直接影響降雨、徑流等水資源的形成和分配, 進而影響流域的供水功能和生態水文效應的發揮, 同時，降水量和蒸發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、蒸發量作為一級分區指標.

　　根據生態水文和水質凈化功能的空間異質性對水生態功能進行二級分區, 以反映流域生態水文過程及水質凈化功能的空間格局特征.植被通過截留水分影響徑流, 具有水源涵養功能, 同時通過生物化學作用吸收水體污染物, 發揮水質凈化功能.不同類型土壤下滲率不同, 產匯流過程不同.因此, 選取植被類型和土壤類型作為水生態功能的二級分區指標, 其中, 植被類型分為水源涵養和洪水調蓄功能較好的林地、功能一般的草地和功能較差的其他用地.

　　2.2 水環境控制單元劃定

2.2.1 水環境控制單元邊界識別

　　根據不同的管理模式和劃分依據, 控制單元的劃分主要有基于水文單元、水生態區和行政區的3種劃分方法(張倩等, 2013; 劉媛媛等, 2013; 方玉杰等, 2015).多數水環境控制單元的研究只考慮水文單元、水生態區和行政區的一個或兩個因素, 而基于水文單元劃分的控制單元可解決水污染問題, 基于水生態分區劃分的控制單元可實現流域水生態保護的目標, 基于行政區劃分的控制單元可達到流域水環境管理的目的, 因此, 在現有方法基礎上對水環境控制單元的識別做進一步深化.本文綜合水文單元、水生態功能區和行政區3個因素對水環境控制單元邊界進行識別, 將“匯水”和“水質”、“流域”和“行政”相結合, 綜合考慮水污染和匯水特征, 有利于水生態保護, 便于水環境管理.

　　首先, 基于數字高程模型(DEM)數據, 利用SWAT模型提取沁河流域內的集水區, 且集水區形狀要符合實際水系特征, 生成沁河流域內不同面積的水文單位; 其次, 依據水生態功能二級分區結果, 結合河流水系特征, 確定水文單位大小, 使不同水文單元內的水生態功能盡可能一致; 最后, 將水文單元與流域內各市行政區進行疊加, 根據行政區邊界調整水文單位邊界, 調整后的水文單元即為水環境控制單元; 并確保水環境控制單元與相應的水環境功能區劃中的水功能分區相吻合.

　　2.2.2 水環境控制單元生態現狀分析

　　不同的水環境控制單元具有不同的自然環境特征, 以及不同的人類活動影響范圍和程度, 從自然環境和人為活動兩方面對控制單元的生態現狀進行分析, 為分區管理提供依據.其中, 自然環境依據水生態二級分區結果, 人為因素依據人類活動對水生態系統的脅迫效應.

　　人類活動會影響水生態系統服務功能, 主要體現為對水資源供應和水環境凈化功能具有一定的占用作用, 表現為人類活動對水量和水質的脅迫.人類活動區域主要集中于農田、工業用地、居住地等, 其中, 工業用水和工業污水排放多集中于工業用地, 農業用水和農業污水排放集中在農田, 城鎮生活用水和生活污水排放集中于城鎮用地, 將工業、農業和城鄉生活所消耗的水資源量換算成對水生態系統服務功能的占用水量來表示人類活動對水量的脅迫(李芬等, 2010).

　　依據生態現狀, 對水環境控制單元進行命名.對生態環境較好、人類活動影響較小的區域, 維持現有的生態環境, 并保證水量充足, 水質達標, 控制單元按照“單元位置+生境維持區”進行命名; 對生態環境一般、人類活動影響較大的區域, 依據人類活動干擾類型, 從水量和水質脅迫兩方面對控制單元進行區分, 按照“單元位置+干擾類型”進行命名.

　　2.3 農村生活污水入河水質目標估算

　　依據河流水系數據, 提取區域內存在河流的水環境控制單元, 并依據控制單元內是否有城市分布, 即控制單元內的河流水質是否受城市污水排放的影響, 將水環境控制單元分為農村水環境控制單元和城市水環境控制單元; 結合河流水系特征, 分析計算水環境控制單元內的河流水環境容量; 對控制單元的農村生活污水水質按照流納污范圍劃定-污染物入河量估算-農村生活污水污染物排放限值估算進行確定.因城市水環境控制單元的河流污染物有部分來源于城市污水, 因此, 計算農村污水的水質目標時需排除城市污水對河流水環境的影響.

　　2.3.1 水環境容量計算

　　天然理想的水環境容量只與地表水體的自然水文條件及其水質保護目標要求相關, 反映區域水環境資源多寡和分布特性.為便于利用簡單的穩態數學模型來描述研究水體的水質變化規律, 本文對天然水域進行概化, 將天然河道概化成順直河道, 非穩態水流簡化為穩態水流, 計算天然條件下的水環境容量.

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

　　(1)

　　式中, W為水環境容量(kg·d-1); Q0為流量(m3·s-1); q為廢水量(m3·s-1); Cs為水環境質量標準(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(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的自然地理、氣候、地質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特征, 一般能真實、全面地反映流域水污染分布特征及變化規律.依據DEM數據, 利用SWAT模型劃分水環境控制單元內的水文單元, 選取河流所在的水文單元作為河流納污范圍, 納污范圍內的各類污染源最終匯入河流, 對河流水質產生影響.水環境控制單元納污范圍內的農村執行相應的農村生活污水排放標準.

　　2.3.3 污染物排放量估算

　　污染物來源包括上游污染物、沿岸污染物和自然徑流污染物.依據河流污染控制的“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, 使得水功能區之間的污染不再傳遞, 因此, 對于一個水環境控制單元, 只考慮沿岸污染源污染物排放.

　　農業源排放量：采用《全國水環境容量核定技術指南》中“標準農田法”估算農田徑流污染物, 計算公式如式(2)所示.

　　(2)

　　式中, E農業i為農業源i種污染物的負荷量(t·a-1); S農業i為標準源強系數, 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, 坡度在25°以下, 系數為1.0~1.2, 坡度在25°以上, 系數為1.2~1.5;β為土壤類型修正系數, 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, 當降雨量≤400 mm時為0.6~1.0, 當400 mm<降雨量≤800 mm時為1.0~1.2, 當年降雨量>800 mm時為1.2~1.5.

　　農村生活源排放量：農村生活污染負荷計算公式如式(3)所示.

　　(3)

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

　　城市生活污染源：生活污染源主要指城鎮居民生活排出的生活污水對水環境產生的污染, 計算公式如式(4)所示.

　　(4)

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

　　2.3.4 污染物入河量估算

　　農業源、農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農業i、G農村i、G城i分別為農業源、農村生活源和城市生活污染源入河量(t·a-1), K農業、K農村和K城分別為農業源、農村生活源和城市生活源入河系數.

　　2.3.5 農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中為保障水環境功能所必須考慮的因素, 指基于謹慎性考慮對環境容量的預留部分, 一般根據區域的敏感性選取水環境容量的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天然條件下各污染物因子所對應的水環境容量, 依據水環境容量、安全余量、非農村生活污染源污染物入河量, 以及河流納污范圍內農村人均生活用水量和控制單元內農村人口數量, 得到各污染物排放限值.具體公式如下：

　　(8)

　　(9)

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

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

　　沁河是黃河三門峽至花園口區間一條較大的一級支流, 流域總面積13532 km2(圖 2).其在山西省境內呈闊葉形, 長363 km, 流域面積12264 km2, 占總面積的91%, 地處我國東部季風區暖溫帶半濕潤地區的西緣, 四季分明, 冬長夏短, 雨熱同季, 主要涉及長治市的沁源縣、長子縣, 臨汾市的安澤縣、浮山縣, 晉城市的沁水縣、陽城縣、高平市、澤州縣、城區和陵川縣等10個縣(市), 各市縣的經濟、生活水平不同, 為農村生活污水的管理帶來挑戰.具體聯系污水寶或參見http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。

　　圖 2

　　圖 2 沁河流域水系圖

　　3.2 數據資料

　　本文的氣象數據來源于研究區周圍20個氣象站點所提供的2010—2017年氣象資料, 利用ArcGIS中的克里金插值得到研究區多年平均降水量和蒸發量柵格圖; DEM數據來自ASTER GDEM, 空間分辨率為250 m; 土地利用類型數據基于山西省生態10年數據; 土壤屬性數據來源于聯合國糧農組織和維也納國際應用系統研究所所構建的世界土壤數據庫.

　　3.3 水生態功能分區

　　在ArcGIS中, 按照表 1中的指標分級標準對沁河流域的地貌和氣候進行分類, 并對已分好類的地貌圖層和氣候圖層進行疊加合并, 再對其邊界進行處理, 形成沁河流域水生態功能一級分區(圖 3).在一級分區的基礎上, 結合植被類型和土壤類型, 對分區指標進行空間疊加聚類, 得到初步的二級分區結果, 依據區域的整體性和完整性原則, 對二級分區邊界進行調整, 最終得到沁河流域水生態功能二級分區(圖 3), 且按照“氣候區+地貌類型+土壤類型+植被類型”進行命名.沁河流域水生態功能二級區可分為半濕潤山地淋溶土林區、半濕潤山地粗骨土林區、半濕潤山地雛形土林區、半濕潤山地草區、半濕潤平原林區、濕潤平原草區和濕潤平原非林草區, 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 沁河流域水生態功能一級分區(a)和二級分區(b) 

　　3.4 水環境控制單元

　　沁河流域劃分為15個水環境控制單元(圖 4a), 隸屬于長治市、臨汾市和晉城市.基于土地利用賦值法, 利用各市級2016年統計年鑒數據, 對不同土地利用斑塊的用水信息進行賦值.沁河流域各控制單元的總占用水量介于159~27897萬m3·a-1之間.人類活動對水質的脅迫可依據水質監測數據, 根據《長治市地表水質量月報》、《臨汾市地表水質量月報》和《晉城市地表水質量月報》, 沁河流域共有監測斷面13個, 2017年每月監測1次, 全年監測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全年均為劣Ⅴ類外, 其余監測斷面的水質均達到相應的水質標準.沁河流域內水環境控制單元的生態現狀見圖 4b和表 2.

　　圖 4

　　圖 4 沁河流域水環境控制單元(a)及生態現狀(b) 

　　3.5 農村生活污水入河水質計算

　　農村生活污水成分一般以無毒的無機鹽類居多, 主要含有有機物、氮、磷及致病細菌等, 且《全國水環境容量核定技術指南》將COD和NH3-N作為農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.沁河流域農村水環境控制單元分為農村水環境控制單元和城市水環境控制單元(圖 5).以城市水環境控制單元內的沁河上游水質改善區為例, 計算農村生活污水COD和NH3-N的排放限值.

　　圖 5

　　圖 5 沁河流域水環境控制單元分類

　　3.5.1 河流納污范圍劃分

　　沁河上游水質改善區的納污范圍為249.92 km2, 污染源包括農業源、農村生活源和城市污染源, 其中, 農業源為位于紫紅河兩側的農田, 面積為70 km2, 納污范圍內的農村共有197個, 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 農村生活污水污染物排放限值估算

　　控制單元內平均坡度為11°, 土壤類型主要為砂土, 年均降雨量在506 mm左右, 因此, 確定流失系數為1.0, 土壤類型修正系數為0.8, 降雨量修正系數為1.1.根據《生活源產排污系數及使用說明》, 確定區域城鎮生活污水COD和NH3-N的人均排污系數分別為55 g·人-1·d-1和7.3 g·人-1·d-1.對農業源和農村生活源, 取COD入河系數為0.3, NH3-N入河系數為0.2(毛光君等, 2014); 對城鎮生活源, 取COD入河系數為0.56, NH3-N入河系數為0.56(陳釗等, 2009).計算得到沁河上游水質改善區內河流的COD容量為1178.52 t·a-1, NH3-N容量為68.53 t·a-1.城鎮生活源COD和NH3-N的年入河總量分別為812.83 t和107.88 t, 農業源COD和NH3-N的年入河總量分別為277.2 t和36.96 t.

　　根據前期實地調研, 控制單元內農村人均生活用水量約為24 L·d-1, 常駐人口約為34027人，排水系數取0.5.為防止出現“保護不足”或者“過度保護”的情況, 選用中間值7%作為安全余量比例, 據此得到沁河上游水質改善區內的農村生活污水COD排放限值為134.05 mg·L-1; 控制單元內的農業源和城市生活源的實際NH3-N入河量超過水環境容量, 說明在Ⅱ類水質目標下, 河流不滿足接納農村污水進行NH3-N消減的條件, 若河流要接納農村生活污水, 需以NH3-N為約束性指標, 對控制單元實施污染物減排, 減少進入河流的污水排放量或提高污水處理率, 為農村生活污水預留一定容量.

　　圖 6

　　圖 6 沁河上游水質改善區河流納污范圍

　　4 農村生活污水管理(Rural sewage management)

　　農村生活污水管理可從橫向和縱向分別進行管理.橫向管理從“水”、“陸”方面進行, 包括污染物排放管理和陸地空間管理兩方面, 縱向管理指對污水排放進行分區、分級管理.

　　污染物排放管理：污染物排放管理側重對農村生活污水中各污染物控制因子排放量的控制.水環境控制單元為進行水污染控制和管理的基本單元, 基于控制斷面水質目標可得到不同單元內的水環境容量, 從而估算得到農村生活污水入河水質要求.不同控制單位采取不同的農村生活污水水質管理目標, 具有不同的農村生活污水排放標準.

　　陸地空間管理：不同水環境控制單元內自然環境不同, 各村莊的生活方式及經濟條件不同, 使農村生活污水的排放形式和處理方式不同, 對當地生態環境的影響不同, 促使不同控制單元內對農村生活污水的陸地空間管理側重點不同.如位于水質改善區的農村, 一般靠近城市, 因受城市生活污水及工業污水排放的影響, 河流受到一定程度污染, 水環境容量降低, 對周圍污水的接納度降低, 可對此類型控制單元實施污染物減排措施, 減少進入河流的污水排放量或提高污水處理率, 使河流可以同時承擔一定的城市污水和農村生活污水的排放, 且該控制單元內的農村以集中分布為主, 可收集農村生活污水并采取污染物去除效果較好的措施進行污水處理.位于水量脅迫區內的農村, 主要為平原型農村, 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, 減少人類活動對河流水資源的壓力.

　　5 結論(Conclusions)

　　1) 根據地貌類型、降水蒸發量、植被和土壤類型等指標, 對沁河流域水生態功能進行了二級分區.沁河流域共劃分為2個一級區、7個二級區, 二級區可分為半濕潤山地淋溶土林區、半濕潤山地粗骨土林區、半濕潤山地雛形土林區、半濕潤山地草區、半濕潤平原林區、濕潤平原草區和濕潤平原非林草區.

　　2) 在水生態功能分區基礎上, 結合水文單元和行政區邊界, 劃定了水環境控制單元.沁河流域可劃分為15個水環境控制單元, 隸屬于長治市、臨汾市和晉城市, 不同控制單元內的生態環境及人類活動對水量和水質的影響不同.

　　3) 以城市水環境控制單元內的沁河上游水質改善區為例, 區域內農村生活污水COD排放限值為134.05 mg·L-1, 且此標準下河流不滿足接納農村污水進行NH3-N消減的條件.(來源：環境科學學報 作者：郭新亞)