水質模型在楊溪水庫污染負荷控制研究中的應用

陳來華,蘇 飛,尹吉國,何若英

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

保障飲用水安全關系到廣大人民群眾的生命安全。目前,我國大多數(shù)水庫已經(jīng)成為主要的集中式飲用水供水水源,庫區(qū)水質成為公眾十分關心的問題[1]。但隨著人口的增長和生產(chǎn)的發(fā)展,人類活動對自然環(huán)境影響加劇,水質惡化問題越來越突出,已成為國民經(jīng)濟與社會發(fā)展的一個重要制約因素,因而加強水源地的保護顯得尤為重要[2]。保護水資源、防止水污染已成為一項長期的基本國策[3]。因此,開展對水庫水源地保護的研究,確保供水安全,具有深遠的現(xiàn)實意義。

楊溪水庫位于浙江省永康市境內,錢塘江流域的上游,是目前永康市境內最大的一座以供水為主,結合防洪、發(fā)電等綜合利用的中型水庫,集雨面積124 km2,總庫容6 453萬m3[4],現(xiàn)狀供水量18萬t/d,是永康市城區(qū)的主要供水水源。近年來,隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和庫區(qū)人類活動的加劇,生活、養(yǎng)殖等點源污染,農業(yè)面源污染等問題比較突出,特別是隨著道路交通條件的改善,部分村民在庫區(qū)開辦農家樂等,直接影響了楊溪水庫的水質。筆者對楊溪水庫的水質變化規(guī)律進行了模擬預測,提出了水源地污染防治控制措施。

2 庫區(qū)污染源負荷估算

庫區(qū)污染負荷排放量在2009年庫區(qū)污染源調查分析的基礎上,進行了主要污染物CODcr、氨氮、總氮、總磷的污染排放量和入庫量的估算,入庫系數(shù)參照全國水環(huán)境容量核定技術指南中的推薦值[5]。經(jīng)計算:庫區(qū)污染負荷排放量CODcr 1 002.8 t/a、氨氮178.3 t/a、總氮1 248.1 t/a、總磷492.1 t/a;污染負荷入庫量CODcr 437.0 t/a、氨氮73.2 t/a、總氮405.1 t/a、總磷154.4 t/a[6](見表1)。

表1 楊溪水庫水源地污染負荷統(tǒng)計表t/a

3 現(xiàn)狀水質評價

3.1 水質綜合評價

楊溪水庫水質評價采用資料翔實、齊全的2009年實測水質資料,地表水質評價按地表水環(huán)境質量標準,采用單因子評價法。評價時段按全年平均、汛期、非汛期和年極大值分別統(tǒng)計,水質評價結果見表2。由表2可知,汛期、非汛期和年平均水質均為III類水質,定類項目均為總氮,全年水質極大值為IV類,出現(xiàn)在6月份。

表2 2009年楊溪水庫水質綜合評價表

3.2 富營養(yǎng)化評價

富營養(yǎng)化評價按SL 395—2007地表水資源質量評價技術規(guī)程,采用分級評價法。由于水庫近幾年常規(guī)水質監(jiān)測中無富營養(yǎng)化評價指標葉綠素a項目,因此取總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)4項指標進行評價。富營養(yǎng)化評價見表3。由表3可知,汛期、非汛期、年平均和年極大值營養(yǎng)化評價的評分值分別為44,44,43,47分,水質均呈中營養(yǎng)狀態(tài)。

表3 楊溪水庫富營養(yǎng)化狀態(tài)評價表

4 水源地水質模擬預測

4.1 入庫污染負荷預測

入庫污染負荷預測主要是針對現(xiàn)狀工況下,隨著庫區(qū)經(jīng)濟和社會的發(fā)展,近期(2015年)和遠期 (2020年)庫區(qū)污染物入庫量進行預測。因此,污染負荷預測點源和農業(yè)面源污染維持現(xiàn)狀,人口年增長率按永康市2008年的人口自然增長率5.6‰[7],旅游人口近期按31萬人、遠期40萬人計算。經(jīng)計算,2015年CODcr、氨氮、總氮、總磷入庫量分別為470,104,450,168 t/a;2020年CODcr、氨氮、總氮、總磷入庫量分別為502,115,472,187 t/a。預測結果見表4。

表4 入庫污染負荷預測結果表 t/a

4.2 地表水質預測

水庫水質預測采用質量平衡模型,表達式為:

式中:Qi為入庫流量(m3/d);Ci為入庫污染物濃度(mg/L);Qp為出庫流量(m3/d);C0為時段初水庫污染物濃度(mg/L);V0為初始水庫庫容(m3);Δ t為時段長度(d);C為時段末出流污染物濃度(mg/L);V為時段末水庫庫容(m3);K為污染物降解速率(1/d)。

利用該模型計算2009年的水質值,計算的水文條件和入庫負荷為:年出庫水量為6 254萬m3,年入庫水量為6 143萬m3,年初水庫蓄水量3 256萬m3,年末水庫蓄水量2 961萬m3,年初CODMn濃度為2.30 mg/L、NH3-N濃度為0.10 mg/L,CODMn和NH3-N的降解系數(shù)為 0.034 d-1和0.015 d-1,計算結果:CODMn濃度為2.57 mg/L(實際監(jiān)測值為2.71 mg/L),NH3-N濃度為0.15 mg/L(實際監(jiān)測值為0.13mg/L),可見CODMn、NH3-N的計算值和實際監(jiān)測值比較吻合。將表4中入庫污染負荷預測結果代入水質模型,預測2020年水質狀況,預測結果為:CODMn由現(xiàn)狀水質2.71mg/L,增加到2020年的3.42 mg/L;NH3-N由現(xiàn)狀水質0.13 mg/L,增加到2020年的0.19 mg/L。由預測結果可見,至2020年,CODMn仍為II類水質,NH3-N由I類變?yōu)镮I類水質。

4.3 富營養(yǎng)化預測

富營養(yǎng)化預測采用狄龍模型,表達式為:

式中:(N,P)為水庫水體中氮、磷濃度(mg/L);E為水庫單位面積氮、磷負荷量(g/m2);H為水庫平均深度(m);ρ為水力沖刷系數(shù),ρ=Q/V;V為水庫容積(m3);Q為入庫水量(m3);R為氮、磷滯留系數(shù),R=0.426×exp(-0.271 Qi)+0.547×exp(-0.00949 Qi);Qi為單位面積水量負荷(m);Qi=Q/A;A為水庫水面面積(m2)。

利用該模型計算2009年入庫負荷和水文條件下的總氮、總磷濃度,通過比較計算值和實際監(jiān)測值檢驗入庫污染負荷估算值是否合理,如不合理需進行調整。2009年計算條件為:水庫年平均水位為149.07 m,庫容V為3371萬m3,水庫水面面積A為3.53 km2,單位面積水量負荷Qi為9.5m,年入庫水量為6 143萬m3,水力沖刷系數(shù)ρ為1.82,水庫單位面積氮、磷負荷量分別為25.42,4.25g/m2,氮、磷滯留系數(shù)R為0.578。

將上述計算條件代入狄龍模型后,得2009年水質計算結果為:總氮0.85 mg/L(實際監(jiān)測值為0.72 mg/L),總磷濃度0.017 mg/L(實際監(jiān)測值為0.02 mg/L),模擬結果與實際基本吻合。將表4中入庫污染負荷預測結果代入水質模型,預測2020年水質狀況,預測結果為:總氮由現(xiàn)狀0.72 mg/L增加到2020年的1.69 mg/L,總磷由現(xiàn)狀0.02 mg/L增加到2020年的0.084 mg/L。由預測結果可見,至2020年,總氮將由現(xiàn)狀III類水質惡化為V類水質,總磷由現(xiàn)狀II類水質下降為Ⅳ類水質。

4.4 污染負荷削減量

通過計算,水庫水質恢復至飲用水水源地水質標準需削減污染物的量值為:如果總氮從現(xiàn)狀年均水質含量0.85 mg/L恢復至目標水質0.5 mg/L,需削減入庫總氮40%,要使全年各月水質均達到目標水質要求,總氮需削減65%;總磷年均水質若滿足II類目標要求,需削減入庫總磷20%,若全年各月水質均達到目標水質要求,則總磷需削減48%。

5 污染防治措施

5.1 庫區(qū)污染源防治

5.1.1 污水防治

對水源區(qū)各流域上游人口較少的村莊(200人以下),污水量小于5 m3/d,采用戶用生態(tài)污水處理池的工藝,以減少生活污水收集管網(wǎng)的工程量和投資。對于水源區(qū)上游分散居住,人口較多的村莊(200人以上),污水量大于5 m3/d,采用無動力的污水處理設施。對人口較多、居住密集,且處于水源區(qū)各流域下游、離水庫較近的村莊,考慮聯(lián)村共建MBR污水處理站或單獨設置MBR污水處理站。據(jù)統(tǒng)計,庫區(qū)累計共建115座戶用污水處理池和16座污水處理站。

5.1.2 人居環(huán)境防治

水源區(qū)內各村將按人口比例修建水沖式公廁,其中1 000人以上的村莊修建3個公廁,500～1 000人的村莊修建2個公廁,500人以下的村莊修建1個公廁,要求公廁均為水沖式,取代傳統(tǒng)的旱廁。水源區(qū)內各村均建立垃圾房,其中500人以上的村莊有1～2個垃圾房,并安排專門的保潔員,每天進行垃圾的收集、清掃工作。生活垃圾房有攔蓄措施、衛(wèi)生措施和防滲措施,垃圾采取戶集、村收、鎮(zhèn)運、市處理的3級轉運機制。

5.1.3 污染企業(yè)拆除

水源區(qū)內的1家規(guī)模企業(yè),8家采石場,1家石材加工廠,18家規(guī)模養(yǎng)豬場,15家禽養(yǎng)殖戶,個體加油站和預制場各1家,水平距離100m范圍內的所有小餐飲 (農家樂),已在2011年6月底前全部關閉并拆除違章建筑。今后沿庫區(qū)公路、道路 (靠水庫一側),不得開辦農家樂、小餐飲。

5.1.4 農業(yè)面源防治

在庫區(qū)各類污染源中,面源污染所占比重最大,并且無法采取類似點源污染的集中防治方法加以解決。因此,農業(yè)面源污染防治主要采取削減源頭污染負荷,包括科學選用化肥農藥、施用有機肥、推廣測土配方施肥技術和“節(jié)水減污”高產(chǎn)栽培技術等。庫區(qū)內實施“節(jié)水減污”的耕地面積為6.67 hm2。

5.2 水環(huán)境防治

為減少底泥對水庫的二次污染,防止藻類的發(fā)生,應實施庫區(qū)清淤工程。為確保水庫岸邊坡的穩(wěn)定,庫區(qū)清淤的實施區(qū)域為:平行主壩壩址線以上500 m,距水庫岸邊線30 m以外的區(qū)域為水庫清淤范圍。深水區(qū)采用深水型環(huán)保絞吸式挖泥船進行清淤,開挖后的淤泥通過全封閉管道輸送至脫水處理站,并對淤泥進行機械脫水處理,脫水后的干泥裝車外運。經(jīng)計算,楊溪水庫庫區(qū)底泥清淤量為143萬m3。

5.3 水土流失防治

庫區(qū)內的水土流失防治可采取坡耕地改造、坡面蓄排水工程、裸露面防治等措施,改善原有土地的立地條件,增加地面植被覆蓋,減少化肥、農藥等有害物質隨水土流失進入水體,控制農業(yè)面源污染對水體的危害。楊溪水庫對25°以下的面積為65 hm2的坡耕地進行防治,坡面徑流調控修建蓄水池135座,截水溝39 km,排水溝17 km,礦山防治面積0.6 hm2,火燒跡地植被恢復26 hm2,村鎮(zhèn)周圍裸露地防治20 hm2,退耕還林還草7 hm2。

5.4 生態(tài)建設工程

5.4.1 生態(tài)河岸建設

在滿足防洪安全的前提下,通過工程措施與園林綠化措施,修筑植物的河道護坡,使徑流進入河道前起到過濾和緩沖作用,同時也起到保護生態(tài)環(huán)境和美化河岸環(huán)境的作用。根據(jù)庫區(qū)河道現(xiàn)狀,實施生態(tài)護岸10 km。

5.4.2 人工濕地建設

在入庫河口建設人工濕地,使農業(yè)面源污染物經(jīng)由濕地生物系統(tǒng)攔截得以凈化,可控制和減少庫區(qū)農業(yè)面源污染對水庫水環(huán)境的危害,并根據(jù)楊溪水庫的地形特點和溪河廢污水處理的要求,布置2處人工濕地,建設面積分別為16,3 hm2。

5.4.3 生態(tài)滾水堰建設

為了攔截水源區(qū)河道的泥沙,減緩河道縱坡,可在河道沿線設置滾水堰,形成水面,起到改善村莊景觀、過壩水流曝氧和凈化入庫水質等作用,因此,根據(jù)庫區(qū)河道特點設置簡易滾水堰20處。

5.5 水質監(jiān)測工程

為動態(tài)掌握水庫水質的污染狀況和變化趨勢,實施科學管理,故在庫尾主要支流匯入處和自來水取水口處建設2座水質自動監(jiān)測站。

6 防治措施效果預測估算

6.1 點源防治效果

若庫區(qū)現(xiàn)有的養(yǎng)豬場、養(yǎng)雞場、規(guī)模企業(yè)、采石場和農家樂等拆除或搬出庫區(qū)。經(jīng)預測估算,可削減入庫CODcr 60.8 t/a,占入庫總負荷的14%;削減入庫氨氮5.0 t/a,占入庫總負荷的7%;削減入庫總氮10.1 t/a,占入庫負荷的2%;削減入庫總磷5.0 t/a,占入庫負荷的3%。

6.2 生活污水防治

通過在人口較少的村莊建生態(tài)污水處理池,在人口較多、分散的村莊建無動力污水處理設施,在人口較多、密集的地方采用MBR污水處理站等工程措施,處理后的污水達標排放,即CODcr、氨氮、總氮、總磷排放濃度分別為60,15,20,0.5 mg/L,與處理前的污水相比,削減入庫CODcr 72.6 t/a,占入庫總量的17%;削減入庫氨氮17.5 t/a,占入庫總量的24%;削減入庫總氮21.3 t/a,占入庫總量的5%;削減入庫總磷2.5 t/a,占入庫總量的2%。

6.3 生態(tài)工程

通過在楊溪水庫庫尾和巖后溪入庫處建立2處人工濕地,利用濕地生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學和生物作用機制,降低廢污水中營養(yǎng)物質的濃度。根據(jù)浙江省紹興縣湯浦水庫人工濕地的調研等資料,其凈化效果一般為:CODcr去除率達60%左右,氨氮去除率達70%左右,總氮、總磷的去除率為30%～50%。

通過主要河道清淤清污工程、生態(tài)護岸工程、生態(tài)滾水堰工程等,促進了河道生態(tài)功能恢復,提高了河道自凈能力,同時生態(tài)護岸工程能阻斷污染源和河流之間的直接聯(lián)系,減少污染物直接入庫量。

6.4 水土保持

通過營造水源涵養(yǎng)林、坡耕地改造、坡面徑流控制、村莊裸露面防治等水土保持工程,使得庫區(qū)植被覆蓋率達95%以上,水力侵蝕量減少80%以上,現(xiàn)狀水土流失嚴重地區(qū)基本得到控制,減少入庫面源污染負荷。

實施以上工程后,總氮、總磷的削減量可達削減現(xiàn)狀負荷的65%,48%的預期目標,同時入庫氨氮等污染負荷也將明顯減少,庫區(qū)水質可恢復至II類水質標準。

7 結 語

通過對楊溪水庫水質安全及富營養(yǎng)化的評價后可知,當前楊溪水庫最主要的污染因子為總氮,年均水質為III類,個別月份為IV類;其次的污染因子為總磷,年均水質為II～III類。富營養(yǎng)化評價為中營養(yǎng)化。

在庫區(qū)污染源負荷調查估算的基礎上,對主要污染因子進行了模擬預測,結果表明,至2020年總氮和總磷均不滿足目標水質的要求。為此,計算了恢復至飲用水水源地水質標準需削減污染物的量值,提出了庫區(qū)污染源防治措施,并預測估算了工程實施后的防治效果。研究成果對楊溪水庫水源地污染源防治工程的實施具有較好的指導意義,并可對其它水庫水源地的保護提供借鑒。

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