基于水環(huán)境容量盈余估算的庫(kù)區(qū)污染物減排方案
——以珊溪庫(kù)區(qū)為例

孫 光，羅遵蘭,2，柳曉燕，曾 勇，王紀(jì)偉(.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 0002；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 0008；.中國(guó)石油大學(xué)，北京 25706)

水環(huán)境容量[1]是指水體在一定時(shí)段內(nèi)，在規(guī)定的環(huán)境目標(biāo)下允許容納的污染物的量。水環(huán)境容量是水環(huán)境目標(biāo)管理的基本依據(jù)，是控制水污染物總量的理論基礎(chǔ)。為了加強(qiáng)水資源的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，打造健康的水環(huán)境，很多環(huán)境領(lǐng)域?qū)W者已普遍關(guān)注水環(huán)境容量的研究。水環(huán)境容量的計(jì)算方法[2]主要分確定性方法和不確定性方法兩大類。Qiuwen Chen等[3]把參數(shù)之間的獨(dú)立性和相關(guān)性來(lái)估算水環(huán)境容量的不確定性分析方法，并以東江及其支流作為研究案例。鄔彬等[4]選取水資源、水環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的19個(gè)指標(biāo)，評(píng)價(jià)了深圳水環(huán)境承載力處于預(yù)警狀態(tài)，接近危機(jī)狀態(tài)。黃真理等[5]分析了三峽庫(kù)區(qū)的污染狀況，并估算了三峽水庫(kù)工程建成的水環(huán)境容量。MIKE[6,7]是丹麥水力研究所(DHI)開(kāi)發(fā)的水動(dòng)力、水質(zhì)系列數(shù)值模型，其中的 MIKE11 系列軟件是一維模型，MIKE3 系列軟件是三維模型。目前雖有學(xué)者開(kāi)展運(yùn)用MIKE模型確定流域水環(huán)境容量的研究，但尚少見(jiàn)到有學(xué)者將其應(yīng)用于河流型水庫(kù)的水環(huán)境污染防治管理決策中。本文以珊溪庫(kù)區(qū)為例，采用水環(huán)境容量盈余分析，提出水庫(kù)水環(huán)境污染防治管理措施建議，使科研與管理應(yīng)用緊密結(jié)合，在水環(huán)境污染防治管理方面具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)域概況

珊溪庫(kù)區(qū)位于浙江省溫州境內(nèi)飛云江干流中游，分布于文成縣、泰順縣和瑞安市境內(nèi)。珊溪水庫(kù)為溫州市區(qū)及瑞安市、文成縣、洞頭和平陽(yáng)等地約500萬(wàn)人生活的主要水源，同時(shí)也為溫州市區(qū)及瑞安、平陽(yáng)等地工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供用水。

本研究以珊溪水庫(kù)大壩為界，將研究區(qū)劃分為珊溪庫(kù)區(qū)控制I區(qū)和珊溪庫(kù)區(qū)控制II區(qū)，見(jiàn)圖1。I區(qū)水庫(kù)河道較寬，最寬達(dá)到1 500 m，水深最深達(dá)90 m。Ⅱ區(qū)水庫(kù)河道較窄，一般為100～200 m，水深10 m。歷年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，Ⅰ區(qū)水質(zhì)狀況總體良好，除TN、TP部分年份超標(biāo)外，基本滿足飲用水水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)的水質(zhì)要求。近年來(lái)，珊溪水庫(kù)及其部分支流水域存在藻類異常增殖現(xiàn)象。Ⅱ區(qū)水質(zhì)總體劣于I區(qū)，超標(biāo)因子為T(mén)N、TP。Ⅱ區(qū)為Ⅰ區(qū)的反調(diào)節(jié)水庫(kù)，其水質(zhì)變差的主要原因是區(qū)間干流沿岸居民生活污染和農(nóng)業(yè)面源污染、控制區(qū)間主要入庫(kù)支流泗溪、珊溪坑水質(zhì)較差。近年監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，II區(qū)取水口水質(zhì)均為Ⅲ類，大壩右向測(cè)點(diǎn)個(gè)別月份達(dá)到Ⅳ類或Ⅴ類水質(zhì)，嚴(yán)重威脅左向取水口的飲用水水質(zhì)安全。此外，珊溪庫(kù)周及上游區(qū)域排放的污染物，使庫(kù)區(qū)局部河段及部分入庫(kù)水體受到不同程度污染，如黃坦坑、珊溪坑、泗溪、玉泉溪、李井溪，庫(kù)區(qū)水質(zhì)安全受到威脅。

圖1 珊溪庫(kù)區(qū)分區(qū)圖Fig.1 Partition of Shanxi reservoir

2 研究方法

2.1 污染物入河量計(jì)算方法

本研究采用污染物入河系數(shù)法估算工業(yè)、農(nóng)村生活、城鎮(zhèn)生活、種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)的污染物入河量。具體估算方法如下：

(1) 工業(yè)污染物入河量。

WI=(WIp-θ1)×β1

(1)

式中：WI為工業(yè)污染物入河量；WIp為工業(yè)污染物排放量；β1為工業(yè)污染物入河系數(shù)；θ1為被污水處理廠處理掉的量。

(2)城鎮(zhèn)生活污染物入河量。

W生2=(W生2p-θ2)×β2

(2)

式中：W生2為城鎮(zhèn)生活污染物入河量；W生2p為城鎮(zhèn)生活污染物排放量；β2為城鎮(zhèn)生活污染物入河系數(shù)；θ2為被污水處理廠處理掉的量。

(3)農(nóng)村生活污染物入河量。

W生1=W生1p×β3

(3)

式中：W生1為農(nóng)村生活污染物入河量；W生1p為農(nóng)村生活污染物排放量；β3為農(nóng)村生活污染物入河系數(shù)。

(4)種植業(yè)污染物入河量。

W農(nóng)=W農(nóng)p×β4

(4)

式中：W農(nóng)為農(nóng)田污染物入河量；W農(nóng)p為農(nóng)田污染物排放量；β4為農(nóng)田污染物入河系數(shù)。

(5)畜禽養(yǎng)殖污染物入河量。研究區(qū)畜禽養(yǎng)殖分為散養(yǎng)和規(guī)?；B(yǎng)殖，畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物入河量技術(shù)如式(5)所示。

W畜禽﹦W畜禽p1×λ1+W畜禽p2×

(1-綜合處理效率)×λ2+W畜禽p3×λ2

(5)

式中：W畜禽為畜禽養(yǎng)殖污染物入河量；W畜禽p1為散養(yǎng)的畜禽糞污各污染物排放量；W畜禽p2為規(guī)?；C合處理的畜禽糞污各污染物排放量；W畜禽p3為規(guī)模化未綜合處理的畜禽糞污各污染物排放量；λ1為散養(yǎng)的畜禽糞污各污染物入河系數(shù)；λ2為規(guī)?；C合處理的畜禽糞污各污染物入河系數(shù)。

(6)入河系數(shù)。各類污染源產(chǎn)生的污染物進(jìn)入河流、庫(kù)區(qū)前受受多種因素的影響，僅部分進(jìn)入水體。入河系數(shù)是估算污染物入河量的重要參數(shù)[8]。本研究通過(guò)調(diào)查各類污染源污染物的入河過(guò)程及其主要因素，確定庫(kù)區(qū)的入河平均系數(shù)，如表1所示。

表1 各類污染源入河系數(shù)表Tab.1 Coefficient of all kinds of pollution into the river

2.2 水環(huán)境容量計(jì)算方法

水環(huán)境容量采用MIKE流域水動(dòng)力、水質(zhì)模型估算。

珊溪庫(kù)區(qū)I區(qū)河道特征符合三維模式，選擇三維水質(zhì)模式MIKE3模型的水動(dòng)力模塊和水質(zhì)模塊建立珊溪庫(kù)區(qū)流域三維非恒定流水動(dòng)力和水質(zhì)模型，以近3年的降雨、蒸發(fā)、斷面流量及水質(zhì)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型參數(shù)，并估算其水環(huán)境容量。

珊溪庫(kù)區(qū)Ⅱ區(qū)河道較窄，水較淺，污染物一進(jìn)入水體在橫向和垂向方向能夠完全混合，河道符合一維模式特征，采用MIKE11水動(dòng)力和水質(zhì)軟件建立控制區(qū)流域一維非恒定流水動(dòng)力和水質(zhì)模型，對(duì)Ⅱ區(qū)流域的主要支流和水庫(kù)的水質(zhì)進(jìn)行模擬。

3 污染物入河量估算

3.1 不同來(lái)源污染物入河量及貢獻(xiàn)率

本文以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本單位，結(jié)合小流域分區(qū)估算2010年各流域的工業(yè)、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、生活垃圾、種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)和旅游業(yè)等七類主要污染物來(lái)源，其中生活垃圾源、旅游業(yè)源參照式(2)、式(3)分別估算城鎮(zhèn)、農(nóng)村部分。工業(yè)污染物排放量采用區(qū)域統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、種植業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)等污染物排放量分別根據(jù)各小流域?qū)?yīng)的人口數(shù)、作物種植面積、化肥農(nóng)藥使用量、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量等采用系數(shù)法估算[9,10]。2010年珊溪庫(kù)區(qū)COD入河量為6 060.60 t，氨氮為725.21 t，總氮為1 109.27 t，總磷為187.39 t。不同來(lái)源的污染物入河量及貢獻(xiàn)率如表2所示。

表2 2010年不同來(lái)源污染物入河量估算結(jié)果Tab.2 The estimation values of pollutants into the river discharge from different sources (2010)

城鎮(zhèn)污水和畜禽養(yǎng)殖排放的污染物對(duì)污染物總量的貢獻(xiàn)率較高。COD入河量大的污染源為城鎮(zhèn)污水、畜禽養(yǎng)殖，分別占庫(kù)區(qū)COD排放量的50.74%、30.02%；NH3-N入河量大的污染源為城鎮(zhèn)污水、農(nóng)村污水及畜禽養(yǎng)殖，分別占庫(kù)區(qū)NH3-N排放量的48.68%、26.94%和20.98%；TN入河量大的污染源為城鎮(zhèn)污水、畜禽養(yǎng)殖及農(nóng)村污水，分別占庫(kù)區(qū)TN排放量的46.34%、28.73%和22.01%；TP入河量大的污染源為畜禽養(yǎng)殖和城鎮(zhèn)污水，分別占庫(kù)區(qū)TP排放量的61.81%、22.90%。

3.2 各小流域污染物入河量及貢獻(xiàn)率

根據(jù)庫(kù)區(qū)水系匯流情況，本研究將研究區(qū)域劃分為16個(gè)小流域，各流域?qū)?yīng)的行政鄉(xiāng)鎮(zhèn)關(guān)系如圖2所示。不同污染物各流域入河量估算結(jié)果如表3所示。

16個(gè)小流域COD入河量及其對(duì)庫(kù)區(qū)污染物總量的貢獻(xiàn)率從大到小依次為：泗溪流域、黃坦坑流域、珊溪坑流域、飛云江(營(yíng)前-珊溪段)流域、玉泉溪流域、峃作口溪流域、莒江溪流域、珊溪水庫(kù)流域、里光溪流域、洪口溪流域、桂溪流域、平和溪流域、九溪流域、三插溪流域、李井溪流域、趙山渡水庫(kù)流域，其COD入河量對(duì)庫(kù)區(qū)COD總量的貢獻(xiàn)率如表3所示。

圖2 研究區(qū)小流域及鄉(xiāng)鎮(zhèn)關(guān)系Fig.2 Small watershed partition & relation of village-town

表3 各流域污染物入河量現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)(2010年)Tab.3 The pollutant situation into the river discharge statistics(2010)

續(xù)表3 各流域污染物入河量現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)(2010年)

16個(gè)小流域氨氮入河量及其對(duì)庫(kù)區(qū)污染物總量的貢獻(xiàn)率從大到小依次為：泗溪流域、黃坦坑流域、玉泉溪流域、飛云江(營(yíng)前-珊溪段)流域、珊溪坑流域、莒江溪流域、峃作口溪流域、珊溪水庫(kù)流域、洪口溪流域、里光溪流域、桂溪流域、九溪流域、平和溪流域、趙山渡水庫(kù)流域、三插溪流域、李井溪流域，其氨氮入河量對(duì)庫(kù)區(qū)氨氮總量的貢獻(xiàn)率如表3所示。

16個(gè)小流域總氮入河量及其對(duì)庫(kù)區(qū)污染物總量的貢獻(xiàn)率從大到小依次為：泗溪流域、黃坦坑流域、玉泉溪流域、飛云江(營(yíng)前-珊溪段)流域、珊溪水庫(kù)流域、珊溪坑流域、峃作口溪流域、莒江溪流域、洪口溪流域、里光溪流域、桂溪流域、趙山渡水庫(kù)流域、九溪流域、平和溪流域、三插溪流域、李井溪流域，其總氮入河量對(duì)庫(kù)區(qū)總氮總量的貢獻(xiàn)率如表3所示。

16個(gè)小流域總磷入河量及其對(duì)庫(kù)區(qū)污染物總量的貢獻(xiàn)率從大到小依次為：黃坦坑流域、泗溪流域、玉泉溪流域、峃作口溪流域、珊溪水庫(kù)流域、珊溪坑流域、飛云江(營(yíng)前-珊溪段)流域、莒江溪流域、洪口溪流域、里光溪流域、桂溪流域、趙山渡水庫(kù)流域、平和溪流域、九溪流域、三插溪流域、李井溪流域，其總磷入河量對(duì)庫(kù)區(qū)總磷氮總量的貢獻(xiàn)率如表3所示。

3.3 2020年污染物入河量預(yù)測(cè)

根據(jù)流域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2020年經(jīng)濟(jì)人口發(fā)展規(guī)劃等相關(guān)資料，采用式(1)～式(5)的方法估算2020年污染物入河量，2020年珊溪庫(kù)區(qū)COD入河量為10 298.19 t，氨氮為1 147.84 t，總氮為1 821.55 t，總磷為311.94 t。不同來(lái)源污染物入河量及其貢獻(xiàn)率預(yù)測(cè)結(jié)果如表4所示，各流域污染物入河量及其貢獻(xiàn)率預(yù)測(cè)如表5所示。

由表4可知，2020年研究區(qū)COD、NH3-N、TN入河量最大的污染源是城鎮(zhèn)污水，分別占庫(kù)區(qū)排放量的57.65%、61.23%、55.35%；其次為畜禽養(yǎng)殖分別占庫(kù)區(qū)排放量的30.57%、23.518%、31.20%；TP 入河量最大的污染源是畜禽養(yǎng)殖，占庫(kù)區(qū)TP排放量的64.10%，其次為城鎮(zhèn)污水，占庫(kù)區(qū)TP排放量的27.24%。

表4 污染源入河量預(yù)測(cè)(2020年)Tab.4 Pollution into the river discharge forecast(2020)

表5 各流域污染物入河量預(yù)測(cè)(2020年)Tab. 5 The river pollutants into the river discharge forecast(2020)

如表5所示，2020年研究區(qū)16個(gè)小流域中COD污染物入河量大的流域?yàn)殂粝饔?、黃坦坑流域、珊溪坑流域、玉泉溪流域；NH3-N污染物入河量大的流域?yàn)殂粝饔?、黃坦坑流域、玉泉溪流域、珊溪坑流域；污染物入河量大的流域?yàn)殂粝饔颉ⅫS坦坑流域、玉泉溪流域、飛云江(營(yíng)前-珊溪段)流域；污染物入河量大的流域?yàn)殂粝饔?、黃坦坑流域、玉泉溪流域、峃作口溪流域。

4 水環(huán)境容量估算

本文確定水質(zhì)目標(biāo)為：到2020年珊溪庫(kù)區(qū)水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到II類。經(jīng)MIKE3和MIKE11流域水動(dòng)力、水質(zhì)模型估算，珊溪庫(kù)區(qū)各主要支流的控制斷面水質(zhì)目標(biāo)條件下，對(duì)應(yīng)的COD水環(huán)境容量為7 769 t/a；NH3-N水環(huán)境容量為881 t/a；TN水環(huán)境容量為1 035 t/a；TP水環(huán)境容量為184 t/a。

5 水環(huán)境容量盈余分析

根據(jù)上文的污染物入河量預(yù)測(cè)、各小流域的水環(huán)境容量，分析研究區(qū)水環(huán)境容量盈余。結(jié)果顯示，2020年研究區(qū)16個(gè)小流域中有6個(gè)小流域污染物入河量未超過(guò)水環(huán)境容量，10個(gè)小流域污染物入河量超出水環(huán)境容量需削減。

污染物入河量未超標(biāo)的小流域分別為：三插溪流域、里光溪流域、洪口溪流域、李井溪流域、珊溪水庫(kù)流域、趙山渡水庫(kù)流域。

表6 珊溪庫(kù)區(qū)控制區(qū)流域各控制單元的水環(huán)境容量Tab.6 The water environmental capacity of control units in Shanxi reservoir watershed

污染物入河量超標(biāo)的小流域分別為：玉泉溪流域、泗溪流域、峃作口溪流域、黃坦坑流域、莒江溪流域、珊溪坑流域、飛云江(營(yíng)前-珊溪段)流域、平和溪流域、九溪流域、桂溪流域。各小流域不同污染物超標(biāo)量、盈余量、削減率分析結(jié)果如表7所示。

表7 珊溪庫(kù)區(qū)各控制單元的水環(huán)境容量盈余及污染物控制目標(biāo)分析Tab.7 The water environmental capacity surplus of Shanxi reservoir and pollution control target analysis

其中“-”為未超過(guò)該流域水環(huán)境容量，黃坦坑流域、珊溪坑流域和飛云江(營(yíng)前-珊溪段)流域COD、氨氮、總氮和總磷入河量均超過(guò)環(huán)境容量，泗溪流域和九溪流域的氨氮、總氮和總磷入河量均超過(guò)環(huán)境容量，玉泉溪流域總磷入河量超過(guò)環(huán)境容量，桂溪流域氨氮和總氮入河量均超過(guò)環(huán)境容量，應(yīng)對(duì)其有較大程度的削減。其他支流水環(huán)境容量利用率大部分超過(guò)70%，需要嚴(yán)格控制未來(lái)的污染物增量。

根據(jù)各小流域污染物入河量和水環(huán)境容量盈余分析，可以確定珊溪庫(kù)區(qū)基于水環(huán)境容量的污染物控制目標(biāo)，2020年，珊溪庫(kù)區(qū)COD、氨氮、總氮、總磷需在預(yù)測(cè)入河量的基礎(chǔ)上分別削減41.6%，45.4%，54.3%和59.9%。其中，黃坦坑各污染物均需在預(yù)測(cè)入河量的基礎(chǔ)上削減80%以上；珊溪坑各污染物均需在預(yù)測(cè)入河量的基礎(chǔ)上削減52%以上；泗溪和飛云江(營(yíng)前-珊溪段)各污染物均需在預(yù)測(cè)入河量的基礎(chǔ)上削減35%以上。

6 結(jié)論及建議

6.1 主要結(jié)論

2010年珊溪庫(kù)區(qū)COD現(xiàn)狀入河量為6 060.60 t，氨氮為725.21 t，總氮為1 109.27 t，總磷為187.39 t。城鎮(zhèn)生活源和畜禽養(yǎng)殖源是主要污染源，在各項(xiàng)污染物入河量中均占最大比例；其次是農(nóng)村生活污染源與生活垃圾源；工業(yè)源、種植業(yè)和旅游業(yè)污染物所占比例較小。從污染源空間分布看，泗溪流域與黃坦坑流域占入河污染物總負(fù)荷的比例最大，其他流域污染負(fù)荷較小。

2020年珊溪庫(kù)區(qū)COD污染物入河量為10 298.19 t，氨氮為1 147.83 t，總氮為1 821.55 t，總磷為311.94 t。城鎮(zhèn)生活源和畜禽養(yǎng)殖仍為主要污染源，但是較2010年，城鎮(zhèn)生活源、養(yǎng)殖源、旅游業(yè)源、工業(yè)源入河量比例上升，種植業(yè)源、農(nóng)村生活源比例下降。從污染源空間分布看，泗溪流域與黃坦坑流域占入河污染物總負(fù)荷的比例最大，其次是珊溪坑流域、玉泉溪流域、飛云江(營(yíng)前-珊溪段)流域、峃作口溪流域占入河污染物總負(fù)荷的比例較大，這與2010年空間污染源空間分布特征一致。

珊溪庫(kù)區(qū)水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到Ⅱ類條件下的COD水環(huán)境容量為7 769 t/a，氨氮為881 t/a，總氮為1 035 t/a，總磷為184 t/a。

6.2 水環(huán)境污染防治建議

從2010年至2020年，為保證珊溪水質(zhì)達(dá)標(biāo)，到2020年前，珊溪庫(kù)區(qū)控制區(qū)流域COD應(yīng)總削減41.6%、氨氮應(yīng)總削減45.4%、總氮應(yīng)總削減54.3%、總磷應(yīng)總削減59.9%。

珊溪庫(kù)區(qū)控制區(qū)流域應(yīng)主要控制黃坦坑流域、珊溪坑流域和飛云江(營(yíng)前-珊溪段)流域COD、氨氮、總氮和總磷排放量，泗溪流域和九溪流域的氨氮、總氮和總磷排放量，玉泉溪流域總磷排放量；桂溪流域氨氮和總氮排放量。如保持在當(dāng)前的污染治理水平， 2020年黃坦坑流域COD、氨氮、總氮和總磷應(yīng)分別削減85%、81%、82%、84%；珊溪坑流域COD、氨氮、總氮和總磷應(yīng)分別削減52.1%、71%、68.4%、63.3%；飛云江(營(yíng)前-珊溪段)流域COD、氨氮、總氮和總磷應(yīng)分別削減35%、40%、49.8%、51%；泗溪流域氨氮、總氮和總磷應(yīng)分別削減57.2%、75%、75.4%；九溪流域氨氮、總氮和總磷應(yīng)分別削減38.3%、53.6%、40%；玉泉溪流域總磷應(yīng)削減47.1%；桂溪流域氨氮和總氮應(yīng)分別削減15.7%、40.4%。

維持當(dāng)前的污染處理水平，珊溪庫(kù)區(qū)控制區(qū)各小流域污染物削減任務(wù)艱巨，應(yīng)綜合應(yīng)用先進(jìn)的污染治理手段，積極開(kāi)展污染治理各項(xiàng)措施。如：將污染綜合整治與流域生態(tài)恢復(fù)相結(jié)合，加強(qiáng)流域水土保持工程實(shí)施，提升庫(kù)區(qū)周邊生態(tài)系統(tǒng)污染攔截功能，減少污染物入河入庫(kù)量。加強(qiáng)城鎮(zhèn)生活污水和規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)的污染治理，建設(shè)科學(xué)適宜的污水處理設(shè)施，并加強(qiáng)其監(jiān)督管理。開(kāi)展農(nóng)村生活及散養(yǎng)畜禽戶污染治理，從源頭減少污染物排放水平。提倡減少農(nóng)藥化肥的使用量，倡導(dǎo)使用無(wú)毒農(nóng)藥及有機(jī)花費(fèi)，減少種植業(yè)污染物排放量。建設(shè)水質(zhì)安全監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，制定突發(fā)誰(shuí)污染事件的應(yīng)急預(yù)案，保障珊溪庫(kù)區(qū)水質(zhì)安全。

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