水泊渡水庫(kù)水環(huán)境容量計(jì)算及水污染物排放量預(yù)測(cè)研究

摘要：本文以黔北地區(qū)的水泊渡水庫(kù)為例，對(duì)其水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算，并預(yù)測(cè)到2025年水庫(kù)流域范圍內(nèi)的污染物入河量，分析該水源地能否達(dá)到水質(zhì)相關(guān)要求。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，到2025年，水泊渡水庫(kù)接納COD及NH3-N的水環(huán)境容量均有剩余，但TN和TP入庫(kù)量都已超過環(huán)境容量。

關(guān)鍵詞：水泊渡水庫(kù);水環(huán)境容量;污染物排放量;預(yù)測(cè)與分析

中圖分類號(hào)：X11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）09-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.09.072

Study on calculation of water environmental capacity and prediction of water pollutants emission of Shuipodu Reservoir

Shang Zhengsong1，2

（1.Guizhou Institute of Environmental Science and Design，Guiyang Guizhou 550081，China;

2.Guizhou Key Laboratory of Water Pollution Control and Resource Reuse，Guiyang Guizhou 550081，China）

Abstract：Taking Shuipudu Reservoir in northern Guizhou as an example， this paper calculates its water environmental capacity， predicts the amount of pollutants entering the river basin in 2025， and analyses whether the water source can meet the water quality requirements. The prediction results show that by 2025， the water environmental capacity of Shuipodu Reservoir to accept COD and NH3-N is surplus， but the TN and TP inflows have exceeded the environmental capacity.

Keywords：Shuipodu Reservoir;Water environmental capacity; Pollutant discharge; Prediction and analysis

自20世紀(jì)中葉以來(lái)，我國(guó)學(xué)術(shù)界就開始了環(huán)境容量的研究工作，用水環(huán)境容量來(lái)指導(dǎo)流域污染源總量控制、流域水質(zhì)目標(biāo)管理、江河湖泊水功能區(qū)劃以及流域資源優(yōu)化配置，是一個(gè)側(cè)重于宏觀指導(dǎo)且行之有效的管理科學(xué)技術(shù)方法[1]。

水泊渡水庫(kù)位于遵義市播州區(qū)，處于烏江一級(jí)支流偏巖河的支流樂民河流域范圍內(nèi)，于2005 年建成蓄水，壩高68.8m，水位高程848m，庫(kù)容5510m3，興利庫(kù)容4570萬(wàn)m3，回水長(zhǎng)度10.9km[2]。為更好的保護(hù)好寶貴的水資源，水泊渡水庫(kù)集中式飲用水水源地保護(hù)區(qū)最初于2007年劃定，后經(jīng)2018年由貴州省人民政府批準(zhǔn)對(duì)原有保護(hù)區(qū)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)新形勢(shì)下的環(huán)境保護(hù)需要。調(diào)整后將整個(gè)水庫(kù)流域范圍納入保護(hù)區(qū)，分為一級(jí)、二級(jí)和準(zhǔn)保護(hù)區(qū)，調(diào)整后保護(hù)區(qū)面積共224.8400km2，其中一級(jí)保護(hù)區(qū)面積9.6164km2，二級(jí)保護(hù)區(qū)面積50.5721km2，準(zhǔn)保護(hù)區(qū)面積164.6515km2。

水泊渡水庫(kù)的設(shè)計(jì)使用功能為播州區(qū)城區(qū)生活飲用水和遵義中心城區(qū)備用水源[3]，水泊渡水庫(kù)一期工程為城市供水1670萬(wàn)m3/年，是遵義市播州區(qū)的重要飲用水源，對(duì)水庫(kù)的污染狀況及未來(lái)變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，對(duì)保障播州區(qū)人口飲水安全及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。本文將對(duì)水泊渡水庫(kù)的水環(huán)境容量及未來(lái)污染源排放量進(jìn)行預(yù)測(cè)研究，并初步提出污染防治措施供相關(guān)行政部門參考。

1 水泊渡水庫(kù)水質(zhì)現(xiàn)狀

按照2017年水泊渡水庫(kù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水泊渡水庫(kù)的21項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，2017年，水泊渡水庫(kù)能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)要求;根據(jù)《2018年遵義市生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》，水泊渡水庫(kù)的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為100%。

2 水泊渡水庫(kù)水環(huán)境容量計(jì)算

水泊渡水庫(kù)為湖庫(kù)型水源地，以年為時(shí)間尺度來(lái)研究湖泊、水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化過程時(shí)，往往可以把水庫(kù)看作一個(gè)完全混合反應(yīng)器，故選取零維模型對(duì)水泊渡水庫(kù)的COD、NH3-N、TN和TP進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 有機(jī)物的水環(huán)境容量計(jì)算模型

本文采用沃倫韋德（R.A.Vollenweider）模型計(jì)算水泊渡水庫(kù)庫(kù)區(qū)COD、NH3-N的水環(huán)境容量：

式中，V：水庫(kù)中水的體積（m3）;

Q：平衡時(shí)流入與流出水庫(kù)的流量（m3/a）;

CE：流入水庫(kù)的水量中水質(zhì)組分濃度（g/ m3）;

C：水庫(kù)中水質(zhì)組分濃度（g/ m3）;

Sc：如非點(diǎn)源一類的外部源和匯（m3）;

γ（c）：水質(zhì)組分在水庫(kù)中的反應(yīng)速率。

上式為零維的水質(zhì)組分的基本方程。如果反應(yīng)器中只有反應(yīng)過程，則Sc=0，則公式變?yōu)椋?/p>

當(dāng)所考慮的水質(zhì)組分在反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，而且是衰減反應(yīng)時(shí)，則：

γ（c）=-KC

公式又變?yōu)橐韵滦问剑?/p>

K是一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)（1/d）。當(dāng)反應(yīng)器處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，dC/dt=0，可得到下式：

當(dāng)C為水庫(kù)功能區(qū)要求濃度標(biāo)準(zhǔn)Cs時(shí)，則上式變?yōu)椋?/p>

Wc=31.54*（QCs+KCsV/86400）

式中：Wc：水環(huán)境容量，t/a;

V：水庫(kù)中水的體積（m3）;

Q：平衡時(shí)流入與流出水庫(kù)的流量（m3/s）;

K：是一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)（1/d），根據(jù)水庫(kù)各斷面的實(shí)測(cè)水質(zhì)濃度值，進(jìn)行數(shù)值模擬，試算并調(diào)整降解系數(shù)達(dá)到總體最優(yōu)時(shí)，即為所求的參數(shù)。

在水庫(kù)中，對(duì)于難氧化的污染物，K值一般在0.01～0.03/d，本文選取COD、氨氮降解系數(shù)分別為0.01/d、0.01/d。

2.2 總氮、總磷的水環(huán)境容量模型

本文對(duì)總氮、總磷水環(huán)境容量計(jì)算采用狄龍（Dillon）模型。

式中，W為水庫(kù)總氮或總磷的水環(huán)境容量，t/a;

A為水庫(kù)水面面積，m2;

R為水庫(kù)總氮或總磷滯留系數(shù)，無(wú)量綱;

Cs為水庫(kù)中污染物的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L;

q為水庫(kù)出庫(kù)水量，m3/a。

2.3 水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果

通過收集水泊渡水庫(kù)的水文資料，以地表水III類標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)計(jì)算水泊渡水庫(kù)的水環(huán)境容量。結(jié)算結(jié)果表明，水泊渡水庫(kù)的COD、NH3-N、TN和TP的水環(huán)境容量分別為5227.06t/a、261.35t/a、147.02t/a和7.35t/a。

3 污染源排放量預(yù)測(cè)（2025年）

本文將以2017年水泊渡水庫(kù)流域范圍內(nèi)的各種來(lái)源污染物排放量為基礎(chǔ)，利用特定的計(jì)算方法，預(yù)測(cè)到2025年，流域范圍內(nèi)的工業(yè)源、生活源、畜禽養(yǎng)殖污染源及種植業(yè)污染物源的COD、NH3-N、TN和TP的排放量。

3.1 工業(yè)廢水污染物排放量預(yù)測(cè)

經(jīng)調(diào)查，水泊渡水庫(kù)流域范圍內(nèi)有6家工業(yè)企業(yè)，其中5家企業(yè)的工業(yè)廢水經(jīng)過處理后循環(huán)利用，1家企業(yè)未在流域范圍內(nèi)設(shè)排污口，6家企業(yè)均不在流域范圍內(nèi)排放工業(yè)廢水。隨著政府相關(guān)部門對(duì)集中式飲用水水源地監(jiān)管的加強(qiáng)，預(yù)計(jì)到2025年，水泊渡水庫(kù)流域范圍內(nèi)仍將杜絕工業(yè)廢水污染物排放。

3.2 生活污染物排放量預(yù)測(cè)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，水泊渡水庫(kù)流域范圍內(nèi)常住人口共244個(gè)村民組，13949戶52953人。根據(jù)《遵義市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》，“十三五”期間，人口自然增長(zhǎng)率為7.6‰，“十四五”期間參照此增長(zhǎng)率，以此為農(nóng)村未來(lái)人口增長(zhǎng)規(guī)模。采用排污系數(shù)法對(duì)農(nóng)村生活污染排放負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，按照《第一次全國(guó)污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》中排污系數(shù)，人均COD、NH3-N、TN和TP的排污系數(shù)分別為16.4g/（d·人）、4g/（d·人）、5g/（d·人）和0.44g/（d·人）。經(jīng)計(jì)算，預(yù)計(jì)到2025年，水泊渡水庫(kù)流域范圍內(nèi)的生活源COD、NH3-N、TN和TP排放量分別為280.04t/a、64.50t/a、80.11t/a和6.90t/a。

3.3 畜禽養(yǎng)殖污染物排放量預(yù)測(cè)

水泊渡水庫(kù)流域范圍內(nèi)畜禽養(yǎng)殖主要以散養(yǎng)為主，包擴(kuò)生豬、肉牛、蛋雞和肉雞。根據(jù)遵義市統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《2017年全市畜牧業(yè)發(fā)展情況報(bào)告》，2017年全市生豬出欄量增長(zhǎng)率為3.8%，肉牛出欄量增長(zhǎng)率為7.7%，蛋雞、肉雞的存（出）欄量增長(zhǎng)率為6.7%。以此預(yù)測(cè)到2025年流域范圍內(nèi)畜禽養(yǎng)殖量。

根據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》中產(chǎn)污系數(shù)確定的公式，得出各類畜禽污染物的產(chǎn)污系數(shù)，詳見表1。

經(jīng)計(jì)算，預(yù)計(jì)到2025年，水泊渡水庫(kù)流域范圍內(nèi)的畜禽養(yǎng)殖污染源COD、NH3-N、TN和TP排放量分別為2699.52t/a、18.10t/a、114.88t/a和6.34t/a。

3.4 種植業(yè)污染物排放量預(yù)測(cè)

根據(jù)《全國(guó)地表水環(huán)境容量核定和總量分配工作方案》附錄將所有農(nóng)田折算成標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，計(jì)算出農(nóng)田的徑流污染物排放量。標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田源強(qiáng)系數(shù)為COD10kg/（畝·a）、NH3-N2kg/（畝·a）、TN2.3kg/（畝·a）、TP0.12kg/（畝·a）。根據(jù)水泊渡水庫(kù)流域范圍內(nèi)的農(nóng)田類型、土壤類型、化肥施用量及降水量進(jìn)行修正，計(jì)算種植業(yè)污染物排放量。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，水泊渡水庫(kù)流域范圍內(nèi)耕地面積共174628.5畝。由于耕地面積在短期內(nèi)不會(huì)有明顯的變化，故以此面積作為2025年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算種植業(yè)污染物排放量。經(jīng)計(jì)算，預(yù)計(jì)到2025年，水泊渡水庫(kù)流域范圍內(nèi)的種植業(yè)污染源COD、NH3-N、TN和TP排放量分別為1746.29t/a、349.26t/a、401.65t/a和20.96t/a。

3.5 污染物入河量預(yù)測(cè)

污染源排放的污染物進(jìn)入水體的數(shù)量有眾多影響因素，情況十分復(fù)雜，區(qū)域差異很大。根據(jù)《全國(guó)水環(huán)境容量核算指南》中提供的技術(shù)參數(shù)，結(jié)合水源保護(hù)區(qū)的實(shí)際情況，確定各污染源入河系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，預(yù)計(jì)到2025年，水泊渡水庫(kù)流域范圍內(nèi)COD、NH3-N、TN和TP入河量分別為1119.80t/a、212.30t/a、159.49t/a和8.94t/a。詳見表2。

4 水環(huán)境容量利用情況預(yù)測(cè)

根據(jù)2025年水泊渡水庫(kù)流域范圍內(nèi)污染物入河量預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合水庫(kù)的水環(huán)境容量，對(duì)其水環(huán)境容量的利用情況進(jìn)行分析。預(yù)計(jì)到2025年，水泊渡水庫(kù)的COD及NH3-N的水環(huán)境容量均有剩余，但TN和TP入庫(kù)量都已超過環(huán)境容量，水庫(kù)流域范圍內(nèi)生態(tài)治理迫在眉睫。詳見表3。

5 污染防治措施

5.1 建立流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)長(zhǎng)效機(jī)制

成立長(zhǎng)期性的飲用水水源地生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)，對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)保護(hù)工作統(tǒng)一管理，統(tǒng)一協(xié)調(diào)，統(tǒng)一規(guī)劃。各相關(guān)單位和工作組明確目標(biāo)，落實(shí)責(zé)任，全面落實(shí)各項(xiàng)措施，推動(dòng)水泊渡水庫(kù)集中式飲用水水源地生態(tài)保護(hù)工作深入開展。

5.2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展引導(dǎo)

根據(jù)生態(tài)環(huán)境目標(biāo)，設(shè)置嚴(yán)格的產(chǎn)業(yè)準(zhǔn)入門檻。為減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面源對(duì)水質(zhì)的影響，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)，發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)，努力引導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)村居民改種適合當(dāng)?shù)厍闆r山地作物，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面源對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)的影響。對(duì)飲用水水源地流域涵養(yǎng)區(qū)及周邊在林業(yè)生態(tài)建設(shè)和林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展上給予政策、項(xiàng)目、資金的傾斜，支持林區(qū)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。

5.3 加大農(nóng)村環(huán)境綜合整治力度

應(yīng)結(jié)合播州區(qū)新農(nóng)村建設(shè)、生態(tài)創(chuàng)建、鄉(xiāng)村振興、四在農(nóng)家、美麗鄉(xiāng)村等工作部署，積極申請(qǐng)中央、省級(jí)農(nóng)村環(huán)境綜合整治項(xiàng)目資金，對(duì)水泊渡水庫(kù)流域范圍內(nèi)村寨所有生活污水、生活垃圾進(jìn)行收集、處理和管理。

5.4 加強(qiáng)水源地規(guī)范化建設(shè)

由于水泊渡水庫(kù)的飲用水水源地保護(hù)區(qū)重新劃定，應(yīng)按照省政府的批復(fù)文件重新開展飲用水水源地保護(hù)區(qū)標(biāo)志標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。按照《飲用水源地保護(hù)區(qū)標(biāo)志技術(shù)要求》（HJ/T433-2008）技術(shù)要求設(shè)立界標(biāo)、道路警示牌和宣傳牌。按照《集中式飲用水水源地規(guī)范化建設(shè)環(huán)境保護(hù)技術(shù)要求》（HJ773-2015）技術(shù)要求對(duì)一級(jí)保護(hù)區(qū)周邊人類活動(dòng)頻繁區(qū)域設(shè)置隔離防護(hù)設(shè)施。

5.5 建設(shè)水源地環(huán)境監(jiān)控體系

為了建立有效預(yù)警監(jiān)控體系，保障飲用水水質(zhì)安全，在水泊渡水庫(kù)主要入庫(kù)支流的二級(jí)保護(hù)區(qū)與準(zhǔn)保護(hù)區(qū)交界點(diǎn)上設(shè)置自動(dòng)水質(zhì)預(yù)警監(jiān)控?cái)嗝?，并?shí)時(shí)與生態(tài)環(huán)境部門聯(lián)網(wǎng)。

5.6 加大環(huán)境保護(hù)宣傳力度

深入開展飲用水水源地環(huán)境保護(hù)宣傳教育。引導(dǎo)居民和游客自覺保護(hù)環(huán)境，養(yǎng)成文明的生產(chǎn)、消費(fèi)及生活方式。全面提高全社會(huì)對(duì)水泊渡水庫(kù)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理全局觀念，加強(qiáng)水源地管理執(zhí)法力度，對(duì)破壞水源地生態(tài)環(huán)境的行為給予必要的處罰。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以黔北地區(qū)的水泊渡水庫(kù)為例，對(duì)其水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算，并預(yù)測(cè)到2025年水庫(kù)流域范圍內(nèi)的污染物入河量，分析該水源地能否達(dá)到水質(zhì)相關(guān)要求。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，到2025年，水泊渡水庫(kù)接納的TN和TP已經(jīng)超過了水環(huán)境容量，建議在現(xiàn)有排放量的基礎(chǔ)上，采取措施削減TN和TP的排放量，著重對(duì)污染物排放量較大的種植業(yè)進(jìn)行治理。

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收稿日期：2019-07-12

作者簡(jiǎn)介：商正松（1984-），男，工程師，研究方向?yàn)樗廴痉乐巍?/p>