白石水庫面源污染分析與控制探討

王 穎

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

在各飲用水源地類型中湖庫型水源地占比達40%左右，對于保障區(qū)域供水和飲水安全等發(fā)揮著重要作用。水資源調(diào)查統(tǒng)計顯示，我國大部分湖庫型水源地均存在不同程度的富營養(yǎng)化現(xiàn)象，水質(zhì)不達標、水污染問題突出。由于受其自身條件限制，湖庫型水源地的水流速度緩慢，從而使得污染物容易累積且降解速度較慢，對水源地飲水安全和水環(huán)境保護存在較高的風險。水庫、湖泊富營養(yǎng)化問題與流域生態(tài)環(huán)境惡化密切相關，對人類社會安全、經(jīng)濟發(fā)展及水資源科學利用已形成潛在威脅，特別是流域水庫污染問題更加突出。

為改善流域水環(huán)境質(zhì)量狀況和促進人水和諧發(fā)展，采取科學的方法措施控制流域污染物總量已成為目前急需解決的問題。傳統(tǒng)的面源污染調(diào)查方法主要有查閱統(tǒng)計資料、水質(zhì)監(jiān)測分析、區(qū)域入戶調(diào)查及野外采樣等手段。地方統(tǒng)計數(shù)據(jù)為污染源調(diào)查統(tǒng)計的重要依據(jù)，由于土地利用類型、徑流量、人口數(shù)量和流域范圍等資料的缺乏，使得統(tǒng)計數(shù)據(jù)的獲取存在較大困難，且數(shù)據(jù)的可靠度和時效性往往較差。在湖庫型水源地面源污染評價過程中為有效獲取模型計算參數(shù)，可利用GIS技術提高數(shù)據(jù)的可行度和輸入效率，另外還可結合TS技術模擬分析土地利用狀況、類型等因素的時空變化特征。GIS技術的可視化功能和空間分析技術不僅能夠揭示大量數(shù)據(jù)中隱藏的內(nèi)在變化規(guī)律與空間特征，而且提高了數(shù)據(jù)的直觀性，對污染物遷移途徑和主要來源能夠有效進行識別，從而準確評價水環(huán)境質(zhì)量受污染物類型及負荷的影響作用，并為水源地污染控制和水環(huán)境保護提供一定決策依據(jù)。

在面源污染研究方面GIS技術越來越引起人們的重視，對于面源污染控制專家系統(tǒng)和信息系統(tǒng)最早應用于美、日等發(fā)達國家。Behrendt等[1]通過調(diào)查和監(jiān)測區(qū)域磷污染狀況，利用GIS空間建模功能分析了易污染地區(qū)不同土壤類型吸收磷元素的能力；Zhang等[2]認為非點源污染影響分析的重要基礎是揭示流域水質(zhì)面源污染的空間分布規(guī)律，從而可確定污染源重點控制區(qū)；Cooke W.H等[3]利用GIS技術深入研究了密歇根州農(nóng)業(yè)流域的N、P流失狀況和土壤侵蝕特征，在此基礎上提出了最佳的農(nóng)業(yè)管理模式。目前，在非點源污染分析中GIS技術的研究應用已成為大勢所趨，如賈海峰等[4]運用GIS技術分析石匣小流域?qū)嶒灡O(jiān)測結果和土地利用數(shù)據(jù)，從而提出了非點源污染重點控制區(qū)域和分布特征；康啟燕等[5]為定量描述污染物的產(chǎn)生量構建了基于GIS技術的污染物遷移數(shù)學模型，在流域系統(tǒng)范圍內(nèi)模擬分析了污染物空間分布特征，對改變流域水質(zhì)惡化趨勢、保護水環(huán)境重點區(qū)域以及水污染治理具有重要的指導作用；鄭強等[6]對太湖流域非點源污染入河量的時空分布規(guī)律利用GIS的空間分析功能進行研究，結果顯示汛期為入河污染物的高峰時期且環(huán)太湖地區(qū)為高峰集中區(qū)。

當前，對于非點源污染的分析過程GIS技術的應用較為常見，而在湖庫型水庫面源污染控制中GIS技術的研究相對較少。本文以大凌河干流白石水庫為例，在水庫面源污染控制和解析過程中引入GIS技術，以期為流域水污染控制及面源污染負荷的消減提供一定科學依據(jù)。

1 研究概況

選擇白石水庫匯水區(qū)域作為整個研究范圍，總面積75.0km2，主體工程有取水口、水電站、泄洪排沙底孔、攔河壩和溢流表孔等。白石水庫位于大凌河干流，具有優(yōu)越的地理環(huán)境和便利的交通條件，處于錦州、阜新和朝陽區(qū)域的中心地帶。該水庫是一座主要以農(nóng)業(yè)灌溉、防洪排澇和城市供水為主，同時兼顧一定的發(fā)電、旅游和水產(chǎn)養(yǎng)殖等功能的大型水利工程，入庫河流主要有大凌河、涼水河、牤牛河、沙河等，主要為錦州、阜新等區(qū)域提供居民生活飲用水。大凌河主脈貫穿遼西、東南匯入渤海，西支與南支發(fā)源于平泉縣泉子溝及建昌縣水泉溝，二支匯合后徑流朝陽縣、凌海市、北票市、義縣等地區(qū)。流域內(nèi)河網(wǎng)密布有涼水河子、忙牛河、老虎山河、西河等支流，景觀變化比較劇烈、經(jīng)濟增長速度較快，屬于遼寧省工農(nóng)業(yè)發(fā)展的核心區(qū)域[7- 15]。

城鎮(zhèn)生活污水、水土流失、農(nóng)村固廢污染物、農(nóng)田徑流及分散式牲畜養(yǎng)殖等為白石水庫面源污染的主要來源，各污染物貢獻率和排放量統(tǒng)計值見表1。由表1可知，在各類面源污染中白石水庫農(nóng)田徑流污染的占比最大，其次為農(nóng)村生活污水。

2 研究方法

2.1 水庫面源污染控制措施評價指標

科學合理的選擇評價指標是水庫面源污染控制方案優(yōu)選決策的關鍵環(huán)節(jié)，評價體系的構建應尊姓可性性、系統(tǒng)性性、適用性性、科學性原則。另外，選擇的評價指標還要綜合考慮面源污染治理的經(jīng)濟成本因子和污染物消減等環(huán)境因子。本文從經(jīng)濟與環(huán)境效益的角度，兼顧水庫污染源的時空分布特征對評價指標進行選擇，其中環(huán)境效益指標包括COD、NH3-N、TN與TP消減率4項參數(shù)，經(jīng)濟成本指標有運行成本、建設成本的技術投資因子。

2.2 水資源保護方案決策模型

對飲用水源地污染控制措施利用AHP-GRAP層次分析改進灰色關聯(lián)法進行優(yōu)選，首先基于AHP原理建立水源地保護各影響因子層次結構關系，然后根據(jù)各因子分析結果建立方案層、子準則層和準則層判斷矩陣，通過一致性檢驗確定各參數(shù)相對權重。然后對各指標關聯(lián)度采用GRAP法計算，水資源保護最優(yōu)措施即為AHP-GRAP法計算確定的關聯(lián)度系數(shù)最大的措施，該方法不僅綜合考慮了各子系統(tǒng)的關系特征，而且有效解決了以往定性分析主、次不分和單一因素評價的問題。

3 結果分析

3.1 水庫面源污染控制方案布局

(1)子流域劃分。通過對研究區(qū)域內(nèi)各入庫子流域的劃分，采用GIS軟件確定各支流匯水面積，統(tǒng)計計算白石水庫各入庫河流的來水量、匯水面積占比見表2，為便于計算分析不考慮水庫周邊的塘壩。

表1 白石水庫各類面源污染貢獻率和排放量

表2 白石水庫入庫河流數(shù)據(jù)統(tǒng)計值

根據(jù)表2可知，白石水庫入?yún)R河流以大凌河為主，經(jīng)北票市后徑流白石水庫，其中68.0%以上入庫水量來源于大凌河支流。相對于其他河流牤牛河、涼水河的來水量相對較大，占比分別為20.25%、11.102%。

(2)大凌河干流白石水庫水域面積10.28km2，研究區(qū)總面積75.0km2，因此土地面積還有64.72km2，統(tǒng)計分析白石水庫內(nèi)土地利用類型見表3。

表3 白石水庫研究區(qū)內(nèi)土地利用類型

根據(jù)表3統(tǒng)計結果可知，白石水庫一級、二級水源地保護區(qū)土地利用以耕地為主，占比分別為73.04%、56.22%，其次為林地占比分別為11.83%和30.52%。總體而言，白石水庫研究范圍內(nèi)的土地利用類型以耕地、城鎮(zhèn)居民用地為主，而林地、草地占比相對較低。根據(jù)各土地利用類型占水庫匯水區(qū)域比例可知，城鎮(zhèn)居民用地、耕地面積占水源保護區(qū)的比例較大，該統(tǒng)計結果與城鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)田徑流污染占區(qū)域總污染比例的污染源調(diào)查結果基本保持相同。

(3)水庫保護區(qū)污染排放量分布特征。根據(jù)點面源污染調(diào)查資料、土地利用方式和子流域劃分結果，對白石水庫水源保護區(qū)的污染排放量分布規(guī)律利用GIS軟件進行模擬計算，然后結合各土地利用方式污染物排放系數(shù)計算污染物年排放量。對入庫河流匯水面積內(nèi)的污染物排放量利用GIS軟件的矢量剪切功能進行計算，計算結果見表4。

根據(jù)表4可知，對白石水庫NH3-N、TP、TN和COD污染負荷貢獻率最大的為大凌河子流域，占比分別為63.70%、65.35%、64.13%、68.38%；其次為涼水河子流域，各污染物貢獻率分別為20.10%、19.33%、19.45%、20.16%。大凌河與涼水河產(chǎn)生較大污染負荷量的原因為：一方面為該子流域的匯水面積相對較大，占總面積的61.85%、11.10%；另一方面為大凌河、涼水河接納了朝陽市與北票市等區(qū)域的生活污水與農(nóng)業(yè)廢水，加之農(nóng)田徑流、鄉(xiāng)鎮(zhèn)固廢污染等因素使得該區(qū)域負荷貢獻率較大。

(4)結合白石水庫研究范圍內(nèi)GIS土地坡度提取結果，水源保護區(qū)坡耕地均在25°以下區(qū)域，然后根據(jù)水源保護區(qū)污染防治要求和飲用水區(qū)劃技術規(guī)范，對庫區(qū)實施退耕還林措施見表5。

表5 基于GIS技術白石水庫退耕還林工程量計算

對白石水庫匯水區(qū)采取退耕還林措施可有效減少NH3-N、TP、TN和COD污染負荷量，分別為133.26t/a、47.36t/a、242.85t/a、650.18t/a，對于保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境和改善水質(zhì)持續(xù)惡化的局面具有重要作用。

表4 白石水庫污染物貢獻率及排放量統(tǒng)計結果

3.2 典型污染控制技術分析

根據(jù)白石水庫污染排放量分布規(guī)律和污染源計算結果可知，在庫區(qū)面源污染中農(nóng)田徑流污染的占比最大，其次為城鎮(zhèn)生活污水，二者污染總負荷在80%以上，因此將其作為典型污染源控制重點。

(1)農(nóng)田徑流典型污染控制技術。結合現(xiàn)有文獻資料和相關技術指南，對白石水庫農(nóng)田徑流污染控制技術進行優(yōu)選，各項技術的投資指標和污染物消減率見表6。

表6 投資指標與污染物消減率

選擇B0作為評判標準對污染控制技術進行優(yōu)選決策，在該標準下技術投資為10元/m2，對各類污染物的去除率均達到100%。相對標準技術各污染控制技術的關聯(lián)度系數(shù)μ和各參數(shù)權重利用GRAP、AHP法進行計算見表7。

表7 農(nóng)田徑流污染控制技術關聯(lián)度系數(shù)與權重

根據(jù)表7可知，綜合考慮污染控制技術投資成本和以TP、TN、COD去除率為主的條件下，灰色關聯(lián)系數(shù)最大值為生態(tài)溝渠-生態(tài)塘農(nóng)田徑流污染控制技術的0.6810，其次為生態(tài)攔截緩沖帶的0.5732；雖然技術投資最小的為生態(tài)天然，然而其污染物去除率也較低，因此綜合關聯(lián)度為0.3865。綜上分析，生態(tài)攔截緩沖帶和生態(tài)溝渠-生態(tài)塘為白石水庫農(nóng)田徑流污染控制的主要措施，另外還要結合庫區(qū)生態(tài)環(huán)境實際情況采取人工濕地控制措施。

(2)城鎮(zhèn)生活污水控制措施。結合現(xiàn)有文獻資料和相關技術指南，對白石水庫鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水控制技術進行優(yōu)選，各項技術的投資指標和污染物消減率見表8。

表8 投資指標與污染物消減率

選擇C0作為評判標準對污染控制技術進行優(yōu)選決策，在該標準下運行成本為0.2元/m3，建設成本為1000元/m3，對各類污染物的去除率均達到100%。相對標準技術各污染控制技術的關聯(lián)度系數(shù)μ和各參數(shù)權重利用GRAP、AHP法進行計算，見表9。

表9 城鎮(zhèn)生活污水控制技術的關聯(lián)度系數(shù)與權重

根據(jù)表9可知，綜合考慮污染控制技術投資成本和以TP、TN、COD去除率為主的條件下，灰色關聯(lián)系數(shù)最大值為生物接觸氧化-人工濕地生活污水處理技術的0.6810，其次為潛流式人工濕地城鎮(zhèn)生活污水控制技術，另外還可根據(jù)當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展實際情況采取沼氣池控制技術。

3.3 污染物總量控制方案

(1)計算水環(huán)境容量。白石水庫污染物總量控制目標設定為水源地一級保護區(qū)Ⅱ類水質(zhì)標準，然后結合地表水環(huán)境質(zhì)量標準設定Ⅱ類水質(zhì)NH3-N、TP、TN和COD濃度臨界值為0.5mg/L、0.025mg/L、0.5mg/L、15mg/L。

根據(jù)地方水污染排放標準選擇完全混合模型作為河湖水庫NH3-N、COD水環(huán)境容量計算模型，其表達式如下：

W1=362[(ρs-ρ0)V0/T+KV0ρs+(ρs-ρ0)qout]

(1)

式中，W1—白石水庫NH3—N、COD水環(huán)境容量，t/a；ρ0、ρs—白石水庫水環(huán)境現(xiàn)狀與目標控制質(zhì)量濃度，mg/L；K、T—白石水庫污染物綜合降解技術和維持設計水量的天數(shù)，a-1、d；V0、qout—代表白石水庫安全設計水量與排泄出水量，m3、m3/s。

采用吉柯奈爾-迪龍模型作為白石水庫TP、TN水環(huán)境容量計算模型，計算表達式分別如下：

W2=ρsqHA/(1-R)

(2)

其中，q=Q1/V；qs=Q/A；Q=365qout；

R=0.426exp(-0.271qs)+0.571exp(-0.00949)

式中，W2—白石水庫TP、TN水環(huán)境容量，t/a；R—TP、TN滯留系數(shù)；Q、Q1—白石水庫年出庫水量與輸入水量，m3/a；q、qs—水力沖刷速率與面積水符合，a-1、m/s；A、H、V—白石水庫湖水表面積、平均水深及水庫庫容，m2、m、m3；

根據(jù)白石水庫有關數(shù)據(jù)資料和上述計算模型，對各污染指標消減率、現(xiàn)狀符合及水環(huán)境容量進行計算見表10。

表10 白石水庫各污染物計算值

根據(jù)上表計算結果，消減率相對較大的為TN、TP、COD，對NH3-N污染物的消減率最低為23.51%。相對于NH3-N、TN、TP、COD水環(huán)境容量白石水庫現(xiàn)狀負荷消減量分別為9.61、46.78、9.25、369.81t/a，消減率分別為23.51%、52.88%、63.14%與40.85%。根據(jù)各污染物現(xiàn)狀排放量和消減率，需要消減的于NH3-N、TP、TN、COD排放量分別為112.96、108.14、465.20、918.37t/a。

在退耕還林工程建設實施后，達到消減要求的僅有NH3-N污染物，還需要進一步消減的TP、TN、COD量分別為52.38、206.42與226.47t/a，治理工程以去除TN、TP為主要目標。

(2)總量控制方案優(yōu)選。結合庫區(qū)水環(huán)境保護要求和生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，本研究設定了3套方案?；A方案a：不采取新的治理技術，控制保護區(qū)污染源為基準年水平；基本治理方案b：重點對大凌河、涼水河重點污染區(qū)進行農(nóng)田徑流污染源控制，通過對其他入庫河流的污染控制構建情景方案；污染控制方案c：兼顧治理農(nóng)村生活污水與農(nóng)田徑流污染方案，構建4套治理方案。各方案污染控制參數(shù)及治理率見表11。

從經(jīng)濟成本控制和污染物消減量的角度對比分析各治理方案，另外還要考慮其他因素。采用生態(tài)溝-生態(tài)塘與生態(tài)攔截緩沖帶復合技術對白石水庫農(nóng)田徑流污染控制，另外輔助科學施肥、合理栽植技術措施，其投資成本在4600元/hm2左右，可實現(xiàn)NH3-N、TP、TN、COD去除率為50%、66%、57%、42%。采用人工濕地-生物接觸氧化技術處理農(nóng)村生活污水，可實現(xiàn)NH3-N、TP、TN、COD去除率為90%、92%、84%、76%。6種方案的投資費用與污染負荷消減率見表11。綜合考慮投資成本和消減量等因素下，最佳方案為b，即對研究區(qū)控制農(nóng)田徑流污染。

表11 不同方案的污染控制治理參數(shù)

4 結論

(1)白石水庫入?yún)R河流以大凌河為主，經(jīng)北票市后徑流白石水庫，68.0%以上入庫水量來源于大凌河支流，其次為牤牛河、涼水河。研究范圍內(nèi)的土地利用類型以耕地、城鎮(zhèn)居民用地為主，而林地、草地占比相對較低，城鎮(zhèn)居民用地、耕地面積占水源保護區(qū)的比例較大，該統(tǒng)計結果與城鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)田徑流污染占區(qū)域總污染比例的污染源調(diào)查結果基本保持相同。對白石水庫NH3-N、TP、TN和COD污染負荷貢獻率最大的為大凌河子流域，占比均在60%以上，其次為涼水河子流域，占比在20%左右。

(2)綜合考慮污染控制技術投資成本和去除率為主的條件下，白石水庫農(nóng)田徑流污染控制、城鎮(zhèn)生活污水控制最優(yōu)措施分別為生態(tài)溝渠-生態(tài)塘技術與生物接觸氧化-人工濕地技術。

(3)在控制污染物總量的條件下，相對于NH3-N、TN、TP、COD水環(huán)境容量白石水庫現(xiàn)狀負荷消減率分別為23.51%、52.88%、63.14%與40.85%。在退耕還林工程建設實施后，達到消減要求的僅有NH3-N污染物，還需要進一步消減的TP、TN、COD污染物。在實現(xiàn)剩余城鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)田徑流污染全部消減目標的條件下，選擇控制農(nóng)田徑流污染方案的投資最低，為水庫污染控制的最佳方案。