城市內(nèi)湖水環(huán)境綜合治理效果評價研究

韓亞萍，郭亞男

(河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，鄭州 450016)

0 引 言

生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的根基，生態(tài)環(huán)境變化直接影響文明興衰演替。城市水生態(tài)環(huán)境破壞問題日益凸顯，嚴(yán)重制約著我國經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。針對我國城市廣泛的水環(huán)境污染問題，各地區(qū)大力開展水環(huán)境綜合治理，著力解決突出的水環(huán)境問題，努力實現(xiàn)水清綠岸、魚翔淺底的美好愿景。本文以桃花塢水庫為例，利用灰水足跡理論對現(xiàn)狀的水污染程度進(jìn)行評價，并結(jié)合桃花塢水庫污染源分析采取水環(huán)境綜合治理，通過灰水足跡理論與Mike 21水質(zhì)模型的聯(lián)合運(yùn)用對其治理效果進(jìn)行綜合評價。

灰水足跡理論從水量的角度來評價水污染的程度，為定量評價水污染程度提供了新的思路[1]。但是，灰水足跡理論是基于污染物總量核算，缺少對水動力擴(kuò)散、水體自凈能力的考慮[2]。而水質(zhì)模型與水動力模型耦合后可以反映出水質(zhì)的演變過程，將水質(zhì)模型與灰水足跡理論相結(jié)合運(yùn)用，能夠彌補(bǔ)灰水足跡未能考慮水動力擴(kuò)散這一不足之處，可全面綜合地評價區(qū)域的水環(huán)境狀況。

1 區(qū)域概況

桃花塢水庫位于河南省信陽市固始縣城，史河支流鄭小河、小史河上，是一座以防洪、城市工業(yè)用水為主，結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖、休閑旅游等綜合利用的小(Ⅰ)型水庫。鄭小河發(fā)源于根親文化園南入口的一處坑塘，向北作為根親文化園的主要水系橫穿文化園，最終匯入桃花塢水庫。桃花塢水庫上游為鄭小河，下游為小史河，承接梅山灌區(qū)南干渠下游退水作為調(diào)節(jié)水源。桃花塢水庫控制流域面積為5.82 km2，50年一遇洪水設(shè)計，1 000年一遇洪水校核，校核庫容178×104m3。

桃花塢水庫和上游鄭小河位于老城區(qū)，污水管網(wǎng)不健全，沿河居民產(chǎn)生的生活污水直排入河，河道淤積嚴(yán)重。桃花塢水庫沿岸口徑較大的污水排放口共有15處，沿庫周邊約2萬居民，桃花塢水庫上游與鄭小河水系不連通，造成桃花塢水庫缺乏清潔的補(bǔ)水水源。根據(jù)對桃花塢水庫的抽樣檢測，桃花塢水庫NH3-N、COD、BOD5此3項檢測值均大于地表水環(huán)境Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)值，因此桃花塢水庫水質(zhì)屬于劣Ⅴ類。

2 現(xiàn)狀水污染程度評價

2.1 灰水足跡理論

灰水足跡的概念在2008年由Hoekstra和Chapagain提出，并將其定義為排放到水體的污染負(fù)荷除以最大容許濃度[3-4]。通過引入灰水足跡理論計算，從水量的角度評價水污染的程度，量化地分析區(qū)域水資源對水質(zhì)的影響，利用灰水足跡可持續(xù)來評價區(qū)域水污染程度，可根據(jù)不同地區(qū)的水資源稀缺程度來量化分析同一污染物在不同區(qū)域水環(huán)境造成的污染影響。

灰水足跡的計算通常采用《水足跡評價手冊》的方法直接核算[5]，采用將污染物稀釋至水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需水量進(jìn)行表示，其計算公式如下:

(1)

式中：WFgrey為灰水足跡，m3/a；L為區(qū)域內(nèi)污染物排放總量，kg/a；Cmax為水體達(dá)到某一環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)所容許的污染物最大濃度，kg/m3；Cnat為受納水體的自然本底濃度，kg/m3。

根據(jù)灰水足跡可持續(xù)評估的計算方法[5]，流域內(nèi)水污染程度(WPL)是評價區(qū)域內(nèi)灰水足跡可持續(xù)的指標(biāo)，WPL等于一個流域的灰水足跡(max[WFgrey(P)])與流域徑流量(Ract) 的比值。

(2)

流域水污染程度與流域內(nèi)徑流成反相關(guān)，Ract越小，相對的WPL就越大，說明流域內(nèi)徑流量越小，水污染程度越大，灰水足跡不可持續(xù)性的概率也越大。當(dāng)WPL大于1，說明該流域內(nèi)水體的納污能力消耗殆盡，能容納污染物的能力也基本消失，水體呈現(xiàn)污染且不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)來源及計算結(jié)果

2.2.1 參數(shù)選取

桃花塢水庫在城市區(qū)，匯入的污染物主要是以點(diǎn)源方式的直排生活污水，面源匯入的地表徑流污染相對比點(diǎn)源來說含量較小，可忽略不計。因此，本次核算主要考慮點(diǎn)源污染，污染物類型為桃花塢水庫抽樣檢測的超標(biāo)因子COD和NH3-N。

污染物濃度參照當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S進(jìn)水濃度，COD和NH3-N濃度為271和25.6 mg/L，沿庫周邊約2萬人的生活污水不經(jīng)處理進(jìn)入庫區(qū)，參照《固始縣城市排水防澇綜合規(guī)劃》，污水量為用水量的0.8，日變化系數(shù)取1.3。桃花塢水庫需要達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，即Cmax(COD)為30 mg/L、Cmax(NH3-N)為1.5 mg/L。COD和NH3-N指標(biāo)的自然本底值參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中的Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，Cnat(COD)為15 mg/L、Cnat(NH3-N)為0.015 mg/L。

Ract為桃花塢水庫年均徑流總量186.2×104m3，桃花塢水庫及流域內(nèi)無水文觀測站，無實測流量資料。參照河南省水文水資源局2007年8月編繪的《河南省水資源》，查算流域內(nèi)多年平均徑流深320 mm左右，且年際變化劇烈，本文將多年平均徑流量作為流域徑流量。

2.2.2 計算結(jié)果

根據(jù)式(1)，WFgrey(COD)為970.34×104m3/a，WFgrey(NH3-N)為1 016.44×104m3/a，選取較大的污染物數(shù)值作為該區(qū)域的灰水足跡，故桃花塢水庫的灰水足跡為1 016.44×104m3/a。根據(jù)式(2)，WPL為5.46，水污染程度大于1，說明該區(qū)域灰水足跡不可持續(xù)。

桃花塢水庫有大量生活污水未經(jīng)處理直接排入庫區(qū)，因此造成桃花塢水庫灰水足跡比較大；桃花塢水庫上游與鄭小河現(xiàn)狀水系不連通，上游徑流不能匯入該研究區(qū)域，流域內(nèi)徑流量不足，遠(yuǎn)小于區(qū)域承受的灰水足跡量，桃花塢水庫水污染程度大于1，灰水足跡呈現(xiàn)不可持續(xù)性。

3 工程治理措施

根據(jù)灰水足跡計算結(jié)果，本方案采用“控源截污、內(nèi)源治理、水系連通”的思路對該區(qū)域水環(huán)境進(jìn)行治理，桃花塢水庫水污染程度降低可以通過減小灰水足跡和增大徑流量兩個方式入手，即分別是控源截污削減污染物排放量和水系連通進(jìn)行補(bǔ)源，同時為了減少內(nèi)源污染物的釋放，削減污染物，增加水體的自凈能力，在該區(qū)域進(jìn)行內(nèi)源清淤。

3.1 控源截污工程

控源截污措施是為了防止外來的各種污染物直接或隨雨水排入水體，是水環(huán)境整治最直接有效的工程措施，也是采取其他技術(shù)措施的前提[6]?？卦唇匚鄞胧┲饕窍一▔]水庫的點(diǎn)源污染，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，桃花塢水庫周邊無污水管道，兩岸居民生活污水都是直排入庫。對成功大道-桃花塢路之間水庫沿庫周圍分別在東西向布置兩個截污管道，東西兩個管道系統(tǒng)各服務(wù)人口約1萬人，污水管網(wǎng)分別沿桃花塢水庫岸線東西兩側(cè)由南向北布置，最后與城市已有的污水干管連通，進(jìn)入城市污水處理廠。

3.2 內(nèi)源治理工程

底泥疏浚能夠永久性去除富含污染物的底泥，從而在源頭上有效控制內(nèi)源污染物的釋放，提升區(qū)域的自凈能力[7]。為了快速降低桃花塢水庫的內(nèi)源污染負(fù)荷，需要對桃花塢水庫進(jìn)行清淤?；贛IKE 21 FM搭建二維水動力模型，結(jié)合地形資料，對庫區(qū)進(jìn)行合理概化。從桃花塢水庫的流場分布圖(圖1)可以看出，桃花塢水庫引水時，上中游的流速較大，流速為0.05～0.1 m/s，對庫區(qū)底部淤泥沖刷作用相對較強(qiáng)，下游流速偏小且流態(tài)穩(wěn)定，流速為0.005～0.05 m/s，對庫區(qū)底部淤泥的擾動較??；同時庫底淤積層相對穩(wěn)定，污染物在不擾動情況下不易釋放。根據(jù)引水時流場分布情況，治理工程樁號0+606(化肥廠家屬院東南側(cè))以下庫區(qū)水體流速小，底泥擾動輕微，底泥對水體水質(zhì)影響小；且?guī)斓子俜e層相對穩(wěn)定，污染物在不擾動情況下不易釋放，該區(qū)域可不進(jìn)行清淤。因此，確定清淤范圍為化肥廠家屬院以上區(qū)域(圖2)，清淤深度0.5～1.5 m，清淤面積約7.5×104m2，清淤量約9.8×104m3。

圖1 桃花塢庫區(qū)流場分布圖

圖2 桃花塢水庫清淤范圍圖

3.3 水系連通工程

水系連通對河道水質(zhì)改善作用明顯，能夠增加水動力條件，縮短水體水力停留時間，改善水系水質(zhì)[8]。 本方案通過將梅山南干渠和鄭小河連通，增加桃花塢水庫的生態(tài)補(bǔ)水量，提高水體的流動性，增加水體的水環(huán)境容量，桃花塢水庫生態(tài)需水量為317.2×104m3。在梅山灌區(qū)南干渠九支渠下游60 m處建引調(diào)水建筑物(此處上游20 m處建有節(jié)制閘，可以控制引調(diào)水不會沿渠道向渠道上游回水)，將鲇魚山東干渠水源引調(diào)至梅山灌區(qū)南干渠，將引調(diào)水引至鄭小河中并進(jìn)入桃花塢水庫。

4 治理效果評價分析

4.1 灰水足跡評價

根據(jù)灰水足跡計算方法及工程措施，工程實施后該部分污水被截留進(jìn)入污水處理廠，出水經(jīng)處理后達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入水體，即污染物入河濃度COD和NH3-N分別為50和5 mg/L；Cmax和Cnat參數(shù)不變；Ract為桃花塢水庫連通后通過梅山南干渠可補(bǔ)給的水量317.2×104m3。

根據(jù)式(1)，WFgrey(COD)為179.69×104m3/a，WFgrey(NH3-N)為181.51×104m3/a，選取較大的污染物數(shù)值作為該區(qū)域的灰水足跡，故桃花塢水庫的灰水足跡為181.51×104m3/a。根據(jù)式(2)，WPL為0.57，該數(shù)值小于1，說明該區(qū)域灰水足跡持續(xù)。

通過控源截污、內(nèi)源治理的工程措施后，污染物排放量得到削減，桃花塢水庫的灰水足跡從1 016.44×104m3/a降低至181.51×104m3/a。通過水系連通工程措施后，桃花塢水庫徑流量增加，能夠用來稀釋污染物的水源變大，桃花塢水庫的水污染程度由5.46降低至0.57，實現(xiàn)了區(qū)域灰水足跡的可持續(xù)性。

4.2 水質(zhì)模型評價

4.2.1 水質(zhì)濃度變化分析評價

根據(jù)MIKE 21二維生態(tài)水質(zhì)的模擬，將引水、清淤、截污等工程措施添加到模型的外邊界條件，模型中考慮降雨蒸發(fā)及大氣沉降的影響，并根據(jù)換水運(yùn)行工況來設(shè)置入流的水質(zhì)邊界，引水水質(zhì)采用梅山南干渠實測水質(zhì)資料。在每年的3、6、8和11月初進(jìn)行補(bǔ)水，補(bǔ)水流量1.5 m3/s，全部換水一次需6 d。該工況主要水質(zhì)指標(biāo)值見表1，模擬計算得到TP、TN及Chla濃度的年變化情況見圖3。

表1 主要水質(zhì)指標(biāo)模擬結(jié)果

圖3 模擬水質(zhì)濃度年變化曲線

藻類生長受溫度影響較大，溫度越高藻類生長越快，5-10月份，隨著溫度的升高藻類生長速率加快，在水體內(nèi)累積的營養(yǎng)鹽也相應(yīng)增加。而在補(bǔ)水換水的時候，由于稀釋作用營養(yǎng)鹽濃度有一定的降低，10月份以后溫度降低藻類不適宜生存而開始衰亡，TN、TP等營養(yǎng)鹽濃度也迅速降低。

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)，水質(zhì)模型模擬出的TN、TP指標(biāo)年度變化值最大值分別是1.45 和0.07 mg/L，均在地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。根據(jù)《地表水資質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》(SL 395-2007)，水質(zhì)模型模擬出的Chla指標(biāo)年度變化值最大值是0.025 mg/L，小于湖泊富營養(yǎng)狀態(tài)時葉綠素濃度要求。

4.2.2 水華風(fēng)險分析

ECOLab是DHI開發(fā)的生態(tài)數(shù)值模擬軟件，主要回來描述水環(huán)境中的物理、化學(xué)、生物及生態(tài)過程，與Mike11或者M(jìn)ike21模型耦合一起解決水質(zhì)問題，對湖泊和水庫的富營養(yǎng)化問題進(jìn)行模擬[9]。

由于水溫從年初逐漸升高，到夏季7、8和9月份水溫達(dá)到25℃左右，處于藻類生長適宜溫度范圍內(nèi)，隨后溫度下降。本文對桃花塢水庫進(jìn)行模型構(gòu)建，模擬高峰期8月份的Chla濃度變化情況，通過在連續(xù)入流條件下的模擬，得到高溫、光照等自然條件及營養(yǎng)鹽濃度較充足情況下的Chla濃度月變化曲線(圖4)。Chla濃度持續(xù)升高，經(jīng)過約25 d后Chla濃度為0.025 mg/L，小于湖泊富營養(yǎng)狀態(tài)時葉綠素濃度0.026 mg/L的要求，可以認(rèn)為庫區(qū)的水華風(fēng)險程度為低風(fēng)險。

圖4 Chla濃度8月份變化曲線

5 結(jié) 論

1) 利用灰水足跡理論和水質(zhì)模型對研究區(qū)域水環(huán)境措施效果進(jìn)行評價，工程實施后灰水足跡降低至原來的17.8%，水污染程度從5.46降低至0.57，灰水足跡由不可持續(xù)變?yōu)榭沙掷m(xù)；根據(jù)水質(zhì)模型結(jié)果，TN和TP指標(biāo)的濃度全年都在地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，水華風(fēng)險處于低風(fēng)險。

2) 利用水質(zhì)模型來彌補(bǔ)單一的灰水足跡計算未考慮水體自凈能力這一因素，水質(zhì)模型驗證結(jié)果與灰水足跡理論計算結(jié)果一致，說明本次治理措施能夠有效提升改善桃花塢水庫的生態(tài)環(huán)境。

3) 水污染程度與徑流量關(guān)系密切，年際變化下或者年內(nèi)豐、平、枯水期條件變化下水污染程度均不相同，本文取多年平均徑流量核算一個多年平均的水污染程度。