中型水庫(kù)磷污染成因及污染控制技術(shù)方案分析

劉 力，劉蒙泰，陳 浩

(1.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300381；2.無錫市水利設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 無錫 21400)

0引言

磷是湖泊初級(jí)生產(chǎn)力的限制性營(yíng)養(yǎng)元素[1,2]，是湖庫(kù)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因之一。磷在自然界存在的形態(tài)較多，分為溶解性磷和顆粒態(tài)磷。僅溶解態(tài)磷可被植物及微生物吸收及利用，顆粒態(tài)磷主要通過化學(xué)沉淀、過濾等措施去除。磷進(jìn)入湖庫(kù)后，利用化學(xué)藥劑、旁路處理等工程措施去除顆粒態(tài)磷難度較大，造價(jià)高，且易破壞湖庫(kù)的生態(tài)系統(tǒng)，因此工程上通常采用生態(tài)工程技術(shù)去除溶解態(tài)的磷，并在污染物入庫(kù)前攔截部分顆粒態(tài)的磷，以此控制入庫(kù)磷污染負(fù)荷。此外，湖庫(kù)中磷污染控制要求較高(IV類水質(zhì)目標(biāo)≤0.1mg/L，III類水質(zhì)目標(biāo)≤0.05mg/L)，達(dá)標(biāo)難度較大。綜上所述，磷是湖庫(kù)污染控制的重中之重。

一般情況下，上游流域用地類型多為林地、草地及農(nóng)業(yè)用地等，因此，面源污染多是我國(guó)上游地區(qū)湖庫(kù)污染的主要原因，尤其是農(nóng)業(yè)面源污染。面源污染調(diào)查方法眾多，但由于流域尺度較大，用地類型復(fù)雜及人口分布不均勻，導(dǎo)致面源污染調(diào)研難度較大，且數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可行度較差。因此入庫(kù)污染負(fù)荷評(píng)估分析及污染物總量控制有助于識(shí)別污染的主要來源，分析不同污染源的變化趨勢(shì)及其對(duì)水體的影響，并根據(jù)總量控制目標(biāo)，有針對(duì)性地制定出減少污染負(fù)荷的措施，為湖庫(kù)環(huán)境改善與保護(hù)提供決策依據(jù)[3]。

目前，面源污染負(fù)荷評(píng)估的研究報(bào)道較多，但基于入庫(kù)污染負(fù)荷，尤其是湖庫(kù)中TP污染負(fù)荷，制定生態(tài)控制技術(shù)，并對(duì)控制技術(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析的研究比較缺乏。因此本研究以中型水庫(kù)為例，通過分析流域范圍內(nèi)的用地類型，評(píng)估入庫(kù)TP污染負(fù)荷，并確定主要的污染來源?；诓煌|(zhì)目標(biāo)下的水庫(kù)納污能力及污染物削減量，分別制定污染控制方案，并對(duì)不同污染控制方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，最終推薦優(yōu)選工藝技術(shù)。

1 研究區(qū)域概況

該水庫(kù)位于湖北省西北部，漢江中游地區(qū)。入庫(kù)季節(jié)性河流1是漢江季節(jié)性支流，河溝全長(zhǎng)25.9km。水庫(kù)流域面積約為27.51km2，總庫(kù)容1609萬m3，其中興利庫(kù)容922.7萬m3，調(diào)洪庫(kù)容652.3萬m3，死庫(kù)容34萬m3。正常蓄水位5.4m。該水庫(kù)是一座以灌溉為主，兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的中型水庫(kù)。

由于周圍人類活動(dòng)的影響，目前水庫(kù)水質(zhì)處于劣V類水質(zhì)，迫切需要對(duì)水庫(kù)進(jìn)行綜合整治。水庫(kù)近期工程整治目標(biāo)為地表水IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)期目標(biāo)為地表水III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果及地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表 (mg/L)

根據(jù)表1水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2水質(zhì)COD指標(biāo)超III類標(biāo)準(zhǔn)1.07倍，超IV類標(biāo)準(zhǔn)0.38倍，其他區(qū)域的COD指標(biāo)均能滿足IV類標(biāo)準(zhǔn)，但均不滿足III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1結(jié)果顯示TP指標(biāo)超III類標(biāo)準(zhǔn)9.4倍，超IV類標(biāo)準(zhǔn)4.2倍，其他區(qū)域內(nèi)的TP均超III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)3倍，超IV類標(biāo)準(zhǔn)1倍。由此可知，TP是水庫(kù)污染的主要指標(biāo)。

2 研究方法

2.1 污染評(píng)價(jià)指標(biāo)體系選擇

污染評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇是污染控制決策的關(guān)鍵，該體系的建立應(yīng)遵循科學(xué)、全面、適用和可操作性等原則。在設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，要兼顧污染物削減等環(huán)境指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo)[3]。根據(jù)水庫(kù)現(xiàn)狀污染情況，水庫(kù)主要污染控制指標(biāo)為TP。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，TP污染控制技術(shù)較多，且污染物去除要求高、難度大、成本高，尤其是TP進(jìn)入湖庫(kù)后，污染控制及去除難度進(jìn)一步增大，因此針對(duì)水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行綜合污染分析，選取TP作為評(píng)價(jià)及污染控制的主要指標(biāo)具有重要的意義。

2.2 計(jì)算模型

2.2.1 輸出系數(shù)模型

輸出系數(shù)模型是基于多元線性回歸分析的數(shù)學(xué)模型，是借助污染物輸出系數(shù)與土地利用等相關(guān)數(shù)據(jù)估算流域輸出的面源污染負(fù)荷，主要用于評(píng)價(jià)土地利用和湖泊富營(yíng)養(yǎng)之間的關(guān)系[4，5]。輸出系數(shù)模型計(jì)算模型如下：

式中：L表示營(yíng)養(yǎng)鹽的輸出量，kg；Ei為第i種污染源的輸出系數(shù),kg·hm-2·a-1或kg·頭(只)-1·a-1或kg·人-1·a-1；Ai表示第i種耕地的面積，hm2，或第種畜禽年末存欄數(shù)，頭(只)，或農(nóng)村人口數(shù)，人。Ii表示第i種污染源營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入量；P為由降水輸入的污染物的數(shù)量，本次研究暫不考慮此項(xiàng)因素的影響。

2.2.2 水環(huán)境容量計(jì)算

TP的水環(huán)境容量計(jì)算模型采用吉柯奈爾-迪龍模型[6,7]，其計(jì)算公式為:

Mn=LSA/1000

式中：Mn為TP納污能力，kg/a；Ls為單位湖(庫(kù))水面積，g/m3.a；A為湖庫(kù)面積，m2，Ps為湖庫(kù)中TP的年平均控制濃度，g/m3；R為磷在湖庫(kù)中的滯留系數(shù)，a-1；h為湖庫(kù)的平均水深，m；Qa為湖庫(kù)的年出流水量，m3/a；V為湖庫(kù)的總庫(kù)容，m3。

3 結(jié)果與討論

3.1 污染源分析及污染控制技術(shù)方案

3.1.1 流域劃分

利用Arcgis技術(shù)，劃分水庫(kù)流域范圍的匯水區(qū)域(匯水區(qū)域劃分見圖1)。一般流域范圍內(nèi)的入庫(kù)的徑流量與匯水面積呈正比，因此，根據(jù)不同匯水區(qū)域面積分析流域范圍內(nèi)徑流量占入庫(kù)徑流總量的比例，從而確定水庫(kù)主要的污染來源。

表2 入庫(kù)溝渠匯水面積及徑流量所占比例

根據(jù)流域劃分結(jié)果可以看出，入庫(kù)河流1是匯入水庫(kù)的主要河流之一，該排水溝匯水量占入庫(kù)總徑流量的91.8%。

3.1.2 土地利用現(xiàn)狀分析

利用Arcgis技術(shù)分析流域范圍內(nèi)的用地類型，用于分析不同的污染類型，為后續(xù)污染控制決策奠定基礎(chǔ)。

表3 水庫(kù)匯水區(qū)域內(nèi)土地利用情況統(tǒng)計(jì)分析表

由表3可見，水庫(kù)匯水區(qū)域內(nèi)大部分為林地，比例約為50%，其次是耕地(農(nóng)作物)，所占比例為37.1%。其余用地類型占地比例較小，均<10%。一般林地范圍內(nèi)人類活動(dòng)較少，污染物流失量較小，可忽略不計(jì)。耕地范圍內(nèi)施肥、農(nóng)業(yè)灌溉等因素，存在較大的N、P等營(yíng)養(yǎng)鹽流失的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.3 TP污染負(fù)荷計(jì)算及結(jié)果分析

根據(jù)流域內(nèi)的用地類型及周圍環(huán)境調(diào)查，水庫(kù)周圍的污染來源主要為農(nóng)業(yè)面源、農(nóng)村固廢及農(nóng)村分散性生活污水、畜禽養(yǎng)殖等。在流域劃分、用地類型識(shí)別的基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)[8]，計(jì)算不同污染來源入庫(kù)污染負(fù)荷，如表4所示。

表4 各污染源TP污染負(fù)荷計(jì)算參數(shù)、排放量及貢獻(xiàn)率詳表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，水庫(kù)周圍TP污染負(fù)荷總計(jì)為1113.81kg/a，初步核算TP理論污染平均濃度為0.305mg/L，與實(shí)測(cè)TP污染平均濃度0.307mg/L相近，表明污染負(fù)荷計(jì)算相對(duì)準(zhǔn)確。

表3中，TP污染來源主要以農(nóng)業(yè)面源為主，TP年均污染負(fù)荷排放量為807kg/a，占總污染負(fù)荷排放量的72.53%。其次是畜禽養(yǎng)殖污染，水庫(kù)周邊存在幾處養(yǎng)豬場(chǎng)，存欄數(shù)為2000～3000頭不等，TP年均污染負(fù)荷排放量為293.4kg/a，占總污染負(fù)荷排放量的26.34%。其余污染源的污染貢獻(xiàn)率較小。由此可見，農(nóng)業(yè)面源是水庫(kù)TP污染的主要來源。

3.2 TP污染控制技術(shù)及工程布局

本研究建議農(nóng)業(yè)面源以生態(tài)工程技術(shù)為主。濱水緩沖帶生態(tài)工程宜布置于水庫(kù)周邊10～20m的范圍內(nèi)，用以攔截污染物進(jìn)入水庫(kù)。人工濕地工程布置于入庫(kù)河流1進(jìn)入水庫(kù)前的河道中，用以凈化入庫(kù)徑流量。復(fù)合生態(tài)浮島工程布置于入庫(kù)河道1及河道2的末端，用以攔截及凈化污染物。同時(shí)復(fù)合生態(tài)浮島可布置于水庫(kù)中，用于入庫(kù)TP污染控制。

3.3 TP污染總量控制方案及目標(biāo)可達(dá)性分析

根據(jù)相關(guān)計(jì)算的模型，計(jì)算水庫(kù)TP環(huán)境容量，并根據(jù)不同的水質(zhì)目標(biāo)，分析污染物削減量。本研究在畜禽養(yǎng)殖污染控制率為80%的前提下，計(jì)算農(nóng)業(yè)面源污染削減量。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 不同水質(zhì)目標(biāo)下水庫(kù)的水環(huán)境容量及TP污染物削減量 ( kg/a)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，III類水質(zhì)目標(biāo)條件下，水庫(kù)允許容納TP污染物入庫(kù)量為363.73kg/a，水庫(kù)入庫(kù)污染物削減量約為750.08kg/a，削減率約為67.34%，削減要求較高。IV類水質(zhì)目標(biāo)條件下的水環(huán)境容量較III類水質(zhì)目標(biāo)大，允許容納的污染物較多，相應(yīng)污染物的削減率較低，約為34.69%。因此不同的水質(zhì)目標(biāo)，尤其是TP污染控制目標(biāo)對(duì)水庫(kù)污染控制工程的布局，工程內(nèi)容等要求不同，應(yīng)合理確定水庫(kù)可達(dá)的目標(biāo)并制定相應(yīng)的污染控制措施。

不同的生態(tài)污染控制工程對(duì)污染物的去除效果不同。單立楠[10]指出生態(tài)緩沖帶對(duì)面源污染TP的去除能力為32g/m2。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，人工濕地TP污染的去除能力為100～200g/m2[11]，復(fù)合生態(tài)浮島TP污染的去除能力為200～300g/m2。不同污染控制技術(shù)的規(guī)模及經(jīng)濟(jì)分析見表6。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，不同工程技術(shù)對(duì)TP污染累積去除的效果不同，工程設(shè)計(jì)所需的工程量也不同。生態(tài)緩沖帶III類水質(zhì)目標(biāo)條件下所需的面積最大，約為16105m2，其次是人工濕地，最后是復(fù)合浮動(dòng)浮島。不同工程措施的單平米的造價(jià)不同，其中復(fù)合浮動(dòng)濕地因仿生人工水草等材料的不同，造價(jià)不同，一般造價(jià)約為800元/m2，相對(duì)較高。綜合分析，復(fù)合浮動(dòng)濕地的造價(jià)高，污染物的去除效率高，所需的工程面積相對(duì)較小，因此工程造價(jià)適宜。生態(tài)緩沖帶的造價(jià)低，但工程設(shè)計(jì)所需的面積較大，工程造價(jià)相對(duì)較高。從工程成本及去除效果考慮，不建議作為主要措施，可根據(jù)需要作為輔助措施。綜上所述，本工程推薦采用人工濕地工程技術(shù)及復(fù)合生態(tài)浮島作為農(nóng)業(yè)面源污染控制的主要工程技術(shù)。

表6 農(nóng)業(yè)面源污染物去除技術(shù)對(duì)比及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

4 結(jié)論

(1)在水庫(kù)入庫(kù)河流中，河流1的匯水面積最大，匯水面積占總流域面積的91.8%。河流1也是入庫(kù)水量最大的河流。在整個(gè)匯水區(qū)域中，現(xiàn)狀林地占50%，比例最大，但林地中的污染負(fù)荷流失較小，可忽略不計(jì)。其次是耕地，占比為37.1%，耕地是TP入庫(kù)污染的重要污染來源。

(2)在不同水質(zhì)目標(biāo)的前提下，TP的納污能力不同，污染削減量也不相同。III類水質(zhì)目標(biāo)的條件下，TP削減率為67.34%。IV類水質(zhì)目標(biāo)條件下，TP削減率為34.69%。

(3)在總量控制的前提下，在兼顧工程目標(biāo)可達(dá)性和成本的前提下，人工濕地工程和復(fù)合生態(tài)浮島工程是控制農(nóng)業(yè)面源污染及入庫(kù)TP目標(biāo)可達(dá)的優(yōu)選技術(shù)。