人工湖庫(kù)對(duì)地表水環(huán)境容量的影響研究
——以南充市西充縣九龍?zhí)端畮?kù)為例

翟慶偉,趙文艷,許小芳,楊 霞,鄭 穎

(四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，成都 610041)

引 言

流域水環(huán)境容量是環(huán)境容量的重要組成部分，是容量總量控制技術(shù)體系的核心內(nèi)容。隨著工業(yè)化進(jìn)程加速，我國(guó)水環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，其根本原因是排放至水體的污染物量大于水環(huán)境容量，超出了水體自凈能力[1～3]。中國(guó)水環(huán)境管理體系從濃度控制、目標(biāo)總量控制逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槿萘靠偭靠刂?，以滿足流域水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)管理與水環(huán)境功能區(qū)納污紅線管理要求。水環(huán)境容量在環(huán)境工程領(lǐng)域通常被定義為在不影響水資源正常用途的情況下，水體所能容納污染物的量或自身調(diào)節(jié)凈化并保持生態(tài)平衡的能力。應(yīng)用研究中水環(huán)境容量是指特定研究區(qū)域或流域內(nèi)，在給定的水質(zhì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)水量、水文條件下，水體所能容納污染物的最大量，又稱為納污能力。通常包括水體對(duì)污染物的稀釋容量、水體對(duì)污染物的遷移容量及水體對(duì)污染物的凈化容量三部分構(gòu)成。

上世紀(jì)60年代，日本為改善水和大氣環(huán)境質(zhì)量狀況，首次提出污染物排放總量控制問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外針對(duì)總量控制問(wèn)題相繼開(kāi)展了大量研究[4～6]，研究?jī)?nèi)容集中于水環(huán)境容量核算及分配方面，主要包括排污總量核算[7-8]、水環(huán)境模擬與預(yù)測(cè)[9-10]、總量分配指標(biāo)篩選[11]、分配原則及方法優(yōu)化[12-13]等。其中，針對(duì)水環(huán)境容量核算，除采用傳統(tǒng)的零維、一維水質(zhì)模型外[5,14]，資產(chǎn)水資源估算水環(huán)境容量[15-16]及地理信息模型方法核算水環(huán)境容量[17～19]等方法也多用于水環(huán)境容量研究。

1 研究概況與方法

1.1 研究概況

1.1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)位于南充市西充縣晉城區(qū)境內(nèi)，水庫(kù)位于西充縣城至南充方向2.5km處的晉城鎮(zhèn)五村龍門(mén)橋，離國(guó)道212線約150m，壩址地理坐標(biāo)為東經(jīng)105°55′04″，北緯30°59′15″。研究區(qū)位于川中盆地的淺丘地區(qū)，地處嘉陵江、涪江的脊骨地帶，屬中丘地區(qū)，境內(nèi)地勢(shì)略呈斗笠形，西北高、東南低，由西北向東南緩傾，山脈呈南北走向，地形為丘陵地狀、屬溝谷縱橫的淺丘地貌。研究區(qū)內(nèi)河流屬嘉陵江水系，大多都是源短水缺，河流平緩，西充縣內(nèi)水資源總量90 437萬(wàn)m3，徑流量28 603萬(wàn)m3/年，河流徑流量小，水資源匱乏，城區(qū)無(wú)大的河流經(jīng)過(guò)。九龍?zhí)端畮?kù)是升鐘水庫(kù)灌區(qū)西南分干渠上的一座中型囤蓄水庫(kù)，其主要功能任務(wù)為供水和灌溉。九龍?zhí)端畮?kù)2011年開(kāi)工建設(shè)，2015年完工并試蓄水，2017年初作為西充縣縣城及多扶鎮(zhèn)飲用水水源地。水庫(kù)建成前后，研究區(qū)水文形勢(shì)發(fā)生變化，水環(huán)境控制單元及水質(zhì)功能區(qū)發(fā)生改變。本文基于以上背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及資料分析，根據(jù)西充縣九龍?zhí)端畮?kù)成庫(kù)前后的水文、水質(zhì)及污染源分布狀況，研究水環(huán)境容量變化情況具體典型意義。

1.1.2 污染源概況

研究區(qū)污染源主要包括生活污染源(包括城鎮(zhèn)生活污染與農(nóng)村生活污染)、農(nóng)業(yè)污染源(包括農(nóng)田徑流污染與養(yǎng)殖業(yè)污染)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)徑流污染源。研究區(qū)內(nèi)無(wú)工業(yè)企業(yè)，因此不存在工業(yè)污染源和礦山徑流污染源。

1.2 水環(huán)境核算方法

1.2.1 控制單元?jiǎng)澐?/p>

水庫(kù)建成前，研究區(qū)域劃分為2個(gè)控制單元。(1)西南分干渠控制單元：主要功能為農(nóng)業(yè)灌溉并兼顧飲用水供給功能，地表水環(huán)境執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。因干渠建于近山脊處，本研究不考慮匯水影響，水環(huán)境容量只考慮河流本身水環(huán)境容量。(2)共興斗渠控制單元：九龍?zhí)端畮?kù)成庫(kù)前所在河流為共興斗渠，地表水環(huán)境執(zhí)行Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。水域范圍與成庫(kù)后水庫(kù)區(qū)域基本一致，以保證成庫(kù)前后研究區(qū)來(lái)水邊界、庫(kù)周污染負(fù)荷等條件相同。見(jiàn)圖中上圖。

圖 成庫(kù)前后控制單元?jiǎng)澐諪ig. Control unit division before and after storage

水庫(kù)建成后，研究區(qū)域劃分為2個(gè)控制單元。(1)西南分干渠控制單元：水域范圍與成庫(kù)前西南分干渠水域范圍相同，主要功能及地表水環(huán)境執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不變。(2)九龍?zhí)端畮?kù)控制單元：作為南充市應(yīng)急備用水源，主要功能為供給飲水和灌溉，根據(jù)集中式生活飲用水地表水環(huán)境要求，應(yīng)執(zhí)行Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。見(jiàn)圖中下圖。

1.2.2 水環(huán)境容量核算模型

1.2.2.1 河流水環(huán)境容量模型

本研究中西南分干渠來(lái)水為動(dòng)態(tài)河流，故進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算時(shí)采用動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量模型進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)西南分干渠的水流特點(diǎn)，選擇一維水環(huán)境容量模型進(jìn)行水環(huán)境容量的計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

Wi=86.4Qi(Csi-C0i)+0.001KiViCsi

(1)

式中，Wi為第i河段剩余水環(huán)境容量，kg/d；Qi為第i河段設(shè)計(jì)流量，m3/s；CSi為第i河段所處功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)值，mg/L；C0i為第i河段上方河段當(dāng)前水質(zhì)，mg/L；Ki為第i河段污染物降解系數(shù)，1/d；Vi為第i河段設(shè)計(jì)水體體積，m3。

1.2.2.2 湖庫(kù)水環(huán)境容量模型

由于九龍?zhí)端畮?kù)屬于中小型水庫(kù)，故采用湖庫(kù)均勻混合模型計(jì)算COD及氨氮容量，其計(jì)算公式如下：

Wc=31.54(QCs+KCsV/86400)

(2)

式中，Wc為水環(huán)境容量，t/a；Q為平衡時(shí)流入與流出湖庫(kù)的流量，m3/s；Cs為流入湖庫(kù)的水量中水質(zhì)組分濃度，mg/L；C為湖泊中水質(zhì)組分濃度，mg/L；

K是一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)，1/d。

當(dāng)流入和流出湖庫(kù)的水量平衡時(shí)，小型湖庫(kù)的水環(huán)境容量按下式計(jì)算：

W=(Cs-C0)V

(3)

式中，W為小型湖庫(kù)水環(huán)境容量，kg/d，CS為研究湖庫(kù)所處功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)值，mg/L；C0為湖庫(kù)指標(biāo)當(dāng)前水質(zhì)，mg/L；V為湖庫(kù)正常水位下設(shè)計(jì)水體體積，m3。

污染物平均濃度按下式計(jì)算：

(4)

式中：Kh為中間變量，1/s；Ch為湖庫(kù)現(xiàn)狀污染物濃度，mg/L；m0為湖庫(kù)入流污染物排放速率，g/s；V為設(shè)計(jì)水文條件下的湖庫(kù)容積，m3；QL為湖庫(kù)出流量，m3/s；t為計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)，s；C(t)為計(jì)算時(shí)段t內(nèi)額污染物濃度，mg/L；其余符號(hào)意義同前。

1.2.2.3 參數(shù)選擇

根據(jù)2013年中國(guó)環(huán)科院編制的《成都市水環(huán)境容量測(cè)算及總量分配研究》(中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，2013)，通過(guò)類比法確定岷江及沱江流域綜合衰減系數(shù)K的值如表1所示。

表1 流域降解系數(shù)確定值Tab.1 Determinated value of watershed degradation coefficient (1/d)

對(duì)于九龍?zhí)端畮?kù)流域，采用類比法，選取沱江流域的綜合衰減系數(shù)K經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 水環(huán)境容量計(jì)算

根據(jù)河流水環(huán)境容量核算模型結(jié)果得出，在成庫(kù)前后，西南分干渠的COD水環(huán)境容量分別為1 721.24t/a和1 737.49t/a；氨氮水環(huán)境容量分別為553.68t/a和561.14t/a。成庫(kù)前后水環(huán)境容量變化差異不大。

成庫(kù)前共興斗渠控制單元水質(zhì)較差，COD和NH3-N均不能達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，不具備水環(huán)境容量。成庫(kù)后，九龍?zhí)端畮?kù)作為飲用水水源地，水質(zhì)較好，雖然水質(zhì)要求由原河流Ⅲ類提升為湖庫(kù)Ⅱ類，但水庫(kù)中COD、NH3-N等指標(biāo)基本滿足Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值要求，具備水環(huán)境容量。根據(jù)湖庫(kù)水環(huán)境容量核算模型結(jié)果得出，COD水環(huán)境容量為27.925t/a，氨氮水環(huán)境容量為4.3395t/a。

2.2 污染源變化

鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活廢水排放量主要受人口增長(zhǎng)影響，鄉(xiāng)鎮(zhèn)徑流污染源主要與鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積有關(guān)，成庫(kù)前后區(qū)域內(nèi)人口和行政區(qū)劃面積差異不大，因此污染源變化不大。成庫(kù)前后區(qū)域內(nèi)農(nóng)田面積基本無(wú)變化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)及化肥農(nóng)藥強(qiáng)度均未發(fā)生較大改變，因此農(nóng)田徑流污染源未發(fā)生較大變化。水庫(kù)建成后，多扶河區(qū)域(即水庫(kù)庫(kù)址處)附近農(nóng)戶被遷出，成庫(kù)后農(nóng)村生活污染源較成庫(kù)前農(nóng)村生活污染源減少。成庫(kù)前，研究區(qū)內(nèi)的一戶集中養(yǎng)殖企業(yè)，因其被劃歸到九龍?zhí)秱溆盟炊?jí)保護(hù)區(qū)后被依法取締。因此，成庫(kù)后研究區(qū)域內(nèi)的農(nóng)村生活污染源及養(yǎng)殖業(yè)污染源較成庫(kù)前減少?？傮w來(lái)看，研究區(qū)在水庫(kù)建成后主要污染源較水庫(kù)建成前減少。

2.3 水質(zhì)變化

成庫(kù)前西南分干渠的水質(zhì)狀況較好，COD、氨氮等指標(biāo)滿足Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值要求。如表2所示，成庫(kù)后西南分干渠的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均滿足Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值要求。西南分干渠在成庫(kù)前后水質(zhì)狀況未發(fā)生較大變化，水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。

表2 西南分干渠各斷面污染物監(jiān)測(cè)平均值*Tab.2 Monitoring average value of pollutants in each section of southwest branch channel (mg/L)

共興斗渠水質(zhì)狀況較差，如表3所示，COD、BOD5、NH3-N均有不同程度的超標(biāo)，不能滿足Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值要求。水庫(kù)建成后，水環(huán)境容量有所增加，九龍?zhí)端畮?kù)水質(zhì)較好，如表4所示，COD、NH3-N、TP等指標(biāo)基本滿足Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值要求，但依然存在部分污染物超標(biāo)的情況。

表3 共興斗渠監(jiān)測(cè)斷面污染物監(jiān)測(cè)值*Tab.3 Monitoring value of pollutants in monitoring section of Gongxing Dou channel (mg/L)

表4 2020年九龍?zhí)端畮?kù)污染物監(jiān)測(cè)月均值*Tab.4 Monthly mean monitoring value of pollutants in Jiulongtan Reservoir in 2020 (mg/L)

3 結(jié) 論

3.1 本研究中，水庫(kù)建設(shè)對(duì)上游河流控制單元地表水環(huán)境容量影響較小。水庫(kù)區(qū)域，成庫(kù)前，庫(kù)址所在溝渠水質(zhì)較差，不具備水環(huán)境容量；成庫(kù)后，水庫(kù)水質(zhì)功能區(qū)變化，水質(zhì)較好，具備一定的水環(huán)境容量?？傮w來(lái)說(shuō)，整個(gè)研究區(qū)地表水環(huán)境容量有所增加。

3.2 人工湖庫(kù)的建設(shè)對(duì)區(qū)域污染源變化存在一定影響。以研究區(qū)為例，因水庫(kù)建設(shè)，區(qū)域內(nèi)存在一定量農(nóng)戶搬遷，農(nóng)村生活污染源隨之減少；水庫(kù)區(qū)域被劃為備用水源保護(hù)區(qū)，研究區(qū)內(nèi)集中養(yǎng)殖企業(yè)依法取締，養(yǎng)殖業(yè)污染源減少。

3.3 人工湖庫(kù)建設(shè)對(duì)區(qū)域水質(zhì)存在一定影響。以研究區(qū)為例，水庫(kù)建成后，區(qū)域內(nèi)污染源排放減少，同時(shí)水庫(kù)作為飲用水水源地，水質(zhì)要求提升。水庫(kù)建成前庫(kù)址所在溝渠水質(zhì)較差，成庫(kù)后，水庫(kù)水質(zhì)較好，污染物指標(biāo)基本達(dá)到Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)限值。