金沙河水庫污染負荷與水環(huán)境容量分析

曹倩，王敏，秦柳

(1.湖北大學資源環(huán)境學院，湖北 武漢 430062；2.江蘇菲力環(huán)保工程有限公司，江蘇 無錫 214200)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程的加快以及人們生活水平的提高，各地對于水的需求也越來越大[1-4].飲用水作為最重要的一類水資源，目前在水質(zhì)、水量及資源管理方面存在著諸多問題，人們的飲用水安全已受到嚴重威脅[5-7].湖北省紅安縣是一個典型的山區(qū)農(nóng)業(yè)縣，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場)干旱缺水情況時常發(fā)生，特別是枯水期供水量嚴重不足.金沙河水庫承擔著紅安縣城區(qū)21萬人的生活用水，日供水7.5×104m3，是紅安縣城區(qū)居民的命脈之源.為了保護金沙河水庫的水環(huán)境質(zhì)量，保障紅安縣人民群眾的飲水安全，有必要對金沙河水庫的污染負荷以及水環(huán)境容量進行分析研究，為金沙河水庫水環(huán)境保護與污染物排放總量控制提供科學依據(jù).

1 研究區(qū)域與研究方法

圖1 紅安縣金沙河水庫位置圖

1.1 研究區(qū)域金沙河水庫(圖1)位于湖北省黃岡市紅安縣城西2 km處，大別山南麓倒水河中游西側(cè)支流(金沙河)上，地理坐標為北緯31°17′02″～31°22′38″，東經(jīng)114°35′45″～114°32′09″.

金沙河水庫1959年建于倒水河支流金沙河出口的土皇寺盆地，承雨面積為108 km2，總庫容17.872×107m3，其中防洪庫容2.492×107m3，有效庫容10.644×107m3，死庫容4.736×107m3，有1座主壩和4座副壩[8].入庫河流有東、西二源.東源為金沙河干流上游，長8.9 km，上游建有蔣家沖小(一)型水庫；西源名石嘴鋪河，長5 km.二源入庫后，回水處形成東、西兩庫汊，形狀相似，長3.5 km，平均寬250 m.

金沙河水庫主要功能是紅安縣城的飲用水源以及防洪.庫區(qū)多年平均降水量1 114 mm，多年平均年來水量5.9×107m3.其常水位海拔高度為71.6 m，常水位面積為1 423.17 hm2，死水位63.5 m，最高洪水位為72.33 m，平均水深常年為13～14 m，最深水位為20 m；水庫防洪標準按100年一遇設計，200年一遇洪水校核，設計洪水位72.33 m，校核洪水位73.06 m，設計汛限水位71.6 m.金沙河水庫的水質(zhì)優(yōu)良，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，水質(zhì)常年達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅱ類水標準.

1.2 研究方法主要通過地域數(shù)據(jù)收集、行業(yè)系數(shù)折算、模型建立與計算等方法來研究金沙河水庫的污染負荷及環(huán)境容量.

其中，人口數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場調(diào)查及統(tǒng)計年鑒；農(nóng)村生活污染、農(nóng)業(yè)面源污染、畜禽養(yǎng)殖污染、水產(chǎn)養(yǎng)殖污染等污染負荷來源于環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，相關系數(shù)為行業(yè)指導文件推薦計算；水環(huán)境容量模型中，COD、NH3-N的水環(huán)境容量采用完全混合模型、TP采用合田健模型、TN采用狄龍模型.

1.2.1 水污染負荷計算 采用輸出系數(shù)法估算金沙河水庫農(nóng)村生活污水、畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖所產(chǎn)生污染負荷，本文中選用龍?zhí)煊宓萚9]依據(jù)降雨和入河系數(shù)所改進輸出系數(shù)估算，計算式如下：

Wi=λkEkAk

(1)

式中：Wi為第i年的污染負荷，kg；λk為第k種牲畜、或人口產(chǎn)污的入河系數(shù)；Ek為第k種污染源的輸出系數(shù)，kg/(人·a)或kg/((頭/只)·a)；Ak為第k種牲畜的數(shù)量(頭/只)，或人口數(shù)量(人).

農(nóng)業(yè)面源污染負荷核算：根據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術指南》[10]中的農(nóng)田徑流污染物計算內(nèi)容，采用標準農(nóng)田源強系數(shù)估算污染物入庫量.計算式如下：

Pn=A·μnλ·10-3

(2)

式中：Pn為n類污染物年負荷量，t/a；A是指農(nóng)田面積，畝(1畝為666.7 m2)；μn為標準農(nóng)田n類污染物的源強系數(shù)，kg/(畝·年)；λ為修正系數(shù).

1.2.2 水環(huán)境容量計算 金沙河水庫的主要功能是為紅安縣城居民提供飲用水源以及防洪，因此氮、磷等污染物排入湖庫水域后，在庫流和風浪作用下所具有的停留時間是足夠發(fā)生充分混合的，庫中污染物分布基本均勻.因此，可以應用各種均勻混合的箱式模型進行水質(zhì)模擬.

化學需氧量(COD)、NH3-N理論水環(huán)境容量模型：依據(jù)《制定地方水污染排放標準的技術原則與方法》(GB 3839—83)，湖泊水庫COD、NH3-N采用完全混合模型，其計算公式為：

W1=(Cs-C0)V+KVCs+(Cs-C0)Qout

(3)

式中：W1為水庫NH3-N和COD的年水環(huán)境容量，t/a；Cs為水庫的水環(huán)境控制目標濃度，mg/L；C0為水庫背景濃度值；V為水庫體積，m3；K為水庫水體污染物的綜合降解系數(shù)，1/d；Qout為水庫年出水量，m3/a.由于總體達標水環(huán)境容量方法計算出的結(jié)果偏大，一般不保守.故為了使計算結(jié)果符合實際，應引入不均勻系數(shù)的概念進行訂正，根據(jù)《全國地表水環(huán)境容量核定技術復核大綱》[11]推薦系數(shù)，系數(shù)α取 0.3.

總磷(TP)理論水環(huán)境容量模型：湖泊水庫中的TP不考慮自凈能力，因此其水環(huán)境容量采用合田健模型，其計算公式為：

W2=AHCs/(Qout/V+10/H)

(4)

式中：W2為水庫TP的年水環(huán)境容量，t/a；A為水庫的庫水表面積，m2；H為水庫的平均水深，此處為13.5 m；Cs為水庫的水環(huán)境控制目標濃度，mg/L；Qout為水庫年出水量，m3/a；V為水庫體積，m3.

總氮(TN)理論水環(huán)境容量模型：根據(jù)金沙河水庫水質(zhì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合水域納污能力計算規(guī)程，確定TN的理論水環(huán)境容量采用狄龍模型，其計算公式為：

W3=ACsHQout/[V(1-RN)]

(5)

RN=1-W出/W入

(6)

式中：W3為水庫TN的年水環(huán)境容量，t/a；RN為氮在湖(庫)中的滯留系數(shù).

2 污染負荷分析

由于金沙河水庫沿岸工業(yè)區(qū)較少，因此污染來源主要為面源污染，其中主要包括農(nóng)村生活污染、農(nóng)業(yè)面源污染、畜禽養(yǎng)殖污染、水產(chǎn)養(yǎng)殖污染.

2.1 農(nóng)村生活污染農(nóng)村生活污染主要是指農(nóng)村人口產(chǎn)生的生活污水、垃圾等生活廢物所形成的面源污染[12].金沙河水庫周圍大部分區(qū)域為農(nóng)村地區(qū)，各村莊既無污水收集管網(wǎng)，也無污水處理設施，未經(jīng)處理的生活污水及雨水自流到地勢低洼的溝渠和池塘等地表水體中，最終直接或間接排入金沙河水庫.同時居民環(huán)保意識并不強烈，庫區(qū)周圍垃圾清運系統(tǒng)也尚不完善，大部分居民將生活垃圾隨意丟棄，后經(jīng)雨水沖刷而流入水庫中.

根據(jù)人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)統(tǒng)計年鑒以及走訪調(diào)查，金沙河水庫流域范圍人口包括城關鎮(zhèn)、二程鎮(zhèn)、華家河鎮(zhèn)及七里坪鎮(zhèn)4個鎮(zhèn)21個村、4 484戶、17 428人，詳見表1.

根據(jù)《全國飲用水源地基礎數(shù)據(jù)調(diào)查源強系數(shù)》以及相關文獻[13-16]，農(nóng)村生活污水污染負荷取生活污水量80 L/(人·日)，COD 16.4 g/(人·日)，NH3-N 4.0 g/(人·日)，TN 5 g/(人·日),TP 0.44g/(人·日).農(nóng)村生活污水經(jīng)過雨水沖刷、地表徑流的方式進入水體，此處流失率按0.3計算.由公式(1)計算出流域農(nóng)村生活污水污染物質(zhì)入庫量COD 31.30 t/a，NH3-N 7.62 t/a，TN 9.54 t/a，TP 0.84 t/a，具體見表2.

表1 金沙河水庫流域人口統(tǒng)計表

2.2 農(nóng)業(yè)面源污染農(nóng)業(yè)面源污染是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施用的化肥進入農(nóng)田，營養(yǎng)鹽不能完全被農(nóng)作物吸收，營養(yǎng)鹽殘留下來的部分隨著雨水形成的地表徑流進入水體.標準農(nóng)田指的是平原，種植作物為小麥，土壤類型為壤土，化肥施用量為25～35 kg/(畝·a)，降水量在400～800 mm范圍內(nèi)的農(nóng)田.金沙河流域范圍內(nèi)的農(nóng)田有1 895畝，主要種植水稻、小麥、花生，茶葉、油菜、棉花也占有相當比例，其化肥施用量約為35 kg/(畝·a).庫區(qū)地形多為低山丘陵區(qū)，坡度在25°以上，水岸多為巖石，陸地土壤主要有砂泥土、砂黃土及黃砂土.參考《全國飲用水水源地環(huán)境保護規(guī)劃》[15]，標準農(nóng)田源強系數(shù)取COD10.0 kg/(畝·a)，NH3-N 2.0 kg/(畝·a).

表2 金沙河水庫匯水范圍農(nóng)村生活污水排放情況

對金沙河水庫流域的農(nóng)田對應的源強系數(shù)進行修正，其中土地坡度系數(shù)取1.3、農(nóng)作物類型修正系數(shù)取1、土壤類型修正系數(shù)取1、化肥施用量修正系數(shù)取1.2、年降雨量修正系數(shù)取1.4，則源強修正系數(shù)為2.18,則COD源強系數(shù)取21.8 kg/(畝·a)，NH3-N源強系數(shù)4.36 kg/(畝·a).結(jié)合金沙河水庫的實際情況，TN、TP的源強系數(shù)分別取4.15 kg/(畝·a)和0.30 kg/(畝·a).

農(nóng)業(yè)面源污染隨地表徑流進入水體，其入庫系數(shù)取0.22，經(jīng)公式(2)計算，金沙河水庫流域范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)面源入庫量為COD 9.10 t/a，NH3-N 1.82 t/a，TN 1.73 t/a，TP 0.13 t/a(見表3).

2.3 畜禽養(yǎng)殖污染通過現(xiàn)場調(diào)查及管理部門數(shù)據(jù)復核，金沙河庫區(qū)內(nèi)直接影響水質(zhì)的畜禽養(yǎng)殖場共計84家，其中規(guī)模以上15家，規(guī)模以下69家，存欄豬5 112頭，牛335頭，羊649頭，家禽21 260只.

根據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術指南》的要求，在核算畜禽養(yǎng)殖污染負荷時，需換算成豬的數(shù)量再進行核算.根據(jù)紅安縣實際情況，金沙河庫區(qū)畜禽養(yǎng)殖折合成標豬為7 358頭.畜禽養(yǎng)殖污染物產(chǎn)量可參照經(jīng)驗系數(shù)估算，中南地區(qū)生豬畜禽養(yǎng)殖場(育肥、干清糞)主要污染物排放系數(shù)為：COD 50 g/(頭·d)，氨氮 10 g/(頭·d)，TN 21.6 g/(頭·d),TP 6.8 g/(頭·d)，流失率按12%計算.畜禽養(yǎng)殖污染物入庫量由公式(1)計算為COD 16.11 t/a，NH3-N 3.22 t/a，TN 6.96 t/a，TP 2.19 t/a(見表4).

表3 金沙河水庫匯水范圍農(nóng)業(yè)面源污染排放情況 t/a

表4 金沙河水庫匯水范圍畜禽養(yǎng)殖污染排放情況 t/a

2.4 水產(chǎn)養(yǎng)殖污染2017年調(diào)查數(shù)據(jù)顯示金沙河庫區(qū)共有塘堰152處，圍湖養(yǎng)殖99處，水面面積2 017畝，其中攔湖筑壩緊臨湖面既屬于規(guī)劃區(qū)的又屬于洪水線下的有71處，面積1 456畝，于2017年冬季進行了拆除，現(xiàn)還有圍堰養(yǎng)殖面積561畝.根據(jù)紅安當?shù)叵嚓P資料，現(xiàn)存圍堰養(yǎng)殖一般為混養(yǎng)，青、草、鏈、鯽魚產(chǎn)量約為250 kg/畝，參考《第一次全國污染源普查水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》中湖北地區(qū)淡水池塘養(yǎng)殖排污系數(shù)，折算其排污量(見表5).

表5 金沙河水庫匯水范圍水產(chǎn)養(yǎng)殖污染排放情況

2.5 入庫污染總量分析根據(jù)上述污染負荷計算結(jié)果，將污染物入庫量進行匯總，由表 6 可知，各污染源輸入金沙河水庫COD、NH3-N、TN、TP總量分別為61.08 t/a、12.85 t/a、22.20 t/a、4.07 t/a.

表6 金沙河水庫污染源入庫污染負荷匯總 t/a

3 水環(huán)境容量分析

水環(huán)境容量是指在給定水域范圍和水文條件，規(guī)定排污方式和水質(zhì)目標的前提下，單位時間內(nèi)該水域最大允許納污量[17-19].水庫的水環(huán)境容量核算分為兩部分，一部分是氨氮和COD等易降解耗氧污染物的水環(huán)境容量核算，另一部分是TN、TP等難降解營養(yǎng)鹽的水環(huán)境容量核算.

3.1 金沙河水庫理論水環(huán)境容量在計算金沙河水庫主要水體的環(huán)境容量時，以地表水Ⅱ類水質(zhì)標準(COD 15 mg/L；NH3-N 0.5 mg/L；TN 0.5 mg/L；TP 0.025 mg/L)為限值，以金沙河水庫自動監(jiān)測站2014—2017年年際平均數(shù)據(jù)為水庫水質(zhì)現(xiàn)狀值(背景值)(金沙河水庫自動監(jiān)測站2014—2017年年際平均值為：COD 10.98 mg/L；NH3-N 0.183 mg/L；TN 0.39 mg/L；TP 0.018 mg/L).利用1.2.1中介紹的模型計算各水體的理論環(huán)境容量，其計算結(jié)果為COD 548.10 t/a、NH3-N 39.60 t/a、TN 39.35 t/a、TP 5.39 t/a.

3.2 金沙河水庫剩余水環(huán)境容量將金沙河水庫水環(huán)境容量與金沙河水庫污染負荷量進行對比，計算出金沙河水庫的剩余水環(huán)境容量，具體見表7.結(jié)果顯示金沙河水庫COD剩余水環(huán)境容量為487.02 t/a，NH3-N剩余水環(huán)境容量為26.75 t/a，TN剩余水環(huán)境容量為17.15 t/a，TP剩余水環(huán)境容量為1.32 t/a.由此可見金沙河水庫COD的剩余水環(huán)境容量充足，尚余89%；NH3-N的水環(huán)境容量還有68%；TN的剩余水環(huán)境容量還有44%；而TP的剩余水環(huán)境容量則只有25%，實際監(jiān)測值逼近臨界值，亟需采取措施消減入庫量，控制水體TP濃度(見圖2).

表7 金沙河水庫污染源入庫污染負荷匯總 t/a

圖2 金沙河水庫的理論水環(huán)境容量和剩余水環(huán)境容量(t/a)

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1)根據(jù)金沙河水庫污染源的計算分析結(jié)果：金沙河水庫目前仍能滿足地表水II類水質(zhì)目標，水庫COD、NH3-N的剩余水環(huán)境容量富足，分別剩余89%、68%，TN的剩余水環(huán)境容量較富足為44%，但是TP的剩余水環(huán)境容量僅有25%，環(huán)境風險較大.

2)據(jù)污染源入金沙河水庫污染負荷調(diào)查與分析：畜禽養(yǎng)殖污染對TP的貢獻率最大，年入庫量2.19 t，占TP總?cè)霂炝康?4%，應將其作為水污染物控制的重點管控對象.COD、TN、NH3-N的最大貢獻量均來自于農(nóng)村生活污染，年入庫量分別為31.3、7.62、9.54 t，占總?cè)霂炝康?1%、59%、43%，應該對農(nóng)村生活污水進行必要的處理，減少對飲用水源的污染.

4.2 建議金沙河水庫是紅安縣唯一的飲用水源，其水質(zhì)保護應該處于優(yōu)先地位，但是庫區(qū)周圍基礎設施落后，污水直排現(xiàn)象仍然明顯，目前需要盡快完善污水處理設施及配套官網(wǎng)建設.對于養(yǎng)殖污染，應結(jié)合金沙河水庫飲用水水源地的保護要求，將湖區(qū)范圍內(nèi)的畜禽養(yǎng)殖以及圍汊養(yǎng)魚全部拆除關閉.同時推廣測土配方和有機肥，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，減少污染，通過一系列生態(tài)整治工程進一步削減污染負荷并提高水體環(huán)境容量.