洱海灌區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染末端攔截治理研究

陳 凱，張 珅

（1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），鄭州 450003；3.河南省城市水資源環(huán)境工程技術(shù)研究中心，鄭州 450003）

洱海位于云南省大理白族自治州， 是云南省第二淡水湖。在1996 年及2003 年，洱海先后爆發(fā)兩次藍(lán)藻，2003 年時(shí)洱海水質(zhì)急劇惡化，透明度不足1 m，局部區(qū)域水質(zhì)下降到地表水Ⅳ類。近年來(lái)通過(guò)“雙取消”“三退三還”“三禁”“洱海保護(hù)治理六大工程”“2333 行動(dòng)”“洱海保護(hù)治理七大行動(dòng)”“洱海保護(hù)治理及流域轉(zhuǎn)型發(fā)展八大攻堅(jiān)戰(zhàn)”等一系列組合拳［1-4］，洱海水質(zhì)現(xiàn)狀得到了明顯改善。 但洱海周邊農(nóng)田面積大，灌溉退水量多，農(nóng)灌退水水質(zhì)較差，水質(zhì)情況仍不容樂(lè)觀。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 水質(zhì)現(xiàn)狀

2014—2018 年，洱海29 條主要入湖河流中羅時(shí)江、永安江、莫?dú)埾?、清碧溪、黑龍溪、白鶴溪、中和溪、桃溪、玉龍河、鳳尾箐、白塔河、金星河、金星后河等13 條河流的劣Ⅴ類水質(zhì)占比超過(guò)50%。2019 年以來(lái)，入湖河流水質(zhì)有了較大幅度的提升，海北的彌苴河、羅時(shí)江和永安江等3 條河流，由歷年的Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)，提升到Ⅲ類以上；其他河流除了金星河仍為劣Ⅴ類，中和溪為Ⅳ類外，大部分河流均穩(wěn)定保持在Ⅱ～Ⅲ類之間［5-7］。

1.2 主要入湖污染物來(lái)源

根據(jù)《洱海保護(hù)治理規(guī)劃（2018—2035）》，畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活、農(nóng)田面源、城鎮(zhèn)生活（含服務(wù)業(yè)）是主要的入湖污染來(lái)源，其中農(nóng)田面源污染排放最高。總磷污染負(fù)荷中4 類污染源比例分別為22.2%、20.5%、26.8%和13.3%，總氮污染負(fù)荷中4 類污染源比例分別為23.4%、19.9%、23.6%和12.2%。

2 治理方法

2.1 已實(shí)施工程

農(nóng)業(yè)面源污染主要來(lái)源為汛期初期洪水?dāng)y帶的污染物及枯水灌溉回歸水?dāng)y帶的污染物。 洱海周邊農(nóng)業(yè)面源已初步建成污染防治體系， 如使用有機(jī)肥代替含氮磷化肥、 禁止種植以大蒜為主的大水大肥農(nóng)作物、推行畜禽標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖的“三禁四推”工作。

2.2 末端攔截工程

為進(jìn)一步削減農(nóng)業(yè)面源污染入洱海量， 洱海灌區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染可通過(guò)構(gòu)建末端攔截工程， 將污染物收集在攔截帶中， 并通過(guò)在攔截帶中構(gòu)建水質(zhì)凈化措施，對(duì)污染物進(jìn)行進(jìn)一步削減，處理后的水質(zhì)達(dá)到農(nóng)田灌溉用水要求，用于農(nóng)田灌溉。

末端攔截工程主要以攔截灌區(qū)初期雨水為主。由于洱海灌區(qū)范圍內(nèi)雨季前降雨主要集中在5—6月，本次將灌區(qū)面源污染控制轉(zhuǎn)化為5—6 月降雨場(chǎng)次控制， 通過(guò)控制區(qū)域內(nèi)中小降雨的徑流污染來(lái)削減進(jìn)入洱海的徑流污染物量［8-9］。

（1）降雨場(chǎng)次控制。根據(jù)吊草溝站1989—2018 年1 日降雨場(chǎng)次統(tǒng)計(jì)資料，5—6 月1 日降雨量、降雨場(chǎng)次累計(jì)關(guān)系如圖1。

圖1 5—6 月降雨量/場(chǎng)次累積占比圖

在5—6 月統(tǒng)計(jì)降雨場(chǎng)次中，95.5%的降雨場(chǎng)次1 日降雨在100 mm 以下， 僅有3 次1 日降雨超過(guò)100 mm，相對(duì)占比較小。因此，按照P=2%、P=3.33%和P=5%確定的攔截工程規(guī)模較大，存在多數(shù)時(shí)間有效庫(kù)容閑置的問(wèn)題。

按照P=33.3%和P=50%確定攔截工程規(guī)模，由于其能夠攔截的1 日降雨場(chǎng)次占比較低， 分別為77.01%和54.78%，難以滿足面源污染削減的目標(biāo)。

根據(jù)圖1，當(dāng)1 日降雨量超過(guò)70 mm 以后，場(chǎng)次控制率的增幅變緩， 即增加設(shè)計(jì)1 日降雨量對(duì)降雨場(chǎng)次控制率的提高是有限的， 相反會(huì)進(jìn)一步增加攔截工程占地規(guī)模和投資。

因此， 結(jié)合洱海灌區(qū)初期降雨特點(diǎn)與不同頻率對(duì)應(yīng)的規(guī)模， 同時(shí)為提高工程攔截面源污染能力、增加調(diào)蓄回用規(guī)模，本次設(shè)計(jì)根據(jù)5—6 月P=20%計(jì)算末端攔截工程規(guī)模，其對(duì)應(yīng)的1 日降雨量為72.7 mm，1 日降雨場(chǎng)次控制率為91.85%， 能夠有效控制降雨初期的污染。

（2）工程規(guī)模確定。根據(jù)設(shè)計(jì)降雨量計(jì)算各分區(qū)24 h 洪量， 末端攔截工程總有效庫(kù)容521.74 萬(wàn)m3，其中海西片區(qū)大理鎮(zhèn)梅溪至白鶴溪、下關(guān)鎮(zhèn)黑龍溪至莫?dú)埾g末端攔截工程已納入《洱海流域農(nóng)業(yè)面源污染末端攔截消納及灌溉綜合利用試點(diǎn)工程實(shí)施方案》， 規(guī)模56.70 萬(wàn)m3， 相關(guān)工程已先行實(shí)施，本次可直接采用其成果。綜上，本次研究可新增末端攔截工程規(guī)模為465.04 萬(wàn)m3，其中海西片區(qū)416.52 萬(wàn)m3，海東片區(qū)48.52 萬(wàn)m3。研究擬建規(guī)模如表1 及表2。

表1 海西片區(qū)研究擬建末端攔截規(guī)模

表2 海東片區(qū)（挖色、海東）研究擬建末端攔截規(guī)模

（3）水質(zhì)保障。由于末端攔截工程為新開(kāi)挖連通的水系，新開(kāi)挖水系內(nèi)除種植水生農(nóng)作物外無(wú)其他強(qiáng)化濕地水質(zhì)凈化措施，水生動(dòng)物較少，自凈能力較弱。 雖然灌溉回用工程能夠加強(qiáng)水體流通，減少其在攔蓄水系中的停留時(shí)間，但污染物仍較易在攔截工程內(nèi)部沉降，從而導(dǎo)致水質(zhì)惡化。因此，水環(huán)境設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高末端攔截工程內(nèi)部水系自凈能力。通過(guò)強(qiáng)化末端攔截工程內(nèi)部濕地生境，構(gòu)建完善的水體生態(tài)系統(tǒng)，打造生態(tài)廊道，增強(qiáng)水質(zhì)凈化功能。

3 效果分析

為進(jìn)一步分析末端攔截工程攔蓄效果， 對(duì)多年降雨量統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行排頻，按照豐年（P=25%）、平年（P=50%）和枯年（P=75%）選擇典型年。經(jīng)分析降雨主要集中在5—10 月， 約占全年降雨量的85.48%～92.86%，降雨集中度較高。通過(guò)對(duì)典型年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析（如圖2），95.12%～96.73%的日降雨量較小，難以形成地面徑流，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)污染物通過(guò)徑流進(jìn)入末端攔截工程。 能夠產(chǎn)生有效降雨形成徑流進(jìn)入末端攔截工程的降雨場(chǎng)次中， 枯年全部場(chǎng)次的降雨將會(huì)被攔截， 平年和豐年90%場(chǎng)次的降雨將會(huì)被全部攔截。分析結(jié)果與規(guī)模論證結(jié)論基本一致。

圖2 典型年日降雨分布

圖3 有效降雨量累積分布情況

進(jìn)一步分析典型年降雨量積累分布情況（>30mm），在設(shè)計(jì)降雨量條件下（67.78 mm）,能夠控制年有效徑流的72.19%～100%。

考慮到末端攔截工程水量直接應(yīng)用于灌區(qū)灌溉，不再進(jìn)入洱海，而超標(biāo)準(zhǔn)洪水通過(guò)湖濱緩沖帶進(jìn)入洱海。因此，末端攔截工程污染物削減量可依據(jù)末端攔截工程年降雨總量控制率進(jìn)行估算。

由于典型年2004 年，降雨較為集中，日最大降雨量較高，末端攔截工程年可攔截總量占比較少，屬于相對(duì)不利工況。因此，以2004 年降雨總量控制率（72.19%）估算末端攔截工程污染物削減量。

在末端攔截工程治理實(shí)施后［10］，COD 削減1042.74 t/a，占總削減量的30.18%；TN 削減409.95 t/a，占總削減量的53.37%；TP 削減127.92 t/a，占總削減量的24.03%；NH3-N 削減126.41 t/a， 占總削減量的61.28%，其中海西片區(qū)削減的污染總削減量最多。末端攔截工程對(duì)灌區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染物的削減治理力度較大。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)農(nóng)業(yè)面源的攔截已實(shí)施3 個(gè)試點(diǎn)，主要在喜洲鎮(zhèn)龍湖片區(qū)、 大理鎮(zhèn)梅溪至白鶴溪片區(qū)和下關(guān)鎮(zhèn)黑龍溪至莫?dú)埾瑓^(qū)，治理效果明顯，在末端攔截工程實(shí)施后對(duì)面源污染攔截量效果顯著， 可進(jìn)一步推動(dòng)其他區(qū)域的末端攔截治理。

（2）本次末端工程削減根據(jù)降排頻攔截初期雨水，對(duì)去除率進(jìn)行確定， 下一步可根據(jù)不同的來(lái)水頻率對(duì)比分析末端攔截對(duì)污染物的削減量。