美国乌龟溪水库降低水藻生长控制元素磷负荷的措施

孙小利 王建跃

(中国水利水电科学研究院 北京 100048)

1 概述

乌龟溪水库位于美国堪萨斯市的西北部,水库的下游就是5万人口的曼哈顿市。水库的功能为防洪、水上娱乐、渔业、饮用水源和水生物栖息地。总库容为27.17亿m3,其中防洪库容为23.47亿m3,多功能库容为3.69亿m3。水库上游河流主要有大小布卢河与布莱克沃米林河,河流流域面积为24864km2。大小布卢河流域大部分都在内布拉斯加州,只有 25%在堪萨斯州。流域内共有农田298500ha,占流域面积的47.4%;牧场247870ha,占流域面积的39.36%;林地44120ha,占流域面积的7.01%。流域内年均降雨量为800mm左右。乌龟溪水库形状为一狭长型水库,两个分汊在测点11以上汇合 (图1)。流域年均入流量为,22.94亿m3。水库水位有三个蓄水水位临界值,水库多功能水位为327.66m,季节性洪水水位控制在327.66～346.25m,临界最高水位控制在346.25～352.59m之间。根据图2所示,在1996～2006年的监测时段,水位大部分时间是处于329.18m以下。可以认为水库是长期处于低水位运行[1]。根据连续十年水质监测,水库水质已经处于富营养化的状态,而且水中水藻生长的营养元素氮磷比十分适合有害蓝绿藻的生长。这些营养盐的来源主要来自农牧业的非点源污染。

2 水库水体营养盐状况

流域内水质状况的基本特征应体现在流域的终端,即乌龟溪水库水质的变化。美国工程兵师团(ACoE)连续数十年对乌龟溪水库水中营养盐进行了监测。其中连续10年监测资料表明:在该地区监测的18座水库中,乌龟溪水库保持着最高总氮 (TN)浓度中值和第二高的总磷 (TP)浓度值。高浓度营养盐导致了水库水体高度营养化。在水库中部的总氮浓度中值变化在2.1～2.3mg/L之间 (测点3、8和11)。入流 (测点 30和32)的总氮 (TN)浓度值中值在1.6～2.6mg/L的范围之间。出流 (测点27)总氮浓度中值为2.3mg/L。这些氮浓度值已经超过了EPA的建议该地区水体营养化0.36mg/L的临界值。图4中测点30的值显示了在监测期间大小布卢流域内所总氮负荷的变化情况。

磷元素也是水藻生长所必需的营养盐之一。在水库中部的总磷浓度中值的范围在0.27～0.33mg/L(测点3、8和 11)。入流 (测点 30和32)的总磷 (TP)浓度值中值在0.3～0.56mg/L的范围。出流 (测点 27)总磷浓度中值为0.25 mg/L(图5)。这些磷浓度值已经超过了EPA的建议该地区水体营养化0.02mg/L的临界值,也超过了水库超营养化0.10mg/L的临界标准。氮磷比可以用来确定水体内生长占优势的水藻群落的指标。当氮磷比大于20∶1时,水体中生长着所期望占优势水藻群落。当氮磷比小于12∶1时,水体中生长着占主导的有害的兰绿藻群落,有可能产生兰绿藻的暴发。正如图3、5中所示,在所有测点,氮磷比每月和每年都有较高的变化值。水库内三个的测点氮磷比都小于12,这就标志着水库处于兰绿藻暴发的危险中。但在上游来水的丰水年,较高的氮磷比变化又可能中和了可能出现的兰绿藻暴发的威胁。但水库的排水已经对下游水体形成危害。2008年堪萨斯州健康和环境部 (KDHE)和EPA将大小布卢河下游流域列入水质恶化的 “303d目录”[2]。

图1 乌龟溪水库流域平面图

图2 乌龟溪水库1996至2006年水位过程线

图3 乌龟溪水库1996至2006年各测点表层水样的总氮浓度箱线图

图4 乌龟溪水库1996至2006年第30测点表层水样总氮浓度

图5 乌龟溪水库1996至2006年各测点表层水样的总磷浓度箱线图

3 流域非点源污染的治理

在乌龟溪水库水库上游,营养盐负荷绝对部分来自非点源的地表径流。对乌龟溪水库水质的恶化和流域非点源污染的状况,美国环保署 (EPA)对堪萨斯州立大学与流域和水库的利益相关者领导委员会 (T he Stakeholder Leadership Team ST L)予以针对性的授权和赞助。对于非点源污染的治理,主要侧重于防治。EPA资助ST L用于推进乌龟溪水库实现水质改善目的和实施流域恢复和保护方式计划 (Watershed Restoration and Protection Strategy WRARS)。其WRARS的内容主要包括:

(1)对一些关键的小流域的农牧业确定和实施最佳管理措施 (BMPs);确定最佳管理措施主要是根据当地的土壤、地形、降雨、牧场位置和农作物种类等流域的具体情况[4]。乌龟溪水库流域的BMPs主要包括两个方面:①推广连续免耕法;②在溪流两岸建立缓冲和过滤带[2]。

(2)对流域和水库进行水质监测,以对已采用最佳管理措施 (BMPs)的小流域产生地表径流中的泥沙、营养盐、除草剂和细菌含量的减少的量实施细化和量化,以及在流域的未端 (水库)检验治理的成果。

在2007年,STL召开了会议,制订了乌龟溪水库流域修复和保护目标:

保护和恢复全流域的水质;

保护乌龟溪水库的供水和蓄水的能力;

保护乌龟溪水库的娱乐功能;

保护和改善流域内野生动物栖息地;

保护全流域的农田的生产能力。

2008年以前,在水库上游流域已经采用4种普通BMPs措施,即缓冲带、免耕、有草覆盖的排水沟和土表面下的施肥方法。根据地面测量出2008年当时采用4种普通BMPs农田面积,占整个流域农田的比率见表一。根据流域的农场主的接受能力、资金效益和污染物减排的效力,ST L确定BMPs的具体方案。STL还负责布置和安排流域内居民所接受的BMPs。在这种过程的一开始,在STL的会议上进行讨论,得出他们认为可接受的和会产生明显减排效果BMPs目录协议。在会议上,每一单项在BMPs目录进行排序,以排出这些单项的顺序。最终目录中前农业前4(或5项,肥料管理和施肥方式可以认为是一项)、牧畜业的前四项和溪流岸坡的一项被采用 (见表1)。

在2000年4月发布美国湖泊与水库营养物基准技术指南,帮助各州建立水体的营养盐浓度基准。该基准是政府强制执行天然水体污染控制工作的基础。根据该技术指南,我们可以看到,美国环保局主要采用控磷来治理水库水华。水库的相关机构确定对于营养盐的治理是以降低总磷为目标,乌龟溪水库水体最终总磷浓度＜50μ g/L。

堪萨斯州立大学生物和农业系应用土壤和水评估(SWAT)模型对大小布卢河流域进行分析。SWAT模型是一种估算来自地表冲刷流入溪流的营养盐和泥沙污染年均负荷评估工具。通过SWAT模型计算,可以得出每一个小流域年均负荷。根据经验和技术知识,在流域内最高负荷大于70%～80%的其它小流域和区域的区域则被选为实行农田和牧场BMPs的优先治理关键区域。通过威斯康星大学进行的SWAT模型研究表明:在整个流域,通过模型有针对性优化BMP的布置和定位要比以前随意布置 BMPs收效要好的多。因此SLT将治理区域的BMP布置主要用于减少来自农田和牧场径流中的泥沙、营养盐和大肠杆菌等。对确定治理的流域将在两个方面进行:

(1)在农田和牧场区实行泥砂、磷、大肠杆菌和阿特拉津的减排治理;

(2)实行防治溪流岸坡冲刷,以减少溪流中的泥砂。

值得注意的是农田的 BMPs也有减少产生泥砂的明显效果,而反过来实施这些治理泥砂的BMPs也将降低总磷的排放。

表1 为解决乌龟溪水库富营养化,根据SLT确定的最佳管理措施(BM Ps)和计划实施的面积或项目

目前估计大小布卢河流域的总磷负荷约为8690t/a(不包括布莱克沃米林河流域)。在经过模型40年的模拟,如果所有的BMPs得到实施,将在乌龟溪水库上游流域内实现1271t/a的总磷减排量,为总减排量的16.2%。

由于大量的磷来自位于内布拉斯加州的大小布卢河的上游,堪萨斯州流域部分的总磷减排量还不能满足TMDL。

为满足TMDL,必须加强与内布拉斯加州的合作。在乌龟溪水库上游流域的减排量要达到7909t/a,才能满足乌龟溪水库总磷负荷为860t/a的TMDL要求。

表2 模型40年的模拟结果

牧场最佳管理措施(BMP)

经过40年的治理,WRAPS项目将改善全流域和乌龟溪水库的水质状况。

在乌龟溪水库水质监测是非常重要的。任何水质的改善将会被在流域末端的水体(乌龟溪水库)体现出来。所带来的社会效益也会由来乌龟溪水库旅游的人数体现出来,公众往往喜欢一个生态系统健康水库,好享受水库水上和岸上的活动。

堪萨斯州健康和环境部要求水库水质清澈,无水藻暴发。水库和溪流内水体总磷浓度要达到平均小于0.2mg/L阶段目标。

在执行过程中,为了改善水质,SLT将继续评估和修正流域整个治理计划,设立新的目标和实施新的BMPs。每五年SLT和KDHE将共同讨论治理的基准和更新 TDM L计划。利用KDHE和ACoE的监测数据,包括治理水质的阶段目标参数之一(总磷含量),将被用于评估减轻污染负荷措施的有效性。

4 结语

美国对于由于非点源污染造成的水库水体富营养化的治理,主要测重于小流域的防治。

考虑到流域内农场主经营的分散性和不规律性,BMP是目前有效治理农牧业非点源污染的最有效方式,并已经开始在乌龟溪水库流域和其它流域进行小规模的应用。

在流域内较大范围应用BMP,利用SWAT模型模拟进行优化和总磷减排的细化和量化,显然要比在流域内随意布置BMP更显得“有的放矢”,从而提高改进治理非点源污染的效率。

1 US Army Corps of Engineers Kansas City District.2006 Annual Water Quality Program Report.April 2007

2 K·State Research and Extension,Kansas State University and Stakeholder Leadership Team Tuttle Creek Lake Watershed Restoration and Protection Strategy,June 2,2010

3 黄卫东.美国Onondaga湖治理过程的启示,环境科学与工程,200812,page 11-14

4 Dr.Thomas Simpson and Sarah Weammert,Developing Nitrogen,Phosphorus and Sediment Reduction Efficiencies for Tributary Strategy Practices,the University of Maryland,March,2009