水质模型在杨溪水库污染负荷控制研究中的应用

陈来华,苏 飞,尹吉国,何若英

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

保障饮用水安全关系到广大人民群众的生命安全。目前,我国大多数水库已经成为主要的集中式饮用水供水水源,库区水质成为公众十分关心的问题[1]。但随着人口的增长和生产的发展,人类活动对自然环境影响加剧,水质恶化问题越来越突出,已成为国民经济与社会发展的一个重要制约因素,因而加强水源地的保护显得尤为重要[2]。保护水资源、防止水污染已成为一项长期的基本国策[3]。因此,开展对水库水源地保护的研究,确保供水安全,具有深远的现实意义。

杨溪水库位于浙江省永康市境内,钱塘江流域的上游,是目前永康市境内最大的一座以供水为主,结合防洪、发电等综合利用的中型水库,集雨面积124 km2,总库容6 453万m3[4],现状供水量18万t/d,是永康市城区的主要供水水源。近年来,随着经济社会的发展和库区人类活动的加剧,生活、养殖等点源污染,农业面源污染等问题比较突出,特别是随着道路交通条件的改善,部分村民在库区开办农家乐等,直接影响了杨溪水库的水质。笔者对杨溪水库的水质变化规律进行了模拟预测,提出了水源地污染防治控制措施。

2 库区污染源负荷估算

库区污染负荷排放量在2009年库区污染源调查分析的基础上,进行了主要污染物CODcr、氨氮、总氮、总磷的污染排放量和入库量的估算,入库系数参照全国水环境容量核定技术指南中的推荐值[5]。经计算:库区污染负荷排放量CODcr 1 002.8 t/a、氨氮178.3 t/a、总氮1 248.1 t/a、总磷492.1 t/a;污染负荷入库量CODcr 437.0 t/a、氨氮73.2 t/a、总氮405.1 t/a、总磷154.4 t/a[6](见表1)。

表1 杨溪水库水源地污染负荷统计表t/a

3 现状水质评价

3.1 水质综合评价

杨溪水库水质评价采用资料翔实、齐全的2009年实测水质资料,地表水质评价按地表水环境质量标准,采用单因子评价法。评价时段按全年平均、汛期、非汛期和年极大值分别统计,水质评价结果见表2。由表2可知,汛期、非汛期和年平均水质均为III类水质,定类项目均为总氮,全年水质极大值为IV类,出现在6月份。

表2 2009年杨溪水库水质综合评价表

3.2 富营养化评价

富营养化评价按SL 395—2007地表水资源质量评价技术规程,采用分级评价法。由于水库近几年常规水质监测中无富营养化评价指标叶绿素a项目,因此取总磷(TP)、总氮(TN)、透明度(SD)和高锰酸盐指数(CODMn)4项指标进行评价。富营养化评价见表3。由表3可知,汛期、非汛期、年平均和年极大值营养化评价的评分值分别为44,44,43,47分,水质均呈中营养状态。

表3 杨溪水库富营养化状态评价表

4 水源地水质模拟预测

4.1 入库污染负荷预测

入库污染负荷预测主要是针对现状工况下,随着库区经济和社会的发展,近期(2015年)和远期 (2020年)库区污染物入库量进行预测。因此,污染负荷预测点源和农业面源污染维持现状,人口年增长率按永康市2008年的人口自然增长率5.6‰[7],旅游人口近期按31万人、远期40万人计算。经计算,2015年CODcr、氨氮、总氮、总磷入库量分别为470,104,450,168 t/a;2020年CODcr、氨氮、总氮、总磷入库量分别为502,115,472,187 t/a。预测结果见表4。

表4 入库污染负荷预测结果表 t/a

4.2 地表水质预测

水库水质预测采用质量平衡模型,表达式为:

式中:Qi为入库流量(m3/d);Ci为入库污染物浓度(mg/L);Qp为出库流量(m3/d);C0为时段初水库污染物浓度(mg/L);V0为初始水库库容(m3);Δ t为时段长度(d);C为时段末出流污染物浓度(mg/L);V为时段末水库库容(m3);K为污染物降解速率(1/d)。

利用该模型计算2009年的水质值,计算的水文条件和入库负荷为:年出库水量为6 254万m3,年入库水量为6 143万m3,年初水库蓄水量3 256万m3,年末水库蓄水量2 961万m3,年初CODMn浓度为2.30 mg/L、NH3-N浓度为0.10 mg/L,CODMn和NH3-N的降解系数为 0.034 d-1和0.015 d-1,计算结果:CODMn浓度为2.57 mg/L(实际监测值为2.71 mg/L),NH3-N浓度为0.15 mg/L(实际监测值为0.13mg/L),可见CODMn、NH3-N的计算值和实际监测值比较吻合。将表4中入库污染负荷预测结果代入水质模型,预测2020年水质状况,预测结果为:CODMn由现状水质2.71mg/L,增加到2020年的3.42 mg/L;NH3-N由现状水质0.13 mg/L,增加到2020年的0.19 mg/L。由预测结果可见,至2020年,CODMn仍为II类水质,NH3-N由I类变为II类水质。

4.3 富营养化预测

富营养化预测采用狄龙模型,表达式为:

式中:(N,P)为水库水体中氮、磷浓度(mg/L);E为水库单位面积氮、磷负荷量(g/m2);H为水库平均深度(m);ρ为水力冲刷系数,ρ=Q/V;V为水库容积(m3);Q为入库水量(m3);R为氮、磷滞留系数,R=0.426×exp(-0.271 Qi)+0.547×exp(-0.00949 Qi);Qi为单位面积水量负荷(m);Qi=Q/A;A为水库水面面积(m2)。

利用该模型计算2009年入库负荷和水文条件下的总氮、总磷浓度,通过比较计算值和实际监测值检验入库污染负荷估算值是否合理,如不合理需进行调整。2009年计算条件为:水库年平均水位为149.07 m,库容V为3371万m3,水库水面面积A为3.53 km2,单位面积水量负荷Qi为9.5m,年入库水量为6 143万m3,水力冲刷系数ρ为1.82,水库单位面积氮、磷负荷量分别为25.42,4.25g/m2,氮、磷滞留系数R为0.578。

将上述计算条件代入狄龙模型后,得2009年水质计算结果为:总氮0.85 mg/L(实际监测值为0.72 mg/L),总磷浓度0.017 mg/L(实际监测值为0.02 mg/L),模拟结果与实际基本吻合。将表4中入库污染负荷预测结果代入水质模型,预测2020年水质状况,预测结果为:总氮由现状0.72 mg/L增加到2020年的1.69 mg/L,总磷由现状0.02 mg/L增加到2020年的0.084 mg/L。由预测结果可见,至2020年,总氮将由现状III类水质恶化为V类水质,总磷由现状II类水质下降为Ⅳ类水质。

4.4 污染负荷削减量

通过计算,水库水质恢复至饮用水水源地水质标准需削减污染物的量值为:如果总氮从现状年均水质含量0.85 mg/L恢复至目标水质0.5 mg/L,需削减入库总氮40%,要使全年各月水质均达到目标水质要求,总氮需削减65%;总磷年均水质若满足II类目标要求,需削减入库总磷20%,若全年各月水质均达到目标水质要求,则总磷需削减48%。

5 污染防治措施

5.1 库区污染源防治

5.1.1 污水防治

对水源区各流域上游人口较少的村庄(200人以下),污水量小于5 m3/d,采用户用生态污水处理池的工艺,以减少生活污水收集管网的工程量和投资。对于水源区上游分散居住,人口较多的村庄(200人以上),污水量大于5 m3/d,采用无动力的污水处理设施。对人口较多、居住密集,且处于水源区各流域下游、离水库较近的村庄,考虑联村共建MBR污水处理站或单独设置MBR污水处理站。据统计,库区累计共建115座户用污水处理池和16座污水处理站。

5.1.2 人居环境防治

水源区内各村将按人口比例修建水冲式公厕,其中1 000人以上的村庄修建3个公厕,500～1 000人的村庄修建2个公厕,500人以下的村庄修建1个公厕,要求公厕均为水冲式,取代传统的旱厕。水源区内各村均建立垃圾房,其中500人以上的村庄有1～2个垃圾房,并安排专门的保洁员,每天进行垃圾的收集、清扫工作。生活垃圾房有拦蓄措施、卫生措施和防渗措施,垃圾采取户集、村收、镇运、市处理的3级转运机制。

5.1.3 污染企业拆除

水源区内的1家规模企业,8家采石场,1家石材加工厂,18家规模养猪场,15家禽养殖户,个体加油站和预制场各1家,水平距离100m范围内的所有小餐饮 (农家乐),已在2011年6月底前全部关闭并拆除违章建筑。今后沿库区公路、道路 (靠水库一侧),不得开办农家乐、小餐饮。

5.1.4 农业面源防治

在库区各类污染源中,面源污染所占比重最大,并且无法采取类似点源污染的集中防治方法加以解决。因此,农业面源污染防治主要采取削减源头污染负荷,包括科学选用化肥农药、施用有机肥、推广测土配方施肥技术和“节水减污”高产栽培技术等。库区内实施“节水减污”的耕地面积为6.67 hm2。

5.2 水环境防治

为减少底泥对水库的二次污染,防止藻类的发生,应实施库区清淤工程。为确保水库岸边坡的稳定,库区清淤的实施区域为:平行主坝坝址线以上500 m,距水库岸边线30 m以外的区域为水库清淤范围。深水区采用深水型环保绞吸式挖泥船进行清淤,开挖后的淤泥通过全封闭管道输送至脱水处理站,并对淤泥进行机械脱水处理,脱水后的干泥装车外运。经计算,杨溪水库库区底泥清淤量为143万m3。

5.3 水土流失防治

库区内的水土流失防治可采取坡耕地改造、坡面蓄排水工程、裸露面防治等措施,改善原有土地的立地条件,增加地面植被覆盖,减少化肥、农药等有害物质随水土流失进入水体,控制农业面源污染对水体的危害。杨溪水库对25°以下的面积为65 hm2的坡耕地进行防治,坡面径流调控修建蓄水池135座,截水沟39 km,排水沟17 km,矿山防治面积0.6 hm2,火烧迹地植被恢复26 hm2,村镇周围裸露地防治20 hm2,退耕还林还草7 hm2。

5.4 生态建设工程

5.4.1 生态河岸建设

在满足防洪安全的前提下,通过工程措施与园林绿化措施,修筑植物的河道护坡,使径流进入河道前起到过滤和缓冲作用,同时也起到保护生态环境和美化河岸环境的作用。根据库区河道现状,实施生态护岸10 km。

5.4.2 人工湿地建设

在入库河口建设人工湿地,使农业面源污染物经由湿地生物系统拦截得以净化,可控制和减少库区农业面源污染对水库水环境的危害,并根据杨溪水库的地形特点和溪河废污水处理的要求,布置2处人工湿地,建设面积分别为16,3 hm2。

5.4.3 生态滚水堰建设

为了拦截水源区河道的泥沙,减缓河道纵坡,可在河道沿线设置滚水堰,形成水面,起到改善村庄景观、过坝水流曝氧和净化入库水质等作用,因此,根据库区河道特点设置简易滚水堰20处。

5.5 水质监测工程

为动态掌握水库水质的污染状况和变化趋势,实施科学管理,故在库尾主要支流汇入处和自来水取水口处建设2座水质自动监测站。

6 防治措施效果预测估算

6.1 点源防治效果

若库区现有的养猪场、养鸡场、规模企业、采石场和农家乐等拆除或搬出库区。经预测估算,可削减入库CODcr 60.8 t/a,占入库总负荷的14%;削减入库氨氮5.0 t/a,占入库总负荷的7%;削减入库总氮10.1 t/a,占入库负荷的2%;削减入库总磷5.0 t/a,占入库负荷的3%。

6.2 生活污水防治

通过在人口较少的村庄建生态污水处理池,在人口较多、分散的村庄建无动力污水处理设施,在人口较多、密集的地方采用MBR污水处理站等工程措施,处理后的污水达标排放,即CODcr、氨氮、总氮、总磷排放浓度分别为60,15,20,0.5 mg/L,与处理前的污水相比,削减入库CODcr 72.6 t/a,占入库总量的17%;削减入库氨氮17.5 t/a,占入库总量的24%;削减入库总氮21.3 t/a,占入库总量的5%;削减入库总磷2.5 t/a,占入库总量的2%。

6.3 生态工程

通过在杨溪水库库尾和岩后溪入库处建立2处人工湿地,利用湿地生态系统中物理、化学和生物作用机制,降低废污水中营养物质的浓度。根据浙江省绍兴县汤浦水库人工湿地的调研等资料,其净化效果一般为:CODcr去除率达60%左右,氨氮去除率达70%左右,总氮、总磷的去除率为30%～50%。

通过主要河道清淤清污工程、生态护岸工程、生态滚水堰工程等,促进了河道生态功能恢复,提高了河道自净能力,同时生态护岸工程能阻断污染源和河流之间的直接联系,减少污染物直接入库量。

6.4 水土保持

通过营造水源涵养林、坡耕地改造、坡面径流控制、村庄裸露面防治等水土保持工程,使得库区植被覆盖率达95%以上,水力侵蚀量减少80%以上,现状水土流失严重地区基本得到控制,减少入库面源污染负荷。

实施以上工程后,总氮、总磷的削减量可达削减现状负荷的65%,48%的预期目标,同时入库氨氮等污染负荷也将明显减少,库区水质可恢复至II类水质标准。

7 结 语

通过对杨溪水库水质安全及富营养化的评价后可知,当前杨溪水库最主要的污染因子为总氮,年均水质为III类,个别月份为IV类;其次的污染因子为总磷,年均水质为II～III类。富营养化评价为中营养化。

在库区污染源负荷调查估算的基础上,对主要污染因子进行了模拟预测,结果表明,至2020年总氮和总磷均不满足目标水质的要求。为此,计算了恢复至饮用水水源地水质标准需削减污染物的量值,提出了库区污染源防治措施,并预测估算了工程实施后的防治效果。研究成果对杨溪水库水源地污染源防治工程的实施具有较好的指导意义,并可对其它水库水源地的保护提供借鉴。

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[2]万超,张思聪.基于GIS的潘家口水库面源污染负荷计算[J].水力发电学报,2003(2):62-68.

[3]唐以剑,章申.我国发展中的水环境问题与对策[J].地理学报,2003(3):302-313.

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[5]邹首民.全国水环境容量核定技术指南 [R].北京:中国环境规划院,2003.

[6]陈来华,尹吉国,何若英,等.永康市杨溪水库水源保护建设规划 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2010.

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