流域污染负荷解析与环境容量研究——以安徽太平湖流域为例

李 响,陆 君,钱敏蕾,王祥荣,樊正球,王寿兵

(复旦大学环境科学与工程系,上海200433)

流域污染负荷解析与环境容量研究
——以安徽太平湖流域为例

李 响,陆 君,钱敏蕾,王祥荣*,樊正球,王寿兵

(复旦大学环境科学与工程系,上海200433)

以安徽省太平湖流域为例,运用监测、统计数据以及排污系数法对流域内8种污染源的污染排放情况进行全面解析,结合一维水质模型、沃伦威得尔模型以及狄龙模型等水质模型的应用,在流域水质监测的基础上核算了太平湖及主要入湖河流的水环境容量.结果表明,2011年,太平湖流域污染物入湖量为:COD3863.75t/a, NH3-N410.24t/a, TP51.63t/a;城镇和农村生活污染为太平湖流域的主要污染源,约占流域入湖污染物总量的60%;麻川河和浦溪河流域的污染最严重;流域污染物的排放在空间上呈现较为明显的区域分布,经济发达区域污染相对较严重.在当前水质目标下,太平湖仍有相当大的可用容量;浦溪河、秧溪河和舒溪河流域的氨氮和总磷排放量接近环境容量,需进行总量控制及削减.

污染负荷；污染源；环境容量；太平湖流域

流域污染负荷的全面解析及水环境容量核算是识别流域污染控制优先区域的重要手段,也是污染物总量控制的关键技术支持.自20世纪70年代以来,我国学者开始重视流域污染物的解析与水环境容量核算方面的工作,并开展了广泛的研究.郝芳华等[1-4]运用统计学原理构建了流域非点源污染负荷估算模型,并在黄河流域和松涛水库流域进行了验证;闫丽珍等[5-8]在太湖、海河、淀山湖和赣江等流域开展了污染负荷解析的相关工作.刘天厚[9]、路雨[10]等构建稳态河流水质模型,实现了河流水环境容量的定量评价,并提出多种计算方法;Wang等[11-16]运用一维稳态河流水质模型对国内众多河流的环境容量进行核算;王军良等[17-20]对湖泊环境容量常用模型进行了对比研究,并将其应用于城中湖、长湖、镜泊湖、淀山湖等湖泊的水环境容量核算.结合已有研究可以发现,当前对于流域污染负荷和水环境容量的研究相对较独立,没有进行有效的结合,对流域污染负荷的合理分配、水资源的综合管理缺乏指导性[21].

太平湖位于安徽省黄山境内,水域总面积为97km2,库容量占全国淡水湖泊水资源蓄水总量的1.21%.太平湖流域的水体生态环境保护不仅对安徽省的发展具有重要的意义,对长江中下游地区特别是长三角地区也有着极其重要的生态安全战略意义.随着经济社会的快速发展,旅游人口的快速膨胀,太平湖面临着环境问题日益凸显、水体水质下降等问题,对区域的环境保护和生态安全构成巨大的威胁.因此,合理规划流域水体的污染负荷、控制流域污染物总量是太平湖流域环境保护工作的重中之重.

作为典型的深水型人工湖,目前太平湖流域内已有研究主要集中在湖体微量元素变化特征与迁移转化规律[22]、湖体营养型评价[23]以及生物多样性[24-26]等方面,缺乏对流域纳污能力及污染负荷的定量化研究.本文旨在从多角度开展太平湖流域污染源的全面解析,结合水环境容量核算,明确流域污染控制的优先区域及重点控制对象,为流域污染物的总量控制与削减分配提供科学依据,并为流域污染的综合管理提供技术支撑.

1 研究区域概况

太平湖流域位于安徽省黄山市境内,地处东经117°50′～118°21′、北纬30°00′～30°32′之间,流域面积覆盖整个黄山区及池州市的七都镇和陵阳镇,本文研究区域主要为流域的黄山市境内,包括9镇5乡,总面积约为1770km2,人口16.28万人.研究区域位于中亚热带北部,属亚热带季风湿润气候区,气候温和湿润,雨量充沛;地势呈现为南高北低,南为黄山北麓,地势高俊,山陵纵横;北为丘陵地区,紧依太平湖.流域内河汊密布,沟壑纵横,水系发育良好.

太平湖多年平均入湖径流量为23.83亿m3,平均出湖径流量为23亿m3,丰、平、枯水期平均库容为15.5亿m3、13亿m3和10.7亿m3.流域内有5条主要入湖河流,即麻川河、浦溪河、秧溪河、舒溪河和清溪河(图1),5条河流均发源于黄山山脉,由南向北汇入太平湖,总汇水面积1878.3km2.主要河流水文参数如表1所示.

图1 研究区位置及水系分布Fig.1 Location and water system of the study area

表1 太平湖流域内主要河流水文参数Table1 Hydrologic parameters of main rivers in Taiping Lake Basin

全流域水质总体良好,根据《地表水环境质量评价办法(试行)》[27],太平湖符合国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[28]II类水质要求;流域内5条河流中秧溪河、舒溪河和清溪河水质较好,符合地表水II类标准;浦溪河和麻川河水质较差,总体保持在III类.

2 研究方法

2.1 流域污染负荷解析

针对太平湖流域的具体情况,通过水质监测、查阅统计年鉴,参考国内相关研究[3-8],选取化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)3种主要污染物,对流域内的工业污染、垃圾渗滤液污染、餐饮旅游污染、城镇生活污染、农村生活污染、化肥农药污染、畜禽养殖污染和水产养殖污染的排放量和实际入湖(河)量进行核算.

点源污染主要有工业污染M1、垃圾渗滤液污染M2、旅游餐饮污染M3和城镇生活污染M4,面源污染主要包括农村生活污染M5、化肥农药污染M6、畜禽养殖污染M7和水产养殖污染M8.其中工业污染、垃圾渗滤液污染和水产养殖污染根据黄山区污染源普查资料获取,旅游餐饮污染、城镇生活污染、农村生活污染、化肥农药污染和畜禽养殖污染的入湖量运用公式(1)计算.

式中:Mi为第 i种污染源排入湖泊(河流)的污染物总量,t/a;αi为第i种污染源排放系数,具体取值见表4;Ai为第i种类型污染源的面积或数量.数据来自黄山区2012年统计年鉴以及实际统计调查数据,其中畜禽养殖统一折算成猪当量进行计算,折算公式为50只鸡(鸭)=1头猪,3只羊=1头猪,1头牛=0.2头猪.对于旅游餐饮污染,根据黄山区统计年鉴,截至2011年底,黄山区共有床位数8483个、餐位数10205位,其中星级宾馆21个,床位5298个根据《太平湖生态环境保护总体方案》(2013)[29],黄山区星级宾馆的年平均入住率为50.7%,一般宾馆和农家乐的年平均入住率为20%(主要集中在太平湖景点和黄山风景区景点周边).Ri为第i种污染源污染物去除量,主要指城镇生活污染源,根据黄山区污水厂相关统计资料获取,COD、NH3-N和 TP的去除量分别为508.24、36.94和4.19t/a. fi为第i种污染源污染物入湖系数,根据《太湖流域水环境综合治理总体方案》(2008)[30]选取,具体取值见表2.

流域入湖污染总量通过公式(2)计算.

式中:M为流域内污染物入湖总量,t/a.

表2 太平湖流域污染源排污系数及入湖系数Table2 Discharge coefficients and loss rates in Taiping Lake Basin

2.2 流域水环境容量核算

以河流或湖泊作为计算单元,以水环境功能区作为水质约束的节点条件,以流域污染物排放总量作为输入条件,选取适合黄山区河流和水库的相应水质模型,对太平湖流域的水环境容量现状进行分析.

2.1.1 河流水环境容量模型 太平湖流域5条主要入湖河流,自然径流量均较小,污染物浓度仅在河流纵向上发生变化,横向和垂向的污染物浓度梯度可以忽略,流域内现存的大小排污口分布较均匀,选用污染源概化的一维河流水质模型[10,35]计算2011年太平湖流域5条主要河流的水环境容量.

公式见式(3)～式(5).

式中:c0为基准断面污染物的本底浓度,mg/L,根据黄山区水质监测数据,选用河流上游基本未受流域污染的基准断面监测浓度进行计算;cs为相应的水环境质量标准,mg/L,依据《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》[28]中相关要求,确定麻川河和浦溪河执行Ⅲ类标准,秧溪河、舒溪河和清溪河执行Ⅱ类标准;k为综合降解系数,d-1,查阅国内相关文献[5,12,14,36],采用类比法确定,具体取值为:COD0.24d-1,NH3-N0.15d-1,TP0.02d-1;u为河流断面的平均流速,m/s; Q为河段设计流量,m3/s,设计流量和流速采用最枯月95%保证率情况下的流量和流速计算; l为计算河段的长度,m; l1为集中概化点距下游断面的距离,m,本研究取l1=0.5l.

2.2.2 湖泊水环境容量模型 太平湖多年平均入湖径流量与出湖径流量基本相等,可将太平湖视为完全混合的盒式模型,不考虑外源和漏损,湖泊内污染物仅发生衰减反应且负荷一级反应动力学,参考总结国内相关研究[15-20,37],针对有机污染物和营养盐分别选取湖泊、水库的沃伦威得尔模型和狄龙模型进行核算.

式中:V为枯水期湖泊平均库容,m3;Qout为出湖径流量,选用95%保证率下的入湖流量,即多年平均入湖径流量的68.5%进行计算;cs为相应的水环境质量标准,mg/L,太平湖的水质标准为Ⅱ类,Δt为枯水时段,为90d.

式中:M出为营养盐年出湖总量,t/a; M入为营养盐年出入湖总量,t/a.

3 结果与讨论

3.1 太平湖流域污染负荷解析

根据计算,2011年太平湖流域内各污染源主要污染物入湖情况见表3和图1.2011年,流域内 COD的污染负荷达3863.75t/a,各污染源对COD污染的贡献依次为:城镇生活污染>农村生活污染>畜禽养殖污染>化肥农药污染>旅游餐饮污染>工业污染>水产养殖污染>垃圾渗滤液污染.NH3-N负荷量为410.24t/a,生活污染贡献最大,其中农村生活污染占比39.75%,城镇生活污染占比35.65%,其次为畜禽养殖污染和化肥农药污染,其他污染源排放量较少.流域 TP入湖量为51.63t/a,农村生活污染、城镇生活污染和化肥农药污染分别占28.17%、27.69%和24.81%,为主要污染来源.综合考虑3种污染物,可知目前城镇生活污染和农村生活污染为太平湖流域目前面临的主要污染问题;当前面源污染排放量约占流域污染排放总量的2/3;对于TP,还需着重控制化肥农药污染.

结合流域现状分析,流域内城镇管网覆盖率低,各乡镇已有分散性处理设施规模小,处理流程不规范,不能达到排放标准.农村面积广大,虽然大多数居民均建立了化粪池对污水进行简单处理,但处理水平远远不够,生活污水不经管道直接排入河流,对流域水质造成了极大的危害.流域内化肥农药过度使用,平均化肥施用量高达450～600kg/hm2.规模化畜禽养殖处理设施缺失,畜禽粪便综合利用率低,大多数污染物直接排放入河.

表3 太平湖流域各污染源污染物入湖量(t/a)Table3 The amount of pollutants for different sources in Taiping Lake Basin (t/a)

图2 太平湖流域各污染源入湖污染负荷Fig.2 Proportions of pollution loading for different sources in Taiping Lake Basin

3.2 5条主要入湖河流污染负荷解析

对2011年流域内5条主要河流分污染物、污染源进行污染物入河总量核算,如图3所示.5条河流的污染严重程度依次为:麻川河>浦溪河>秧溪河>舒溪河>清溪河.麻川河和浦溪河主要流经黄山区东部乡镇,一来流经乡镇较多,二来区政府和主要的旅游景点都位于东部区域,因此该区域经济相对较为发达,人口相对密集,城镇化程度高,工业及服务业占比较高.秧溪河、舒溪河和清溪河的污染程度较低,这3条河流周边乡镇城镇化程度低,经济较为落后,人口密度较低,基本无工业企业.

图3 不同河流流域各污染源的入河情况Fig.3 The amount of pollutants for different rivers and different sources

黄山区工业主要集中在浦溪河流域,全区唯一的垃圾填埋场也位于此,因此浦溪河几乎汇集了整个太平湖流域的工业污染和垃圾渗滤液污染,与其他流域相比,浦溪河流域的污染来源更为广泛.对于 COD,城镇生活污染和农村生活污染贡献率最大,其次为工业污染、垃圾渗滤液污染和畜禽养殖污染,各占10%左右.对于 NH3-N,最主要的污染源为城镇生活和农村生活,其次为畜禽养殖,其它污染相对较少;除城镇生活和农村生活源外,化肥农药污染对 TP污染贡献较大,流域内大部分的城镇区域污水基本纳入管网,因此城镇生活污染有所控制.

麻川河流域流经的汤口镇、谭家桥镇和三口镇均处于黄山风景区周边,旅游经济发达,城镇化程度较高,城镇生活污染为流域主要的问题.麻川河流经的乡镇最多,土地面积广大,流域内畜禽养殖业较多,故化肥农药和畜禽养殖污染均比其他流域多.

对于秧溪河、舒溪河和清溪河这3个流域,城镇化程度较低,流域内面源污染严重,最主要来自农村生活污染.

3.3 流域各区县污染负荷解析

对黄山区各乡镇不同污染源污染物排放总量进行统计,计算各乡镇COD、NH3-N和TP的排放负荷以及各污染源的排污贡献率,如图4所示.

图4 太平湖流域各乡镇污染物排放强度分布Fig.4 Spatial distribution of pollutant discharge intensity in different regions

从流域污染负荷看来,太平湖流域内污染物排放情况在空间上呈现比较明显的区域性分布,市中心区如甘棠镇、仙源镇等区域污染负荷最大,临近黄山风景区耿城镇、汤口镇和三口镇以及太平湖北面的新华乡、新丰乡和永丰乡污染相对较严重,其他区域的污染相对较轻.结合太平湖流域现状分析,中心城区及黄山风景区周边乡镇人口较为密集,且经济相对发达,单位面积的污染排放量大;太平湖风景区北面农村人口密集,包括生活、农田和畜禽养殖在内的农村污染较为严重.流域西部区域由于位置偏僻,面积广大,人口分布相对稀疏,污染负荷相对较小.

综合工业污染源的分布和污染物排放情况,流域内共有28家重点工业污染源,主要集中在太平湖北侧以及黄山风景区北侧部分乡镇,但甘棠镇的工业污染占区内工业污染总量的80%,主要原因在于该区域有2家酿酒公司,其产生的污染物量远远超出其他类型的工业企业.

从点源和面源污染角度来讲,甘棠镇和汤口镇的COD和NH3-N污染主要来自点源排放,其他乡镇主要来源于面源;流域内的 TP主要来源于面源,其中农村生活污染占有相当大的比重.甘棠镇为黄山区政府所在地,也是黄山区工业园区和污水处理厂、垃圾填埋场的所在地,基础设施相对比较完善,污水基本经过污水管网集中排放.但垃圾填埋场产生的渗滤液未经处理排放,为该地区造成极大的危害.汤口镇位于黄山风景区南大门,在旅游业的带动下,整体经济水平较高,城镇化程度也相对较高,同时与旅游相关的住宿、餐饮业发达.汤口镇的应尽快修建污水处理设施,规范化餐饮宾馆等的污水排放,削减污染物.对于流域内其他乡镇,需要着重控制农村生活、畜禽养殖、化肥农药等面源污染,从而控制流域内污染物的排放.

3.4 流域水环境容量核算

对流域内河流、湖泊的水环境容量进行核算,结果如表4、表5所示.流域内5条主要入湖河流的 COD水环境容量依次为:麻川河>清溪河>浦溪河>秧溪河>舒溪河;NH3-N的水环境容量以麻川河最高为390.73t/a,清溪河和浦溪河其次,秧溪河最低;TP的水环境容量依次为:麻川河>清溪河>浦溪河>舒溪河>秧溪河.在当前水质目标下,各河流均保有一定的环境容量;对比入河污染物总量和流域水环境容量,浦溪河和秧溪河流域NH3-N指标的环境容量占用率达到98%以上,几乎无剩余纳污能力,需要重点关注;舒溪河NH3-N占用率也高达73%,未来存在超标可能;秧溪河和舒溪河可新增的 TP污染物量低于5.0t/a,污染物增加空间较小,需加强控制;其他河流的各项污染指标均有一定的纳污空间.太平湖水质整体良好,满足II类水质要求,其各项指标均保有一定环境容量.

表4 太平湖流域主要入湖河流水环境容量汇总Table4 Water environmental capacity of main rivers in Taiping Lake Basin

表5 太平湖水环境容量汇总Table5 The amount of water environmental capacity in Taiping Lake Basin

对比流域内污染排放情况和纳污能力可发现,麻川河流域的污染物排放量最多,但其纳污能力在5条河流中也最高,仍保有相当大的可利用容量;反之,舒溪河的污染物排放量低,其环境容量也较低.分析其原因在于麻川河的流量大,其对于污染物的稀释消解作用较大;而舒溪河的水质目标要求较高,因此其纳污能力也较低.

3.5 太平湖流域污染管控措施

3.5.1 节水控源,加强污染控制 开展工业节水,推广再生水利用和清洁生产技术,减少污染物排放量;开展工业企业排污口综合整治工程,改造污染防治设施,保障工业废水达标排放.

3.5.2 强化基础设施建设 加快城镇污水收集管网的建设进度,扩大已有污水处理厂服务半径,提升处理标准;促进集中型污水处理设施建设,提高污水集中处理率;建设垃圾渗滤液处理设施,控制垃圾渗滤液污染排放.

3.5.3 开展农村环境综合整治 建设人工湿地、氧化塘等分散型污水处理设施,收集农村生活污水,治理非规模化畜禽养殖污染,控制化肥农药施用,削减农村污染.

3.5.4 实施河湖滨岸缓冲带生态修复工程 恢复河岸、湖岸的植被,建设生态护坡和水源涵养林,拦截污染物,削减污染物入河(湖)量.

4 结语

2011年,太平湖流域污染物入湖量为:COD3863.75t/a, NH3-N410.24t/a, TP51.63t/a,城镇生活污染和农村生活污染为流域内的主要污染问题;流域内麻川河流域的污染排放情况最为严重,需要对污染物进行总量控制和削减.分析表明,除浦溪河、秧溪河和舒溪河的部分指标外,现状污染仍在流域河流、湖泊的承载能力范围内.在未来的污染控制策略中,浦溪河流域应以控制点源污染为主;其他河流流域重点控制城镇生活污染和农村生活污染;同时需要加强浦溪河、秧溪河和舒溪河这3个流域内的氨氮和总磷污染物排放的管理控制.

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Study on pollution loading and water environmental capacity in watershed—A case study of Taiping Lake Basin,Anhui Province, China.

LI Xiang, LU Jun, QIAN Min-lei, WANG Xiang-rong*, FAN Zheng-qiu, WANG Shou-bing
(Department of Environmental Science and Engineering, Fudan University, Shanghai200433, China). China Environmental Science,2014,34(8)：2063～2070

The study of pollution loading and water environmental capacity is one of the key issues in water environment, water resources management and allocation in watershed. A comprehensive analysis of water pollution loading and environment capacity was conducted in this paper by taking a case study of Taiping Lake Basin, Anhui Province, China. Based on monitoring and statistic data as well as discharge coefficient method, different sources of water pollution were analyzed. Three models, including simplified one-dimension model, Vollen welder model and Dillion model, were used to estimate water environmental capacity of Taiping Lake and other major rivers. Results indicated that3863.75tons of COD,410.24tons of NH3-N and51.63tons of TP was discharged into Taiping Lake in2011. Water pollution was mainly contributed by urban and rural domestic sewage, accounting for about60%. Machuan River and Puxi River were more seriously polluted than other rivers in Taiping Lake Basin. The spatial analysis of pollutant discharge suggested that developed regions had relatively higher pollution loading. While Taiping Lake still has large pollutant carrying capacity according to the current water quality management target, the discharge of NH3-N and TP in Puxi River, Yangxi River and Shuxi River were nearly reach the limit. Therefore, the total quantity control of pollutants should be taken in the future.

t：pollution loading；pollution sources；environmental capacity；Taiping Lake Basin

X524,X703.5

：A

：1000-6923(2014)08-2063-08

李 响(1991-),女,山东淄博人,硕士研究生,主要研究方向为城市生态学.

2013-11-08

环境保护部《良好湖泊生态环境保护专项》基金项目;复旦大学“985”三期项目“Climate Chnge and Urban Growth”;国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07102);”基于PSR模式的城市生态文明建设指标体系构建研究(13AZD075)”

* 责任作者, 教授, xrxrwang@fudan.edu.cn