丹江口水库总氮变化趋势分析及防治对策研究

闵志华

(重庆水利电力职业技术学院,重庆402160)

0 引 言

丹江口水库是南水北调中线工程的调水水源地,其水质好坏直接关系到工程的成败。长期以来,丹江口水库水质总体良好,但总氮(TN)污染较为突出。根据GB3838—2002《地表水环境质量标准》进行单因子评价,若TN不参评,库区总体水质可达到II类；若TN参评,则只能达到IV标准。丹江口水库水质监测数据表明,2005年～2014年10年间,水库主要断面TN浓度维持在1.1～1.5 mg/L左右。可见,TN已经成为限制丹江口水库水环境质量的主要污染指标。水体TN浓度过高导致营养盐含量增加,引起水源地富营养化风险问题。近期监测结果表明,丹江口水库局部区域叶绿素a的浓度最大值超过600 μg/L,有向富营养化发展的趋势。水库蓄水水位抬升后,特别是水域相对封闭的库湾富营养化程度可能加剧,发生“水华”的风险增加。分析丹江口水库近10年TN浓度的变化趋势和时间变异特征,对掌握丹江口水库整体水质具有重要指导作用。

《丹江口库区及上游水污染防治和水土保持“十二五”规划》把“水库总氮保持稳定”作为规划目标之一纳入水污染防治工作考核内容。总氮TN来源及防控对策得到国内学者的普遍关注[1～3]；但由于丹江口水库总氮浓度既受库周面源的影响,也受汉江、丹江等干支流输入影响,影响因素比较复杂,规划工程措施对水库总氮的控制作用仍然较为乏力。加之丹江口水库及上游地区面积达9.52万km2,涉及湖北、河南和陕西三省43个区县,总氮污染来源和污染防治责任不明,是目前水库总氮污染问题悬而不决的又一因素。分析入库总氮污染负荷的分布及组成特征,有助于明确水库总氮负荷的主要来源和划定总氮污染重点防治区域,提出总氮的防治措施,有助于科学指导“十三五规划”的制定与实施。

图1 丹江口水库各水质断面TN年均值变化

1 总氮污染现状分析

1.1 库体总氮污染现状

相关流域机构在丹江口水库设置了4个常规水质监测断面,分别是浪河口下、坝上、陶岔、台子山断面。监测频次为1次/月,监测指标包括GB3838—2002《地表水环境质量标准》中的24项常规水质指标。

水库各断面TN浓度的年均值变化见图1。坝上断面TN浓度介于1.115～1.513 mg/L,整体上小幅增加。2009年处于最低水平,2010年开始升高,但近2年浓度稍有减少。按照地表水环境质量标准,绝大部分年份为IV类水质,部分年份甚至为V类。陶岔断面TN浓度介于1.17～1.50 mg/L,整体上小幅增加。2008年和2009年出现低估,但近4年浓度逐年递减。按照地表水环境质量标准,所有年份均为IV类水体,个别年份TN浓度已经达到IV类水体的上限。台子山断面TN浓度介于1.173～1.549 mg/L,整体上小幅增加。2009年浓度较低,2010年突然升高,但随后浓度有所减小。按照地表水环境质量标准,绝大部分年份均为IV类水体,部分年份甚至为V类水。浪河口下断面TN浓度介于1.176～1.503 mg/L,整体上小幅增加。2009年到2012年逐年递增,近2年开始有所减小。按照地表水环境质量标准,绝大部分年份均为IV类水体,个别年份甚至为V类水。

图2 丹江口水库16条入库河流总氮年均浓度

1.2 入库河流总氮污染现状

为进一步监控丹江口入库河流污染负荷的输出情况,相关单位在直接汇入丹江口水库的16条河流的河口设置了常规水质监测断面,这16条河流分别是将军河、汉江、天河、堵河、犟河、神定河、泗河、剑河、官山河、浪河、曲远河、淘沟河、滔河、丹江、淇河、老鹳河,各河流水质断面见图2(方便起见,各河流水质监测断面名称与河流名称一致)。入库河流水质监测频次为2次/月,监测指标包括GB3838—2002《地表水环境质量标准》24项常规监测指标。入库支流2012年～2014年TN年均浓度见图2。从图2可以看出,入库河流TN浓度明显高于水库库体,除汉江、淇河、淇河、滔河、曲远河、将军河和淘谷河TN浓度为IV～V类以外,其他入库河流TN浓度远超过地表水V类水标准,均为劣V类。总体来看,丹江口水库入库支流TN污染比较突出,是丹江口水库TN的主要污染来源。其中,汉江干流来水TN超过1.5 mg/L,为V类水质；丹江来水TN超过4.0 mg/L,为劣V类水质。

表1 16条主要入库支流基本水文参数

表2 丹江口水库6条主要入库河流基流分割成果

2 总氮污染负荷来源解析

经过近10年的水污染防治工作,丹江口水库周围点源已基本清除(除郧县县城生活污水处理厂排污口外),其余污染物主要是经过库周支流汇入丹江口水库。其中,汉江、天河、堵河、丹江、淇河和老灌河等6条河流为主要入库河流,水利部门设置了水文站,可获取2013年逐日流量数据。由表1可以看出,设置了水文站的6条入库河流流域面积之和为86 549 km2,占丹江口大坝总集水面积9.52万km2的90.9%；多年平均流量之和为1 179.5 m3/s,占总入库流量1 230.4 m3/s的95.9%。因此,阐明上述6条河流的入库污染负荷特征,就可以说明丹江口水库的TN污染负荷来源。

根据上述6条河流水文站的2013年逐日流量资料,采用基流分割法[4]得到了丹江口水库6条主要入库支流的河川基流量和地表径流量(见表2)。2013年汉江、天河、堵河、丹江、淇河、老灌河的河川基流流量年平均值分别为229.56、4.90、37.79、7.71、1.54、2.04 m3/s,各条河流基流总量占总径流量的比例为30.1%～52.1%。

结合各入库河流2013年逐月水质监测数据,采用通量法计算得到6条入库河流流域点源污染负荷量、面源污染负荷量见表3。汉江干流是丹江口水库总氮负荷最主要的来源,其负荷输入量占到所有支流负荷总量的77%；堵河次之,贡献了12%的总氮负荷；丹江贡献了7%的总氮负荷；其他支流贡献比例较少。

6条河流的面源对总氮负荷总量的贡献比例范围为40%～68%,其中堵河、汉江干流和淇河总氮的面源贡献比例都超过60%,面源贡献比例最低的为天河,丹江面源与点源对总氮的贡献相当。整个丹江口水库TN负荷总量为35.61×103t,其中来自面源的TN入库负荷量为21.53×103t,占TN总入库负荷量的60%,可见,丹江口库区面源污染已成为库区TN变化的主导因素。

表3 丹江口水库6条主要入库河流TN污染负荷计算

3 TN组成结构

水体中氮的存在形式主要分为氮气、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮和有机氮5大类。它们之间的相互转化过程如图3所示。在成分上,TN的定义是水中各种形态无机氮和有机氮的总量。

图3 水中TN的不同形态相互转化

3.1 硝酸盐氮和亚硝酸盐氮

现有TN各形态监测数据分析结果显示,丹江口水库TN组成中以硝酸盐氮为主,占TN含量58.2%～83.5%,平均占比66.2%。其中,龙口断面的硝酸盐氮含量占58.2%,白渡滩断面的硝酸盐含量占83.5%,表明库内氮的形态上处于轻微波动状态。河南省环境监测中心相关监测成果同样表明[5],硝酸盐氮是丹江口水库TN的主要成分,且丹江口水库亚硝酸盐氮的含量约占硝酸盐氮的10%左右。

3.2 氨氮

TN各形态监测数据中,氨氮占TN含量1.7%～3.4%,平均2.8%。其中,白渡滩的氨氮含量占1.7%,陶岔和莫家河的氨氮含量占3.4%,是白渡滩断面氨氮占TN比例的2倍。根据长江流域水环境监测中心2015年的在陶岔、台子山、白渡滩、太平洋1和莫家河的监测数据,其氨氮占TN含量分别为14.2%,13.6%,11.9%,14.7%和13.5%,平均13.6%,约为2014年氨氮占TN含量比值的4.8倍。这些数据说明库内氨氮含量变幅较大。在以往的研究中也有类似的研究发现,氨氮较TN和硝酸盐氮输出浓度要低,变化幅度会更大[6]。

3.3 有机氮

以往关于有机氮的研究受测量方法的局限,有机氮的含量一般为在分析TN和无机氮之后,两者相减得到的结果；但是由于多次测量及仪器分析的误差,有机氮的分析误差往往被扩大了。TN与无机氮的差值在0.30～0.73 mg/L之间,可认为是有机氮的含量。此时,有机氮占TN含量14.9%～39.6%,平均31.0%,其中白渡滩的有机氮含量占14.9%,龙口的有机氮含量占39.6%,约为白渡滩占比的2.6倍,说明库内有机氮含量变幅也较大。同时,长江流域水环境监测中心2015年的在陶岔、台子山、白渡滩、太平洋1和莫家河的监测数据显示,其有机氮占TN含量分别为27.7%,28.2%,25.3%,24.1%和26.6%,平均26.4%,较前一年有机氮占TN含量的比值下降4.6%,变幅较小。

4 总氮控制措施及对策

控制水源区总氮的对策主要是采取能够削减污染物的措施。为此,建议从城镇生活污染源、工业点源污染治理、清洁型小流域建设、库岸带生态缓冲带建设和水库水体营养盐的净化处理五大方面进行总氮控制和治理。针对点源40%的总氮负荷贡献比例,污染负荷的削减主要依靠建设污水处理厂和提标改造、强化污水脱氮工艺、铺设配套管网,以及工业点源治理。针对面源60%的总氮负荷贡献比例,污染负荷的削减主要依托清洁小流域建设、库岸带的生态缓冲带建设和水库水体营养盐的净化处理。

(1)开展城镇生活污染源和工业点源污染治理。考虑到库区现有生活污染源和工业废水处理基础,对现有污水处理厂进行提标改造,强化污水脱氮工艺,研发适合当地经济水平的氮肥工业废水总氮污染脱除关键技术,并形成高效、低成本的总氮脱除集成技术系统及其运行工艺,提高总氮排放标准；对于未建立污水处理措施的地区,铺设配套管网,按照集中收集处理模式,兴建污水处理设施,因地制宜的开展生活污水和工业废水的收集和处理。

(2)开展清洁型小流域建设。重点关注农村生活垃圾处理、农村分散生活污水处理、农田化肥农药减施、畜禽养殖和水产养殖污染防治及资源化利用等领域：①农村生活垃圾处理。结合村落环境连片整治工程,针对农村生活垃圾日益增多,多数直接抛弃,未进行有效处理的现象,农村生活垃圾污染日趋严重,垃圾处理设施建设严重滞后,农村生活环境“脏、乱、差”及“白色污染”日趋严重的现状,规划农村集中居民点建设生活垃圾堆放池、农村垃圾集中垃圾处理站。②农村分散生活污水处理。针对库区生活水平较落后,环境卫生状况较差的现状,农村居民的生活污水基本未经无害化处理,因村制宜地开展农村生活污水治理,修建生活污水处理设施,对农村生活污水进行无害化处理。依据库区及入库支流周边现有农村居民居住的分散程度,对5户以下的居民点采用沼气池处理生活污水,对5～60户的自然村落,采用集中收集处理模式。规划措施主要包括：居民点排水沟渠改造、无动力集中式污水处理措施、地埋式一体化污水处理措施等。③农业面源污染防治。面源污染防治主要关注农业种植、畜禽养殖、水产养殖3种农业面源污染类型。在分析现有农业面源污染防治措施、技术及实施效果的基础上,结合面源污染治理措施的实施,对农业行政主管部门提出农田种植减少化肥、农药施用的相关要求和管理建议,水产养殖的污染防治和对策等。畜禽养殖污水的处理和高效利用的具体措施：农业种植面源污染防治包括雨水集蓄与再利用工程建设、生态沟渠建设、林地、草地隔离带建设等；畜禽养殖废弃物循环利用包括“一池三改”户用沼气、集中式粪污垃圾收集及转运站、畜禽粪便收集储存及资源化设施等；农村水产养殖污染防治包括生态浮岛、渔业养殖废水处理措施等。

(3)库岸带植被建设和恢复。建设库岸带植被缓冲带,截留或吸收地表径流总氮。在库岸带及浅水水域,由低向高依次种植沉水、挺水、湿生等植物,构建成丰富多样的生物群落,强化水库生态功能和自净能力,与库周流域景观尺度下构建的以护坡林地、草地阻控带等为骨架的径流总氮拦截生态隔离带共同形成多级阻控带体系。

(4)水库水体营养盐的净化处理：①河流入库口建立前置库,通过前置库水生植物吸收、吸附和沉淀、絮凝作用,削减入库TN含量,使进入主库区的TN含量降低；②人工植物浮岛建设,以浮床为载体,把高等水生植物或改良的陆生植物种植到库区水面,通过植物根部的吸收、吸附和根际微生物的吸收和同化作用,削减水体中的总氮TN。

[1] 殷明, 施敏芳, 刘成付. 丹江口水库水质总氮超标成因初步分析及控制对策[J]. 环境科学与技术, 2007, 30(7)： 35- 36．

[2] 宋国强, 殷明, 张文漫, 等. 十堰市总氮对丹江口水库总氮浓度贡献的初步估算[J]. 环境科学与技术, 2006, 29(S): 164- 165．

[3] 雷沛, 张洪, 单保庆. 丹江口水库典型入库支流氮磷动态特征研究[J]. 环境科学, 2012, 33(9)： 3038- 3045．

[4] 郑艳霞, 程超, 辛小康. 丹江口水库入库非点源污染负荷的计算与讨论[J]. 人民长江, 2015, 46(10)： 42- 47．

[5] 陈静, 丁卫东, 徐广华, 等. 丹江口水库河南省辖区总氮污染状况调查[J]. 中国环境监测,2010, 26(2)： 49- 52．

[6] 涂安国, 尹炜, 陈德强, 等. 丹江口库区典型小流域地表径流氮素动态变化[J]. 长江流域资源与环境, 2010, 19(8)： 926- 931．