洋河水库流域纳污能力及消减量分析

陈平

摘要[目的]分析洋河水库流域纳污能力及消减量。[方法]在统计分析洋河水库流域污染物负荷量的基础上，根据水环境数学模型，结合流域内各个子流域控制单元的污染状况、水质现状和水质管理目标，计算多年平均、50%保证率和75%保证率水量条件下各个子流域控制单元的主要污染指标（TN、TP、COD、NH3-N）水体纳污能力及消减量。[结果]多年平均水量条件下TN、TP、COD、NH3-N的水环境容量分别为428.26、144.19、1 845.28、182.56 t/a；库区和西洋河支流的污染物消减量最大，为今后重点污染治理的区域。[结论]该研究可为洋河水库流域面源污染防治及消减提供理论依据。

关键词污染物负荷；纳污能力；消减量；控制单元；洋河水库流域

中图分类号X26文献标识码A文章编号0517-6611（2017）20-0081-05

Abstract[Objective]The aim of the study was to analyze pollution receiving capacity and reduction for Yanghe reservoir watershed.[Method]Based on statistical analysis of the Yanghe River reservoir watershed pollutant load，according to the mathematical model of water environment，combined pollution，water quality status and water quality management objectives of watershed sub basin control unit，the annual average and 50% guarantee rate and 75% guarantee rate under the condition of water pollution indexes of sub basins（TN，control unit TP，COD，NH3-N）and the reduction of pollutant carrying capacity was calculated.[Result]The pollution receiving capacity of mean annual precipitation were the largest，the water environmental capacity of TN，TP，COD，NH3-N were respectively 428.26，144.19，1 845.28，182.56 t/a；the maximal quantity of pollutant reduction were reservoir and Xiyanghe watershed，they would be the key area for watershed pollution management.[Conclusion]The study can provide a theoretical basis for prevention and mitigation of nonpoint pollution in Yanghe reservoir basin.

Key wordsPollutant load；Pollution receiving capacity；Reduction；Control unit；Yanghe reservoir watershed

近年來，隨着我国经济社会的快速发展，出现了资源的不合理开发利用及能源过度消耗等问题，导致污染物排放量急剧增加。流域水环境污染已成为当今社会面临的主要灾害之一[1-3]。流域生态环境恶化引起的湖泊、水库富营养化严重影响水资源的可持续发展及人类健康生活，尤其是城市供水水源地水库水体的污染。为了缓解流域水环境问题，改善流域水环境健康，促进流域水资源更加合理的利用，实现我国社会经济与环境资源的和谐发展，流域实施污染物总量控制刻不容缓[3-4]。在水资源保护和水质改善工程规划中，污染物排放量消减是一项重要工作。如何确定污染物消减量和制订消减量，并分配到排放口是规划的重要内容[5-7]。

水域纳污能力（Pollution Receiving Capacity）是指对一定水域，根据其自然净化能力，在特定的污染源布局和结构下，为达到一定的水质目标值，所允许的污染物最大排放量。水域纳污能力是水污染防控规划的主要约束条件，是水质目标管理的基本依据[8-11]。控制单元作为流域水质目标管理中的一个基本实施单位，在水域纳污能力的核算中，对于科学制订控制单元的总容量控制规划具有重要意义[12]。洋河水库是秦皇岛市主要城市供水水源地之一，近30年来，流域内人口迅速增加，周边村社城镇化脚步的加快，流域内人均排污量及各种农牧业污染物的排放量持续增加，大量农药、化肥、牲畜粪便、垃圾等进入库区，致使水库水质不断恶化，严重影响城市供水安全[13]。笔者研究了洋河水库流域水体纳污能力及消减量，旨在为当地管理部门提供必要的技术支持和管理依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

洋河水库位于秦皇岛市抚宁区大湾子村北，1959年10月兴建，1961年8月建成并投入使用，总库容3.86 亿m3，是一座以防洪为主，兼顾城市供水、灌溉及发电等综合利用任务的大（Ⅱ）型水利枢纽工程。洋河水库流域呈从东北向西南走向的不规则狭长矩形区域，东西长约42.7 km，南北宽约37.7 km，流域覆盖面积755 km2。洋河流域地势东北高西南低，境内较大支流主要有东洋河、西洋河、迷雾河和麻姑营河（图1）。

洋河流域属暖温带半湿润大陆性季风型气候，极端最高气温39.9 ℃，极端最低气温-24.0 ℃，年平均气温10.2 ℃。封冻期自12月中旬至翌年2月底，长约80 d，冻土层深度0.8～1.2 m。流域位于燕山迎风山区，多年平均降水量750 mm，水量较充沛，洋河水库多年平均径流量1.69亿m3。全年降水量约80%集中于汛期（6—9月），较大暴雨多出现在7、8月。

洋河水库流域包括抚宁、卢龙和青龙3个县7个乡镇242个村庄。流域上游农民的经济收入来源主要由农林产品收入、外出务工和在当地发展养殖业构成。

1.2数据收集与调查

以村为单元，以2013年为基准年，分类收集洋河水库流域各项农事活动与人居活动涉及的原始数据。数据来源：全国第一次污染源普查数据（秦皇岛市）《2014年秦皇岛统计年鉴》《2014年卢龙统计年鉴》《2014年青龙县统计年鉴》《2014年抚宁统计年鉴》《2014年河北农村统计年鉴》及实地调研、问卷调查和相关部门统计数据资料，同时收集用于负荷核算的相关参数。

洋河水库流域的气象数据主要来源于洋河水库流域水文站、气象站的实测数据，其中包括1970—2015年的气象数据。

1.3污染物负荷计算

依据污染源形成特点，将研究区域非点源污染源划分为农村生活污水、固体废弃物、畜禽养殖、化肥流失、水土流失和城镇地表径流携带物六大类。各类污染负荷的估算系数根据相关文献[14]及《河北省水资源质量评价》（2004年）确定。基于输出系数负荷计算，采用清单分析方法，核算5类面源污染来源的TN、TP、NH3-N、COD的排

放负荷。

生活源污染负荷产生量：

W1=n×C（1）

式中，W1为生活源污染负荷产生量（kg/a）；n为人口数（人）；C为生活污水或固体废弃物污染人均排放量[kg/（a·人）]。

畜禽污染物排放量：

W2=m×α×β（2）

式中，W2為畜禽污染物排放量（kg/a）；m为畜禽养殖量（只）；α为某畜禽粪便排泄系数；β为某畜禽粪便中污染物平均含量[kg/（a·只）]。

化肥流失量：化肥施用量采用相关统计年鉴中统计值的折中量。

TN=（氮肥+复合肥×0.3+磷肥×0.185）×20%（3）

TP=（磷肥+复合肥×0.3）×15%（4）

NH3-N=TN×10%（5）

水土流失污染物：

W3=Wi×Ai×ERi×Ci×10-6（6）

式中，W3为流域随泥沙运移输出的污染物（t）；Wi为某一种土地利用类型单位面积泥沙流失量（t/km2）；Ai为某一种土地利用类型面积（km2）；ERi为污染物富集系数；Ci为土壤中TN、TP平均含量（mg/kg）。

城镇地表径流污染：

L=R×C×A×10-6（7）

式中，L为城镇地表径流年负荷量（kg）；R为年径流量（mm）；C为径流污染物平均浓度（mg/L）；A为集水区面积（m2）。

对于洋河水库流域，没有直接可供使用的当地污染物排放系数，主要依赖于类比方法对流域面源污染进行分析。各种污染物污染参数见表1。

1.4流域纳污能力计算

1.4.1水文设计条件。

设计流量是最基本的河流水文参数，它不仅直接影响其他水文参数，而且在河流水环境容量的计算中至关重要[15]。在水文上，流域一般会有较明显的年际变化特性，对流域的水环境管理分别按多年平均、50%保证率的水量、75%保证率的水量水文设计条件计算。洋河水库入库径流频率分析见表2。

1.4.2洋河水库流域空间元的划分。

实现以空间元为基本单位的污染物消减控制技术是从源头上改善流域水环境的主要措施，也是最有效的措施。为此，首先要构建237个空间元（图2中黑色数字）与35个子流域（图2中红色数字）的空间拓扑关系（图2）。

1.4.3水质目标值。

根据《全国重要江河湖泊水功能区划》（2011—2030年）及《河北省水功能区划》，洋河水库是饮用水源地，属二级水功能区，水质标准应符合《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ 类标准。另外参考秦皇岛市关于洋河水入库水质的要求（Ⅱ 类达标天数不低于80%，Ⅲ 类水质达标天数为100%），将洋河水库上游主干河道全部河段的水质目标设定为 Ⅱ，通过计算水域纳污能力，确定河段所在空间元的污染物消减量，以實现洋河水库水源地生态保护的最终目的。

1.4.4流域纳污能力计算方法。水域纳污能力计算模型：

W=86.4[Q0（CS-C0）+kVCS86 400+qCS]（8）

式中，W为水域容许纳污量（kg/d）；Q0为上河段来水设计流量（m3/s）；CS为计算河段水质标准（mg/L）；C0为上河段水质标准（mg/L）；k为污染物降解系数（1/d）；V为计算河段水体体积（m3）；q为支流汇入流量（m3/s）。

考虑不同水文设计条件平衡概念，子流域内的污染物量为子流域内初始污染物量、周边子流域污染物随水流进入、流出子流域污染物净通量和污染物衰减量之和。从子流域到河段的污染物输移过程计算模式如下：

Wei=We0i+CeiQpi-Vei（9）

式中，Wei表示子流域污染物量（t）；We0i表示子流域初始污染物量（t/d）；Cei表示子流域污染物浓度（迁移浓度选择由流动方向确定）（mg/L）；Qpi表示子流域间的交换水量（万m3）；Vei表示子流域内污染物衰减量（t）。

子流域浓度采用总污染物量与总水量的平均概念，公式表示为

Cei=KeiWe0iQei（10）

式中，Kei表示子流域污染物分布系数，与子流域植被、坡度和径流水量有关，单位量纲为L-1。

计算过程以子流域级别为顺序，实现逐级汇流和污染物迁移，在此过程中控制推求空间元的污染物消减率，使整个子流域对应的河段水质目标达到 Ⅱ 类水标准，整个过程通过Fortran编程实现，最终的消减成果映射到空间元。

2结果与分析

2.1流域污染物负荷量

由表3可知，2013年洋河水库流域6个面源污染来源（农村生活污水、固体废弃物、畜禽养殖流失、化肥流失、水土流失污染和城镇地表径流污染）、4个污染物指标（TN、TP、NH3-N、COD）的排放负荷总量为55 900.55 t/a，入河量为3 476.70 t/a。其中，COD的产生量和入河量最大，分别为41 645.72和2 519.53 t/a，所占比重均超过70%；其次为TN，排放量和入河量分别为7 798.94和567.43 t/a，所占比重分别为13.95%和16.32%；TP和NH3-N所占比例较少，约为5%。以上数据可得，对洋河水库流域污染影响较大的污染物是COD和TN。

在6种面源污染源输出量中，洋河水库流域污染主要贡献源是畜禽养殖，每年产生量约为51 621.34 t/a，入河量为2 961.52 t/a，所占比重分别为92.34%和85.18%；其次是化肥流失，每年产生3 279.64 t/a，为5.87%，入河量为377.00 t/a，所占比重为10.84%；农村生活污水、固体废弃物、水土流失量和城镇地表径流污染产生量和入河量所占比重较少，约为2%。

2.2流域纳污量和消减量

水体的环境纳污能力与其污染消减量是实施总量控制的重要依据。结合洋河水库水功能区的划分及水质目标要求，运用水域纳污能力模型对洋河水库流域污染物纳污量和消減量进行计算。由表4可知，洋河水库流域在多年平均水量条件下对污染物TN、TP、COD、NH3-N的水环境容量分别为428.26、144.19、1 845.28、182.56 t/a，消减量分别为139.17、26.07、674.25、36.92 t/a。

75%保证率水量条件下污染物的水环境容量比多年平均水量和50%保证率水量小，而消减量大于多年平均水量和50%保证率水量。

洋河水库流域内不同支流区段的主要污染指标消减量差异较大。如图3所示，TN、TP和NH3-N的消减量均为库区最大，占整个流域各个污染物总消减量的50%左右；其次是西洋河和东洋河支流，迷雾河和麻河的消减量较小。COD的消减量在各个支流的分布特征与其他污染物略有不同，以西洋河支流最大，所占比重为80%；其次是东洋河支流，所占比重为15%。在目前的水质目标下，虽部分河段对应的空间元无需处理，但绝大数河段水质严重超标，必须采取相关工程与非工程措施，从源头上、污染物迁移过程中进行消减控制。

3结论与讨论

水体纳污能力是流域污染物总量控制及水环境管理的基本依据，关系到流域水质目标的实现。洋河水库作为秦皇岛市的重要饮用水水源地，对其纳污能力进行分析，不仅可以有效地利用其水环境容量资源，还可为该流域水环境管理从目标总量控制向容量总量控制转变提供科技支撑。笔者根据洋河水库的水文特征和水质目标，结合污染现状，采用水质模型和水域纳污能力模型，得出各个控制单元、支流的主要污染指标（TN、TP、COD、NH3-N）纳污能力和消减量。洋河水库流域多年平均水量时期TN、TP、COD、NH3-N的水环境容量分别为428.26、144.19、1 845.28、182.56 t/a，消减量分别为139.17、26.07、674.25、36.92 t/a，均大于50%和75%保证率水量时期的各个污染物纳污能力。分析其原因，水体纳污能力大小与水体流量密切相关[11-13]，流量较大时河流的纳污能力较大，流量小时纳污能力随之减小。近年来，洋河水库流域水量降低的主要因素一方面是流域内农业用水量大，利用率低。目前，洋河水库流域每年向农业供水0.7亿m3/a，占总用水量的53.80%；另一方面是上游流域大力兴建水利工程，分流了大量水资源，隔断水的正常流动，使洋河水库上游流域流量减少，部分河段出现断流。因此，在洋河水库流域今后的规划中，为了使流域内各个控制单元达到目标水质，对流域进行统一控制管理，通过对上游闸坝的实时调控，使下游河段流量保持在一定的范围内，从而达到提高河段水体纳污能力的目的，改善河流水质，实现流域水质水量联合调度。

洋河水库流域内各个支流区段的主要污染物消减量显示库区和西洋河支流最大。主要是西洋河支流内结构性污染严重，该水系內除工业和生活污水污染外，大量淀粉加工厂废水的排入是造成洋河水库水体污染的另一个主要原因。大量的淀粉废水除了渗漏、蒸发等作用外，被排入河流后进入库区，对水库水质产生了较大污染，也导致水体中的高氮、磷含量。刘娜[16]通过对洋河水库西洋河支流上游淀粉废水的监测发现，废水中氮、磷等营养盐的含量很高。这说明西洋河支流的淀粉废水已成为洋河水库水体污染的主要污染源之一。

以上分析可知，洋河水库流域污染物减排任务艰巨，应对重点污染物河段进行排污控制和重点整治。为降低污染负荷，应在流域内开展产业结构调整，针对洋河水库流域淀粉加工废水的产生量、污染物浓度及流域缺水的特点，淀粉加工废水应采用集中收集处理与分散处理相结合，采用生物接触氧化工艺处理，处理后废水可用于农田水利灌溉；控制农业面源污染可采用“源头控制与节流相结合”方法进行治理，“源头控制”即对农田采取科学的施肥方式，使农田中的养分保持平衡，减少氮、磷等营养物质的积累量与流失量。“节流”即控制水土流失，减少氮、磷等营养物质的流失量；采取末端治理的方法，将重点河道入库口处的滩地合理利用，建成人工湿地或者生物廊道，利用水生生物及水生态环境生物链系统达到去除水体中氮、磷和其他污染物质的目的。

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