南方某主要供水水库氮磷来源分析及控制对策

张 巧，杨 晟，张 建，谢帮蜜，尹 雪，朱婷婷，彭盛华，孟海涛

(1.深圳市环境科学研究院，国家环境保护饮用水水源地管理技术重点实验室，深圳市饮用水源地安全保障重点实验室，深圳市水环境中新型污染物检测与控制重点实验室，广东 深圳518001； 2.淄博职业学院化学工程系，山东 淄博 2553314)

0 引 言

饮用水安全问题是社会公共安全的一个重要组成部分，直接关系到人民健康、社会稳定和经济发展。近年来，我国突发环境事件不断发生，对群众饮水安全造成严重威胁，饮用水安全问题已经引起了全社会高度重视。水体富营养化是我国最突出的水环境问题之一，根据国际经济发展合作组织(OECD)的定义，富营养化的成因为水体中营养盐的增加导致水生态系统的功能退化，这将严重威胁供水安全[1,2]。因此，控制饮用水源氮、磷等营养盐污染是保护饮用水安全的关键。华南某市为资源型缺水城市，主要以境内陆域水库等蓄水工程和入库河流为主要水源。作为典型的城区型水源地，建成区占比高，且分布有大量工业企业和居民区，人类活动将增加河流氮、磷输入，并在下游水库不断累积，导致水源水库受氮、磷污染风险高[3,4]。S水库为该市主要供水水库之一，集雨面积64 km2，近5年平均供水量1.44 亿m3，处于城市建成区包围中，外源水量占比高达88%，水质受流域内污染源和境外引水水源水质共同影响。根据近年水质监测结果，该水库总氮和总磷指标达标形势严峻，处于中营养状态，存在供水安全风险[5]。本文以该水库为研究对象，通过监测和调查分析手段，摸清其氮磷污染负荷来源及迁移转化规律，评估该水源水库氮磷污染风险，研究制定氮磷污染控制对策，为该市饮用水源地管理和饮用水安全保障提供技术支撑。

1 研究方法

1.1 研究区域调查

S水库分布有7条入库支流，其中R4为S水库与其他水库联通渠，R6和R7水量小，水质相对较好，对水库水质影响小。R1、R2、R3和R5均流经建成区，污水收集管网不完善，其中R1、R3和R5水质长期劣Ⅴ类。R1来水旱季被截排不入库，雨季来水超过截排量后入库；R2建有人工湿地，且上游河道已进行截污，进水水质相对较好，旱季来水处理效果及出水水质较好，但雨季上游截污设施溢流导致水质变差，且来水超过湿地处理能力，部分水未经处理直接入库；R3无任何处理设施，旱季及雨季来水皆直接入库；R5建有人工湿地，但来水污染物浓度高，去除效果较差，处理后出水直接入库。此外，S水库流域内还存在24.06 km2的集雨区不属于入库支流的流域范围，区域汇水通过散流入库。因此，污染物进入S水库的主要途径包括R1～R3、R5四条支流，外来水源及雨季散流。S水库子流域划分见表1，入库支流照片见图1。

表1 S水库子流域划分Tab.1 Watershed subdivision of S reservoir

图1 入库支流照片Fig.1 Photos of tributaries to the reservoir

1.2 采样点位及监测方法

采样点位布设于S水库入水口，支流R1～R3、R5污水处理设施出水口(见图2)。监测频率为每月一次，监测指标为氨氮、总氮、总磷等，监测方法依据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[6]。

图2 采样点位布设图Fig.2 Map of the sampling sites

1.3 入库氮磷负荷计算方法[7-11]

1.3.1 入库支流核算方法

根据入库氮磷负荷来源特征，采取不同方法对入库负荷进行核算。

(1)入库流量计算方法。根据入库支流是否存在截排工程，采用不同方法计算入库水量及污染负荷。

若存在截排工程，需综合考虑不同降雨情景下，支流上游来水情况及截排能力，分析是否存在溢流，以计算溢流量。入库流量Q按如下公式计算：

(1)

式中：Q0为支流旱季基流；Q1为截排工程的截排流量；Q2为降雨径流流量。

采用广东省综合单位线法进行汇流分析，以计算各入库支流逐小时来水降雨径流流量。

(2)入库污染负荷计算方法。入库污染负荷为全部入库水量与对应污染物浓度的乘积的求和：

m=∑QC

(2)

对于有截排工程存在的支流，以其降雨过程中径流污染物浓度的平均值(基于水量的加权平均值)作为入库污染物浓度。对于未截排的支流，降雨径流入库污染负荷和基流入库污染负荷分开计算。其中，以降雨过程中径流污染物浓度的平均值(基于水量的加权平均值)作为降雨径流入库污染物浓度，以枯水期支流水质监测值作为基流入库污染物浓度。

1.3.2 散流入库氮磷负荷核算方法

入库支流流域范围仅占水库全部流域范围的一部分，对于不从支流入库的部分流域，本文全部按照散流入库面源污染进行氮磷负荷核算。S水库散流入库流域内建成区1.92 km2，林地18 km2，果园1.92 km2，农田菜地1.2 km2，其他0.96 km2。散流入库水量亦采用径流系数法计算，入库污染负荷为入库水量与对应面源污染物平均浓度的乘积，公式如：

(3)

面源污染物浓度主要受地表土地利用类型影响，本研究采用综合EMC作为各散流入库区面源污染物平均浓度。不同土地利用类型的面源污染物浓度计算系数K如表2所示。

表2 面源污染物浓度计算系数K取值 mg/L

各散流入库区的面源污染物平均浓度(综合EMC)采用土地利用类型加权平均计算得到：

(4)

式中：Kij为用地类型i的第j类污染物浓度计算系数，mg/L；Ai为该散流入库区用地类型i的面积，km2；Cj为该散流入库区综合EMC，mg/L。

1.3.3 引水工程外源入库氮磷负荷核算方法

引水工程外源入库污染负荷为入库水量与对应污染物浓度的乘积，公式为m=QC。Q通过水库的调度报表获得，C为对应月份污染物监测浓度(多次监测取平均值)。

2 结果与讨论

2.1 入库流量核算

经计算得出R1的单位降雨流量过程线，结果如图3所示。

图3 R1降雨流量过程线(1 mm)Fig.3 Flow procedure lines produced by precipitation of R1 (1 mm)

采用上述单位降雨流量过程线，根据流域内雨量站全年逐小时降雨数据，按1.3.1节计算方法得出， R1全年累计开闸泄洪时间为881 h，总泄洪量492 万m3；R2、R3和R5降雨径流入库流量分别为824、212、892 万m3。

R2河水为流域内少量未被收集的污水，旱季基流量很小，约500 m3/d，因此计算时段内旱季基流入库流量为15.5 万m3；R3旱季基流量约600 m3/d，计算时段内旱季基流入库流量为18.6 万m3；R5旱季基流量约8 000 m3/d，计算时段内旱季基流入库流量为248 万m3。

参照1.3.2节对散流入库水量进行计算，结果显示S水库通过散流入库水量为2 045 万m3。通过对S水库调度报表统计，得到S水库外调水量约为45 819 万m3。

2.2 入库污染负荷核算

通过不同途径进入S水库的水量及污染物平均浓度如表3所示。可以看出，S水库全年入库水量中外来引水量(45 819 万m3)>支流入库水量(2 702 万m3)>散流入库水量(2 045 万m3)，在支流入库水量中R5(1 140 万m3) >R2(839.5 万m3)>R1(492 万m3)>R3(230.6 万m3)，在4条支流入库水量中占比最高的为降雨径流量和溢流流量。各支流入库污染物平均浓度均远超地表水Ⅲ类标准，散流入库总磷略超Ⅲ类水标准，外来引水总氮偏高，超过1 mg/L(Ⅲ类水限值)。从R2、R3和R5降雨径流和旱季基流污染物浓度来看，R2雨季水质劣于旱季水质，这是由于旱季污水被截流，雨季河道上游截流污水溢流导致水质变差；R3、R5雨季水质明显优于旱季，是由于以上两条支流旱季污染物超标严重，在降雨期间污染物得到雨水径流稀释所致。经综合核算，NH3-N、TN和TP全年入库污染负荷量分别为134.3、796.1和48.5 t。

可以看出，S水库NH3-N和TP污染负荷来源主要是本地源，占总污染负荷的90%和81%。TN污染负荷来源主要是外来引水，占比67%。在本地污染源中以入库支流污染负荷为主，在入库支流中对NH3-N和TP污染负荷贡献量最大的是R5支流，污染负荷占比为40%和21%；此外，R1、R2对NH3-N和TP污染负荷贡献都较大，R3对入库污染负荷的贡献较小。本地源中，散流入库对TP污染负荷贡献也比较突出，可达21%。总体而言，S水库本地氨氮、总磷污染较为严重，而本地源中又以R5流域的污染最为严重。这主要是由于R5的旱季及雨季来水基本全部入库，且有大量污水排入河道，水质较差所致。此外，S水库外来引水中的TN污染不容忽视。

表3 入库水量、污染物浓度及污染负荷核算表Tab.3 Accounting table of storage water quantity, pollutant concentration and pollution load

3 入库污染控制策略

(1)本地点源污染控制策略。对流域内雨污水管网进行排查，对老旧管网进行改造，对缺失管网进行新建。特别是R5流域内上游和下游两条支渠流域内管网缺失严重且排污量较大，建议优先完善该流域内支管建设，将支管收集的污水接入规划排污主管；其次，逐步完善R5中游暗涵流域内污水支管的建设，将流域内产生的污水通过污水管网输送至污水处理厂处理，不再进入人工湿地，人工湿地仅用于处理未纳入污水管网的河道基流河水及初期雨水的处理。以雨污分流为原则，完善R1流域内九围社区内的管网建设，特别是九围新村内管网建设，将R1污水收集至污水干管中，输送至污水处理厂进行处理。

图4 S水库污染负荷来源构成Fig.4 Source of pollution load in S reservoir

(2)本地面源污染控制策略。对于建成区面源污染而言，应加快雨污分流制管网的建设，对流域内初期雨水进行收集，在流域内污水全部进入管网后，将现有湿地用于初期雨水的处理。对于保护区内的菜地、果园、花卉苗圃，可通过控制农药、化肥的使用种类、施肥方式，减少污染物的产生，还可通过在菜地、果园、花卉苗圃周围建设沟渠，减少径流产生量。

(3)外来调水污染控制策略。S水库引水工程来水比例大，是污染负荷重要来源之一，引水工程来水不仅受来水水源水质影响，还受前端水库流域污染的影响。因此，一方面需要对前端水库流域进行治理、加强管理来降低来水污染负荷；另一方面需要通过跨市协调推动引水水源水质保护工作来解决境外引水工程来水水质问题。