東圳水庫(kù)水質(zhì)影響預(yù)測(cè)及對(duì)策

李莉 蔡金傍 陳梅 陳玉東 劉臣煒

摘要根據(jù)污染源現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果與污染源預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)了水平年?yáng)|圳水庫(kù)流域污染負(fù)荷。結(jié)果表明，流域污染負(fù)荷主要來(lái)自農(nóng)業(yè)面源、生活污水和生活垃圾，其中農(nóng)業(yè)面源是流域最大污染源，而農(nóng)業(yè)面源中主要是果園徑流污染。在構(gòu)建東圳水庫(kù)水域二維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，基于流域污染負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，模擬分析庫(kù)區(qū)水環(huán)境變化趨勢(shì)，結(jié)果為庫(kù)區(qū)總氮和總磷將難以滿(mǎn)足Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)污染源調(diào)查及水質(zhì)影響預(yù)測(cè)結(jié)果，建議加強(qiáng)對(duì)東圳水庫(kù)水環(huán)境保護(hù)，重點(diǎn)開(kāi)展果園面源污染控制、生活污水收集處理及生活垃圾收集轉(zhuǎn)運(yùn)處置等項(xiàng)目。

關(guān)鍵詞東圳水庫(kù)；污染負(fù)荷；水質(zhì)模型；水質(zhì)預(yù)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)X524文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）05-0047-04

AbstractBased on the status of pollution load and its prediction methods， the pollution load of level year of Dongzhen Reservoir basin was predicted. The results showed that the pollution mainly came from agricultural nonpoint source pollution， domestic sewage and domestic garbage， of which orchard nonpoint pollution was the major source. Based on the prediction results of pollution load Dongzhen Reservoir basin， a twodimensional water quality mathematical model was constructed for the purpose of evaluating the change trend of water quality. The results showed that total nitrogen and total phosphorus cant meet Grade III of Surface Water Quality Standard. Consequently， it was suggested to strengthen environmental protection of Dongzhen Reservoir， focusing on orchard nonpoint source pollution control， domestic sewage and garbage disposal.

Key wordsDongzhen Reservoir；Pollution load；Water quality model；Water quality prediction

基金項(xiàng)目“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2014BAL02B04-02）。

作者簡(jiǎn)介李莉（1986—），女，福建莆田人，工程師，碩士，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)、飲用水源保護(hù)、生態(tài)保護(hù)研究。*通訊作者，副研究員，博士，從事湖庫(kù)水環(huán)境保護(hù)研究。

收稿日期2016-12-31

為貫徹落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院“讓江河湖泊休養(yǎng)生息”和十八大及十八屆三中全會(huì)關(guān)于“生態(tài)文明建設(shè)”的戰(zhàn)略部署，加快對(duì)水質(zhì)較好湖泊（含水庫(kù)）的保護(hù)，避免眾多水質(zhì)較好湖泊走“先污染、后治理”的老路，環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家發(fā)改委、財(cái)政部印發(fā)了《水質(zhì)較好湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)總體規(guī)劃（2013—2020年）》[1]，將莆田市東圳水庫(kù)列入開(kāi)展生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的湖庫(kù)中。2015年?yáng)|圳水庫(kù)被納入中央財(cái)政資金支持范圍的湖庫(kù)。

東圳水庫(kù)擔(dān)負(fù)著為莆田市居民生活供水和保證莆田市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的任務(wù)，是莆田市的生命之水。但是自20世紀(jì)90年代以來(lái)，流域大面積開(kāi)墾山地建果園，造成了水土流失和化肥、農(nóng)藥等面源污染，庫(kù)區(qū)水體水質(zhì)受到一定程度的影響，生態(tài)系統(tǒng)有退化的趨勢(shì)[2]。筆者分析了東圳水庫(kù)流域主要污染物入庫(kù)通量，構(gòu)建了水庫(kù)二維水動(dòng)力水質(zhì)模型，對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，并提出相應(yīng)的水庫(kù)污染控制對(duì)策和建議，以期為莆田市開(kāi)展東圳水庫(kù)生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

東圳水庫(kù)位于木蘭溪支流延壽溪上，是一座集供水、灌溉、防洪和發(fā)電等功能于一體的綜合性大型水利樞紐工程。水庫(kù)于1958年6月興建，1960年4月竣工并投入運(yùn)行。水庫(kù)流域總面積 321 km2，多年平均降雨量1 710～1 970 mm/a，多年平均入庫(kù)水量3.13億m3/a，水庫(kù)總庫(kù)容4.35億m3[3-4]。東圳水庫(kù)已成為莆田市城廂區(qū)、荔城區(qū)、秀嶼區(qū)和湄洲島管委會(huì)等轄區(qū)150余萬(wàn)人口的生活飲用水源，同時(shí)也是該轄區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水主要水源[5]。

東圳水庫(kù)流域涉及常太鎮(zhèn)、鐘山鎮(zhèn)的大部分村莊和游洋、榜頭、蓋尾、華亭、鳳辦、西天尾、白沙9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn) 53個(gè)村及九鯉湖國(guó)家水利風(fēng)景區(qū)、九龍谷國(guó)家森林公園景區(qū)、東圳水庫(kù)省級(jí)水利風(fēng)景區(qū)（圖1）。

根據(jù)2010—2014年?yáng)|圳水庫(kù)例行水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，庫(kù)區(qū)總磷、總氮基本達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮等指標(biāo)達(dá)到 Ⅱ 類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2流域水污染現(xiàn)狀調(diào)查分析及預(yù)測(cè)

2.1污染源現(xiàn)狀

采用文獻(xiàn)查閱與經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合的方式進(jìn)行東圳水庫(kù)流域污染源現(xiàn)狀調(diào)查[6]，調(diào)查范圍為水庫(kù)流域的9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。據(jù)調(diào)查，流域范圍沒(méi)有工業(yè)和規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)，污染源主要來(lái)自農(nóng)業(yè)面源污染、城鎮(zhèn)生活污水、分散畜禽養(yǎng)殖、生活垃圾等。

由表1和圖2可知，東圳水庫(kù)流域污染負(fù)荷主要來(lái)自農(nóng)業(yè)面源、城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)村生活污水和生活垃圾等。農(nóng)業(yè)面源中化學(xué)需氧量（COD）、氨氮、總磷和總氮入庫(kù)量分別占流域污染負(fù)荷總?cè)霂?kù)量的56.40%、65.35%、66.59%和6785%，成為流域污染物的主要來(lái)源。這是由于流域內(nèi)分布5 733 hm2果樹(shù)林，主要種植枇杷，主要施用氮、磷、鉀等化肥及農(nóng)家肥，據(jù)統(tǒng)計(jì)，果園平均施用化肥量為3 075 kg/hm2（不包括農(nóng)家肥）[7]。施肥大部分采用挖坑淺埋的傳統(tǒng)方式，使得肥料存留于土壤表層，且果園土壤類(lèi)型為紅壤或赤紅壤，土層較薄，結(jié)構(gòu)疏松，極易引起水土流失[8]，造成大量肥料易隨降雨徑流進(jìn)入水體，最終進(jìn)入東圳水庫(kù)，對(duì)庫(kù)區(qū)水體造成污染。

2.2污染源預(yù)測(cè)

東圳水庫(kù)生態(tài)環(huán)境保護(hù)項(xiàng)目實(shí)施周期為2015—2018年，因此該污染源預(yù)測(cè)水平年為2018年。流域污染源預(yù)測(cè)時(shí)，以現(xiàn)狀年流域污染負(fù)荷為基礎(chǔ)，對(duì)于生活污水負(fù)荷，只考慮流域人口自然增長(zhǎng)引起的變化量；對(duì)于畜禽養(yǎng)殖污染，只考慮流域畜禽自然增長(zhǎng)引起的變化量；流域內(nèi)農(nóng)村耕作習(xí)慣不會(huì)發(fā)生大的變化，因此農(nóng)業(yè)面源污染會(huì)保持較穩(wěn)定狀態(tài)。

東圳水庫(kù)流域污染負(fù)荷入庫(kù)量預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2和圖3。由表2和圖3可知，2018年主要污染源仍為農(nóng)業(yè)面源污染，生活污染源隨著人口的增加而有所增加。

3.1模型方程

基于二維不可壓縮流體運(yùn)動(dòng)方程，構(gòu)建東圳水庫(kù)二維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)分析東圳水庫(kù)水質(zhì)變化情況，主要預(yù)測(cè)指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮和總磷。采用三維潮波方程沿深度積分推導(dǎo)得出二維不可壓縮流體運(yùn)動(dòng)方程[9-10]，即1個(gè)連續(xù)方程、2個(gè)運(yùn)動(dòng)方程和1個(gè)污染物守恒方程，基本方程如下：

式中，h為水深（m）；x、y為正交坐標(biāo)（m）；u、v為x、y方向的流速分量（m/s）；ρ為水的密度（kg/m3）；ρa(bǔ)為空氣的密度（kg/m3）；E為渦黏性系數(shù)；xx為x軸面的法線方向；yy為y軸面的法線方向，xy和yx分別為x和y方向的剪切方向（Pa·S）；g為重力加速度（m/s2）；z為庫(kù)底的高程（m）；n為糙率系數(shù)；γ2a為風(fēng)剪切應(yīng)力系數(shù)；ψ為風(fēng)的方向與x方向的逆時(shí)針夾角（0～360 °）；ω為地球自轉(zhuǎn)的角速度（rad/s）；φ為當(dāng)?shù)氐木暥?；C為庫(kù)中污染物的濃度（mg/L）；Dx、Dy為x、y方向的擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）；k為有機(jī)物的生物化學(xué)降解系數(shù)（d-1）；S為源匯項(xiàng)；t為時(shí)間（s）。

3.2計(jì)算范圍、網(wǎng)格及地形

模型上游邊界條件分別為延壽溪、院里溪、東太溪、西太溪等入庫(kù)斷面，模型下游邊界位于東圳水庫(kù)出口。采用三角形網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行剖分，地形復(fù)雜區(qū)域及工程臨近區(qū)域網(wǎng)格布置較密，網(wǎng)格間距50～100 m，網(wǎng)格數(shù)8 348個(gè)，采用三定點(diǎn)六節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)17 590個(gè)，地形插值如圖4所示。

3.3模型參數(shù)選擇

初始條件：水位初始值取計(jì)算常水位80.5 m，流速取為0，水質(zhì)初始值根據(jù)現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)情況取平均值輸入，初始值不同，計(jì)算中迭代次數(shù)不同，但不會(huì)影響最終模擬計(jì)算結(jié)果。

邊界條件：水庫(kù)的邊界條件有2類(lèi)，即開(kāi)邊界和閉邊界。水庫(kù)入流及出流邊界為開(kāi)邊界，陸地邊界為閉邊界。

流場(chǎng)計(jì)算時(shí)，在閉邊界上：Un=U*n（通常U*n=0）或者qn=q*n（通常q*n=0）。

在開(kāi)邊界上：對(duì)于入流邊界，有以下幾種情況：①Un=U*n，且Us=U*s；②qn=q*n， 且qs=q*s；③H=H*，且Us=U*s；④H=H*，且qs=q*s。

對(duì)于以上4種情況的入流邊界，通常Us=qs=0；出流邊界，H=H*。

式中，Un、Us為邊界上的外法向及切向速度分量；U*n、U*s為邊界上的外法向及切向速度分量給定值；qn、qs為邊界上的單位寬流量分量；q*n、q*s為邊界上的單位寬流量分量給定值；H為邊界上的水深；H*為邊界上水深給定值。

濃度場(chǎng)計(jì)算中，對(duì)于閉邊界，污染物濃度通量為0，即：

對(duì)于入流邊界條件，采用邊界點(diǎn)濃度控制邊界。對(duì)于出流邊界條件滿(mǎn)足：

式中，n為固邊界的外法矢量；Dn為垂直固邊界的擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）；〖AKV→〗n為流速在外法向方向的分量（m/s）；東圳水庫(kù)入流邊界采用流量界，出流邊界采用水位邊界。

計(jì)算參數(shù)：糙率系數(shù)，根據(jù)調(diào)試，在不同區(qū)域取不同糙率系數(shù)，在主槽n值取0.011～0.016，在灘地n取0.020～0030；綜合擴(kuò)散系數(shù)D取值根據(jù)艾爾德的理論推導(dǎo)：

式中，u*為摩阻流速（m/s）；h為平均水深（m）。

3.4預(yù)測(cè)結(jié)果

基于2018年污染負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，預(yù)測(cè)水平年?yáng)|圳水庫(kù)水質(zhì)變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖5～8。結(jié)果表明，2018年庫(kù)區(qū)高錳酸鹽指數(shù)和氨氮滿(mǎn)足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002） Ⅱ 類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，但是總氮和總磷濃度不滿(mǎn)足 Ⅲ 類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，受入庫(kù)河流來(lái)水影響，水庫(kù)水體中總磷濃度最大值出現(xiàn)在東太溪和西太溪入庫(kù)口區(qū)域，而總氮濃度最大值出現(xiàn)在延壽溪入庫(kù)口區(qū)域。

4東圳水庫(kù)保護(hù)對(duì)策

4.1實(shí)施退果還林

建議對(duì)流域內(nèi)坡度大于25 °的陡坡果園逐步還林還草，其中一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)677.13 hm2果園全面退果還林，種植其他闊葉樹(shù)種，改造成非桉樹(shù)闊葉林或針闊混交林，形成環(huán)庫(kù)緩沖帶。減少果園的面源污染和增加水源涵養(yǎng)能力，同時(shí)對(duì)入庫(kù)的水起到過(guò)濾、凈化吸收和攔截泥沙的作用，減少污染物入庫(kù)。

4.2對(duì)果園進(jìn)行改造，建設(shè)生態(tài)果園

流域內(nèi)果園面積大，普遍存在著開(kāi)墾混亂、水土保持措施不完善等問(wèn)題，致使水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，因此，必須對(duì)現(xiàn)有的果園進(jìn)行改造。針對(duì)果園現(xiàn)狀實(shí)施坡改梯、園面與梯壁生草及排水系統(tǒng)建設(shè)等水土保持綜合治理措施，同時(shí)嚴(yán)禁在25 °以上的陡坡地開(kāi)墾建果園。

4.3開(kāi)展農(nóng)村環(huán)境綜合整治，減少生活污染

實(shí)施流域生活污水治理，推行農(nóng)戶(hù)改廁，加快鎮(zhèn)村生活污水處理設(shè)施及收集管網(wǎng)建設(shè)，做到達(dá)標(biāo)排放或綜合利用，并加強(qiáng)對(duì)生活污水處理設(shè)施的運(yùn)營(yíng)管理。實(shí)施生活垃圾清運(yùn)保潔工作，徹底清除流域內(nèi)歷史堆放垃圾，配置垃圾箱、保潔車(chē)及運(yùn)輸車(chē)等設(shè)施，逐步推行垃圾保潔市場(chǎng)化運(yùn)作模式，徹底解決垃圾亂堆亂放、隨意傾倒等問(wèn)題。

4.4科學(xué)施用化肥和農(nóng)藥，減少農(nóng)業(yè)污染

采用“最佳管理措施”發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，改進(jìn)施肥技術(shù)，實(shí)施精準(zhǔn)施肥、測(cè)土施肥、平衡施肥，增施有機(jī)肥[11]，提倡使用生物菌肥，減少現(xiàn)有農(nóng)家肥尤其是豬糞使用量。同時(shí)，應(yīng)注意施肥方法，采用環(huán)狀溝施、條狀溝施或管灌液肥的辦法，減少肥料流失，從而降低對(duì)東圳水庫(kù)水體的有機(jī)污染。

堅(jiān)持“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的方針，嚴(yán)禁銷(xiāo)售或使用高毒、劇毒和高殘留農(nóng)藥，提倡使用廣譜、高效、低毒、低殘留農(nóng)藥和生物農(nóng)藥。建設(shè)果樹(shù)病蟲(chóng)測(cè)報(bào)站，及時(shí)掌握病蟲(chóng)發(fā)生期，保證準(zhǔn)確、適量用藥，也可以使用點(diǎn)燈誘殺等生物措施，減少農(nóng)藥的施用量。

5結(jié)論

該研究根據(jù)污染源現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果與污染源預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)了水平年?yáng)|圳水庫(kù)流域污染狀況，結(jié)果表明流域污染負(fù)荷主要來(lái)自農(nóng)業(yè)面源、城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)村生活污水和生活垃圾，其中農(nóng)業(yè)面源中COD、氨氮、總磷和總氮入庫(kù)量分別占流域污染負(fù)荷總?cè)霂?kù)量的54.15%、63.81%、64.97%和6501%，成為流域污染物的主要來(lái)源，而農(nóng)業(yè)面源中主要是果園徑流污染。

在構(gòu)建東圳水庫(kù)水域二維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，基于2018年污染負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，模擬預(yù)測(cè)水庫(kù)水環(huán)境變化趨勢(shì)，結(jié)果表明2018年水庫(kù)高錳酸鹽指數(shù)和氨氮能滿(mǎn)足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，但是總氮和總磷將不滿(mǎn)足Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)污染源調(diào)查及水質(zhì)影響預(yù)測(cè)結(jié)果，建議加強(qiáng)對(duì)東圳水庫(kù)水環(huán)境保護(hù)，重點(diǎn)開(kāi)展果園面源污染控制、生活污水收集處理及生活垃圾收集轉(zhuǎn)運(yùn)處置等項(xiàng)目。

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