洋河水庫流域納污能力及消減量分析

陳平

摘要[目的]分析洋河水庫流域納污能力及消減量。[方法]在統(tǒng)計分析洋河水庫流域污染物負荷量的基礎上，根據(jù)水環(huán)境數(shù)學模型，結合流域內(nèi)各個子流域控制單元的污染狀況、水質(zhì)現(xiàn)狀和水質(zhì)管理目標，計算多年平均、50%保證率和75%保證率水量條件下各個子流域控制單元的主要污染指標（TN、TP、COD、NH3-N）水體納污能力及消減量。[結果]多年平均水量條件下TN、TP、COD、NH3-N的水環(huán)境容量分別為428.26、144.19、1 845.28、182.56 t/a；庫區(qū)和西洋河支流的污染物消減量最大，為今后重點污染治理的區(qū)域。[結論]該研究可為洋河水庫流域面源污染防治及消減提供理論依據(jù)。

關鍵詞污染物負荷；納污能力；消減量；控制單元；洋河水庫流域

中圖分類號X26文獻標識碼A文章編號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，隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，出現(xiàn)了資源的不合理開發(fā)利用及能源過度消耗等問題，導致污染物排放量急劇增加。流域水環(huán)境污染已成為當今社會面臨的主要災害之一[1-3]。流域生態(tài)環(huán)境惡化引起的湖泊、水庫富營養(yǎng)化嚴重影響水資源的可持續(xù)發(fā)展及人類健康生活，尤其是城市供水水源地水庫水體的污染。為了緩解流域水環(huán)境問題，改善流域水環(huán)境健康，促進流域水資源更加合理的利用，實現(xiàn)我國社會經(jīng)濟與環(huán)境資源的和諧發(fā)展，流域實施污染物總量控制刻不容緩[3-4]。在水資源保護和水質(zhì)改善工程規(guī)劃中，污染物排放量消減是一項重要工作。如何確定污染物消減量和制訂消減量，并分配到排放口是規(guī)劃的重要內(nèi)容[5-7]。

水域納污能力（Pollution Receiving Capacity）是指對一定水域，根據(jù)其自然凈化能力，在特定的污染源布局和結構下，為達到一定的水質(zhì)目標值，所允許的污染物最大排放量。水域納污能力是水污染防控規(guī)劃的主要約束條件，是水質(zhì)目標管理的基本依據(jù)[8-11]?？刂茊卧鳛榱饔蛩|(zhì)目標管理中的一個基本實施單位，在水域納污能力的核算中，對于科學制訂控制單元的總容量控制規(guī)劃具有重要意義[12]。洋河水庫是秦皇島市主要城市供水水源地之一，近30年來，流域內(nèi)人口迅速增加，周邊村社城鎮(zhèn)化腳步的加快，流域內(nèi)人均排污量及各種農(nóng)牧業(yè)污染物的排放量持續(xù)增加，大量農(nóng)藥、化肥、牲畜糞便、垃圾等進入庫區(qū)，致使水庫水質(zhì)不斷惡化，嚴重影響城市供水安全[13]。筆者研究了洋河水庫流域水體納污能力及消減量，旨在為當?shù)毓芾聿块T提供必要的技術支持和管理依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

洋河水庫位于秦皇島市撫寧區(qū)大灣子村北，1959年10月興建，1961年8月建成并投入使用，總庫容3.86 億m3，是一座以防洪為主，兼顧城市供水、灌溉及發(fā)電等綜合利用任務的大（Ⅱ）型水利樞紐工程。洋河水庫流域呈從東北向西南走向的不規(guī)則狹長矩形區(qū)域，東西長約42.7 km，南北寬約37.7 km，流域覆蓋面積755 km2。洋河流域地勢東北高西南低，境內(nèi)較大支流主要有東洋河、西洋河、迷霧河和麻姑營河（圖1）。

洋河流域屬暖溫帶半濕潤大陸性季風型氣候，極端最高氣溫39.9 ℃，極端最低氣溫-24.0 ℃，年平均氣溫10.2 ℃。封凍期自12月中旬至翌年2月底，長約80 d，凍土層深度0.8～1.2 m。流域位于燕山迎風山區(qū)，多年平均降水量750 mm，水量較充沛，洋河水庫多年平均徑流量1.69億m3。全年降水量約80%集中于汛期（6—9月），較大暴雨多出現(xiàn)在7、8月。

洋河水庫流域包括撫寧、盧龍和青龍3個縣7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)242個村莊。流域上游農(nóng)民的經(jīng)濟收入來源主要由農(nóng)林產(chǎn)品收入、外出務工和在當?shù)匕l(fā)展養(yǎng)殖業(yè)構成。

1.2數(shù)據(jù)收集與調(diào)查

以村為單元，以2013年為基準年，分類收集洋河水庫流域各項農(nóng)事活動與人居活動涉及的原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源：全國第一次污染源普查數(shù)據(jù)（秦皇島市）《2014年秦皇島統(tǒng)計年鑒》《2014年盧龍統(tǒng)計年鑒》《2014年青龍縣統(tǒng)計年鑒》《2014年撫寧統(tǒng)計年鑒》《2014年河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》及實地調(diào)研、問卷調(diào)查和相關部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)資料，同時收集用于負荷核算的相關參數(shù)。

洋河水庫流域的氣象數(shù)據(jù)主要來源于洋河水庫流域水文站、氣象站的實測數(shù)據(jù)，其中包括1970—2015年的氣象數(shù)據(jù)。

1.3污染物負荷計算

依據(jù)污染源形成特點，將研究區(qū)域非點源污染源劃分為農(nóng)村生活污水、固體廢棄物、畜禽養(yǎng)殖、化肥流失、水土流失和城鎮(zhèn)地表徑流攜帶物六大類。各類污染負荷的估算系數(shù)根據(jù)相關文獻[14]及《河北省水資源質(zhì)量評價》（2004年）確定?；谳敵鱿禂?shù)負荷計算，采用清單分析方法，核算5類面源污染來源的TN、TP、NH3-N、COD的排

放負荷。

生活源污染負荷產(chǎn)生量：

W1=n×C（1）

式中，W1為生活源污染負荷產(chǎn)生量（kg/a）；n為人口數(shù)（人）；C為生活污水或固體廢棄物污染人均排放量[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為畜禽養(yǎng)殖量（只）；α為某畜禽糞便排泄系數(shù)；β為某畜禽糞便中污染物平均含量[kg/（a·只）]。

化肥流失量：化肥施用量采用相關統(tǒng)計年鑒中統(tǒng)計值的折中量。

TN=（氮肥+復合肥×0.3+磷肥×0.185）×20%（3）

TP=（磷肥+復合肥×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為流域隨泥沙運移輸出的污染物（t）；Wi為某一種土地利用類型單位面積泥沙流失量（t/km2）；Ai為某一種土地利用類型面積（km2）；ERi為污染物富集系數(shù)；Ci為土壤中TN、TP平均含量（mg/kg）。

城鎮(zhèn)地表徑流污染：

L=R×C×A×10-6（7）

式中，L為城鎮(zhèn)地表徑流年負荷量（kg）；R為年徑流量（mm）；C為徑流污染物平均濃度（mg/L）；A為集水區(qū)面積（m2）。

對于洋河水庫流域，沒有直接可供使用的當?shù)匚廴疚锱欧畔禂?shù)，主要依賴于類比方法對流域面源污染進行分析。各種污染物污染參數(shù)見表1。

1.4流域納污能力計算

1.4.1水文設計條件。

設計流量是最基本的河流水文參數(shù)，它不僅直接影響其他水文參數(shù)，而且在河流水環(huán)境容量的計算中至關重要[15]。在水文上，流域一般會有較明顯的年際變化特性，對流域的水環(huán)境管理分別按多年平均、50%保證率的水量、75%保證率的水量水文設計條件計算。洋河水庫入庫徑流頻率分析見表2。

1.4.2洋河水庫流域空間元的劃分。

實現(xiàn)以空間元為基本單位的污染物消減控制技術是從源頭上改善流域水環(huán)境的主要措施，也是最有效的措施。為此，首先要構建237個空間元（圖2中黑色數(shù)字）與35個子流域（圖2中紅色數(shù)字）的空間拓撲關系（圖2）。

1.4.3水質(zhì)目標值。

根據(jù)《全國重要江河湖泊水功能區(qū)劃》（2011—2030年）及《河北省水功能區(qū)劃》，洋河水庫是飲用水源地，屬二級水功能區(qū)，水質(zhì)標準應符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ 類標準。另外參考秦皇島市關于洋河水入庫水質(zhì)的要求（Ⅱ 類達標天數(shù)不低于80%，Ⅲ 類水質(zhì)達標天數(shù)為100%），將洋河水庫上游主干河道全部河段的水質(zhì)目標設定為 Ⅱ，通過計算水域納污能力，確定河段所在空間元的污染物消減量，以實現(xiàn)洋河水庫水源地生態(tài)保護的最終目的。

1.4.4流域納污能力計算方法。水域納污能力計算模型：

W=86.4[Q0（CS-C0）+kVCS86 400+qCS]（8）

式中，W為水域容許納污量（kg/d）；Q0為上河段來水設計流量（m3/s）；CS為計算河段水質(zhì)標準（mg/L）；C0為上河段水質(zhì)標準（mg/L）；k為污染物降解系數(shù)（1/d）；V為計算河段水體體積（m3）；q為支流匯入流量（m3/s）。

考慮不同水文設計條件平衡概念，子流域內(nèi)的污染物量為子流域內(nèi)初始污染物量、周邊子流域污染物隨水流進入、流出子流域污染物凈通量和污染物衰減量之和。從子流域到河段的污染物輸移過程計算模式如下：

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表示子流域污染物濃度（遷移濃度選擇由流動方向確定）（mg/L）；Qpi表示子流域間的交換水量（萬m3）；Vei表示子流域內(nèi)污染物衰減量（t）。

子流域濃度采用總污染物量與總水量的平均概念，公式表示為

Cei=KeiWe0iQei（10）

式中，Kei表示子流域污染物分布系數(shù)，與子流域植被、坡度和徑流水量有關，單位量綱為L-1。

計算過程以子流域級別為順序，實現(xiàn)逐級匯流和污染物遷移，在此過程中控制推求空間元的污染物消減率，使整個子流域對應的河段水質(zhì)目標達到 Ⅱ 類水標準，整個過程通過Fortran編程實現(xiàn)，最終的消減成果映射到空間元。

2結果與分析

2.1流域污染物負荷量

由表3可知，2013年洋河水庫流域6個面源污染來源（農(nóng)村生活污水、固體廢棄物、畜禽養(yǎng)殖流失、化肥流失、水土流失污染和城鎮(zhèn)地表徑流污染）、4個污染物指標（TN、TP、NH3-N、COD）的排放負荷總量為55 900.55 t/a，入河量為3 476.70 t/a。其中，COD的產(chǎn)生量和入河量最大，分別為41 645.72和2 519.53 t/a，所占比重均超過70%；其次為TN，排放量和入河量分別為7 798.94和567.43 t/a，所占比重分別為13.95%和16.32%；TP和NH3-N所占比例較少，約為5%。以上數(shù)據(jù)可得，對洋河水庫流域污染影響較大的污染物是COD和TN。

在6種面源污染源輸出量中，洋河水庫流域污染主要貢獻源是畜禽養(yǎng)殖，每年產(chǎn)生量約為51 621.34 t/a，入河量為2 961.52 t/a，所占比重分別為92.34%和85.18%；其次是化肥流失，每年產(chǎn)生3 279.64 t/a，為5.87%，入河量為377.00 t/a，所占比重為10.84%；農(nóng)村生活污水、固體廢棄物、水土流失量和城鎮(zhèn)地表徑流污染產(chǎn)生量和入河量所占比重較少，約為2%。

2.2流域納污量和消減量

水體的環(huán)境納污能力與其污染消減量是實施總量控制的重要依據(jù)。結合洋河水庫水功能區(qū)的劃分及水質(zhì)目標要求，運用水域納污能力模型對洋河水庫流域污染物納污量和消減量進行計算。由表4可知，洋河水庫流域在多年平均水量條件下對污染物TN、TP、COD、NH3-N的水環(huán)境容量分別為428.26、144.19、1 845.28、182.56 t/a，消減量分別為139.17、26.07、674.25、36.92 t/a。

75%保證率水量條件下污染物的水環(huán)境容量比多年平均水量和50%保證率水量小，而消減量大于多年平均水量和50%保證率水量。

洋河水庫流域內(nèi)不同支流區(qū)段的主要污染指標消減量差異較大。如圖3所示，TN、TP和NH3-N的消減量均為庫區(qū)最大，占整個流域各個污染物總消減量的50%左右；其次是西洋河和東洋河支流，迷霧河和麻河的消減量較小。COD的消減量在各個支流的分布特征與其他污染物略有不同，以西洋河支流最大，所占比重為80%；其次是東洋河支流，所占比重為15%。在目前的水質(zhì)目標下，雖部分河段對應的空間元無需處理，但絕大數(shù)河段水質(zhì)嚴重超標，必須采取相關工程與非工程措施，從源頭上、污染物遷移過程中進行消減控制。

3結論與討論

水體納污能力是流域污染物總量控制及水環(huán)境管理的基本依據(jù)，關系到流域水質(zhì)目標的實現(xiàn)。洋河水庫作為秦皇島市的重要飲用水水源地，對其納污能力進行分析，不僅可以有效地利用其水環(huán)境容量資源，還可為該流域水環(huán)境管理從目標總量控制向容量總量控制轉變提供科技支撐。筆者根據(jù)洋河水庫的水文特征和水質(zhì)目標，結合污染現(xiàn)狀，采用水質(zhì)模型和水域納污能力模型，得出各個控制單元、支流的主要污染指標（TN、TP、COD、NH3-N）納污能力和消減量。洋河水庫流域多年平均水量時期TN、TP、COD、NH3-N的水環(huán)境容量分別為428.26、144.19、1 845.28、182.56 t/a，消減量分別為139.17、26.07、674.25、36.92 t/a，均大于50%和75%保證率水量時期的各個污染物納污能力。分析其原因，水體納污能力大小與水體流量密切相關[11-13]，流量較大時河流的納污能力較大，流量小時納污能力隨之減小。近年來，洋河水庫流域水量降低的主要因素一方面是流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水量大，利用率低。目前，洋河水庫流域每年向農(nóng)業(yè)供水0.7億m3/a，占總用水量的53.80%；另一方面是上游流域大力興建水利工程，分流了大量水資源，隔斷水的正常流動，使洋河水庫上游流域流量減少，部分河段出現(xiàn)斷流。因此，在洋河水庫流域今后的規(guī)劃中，為了使流域內(nèi)各個控制單元達到目標水質(zhì)，對流域進行統(tǒng)一控制管理，通過對上游閘壩的實時調(diào)控，使下游河段流量保持在一定的范圍內(nèi)，從而達到提高河段水體納污能力的目的，改善河流水質(zhì)，實現(xiàn)流域水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度。

洋河水庫流域內(nèi)各個支流區(qū)段的主要污染物消減量顯示庫區(qū)和西洋河支流最大。主要是西洋河支流內(nèi)結構性污染嚴重，該水系內(nèi)除工業(yè)和生活污水污染外，大量淀粉加工廠廢水的排入是造成洋河水庫水體污染的另一個主要原因。大量的淀粉廢水除了滲漏、蒸發(fā)等作用外，被排入河流后進入庫區(qū)，對水庫水質(zhì)產(chǎn)生了較大污染，也導致水體中的高氮、磷含量。劉娜[16]通過對洋河水庫西洋河支流上游淀粉廢水的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，廢水中氮、磷等營養(yǎng)鹽的含量很高。這說明西洋河支流的淀粉廢水已成為洋河水庫水體污染的主要污染源之一。

以上分析可知，洋河水庫流域污染物減排任務艱巨，應對重點污染物河段進行排污控制和重點整治。為降低污染負荷，應在流域內(nèi)開展產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整，針對洋河水庫流域淀粉加工廢水的產(chǎn)生量、污染物濃度及流域缺水的特點，淀粉加工廢水應采用集中收集處理與分散處理相結合，采用生物接觸氧化工藝處理，處理后廢水可用于農(nóng)田水利灌溉；控制農(nóng)業(yè)面源污染可采用“源頭控制與節(jié)流相結合”方法進行治理，“源頭控制”即對農(nóng)田采取科學的施肥方式，使農(nóng)田中的養(yǎng)分保持平衡，減少氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的積累量與流失量。“節(jié)流”即控制水土流失，減少氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的流失量；采取末端治理的方法，將重點河道入庫口處的灘地合理利用，建成人工濕地或者生物廊道，利用水生生物及水生態(tài)環(huán)境生物鏈系統(tǒng)達到去除水體中氮、磷和其他污染物質(zhì)的目的。

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