南方某主要供水水庫氮磷來源分析及控制對策

張 巧，楊 晟，張 建，謝幫蜜，尹 雪，朱婷婷，彭盛華，孟海濤

(1.深圳市環(huán)境科學(xué)研究院，國家環(huán)境保護飲用水水源地管理技術(shù)重點實驗室，深圳市飲用水源地安全保障重點實驗室，深圳市水環(huán)境中新型污染物檢測與控制重點實驗室，廣東 深圳518001； 2.淄博職業(yè)學(xué)院化學(xué)工程系，山東 淄博 2553314)

0 引 言

飲用水安全問題是社會公共安全的一個重要組成部分，直接關(guān)系到人民健康、社會穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展。近年來，我國突發(fā)環(huán)境事件不斷發(fā)生，對群眾飲水安全造成嚴(yán)重威脅，飲用水安全問題已經(jīng)引起了全社會高度重視。水體富營養(yǎng)化是我國最突出的水環(huán)境問題之一，根據(jù)國際經(jīng)濟發(fā)展合作組織(OECD)的定義，富營養(yǎng)化的成因為水體中營養(yǎng)鹽的增加導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)的功能退化，這將嚴(yán)重威脅供水安全[1,2]。因此，控制飲用水源氮、磷等營養(yǎng)鹽污染是保護飲用水安全的關(guān)鍵。華南某市為資源型缺水城市，主要以境內(nèi)陸域水庫等蓄水工程和入庫河流為主要水源。作為典型的城區(qū)型水源地，建成區(qū)占比高，且分布有大量工業(yè)企業(yè)和居民區(qū)，人類活動將增加河流氮、磷輸入，并在下游水庫不斷累積，導(dǎo)致水源水庫受氮、磷污染風(fēng)險高[3,4]。S水庫為該市主要供水水庫之一，集雨面積64 km2，近5年平均供水量1.44 億m3，處于城市建成區(qū)包圍中，外源水量占比高達88%，水質(zhì)受流域內(nèi)污染源和境外引水水源水質(zhì)共同影響。根據(jù)近年水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，該水庫總氮和總磷指標(biāo)達標(biāo)形勢嚴(yán)峻，處于中營養(yǎng)狀態(tài)，存在供水安全風(fēng)險[5]。本文以該水庫為研究對象，通過監(jiān)測和調(diào)查分析手段，摸清其氮磷污染負荷來源及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，評估該水源水庫氮磷污染風(fēng)險，研究制定氮磷污染控制對策，為該市飲用水源地管理和飲用水安全保障提供技術(shù)支撐。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域調(diào)查

S水庫分布有7條入庫支流，其中R4為S水庫與其他水庫聯(lián)通渠，R6和R7水量小，水質(zhì)相對較好，對水庫水質(zhì)影響小。R1、R2、R3和R5均流經(jīng)建成區(qū)，污水收集管網(wǎng)不完善，其中R1、R3和R5水質(zhì)長期劣Ⅴ類。R1來水旱季被截排不入庫，雨季來水超過截排量后入庫；R2建有人工濕地，且上游河道已進行截污，進水水質(zhì)相對較好，旱季來水處理效果及出水水質(zhì)較好，但雨季上游截污設(shè)施溢流導(dǎo)致水質(zhì)變差，且來水超過濕地處理能力，部分水未經(jīng)處理直接入庫；R3無任何處理設(shè)施，旱季及雨季來水皆直接入庫；R5建有人工濕地，但來水污染物濃度高，去除效果較差，處理后出水直接入庫。此外，S水庫流域內(nèi)還存在24.06 km2的集雨區(qū)不屬于入庫支流的流域范圍，區(qū)域匯水通過散流入庫。因此，污染物進入S水庫的主要途徑包括R1～R3、R5四條支流，外來水源及雨季散流。S水庫子流域劃分見表1，入庫支流照片見圖1。

表1 S水庫子流域劃分Tab.1 Watershed subdivision of S reservoir

圖1 入庫支流照片F(xiàn)ig.1 Photos of tributaries to the reservoir

1.2 采樣點位及監(jiān)測方法

采樣點位布設(shè)于S水庫入水口，支流R1～R3、R5污水處理設(shè)施出水口(見圖2)。監(jiān)測頻率為每月一次，監(jiān)測指標(biāo)為氨氮、總氮、總磷等，監(jiān)測方法依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)[6]。

圖2 采樣點位布設(shè)圖Fig.2 Map of the sampling sites

1.3 入庫氮磷負荷計算方法[7-11]

1.3.1 入庫支流核算方法

根據(jù)入庫氮磷負荷來源特征，采取不同方法對入庫負荷進行核算。

(1)入庫流量計算方法。根據(jù)入庫支流是否存在截排工程，采用不同方法計算入庫水量及污染負荷。

若存在截排工程，需綜合考慮不同降雨情景下，支流上游來水情況及截排能力，分析是否存在溢流，以計算溢流量。入庫流量Q按如下公式計算：

(1)

式中：Q0為支流旱季基流；Q1為截排工程的截排流量；Q2為降雨徑流流量。

采用廣東省綜合單位線法進行匯流分析，以計算各入庫支流逐小時來水降雨徑流流量。

(2)入庫污染負荷計算方法。入庫污染負荷為全部入庫水量與對應(yīng)污染物濃度的乘積的求和：

m=∑QC

(2)

對于有截排工程存在的支流，以其降雨過程中徑流污染物濃度的平均值(基于水量的加權(quán)平均值)作為入庫污染物濃度。對于未截排的支流，降雨徑流入庫污染負荷和基流入庫污染負荷分開計算。其中，以降雨過程中徑流污染物濃度的平均值(基于水量的加權(quán)平均值)作為降雨徑流入庫污染物濃度，以枯水期支流水質(zhì)監(jiān)測值作為基流入庫污染物濃度。

1.3.2 散流入庫氮磷負荷核算方法

入庫支流流域范圍僅占水庫全部流域范圍的一部分，對于不從支流入庫的部分流域，本文全部按照散流入庫面源污染進行氮磷負荷核算。S水庫散流入庫流域內(nèi)建成區(qū)1.92 km2，林地18 km2，果園1.92 km2，農(nóng)田菜地1.2 km2，其他0.96 km2。散流入庫水量亦采用徑流系數(shù)法計算，入庫污染負荷為入庫水量與對應(yīng)面源污染物平均濃度的乘積，公式如：

(3)

面源污染物濃度主要受地表土地利用類型影響，本研究采用綜合EMC作為各散流入庫區(qū)面源污染物平均濃度。不同土地利用類型的面源污染物濃度計算系數(shù)K如表2所示。

表2 面源污染物濃度計算系數(shù)K取值 mg/L

各散流入庫區(qū)的面源污染物平均濃度(綜合EMC)采用土地利用類型加權(quán)平均計算得到：

(4)

式中：Kij為用地類型i的第j類污染物濃度計算系數(shù)，mg/L；Ai為該散流入庫區(qū)用地類型i的面積，km2；Cj為該散流入庫區(qū)綜合EMC，mg/L。

1.3.3 引水工程外源入庫氮磷負荷核算方法

引水工程外源入庫污染負荷為入庫水量與對應(yīng)污染物濃度的乘積，公式為m=QC。Q通過水庫的調(diào)度報表獲得，C為對應(yīng)月份污染物監(jiān)測濃度(多次監(jiān)測取平均值)。

2 結(jié)果與討論

2.1 入庫流量核算

經(jīng)計算得出R1的單位降雨流量過程線，結(jié)果如圖3所示。

圖3 R1降雨流量過程線(1 mm)Fig.3 Flow procedure lines produced by precipitation of R1 (1 mm)

采用上述單位降雨流量過程線，根據(jù)流域內(nèi)雨量站全年逐小時降雨數(shù)據(jù)，按1.3.1節(jié)計算方法得出， R1全年累計開閘泄洪時間為881 h，總泄洪量492 萬m3；R2、R3和R5降雨徑流入庫流量分別為824、212、892 萬m3。

R2河水為流域內(nèi)少量未被收集的污水，旱季基流量很小，約500 m3/d，因此計算時段內(nèi)旱季基流入庫流量為15.5 萬m3；R3旱季基流量約600 m3/d，計算時段內(nèi)旱季基流入庫流量為18.6 萬m3；R5旱季基流量約8 000 m3/d，計算時段內(nèi)旱季基流入庫流量為248 萬m3。

參照1.3.2節(jié)對散流入庫水量進行計算，結(jié)果顯示S水庫通過散流入庫水量為2 045 萬m3。通過對S水庫調(diào)度報表統(tǒng)計，得到S水庫外調(diào)水量約為45 819 萬m3。

2.2 入庫污染負荷核算

通過不同途徑進入S水庫的水量及污染物平均濃度如表3所示?？梢钥闯?，S水庫全年入庫水量中外來引水量(45 819 萬m3)>支流入庫水量(2 702 萬m3)>散流入庫水量(2 045 萬m3)，在支流入庫水量中R5(1 140 萬m3) >R2(839.5 萬m3)>R1(492 萬m3)>R3(230.6 萬m3)，在4條支流入庫水量中占比最高的為降雨徑流量和溢流流量。各支流入庫污染物平均濃度均遠超地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，散流入庫總磷略超Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，外來引水總氮偏高，超過1 mg/L(Ⅲ類水限值)。從R2、R3和R5降雨徑流和旱季基流污染物濃度來看，R2雨季水質(zhì)劣于旱季水質(zhì)，這是由于旱季污水被截流，雨季河道上游截流污水溢流導(dǎo)致水質(zhì)變差；R3、R5雨季水質(zhì)明顯優(yōu)于旱季，是由于以上兩條支流旱季污染物超標(biāo)嚴(yán)重，在降雨期間污染物得到雨水徑流稀釋所致。經(jīng)綜合核算，NH3-N、TN和TP全年入庫污染負荷量分別為134.3、796.1和48.5 t。

可以看出，S水庫NH3-N和TP污染負荷來源主要是本地源，占總污染負荷的90%和81%。TN污染負荷來源主要是外來引水，占比67%。在本地污染源中以入庫支流污染負荷為主，在入庫支流中對NH3-N和TP污染負荷貢獻量最大的是R5支流，污染負荷占比為40%和21%；此外，R1、R2對NH3-N和TP污染負荷貢獻都較大，R3對入庫污染負荷的貢獻較小。本地源中，散流入庫對TP污染負荷貢獻也比較突出，可達21%。總體而言，S水庫本地氨氮、總磷污染較為嚴(yán)重，而本地源中又以R5流域的污染最為嚴(yán)重。這主要是由于R5的旱季及雨季來水基本全部入庫，且有大量污水排入河道，水質(zhì)較差所致。此外，S水庫外來引水中的TN污染不容忽視。

表3 入庫水量、污染物濃度及污染負荷核算表Tab.3 Accounting table of storage water quantity, pollutant concentration and pollution load

3 入庫污染控制策略

(1)本地點源污染控制策略。對流域內(nèi)雨污水管網(wǎng)進行排查，對老舊管網(wǎng)進行改造，對缺失管網(wǎng)進行新建。特別是R5流域內(nèi)上游和下游兩條支渠流域內(nèi)管網(wǎng)缺失嚴(yán)重且排污量較大，建議優(yōu)先完善該流域內(nèi)支管建設(shè)，將支管收集的污水接入規(guī)劃排污主管；其次，逐步完善R5中游暗涵流域內(nèi)污水支管的建設(shè)，將流域內(nèi)產(chǎn)生的污水通過污水管網(wǎng)輸送至污水處理廠處理，不再進入人工濕地，人工濕地僅用于處理未納入污水管網(wǎng)的河道基流河水及初期雨水的處理。以雨污分流為原則，完善R1流域內(nèi)九圍社區(qū)內(nèi)的管網(wǎng)建設(shè)，特別是九圍新村內(nèi)管網(wǎng)建設(shè)，將R1污水收集至污水干管中，輸送至污水處理廠進行處理。

圖4 S水庫污染負荷來源構(gòu)成Fig.4 Source of pollution load in S reservoir

(2)本地面源污染控制策略。對于建成區(qū)面源污染而言，應(yīng)加快雨污分流制管網(wǎng)的建設(shè)，對流域內(nèi)初期雨水進行收集，在流域內(nèi)污水全部進入管網(wǎng)后，將現(xiàn)有濕地用于初期雨水的處理。對于保護區(qū)內(nèi)的菜地、果園、花卉苗圃，可通過控制農(nóng)藥、化肥的使用種類、施肥方式，減少污染物的產(chǎn)生，還可通過在菜地、果園、花卉苗圃周圍建設(shè)溝渠，減少徑流產(chǎn)生量。

(3)外來調(diào)水污染控制策略。S水庫引水工程來水比例大，是污染負荷重要來源之一，引水工程來水不僅受來水水源水質(zhì)影響，還受前端水庫流域污染的影響。因此，一方面需要對前端水庫流域進行治理、加強管理來降低來水污染負荷；另一方面需要通過跨市協(xié)調(diào)推動引水水源水質(zhì)保護工作來解決境外引水工程來水水質(zhì)問題。