孫小利 王建躍

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 北京 100048)

1 概述

烏龜溪水庫(kù)位于美國(guó)堪薩斯市的西北部,水庫(kù)的下游就是5萬(wàn)人口的曼哈頓市。水庫(kù)的功能為防洪、水上娛樂(lè)、漁業(yè)、飲用水源和水生物棲息地?？値?kù)容為27.17億m3,其中防洪庫(kù)容為23.47億m3,多功能庫(kù)容為3.69億m3。水庫(kù)上游河流主要有大小布盧河與布萊克沃米林河,河流流域面積為24864km2。大小布盧河流域大部分都在內(nèi)布拉斯加州,只有 25%在堪薩斯州。流域內(nèi)共有農(nóng)田298500ha,占流域面積的47.4%;牧場(chǎng)247870ha,占流域面積的39.36%;林地44120ha,占流域面積的7.01%。流域內(nèi)年均降雨量為800mm左右。烏龜溪水庫(kù)形狀為一狹長(zhǎng)型水庫(kù),兩個(gè)分汊在測(cè)點(diǎn)11以上匯合 (圖1)。流域年均入流量為,22.94億m3。水庫(kù)水位有三個(gè)蓄水水位臨界值,水庫(kù)多功能水位為327.66m,季節(jié)性洪水水位控制在327.66～346.25m,臨界最高水位控制在346.25～352.59m之間。根據(jù)圖2所示,在1996～2006年的監(jiān)測(cè)時(shí)段,水位大部分時(shí)間是處于329.18m以下?？梢哉J(rèn)為水庫(kù)是長(zhǎng)期處于低水位運(yùn)行[1]。根據(jù)連續(xù)十年水質(zhì)監(jiān)測(cè),水庫(kù)水質(zhì)已經(jīng)處于富營(yíng)養(yǎng)化的狀態(tài),而且水中水藻生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)元素氮磷比十分適合有害藍(lán)綠藻的生長(zhǎng)。這些營(yíng)養(yǎng)鹽的來(lái)源主要來(lái)自農(nóng)牧業(yè)的非點(diǎn)源污染。

2 水庫(kù)水體營(yíng)養(yǎng)鹽狀況

流域內(nèi)水質(zhì)狀況的基本特征應(yīng)體現(xiàn)在流域的終端,即烏龜溪水庫(kù)水質(zhì)的變化。美國(guó)工程兵師團(tuán)(ACoE)連續(xù)數(shù)十年對(duì)烏龜溪水庫(kù)水中營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。其中連續(xù)10年監(jiān)測(cè)資料表明:在該地區(qū)監(jiān)測(cè)的18座水庫(kù)中,烏龜溪水庫(kù)保持著最高總氮 (TN)濃度中值和第二高的總磷 (TP)濃度值。高濃度營(yíng)養(yǎng)鹽導(dǎo)致了水庫(kù)水體高度營(yíng)養(yǎng)化。在水庫(kù)中部的總氮濃度中值變化在2.1～2.3mg/L之間 (測(cè)點(diǎn)3、8和11)。入流 (測(cè)點(diǎn) 30和32)的總氮 (TN)濃度值中值在1.6～2.6mg/L的范圍之間。出流 (測(cè)點(diǎn)27)總氮濃度中值為2.3mg/L。這些氮濃度值已經(jīng)超過(guò)了EPA的建議該地區(qū)水體營(yíng)養(yǎng)化0.36mg/L的臨界值。圖4中測(cè)點(diǎn)30的值顯示了在監(jiān)測(cè)期間大小布盧流域內(nèi)所總氮負(fù)荷的變化情況。

磷元素也是水藻生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)鹽之一。在水庫(kù)中部的總磷濃度中值的范圍在0.27～0.33mg/L(測(cè)點(diǎn)3、8和 11)。入流 (測(cè)點(diǎn) 30和32)的總磷 (TP)濃度值中值在0.3～0.56mg/L的范圍。出流 (測(cè)點(diǎn) 27)總磷濃度中值為0.25 mg/L(圖5)。這些磷濃度值已經(jīng)超過(guò)了EPA的建議該地區(qū)水體營(yíng)養(yǎng)化0.02mg/L的臨界值,也超過(guò)了水庫(kù)超營(yíng)養(yǎng)化0.10mg/L的臨界標(biāo)準(zhǔn)。氮磷比可以用來(lái)確定水體內(nèi)生長(zhǎng)占優(yōu)勢(shì)的水藻群落的指標(biāo)。當(dāng)?shù)妆却笥?0∶1時(shí),水體中生長(zhǎng)著所期望占優(yōu)勢(shì)水藻群落。當(dāng)?shù)妆刃∮?2∶1時(shí),水體中生長(zhǎng)著占主導(dǎo)的有害的蘭綠藻群落,有可能產(chǎn)生蘭綠藻的暴發(fā)。正如圖3、5中所示,在所有測(cè)點(diǎn),氮磷比每月和每年都有較高的變化值。水庫(kù)內(nèi)三個(gè)的測(cè)點(diǎn)氮磷比都小于12,這就標(biāo)志著水庫(kù)處于蘭綠藻暴發(fā)的危險(xiǎn)中。但在上游來(lái)水的豐水年,較高的氮磷比變化又可能中和了可能出現(xiàn)的蘭綠藻暴發(fā)的威脅。但水庫(kù)的排水已經(jīng)對(duì)下游水體形成危害。2008年堪薩斯州健康和環(huán)境部 (KDHE)和EPA將大小布盧河下游流域列入水質(zhì)惡化的 “303d目錄”[2]。

圖1 烏龜溪水庫(kù)流域平面圖

圖2 烏龜溪水庫(kù)1996至2006年水位過(guò)程線

圖3 烏龜溪水庫(kù)1996至2006年各測(cè)點(diǎn)表層水樣的總氮濃度箱線圖

圖4 烏龜溪水庫(kù)1996至2006年第30測(cè)點(diǎn)表層水樣總氮濃度

圖5 烏龜溪水庫(kù)1996至2006年各測(cè)點(diǎn)表層水樣的總磷濃度箱線圖

3 流域非點(diǎn)源污染的治理

在烏龜溪水庫(kù)水庫(kù)上游,營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷絕對(duì)部分來(lái)自非點(diǎn)源的地表徑流。對(duì)烏龜溪水庫(kù)水質(zhì)的惡化和流域非點(diǎn)源污染的狀況,美國(guó)環(huán)保署 (EPA)對(duì)堪薩斯州立大學(xué)與流域和水庫(kù)的利益相關(guān)者領(lǐng)導(dǎo)委員會(huì) (T he Stakeholder Leadership Team ST L)予以針對(duì)性的授權(quán)和贊助。對(duì)于非點(diǎn)源污染的治理,主要側(cè)重于防治。EPA資助ST L用于推進(jìn)烏龜溪水庫(kù)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)改善目的和實(shí)施流域恢復(fù)和保護(hù)方式計(jì)劃 (Watershed Restoration and Protection Strategy WRARS)。其WRARS的內(nèi)容主要包括:

(1)對(duì)一些關(guān)鍵的小流域的農(nóng)牧業(yè)確定和實(shí)施最佳管理措施 (BMPs);確定最佳管理措施主要是根據(jù)當(dāng)?shù)氐耐寥?、地形、降雨、牧?chǎng)位置和農(nóng)作物種類等流域的具體情況[4]。烏龜溪水庫(kù)流域的BMPs主要包括兩個(gè)方面:①推廣連續(xù)免耕法;②在溪流兩岸建立緩沖和過(guò)濾帶[2]。

(2)對(duì)流域和水庫(kù)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè),以對(duì)已采用最佳管理措施 (BMPs)的小流域產(chǎn)生地表徑流中的泥沙、營(yíng)養(yǎng)鹽、除草劑和細(xì)菌含量的減少的量實(shí)施細(xì)化和量化,以及在流域的未端 (水庫(kù))檢驗(yàn)治理的成果。

在2007年,STL召開了會(huì)議,制訂了烏龜溪水庫(kù)流域修復(fù)和保護(hù)目標(biāo):

保護(hù)和恢復(fù)全流域的水質(zhì);

保護(hù)烏龜溪水庫(kù)的供水和蓄水的能力;

保護(hù)烏龜溪水庫(kù)的娛樂(lè)功能;

保護(hù)和改善流域內(nèi)野生動(dòng)物棲息地;

保護(hù)全流域的農(nóng)田的生產(chǎn)能力。

2008年以前,在水庫(kù)上游流域已經(jīng)采用4種普通BMPs措施,即緩沖帶、免耕、有草覆蓋的排水溝和土表面下的施肥方法。根據(jù)地面測(cè)量出2008年當(dāng)時(shí)采用4種普通BMPs農(nóng)田面積,占整個(gè)流域農(nóng)田的比率見(jiàn)表一。根據(jù)流域的農(nóng)場(chǎng)主的接受能力、資金效益和污染物減排的效力,ST L確定BMPs的具體方案。STL還負(fù)責(zé)布置和安排流域內(nèi)居民所接受的BMPs。在這種過(guò)程的一開始,在STL的會(huì)議上進(jìn)行討論,得出他們認(rèn)為可接受的和會(huì)產(chǎn)生明顯減排效果BMPs目錄協(xié)議。在會(huì)議上,每一單項(xiàng)在BMPs目錄進(jìn)行排序,以排出這些單項(xiàng)的順序。最終目錄中前農(nóng)業(yè)前4(或5項(xiàng),肥料管理和施肥方式可以認(rèn)為是一項(xiàng))、牧畜業(yè)的前四項(xiàng)和溪流岸坡的一項(xiàng)被采用 (見(jiàn)表1)。

在2000年4月發(fā)布美國(guó)湖泊與水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)物基準(zhǔn)技術(shù)指南,幫助各州建立水體的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度基準(zhǔn)。該基準(zhǔn)是政府強(qiáng)制執(zhí)行天然水體污染控制工作的基礎(chǔ)。根據(jù)該技術(shù)指南,我們可以看到,美國(guó)環(huán)保局主要采用控磷來(lái)治理水庫(kù)水華。水庫(kù)的相關(guān)機(jī)構(gòu)確定對(duì)于營(yíng)養(yǎng)鹽的治理是以降低總磷為目標(biāo),烏龜溪水庫(kù)水體最終總磷濃度＜50μ g/L。

堪薩斯州立大學(xué)生物和農(nóng)業(yè)系應(yīng)用土壤和水評(píng)估(SWAT)模型對(duì)大小布盧河流域進(jìn)行分析。SWAT模型是一種估算來(lái)自地表沖刷流入溪流的營(yíng)養(yǎng)鹽和泥沙污染年均負(fù)荷評(píng)估工具。通過(guò)SWAT模型計(jì)算,可以得出每一個(gè)小流域年均負(fù)荷。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí),在流域內(nèi)最高負(fù)荷大于70%～80%的其它小流域和區(qū)域的區(qū)域則被選為實(shí)行農(nóng)田和牧場(chǎng)BMPs的優(yōu)先治理關(guān)鍵區(qū)域。通過(guò)威斯康星大學(xué)進(jìn)行的SWAT模型研究表明:在整個(gè)流域,通過(guò)模型有針對(duì)性優(yōu)化BMP的布置和定位要比以前隨意布置 BMPs收效要好的多。因此SLT將治理區(qū)域的BMP布置主要用于減少來(lái)自農(nóng)田和牧場(chǎng)徑流中的泥沙、營(yíng)養(yǎng)鹽和大腸桿菌等。對(duì)確定治理的流域?qū)⒃趦蓚€(gè)方面進(jìn)行:

(1)在農(nóng)田和牧場(chǎng)區(qū)實(shí)行泥砂、磷、大腸桿菌和阿特拉津的減排治理;

(2)實(shí)行防治溪流岸坡沖刷,以減少溪流中的泥砂。

值得注意的是農(nóng)田的 BMPs也有減少產(chǎn)生泥砂的明顯效果,而反過(guò)來(lái)實(shí)施這些治理泥砂的BMPs也將降低總磷的排放。

表1 為解決烏龜溪水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化,根據(jù)SLT確定的最佳管理措施(BM Ps)和計(jì)劃實(shí)施的面積或項(xiàng)目

目前估計(jì)大小布盧河流域的總磷負(fù)荷約為8690t/a(不包括布萊克沃米林河流域)。在經(jīng)過(guò)模型40年的模擬,如果所有的BMPs得到實(shí)施,將在烏龜溪水庫(kù)上游流域內(nèi)實(shí)現(xiàn)1271t/a的總磷減排量,為總減排量的16.2%。

由于大量的磷來(lái)自位于內(nèi)布拉斯加州的大小布盧河的上游,堪薩斯州流域部分的總磷減排量還不能滿足TMDL。

為滿足TMDL,必須加強(qiáng)與內(nèi)布拉斯加州的合作。在烏龜溪水庫(kù)上游流域的減排量要達(dá)到7909t/a,才能滿足烏龜溪水庫(kù)總磷負(fù)荷為860t/a的TMDL要求。

表2 模型40年的模擬結(jié)果

牧場(chǎng)最佳管理措施(BMP)

經(jīng)過(guò)40年的治理,WRAPS項(xiàng)目將改善全流域和烏龜溪水庫(kù)的水質(zhì)狀況。

在烏龜溪水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)是非常重要的。任何水質(zhì)的改善將會(huì)被在流域末端的水體(烏龜溪水庫(kù))體現(xiàn)出來(lái)。所帶來(lái)的社會(huì)效益也會(huì)由來(lái)烏龜溪水庫(kù)旅游的人數(shù)體現(xiàn)出來(lái),公眾往往喜歡一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)健康水庫(kù),好享受水庫(kù)水上和岸上的活動(dòng)。

堪薩斯州健康和環(huán)境部要求水庫(kù)水質(zhì)清澈,無(wú)水藻暴發(fā)。水庫(kù)和溪流內(nèi)水體總磷濃度要達(dá)到平均小于0.2mg/L階段目標(biāo)。

在執(zhí)行過(guò)程中,為了改善水質(zhì),SLT將繼續(xù)評(píng)估和修正流域整個(gè)治理計(jì)劃,設(shè)立新的目標(biāo)和實(shí)施新的BMPs。每五年SLT和KDHE將共同討論治理的基準(zhǔn)和更新 TDM L計(jì)劃。利用KDHE和ACoE的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),包括治理水質(zhì)的階段目標(biāo)參數(shù)之一(總磷含量),將被用于評(píng)估減輕污染負(fù)荷措施的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

美國(guó)對(duì)于由于非點(diǎn)源污染造成的水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化的治理,主要測(cè)重于小流域的防治。

考慮到流域內(nèi)農(nóng)場(chǎng)主經(jīng)營(yíng)的分散性和不規(guī)律性,BMP是目前有效治理農(nóng)牧業(yè)非點(diǎn)源污染的最有效方式,并已經(jīng)開始在烏龜溪水庫(kù)流域和其它流域進(jìn)行小規(guī)模的應(yīng)用。

在流域內(nèi)較大范圍應(yīng)用BMP,利用SWAT模型模擬進(jìn)行優(yōu)化和總磷減排的細(xì)化和量化,顯然要比在流域內(nèi)隨意布置BMP更顯得“有的放矢”,從而提高改進(jìn)治理非點(diǎn)源污染的效率。

1 US Army Corps of Engineers Kansas City District.2006 Annual Water Quality Program Report.April 2007

2 K·State Research and Extension,Kansas State University and Stakeholder Leadership Team Tuttle Creek Lake Watershed Restoration and Protection Strategy,June 2,2010

3 黃衛(wèi)東.美國(guó)Onondaga湖治理過(guò)程的啟示,環(huán)境科學(xué)與工程,200812,page 11-14

4 Dr.Thomas Simpson and Sarah Weammert,Developing Nitrogen,Phosphorus and Sediment Reduction Efficiencies for Tributary Strategy Practices,the University of Maryland,March,2009