陳來(lái)華,蘇 飛,尹吉國(guó),何若英

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問(wèn)題的提出

保障飲用水安全關(guān)系到廣大人民群眾的生命安全。目前,我國(guó)大多數(shù)水庫(kù)已經(jīng)成為主要的集中式飲用水供水水源,庫(kù)區(qū)水質(zhì)成為公眾十分關(guān)心的問(wèn)題[1]。但隨著人口的增長(zhǎng)和生產(chǎn)的發(fā)展,人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境影響加劇,水質(zhì)惡化問(wèn)題越來(lái)越突出,已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重要制約因素,因而加強(qiáng)水源地的保護(hù)顯得尤為重要[2]。保護(hù)水資源、防止水污染已成為一項(xiàng)長(zhǎng)期的基本國(guó)策[3]。因此,開(kāi)展對(duì)水庫(kù)水源地保護(hù)的研究,確保供水安全,具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

楊溪水庫(kù)位于浙江省永康市境內(nèi),錢塘江流域的上游,是目前永康市境內(nèi)最大的一座以供水為主,結(jié)合防洪、發(fā)電等綜合利用的中型水庫(kù),集雨面積124 km2,總庫(kù)容6 453萬(wàn)m3[4],現(xiàn)狀供水量18萬(wàn)t/d,是永康市城區(qū)的主要供水水源。近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和庫(kù)區(qū)人類活動(dòng)的加劇,生活、養(yǎng)殖等點(diǎn)源污染,農(nóng)業(yè)面源污染等問(wèn)題比較突出,特別是隨著道路交通條件的改善,部分村民在庫(kù)區(qū)開(kāi)辦農(nóng)家樂(lè)等,直接影響了楊溪水庫(kù)的水質(zhì)。筆者對(duì)楊溪水庫(kù)的水質(zhì)變化規(guī)律進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè),提出了水源地污染防治控制措施。

2 庫(kù)區(qū)污染源負(fù)荷估算

庫(kù)區(qū)污染負(fù)荷排放量在2009年庫(kù)區(qū)污染源調(diào)查分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了主要污染物CODcr、氨氮、總氮、總磷的污染排放量和入庫(kù)量的估算,入庫(kù)系數(shù)參照全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南中的推薦值[5]。經(jīng)計(jì)算:庫(kù)區(qū)污染負(fù)荷排放量CODcr 1 002.8 t/a、氨氮178.3 t/a、總氮1 248.1 t/a、總磷492.1 t/a;污染負(fù)荷入庫(kù)量CODcr 437.0 t/a、氨氮73.2 t/a、總氮405.1 t/a、總磷154.4 t/a[6](見(jiàn)表1)。

表1 楊溪水庫(kù)水源地污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表t/a

3 現(xiàn)狀水質(zhì)評(píng)價(jià)

3.1 水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

楊溪水庫(kù)水質(zhì)評(píng)價(jià)采用資料翔實(shí)、齊全的2009年實(shí)測(cè)水質(zhì)資料,地表水質(zhì)評(píng)價(jià)按地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),采用單因子評(píng)價(jià)法。評(píng)價(jià)時(shí)段按全年平均、汛期、非汛期和年極大值分別統(tǒng)計(jì),水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,汛期、非汛期和年平均水質(zhì)均為III類水質(zhì),定類項(xiàng)目均為總氮,全年水質(zhì)極大值為IV類,出現(xiàn)在6月份。

表2 2009年楊溪水庫(kù)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)表

3.2 富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)按SL 395—2007地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程,采用分級(jí)評(píng)價(jià)法。由于水庫(kù)近幾年常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)中無(wú)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)指標(biāo)葉綠素a項(xiàng)目,因此取總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)見(jiàn)表3。由表3可知,汛期、非汛期、年平均和年極大值營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的評(píng)分值分別為44,44,43,47分,水質(zhì)均呈中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。

表3 楊溪水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)表

4 水源地水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)

4.1 入庫(kù)污染負(fù)荷預(yù)測(cè)

入庫(kù)污染負(fù)荷預(yù)測(cè)主要是針對(duì)現(xiàn)狀工況下,隨著庫(kù)區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,近期(2015年)和遠(yuǎn)期 (2020年)庫(kù)區(qū)污染物入庫(kù)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此,污染負(fù)荷預(yù)測(cè)點(diǎn)源和農(nóng)業(yè)面源污染維持現(xiàn)狀,人口年增長(zhǎng)率按永康市2008年的人口自然增長(zhǎng)率5.6‰[7],旅游人口近期按31萬(wàn)人、遠(yuǎn)期40萬(wàn)人計(jì)算。經(jīng)計(jì)算,2015年CODcr、氨氮、總氮、總磷入庫(kù)量分別為470,104,450,168 t/a;2020年CODcr、氨氮、總氮、總磷入庫(kù)量分別為502,115,472,187 t/a。預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 入庫(kù)污染負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果表 t/a

4.2 地表水質(zhì)預(yù)測(cè)

水庫(kù)水質(zhì)預(yù)測(cè)采用質(zhì)量平衡模型,表達(dá)式為:

式中:Qi為入庫(kù)流量(m3/d);Ci為入庫(kù)污染物濃度(mg/L);Qp為出庫(kù)流量(m3/d);C0為時(shí)段初水庫(kù)污染物濃度(mg/L);V0為初始水庫(kù)庫(kù)容(m3);Δ t為時(shí)段長(zhǎng)度(d);C為時(shí)段末出流污染物濃度(mg/L);V為時(shí)段末水庫(kù)庫(kù)容(m3);K為污染物降解速率(1/d)。

利用該模型計(jì)算2009年的水質(zhì)值,計(jì)算的水文條件和入庫(kù)負(fù)荷為:年出庫(kù)水量為6 254萬(wàn)m3,年入庫(kù)水量為6 143萬(wàn)m3,年初水庫(kù)蓄水量3 256萬(wàn)m3,年末水庫(kù)蓄水量2 961萬(wàn)m3,年初CODMn濃度為2.30 mg/L、NH3-N濃度為0.10 mg/L,CODMn和NH3-N的降解系數(shù)為 0.034 d-1和0.015 d-1,計(jì)算結(jié)果:CODMn濃度為2.57 mg/L(實(shí)際監(jiān)測(cè)值為2.71 mg/L),NH3-N濃度為0.15 mg/L(實(shí)際監(jiān)測(cè)值為0.13mg/L),可見(jiàn)CODMn、NH3-N的計(jì)算值和實(shí)際監(jiān)測(cè)值比較吻合。將表4中入庫(kù)污染負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果代入水質(zhì)模型,預(yù)測(cè)2020年水質(zhì)狀況,預(yù)測(cè)結(jié)果為:CODMn由現(xiàn)狀水質(zhì)2.71mg/L,增加到2020年的3.42 mg/L;NH3-N由現(xiàn)狀水質(zhì)0.13 mg/L,增加到2020年的0.19 mg/L。由預(yù)測(cè)結(jié)果可見(jiàn),至2020年,CODMn仍為II類水質(zhì),NH3-N由I類變?yōu)镮I類水質(zhì)。

4.3 富營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)

富營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)采用狄龍模型,表達(dá)式為:

式中:(N,P)為水庫(kù)水體中氮、磷濃度(mg/L);E為水庫(kù)單位面積氮、磷負(fù)荷量(g/m2);H為水庫(kù)平均深度(m);ρ為水力沖刷系數(shù),ρ=Q/V;V為水庫(kù)容積(m3);Q為入庫(kù)水量(m3);R為氮、磷滯留系數(shù),R=0.426×exp(-0.271 Qi)+0.547×exp(-0.00949 Qi);Qi為單位面積水量負(fù)荷(m);Qi=Q/A;A為水庫(kù)水面面積(m2)。

利用該模型計(jì)算2009年入庫(kù)負(fù)荷和水文條件下的總氮、總磷濃度,通過(guò)比較計(jì)算值和實(shí)際監(jiān)測(cè)值檢驗(yàn)入庫(kù)污染負(fù)荷估算值是否合理,如不合理需進(jìn)行調(diào)整。2009年計(jì)算條件為:水庫(kù)年平均水位為149.07 m,庫(kù)容V為3371萬(wàn)m3,水庫(kù)水面面積A為3.53 km2,單位面積水量負(fù)荷Qi為9.5m,年入庫(kù)水量為6 143萬(wàn)m3,水力沖刷系數(shù)ρ為1.82,水庫(kù)單位面積氮、磷負(fù)荷量分別為25.42,4.25g/m2,氮、磷滯留系數(shù)R為0.578。

將上述計(jì)算條件代入狄龍模型后,得2009年水質(zhì)計(jì)算結(jié)果為:總氮0.85 mg/L(實(shí)際監(jiān)測(cè)值為0.72 mg/L),總磷濃度0.017 mg/L(實(shí)際監(jiān)測(cè)值為0.02 mg/L),模擬結(jié)果與實(shí)際基本吻合。將表4中入庫(kù)污染負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果代入水質(zhì)模型,預(yù)測(cè)2020年水質(zhì)狀況,預(yù)測(cè)結(jié)果為:總氮由現(xiàn)狀0.72 mg/L增加到2020年的1.69 mg/L,總磷由現(xiàn)狀0.02 mg/L增加到2020年的0.084 mg/L。由預(yù)測(cè)結(jié)果可見(jiàn),至2020年,總氮將由現(xiàn)狀I(lǐng)II類水質(zhì)惡化為V類水質(zhì),總磷由現(xiàn)狀I(lǐng)I類水質(zhì)下降為Ⅳ類水質(zhì)。

4.4 污染負(fù)荷削減量

通過(guò)計(jì)算,水庫(kù)水質(zhì)恢復(fù)至飲用水水源地水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)需削減污染物的量值為:如果總氮從現(xiàn)狀年均水質(zhì)含量0.85 mg/L恢復(fù)至目標(biāo)水質(zhì)0.5 mg/L,需削減入庫(kù)總氮40%,要使全年各月水質(zhì)均達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)要求,總氮需削減65%;總磷年均水質(zhì)若滿足II類目標(biāo)要求,需削減入庫(kù)總磷20%,若全年各月水質(zhì)均達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)要求,則總磷需削減48%。

5 污染防治措施

5.1 庫(kù)區(qū)污染源防治

5.1.1 污水防治

對(duì)水源區(qū)各流域上游人口較少的村莊(200人以下),污水量小于5 m3/d,采用戶用生態(tài)污水處理池的工藝,以減少生活污水收集管網(wǎng)的工程量和投資。對(duì)于水源區(qū)上游分散居住,人口較多的村莊(200人以上),污水量大于5 m3/d,采用無(wú)動(dòng)力的污水處理設(shè)施。對(duì)人口較多、居住密集,且處于水源區(qū)各流域下游、離水庫(kù)較近的村莊,考慮聯(lián)村共建MBR污水處理站或單獨(dú)設(shè)置MBR污水處理站。據(jù)統(tǒng)計(jì),庫(kù)區(qū)累計(jì)共建115座戶用污水處理池和16座污水處理站。

5.1.2 人居環(huán)境防治

水源區(qū)內(nèi)各村將按人口比例修建水沖式公廁,其中1 000人以上的村莊修建3個(gè)公廁,500～1 000人的村莊修建2個(gè)公廁,500人以下的村莊修建1個(gè)公廁,要求公廁均為水沖式,取代傳統(tǒng)的旱廁。水源區(qū)內(nèi)各村均建立垃圾房,其中500人以上的村莊有1～2個(gè)垃圾房,并安排專門的保潔員,每天進(jìn)行垃圾的收集、清掃工作。生活垃圾房有攔蓄措施、衛(wèi)生措施和防滲措施,垃圾采取戶集、村收、鎮(zhèn)運(yùn)、市處理的3級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。

5.1.3 污染企業(yè)拆除

水源區(qū)內(nèi)的1家規(guī)模企業(yè),8家采石場(chǎng),1家石材加工廠,18家規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng),15家禽養(yǎng)殖戶,個(gè)體加油站和預(yù)制場(chǎng)各1家,水平距離100m范圍內(nèi)的所有小餐飲 (農(nóng)家樂(lè)),已在2011年6月底前全部關(guān)閉并拆除違章建筑。今后沿庫(kù)區(qū)公路、道路 (靠水庫(kù)一側(cè)),不得開(kāi)辦農(nóng)家樂(lè)、小餐飲。

5.1.4 農(nóng)業(yè)面源防治

在庫(kù)區(qū)各類污染源中,面源污染所占比重最大,并且無(wú)法采取類似點(diǎn)源污染的集中防治方法加以解決。因此,農(nóng)業(yè)面源污染防治主要采取削減源頭污染負(fù)荷,包括科學(xué)選用化肥農(nóng)藥、施用有機(jī)肥、推廣測(cè)土配方施肥技術(shù)和“節(jié)水減污”高產(chǎn)栽培技術(shù)等。庫(kù)區(qū)內(nèi)實(shí)施“節(jié)水減污”的耕地面積為6.67 hm2。

5.2 水環(huán)境防治

為減少底泥對(duì)水庫(kù)的二次污染,防止藻類的發(fā)生,應(yīng)實(shí)施庫(kù)區(qū)清淤工程。為確保水庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定,庫(kù)區(qū)清淤的實(shí)施區(qū)域?yàn)?平行主壩壩址線以上500 m,距水庫(kù)岸邊線30 m以外的區(qū)域?yàn)樗畮?kù)清淤范圍。深水區(qū)采用深水型環(huán)保絞吸式挖泥船進(jìn)行清淤,開(kāi)挖后的淤泥通過(guò)全封閉管道輸送至脫水處理站,并對(duì)淤泥進(jìn)行機(jī)械脫水處理,脫水后的干泥裝車外運(yùn)。經(jīng)計(jì)算,楊溪水庫(kù)庫(kù)區(qū)底泥清淤量為143萬(wàn)m3。

5.3 水土流失防治

庫(kù)區(qū)內(nèi)的水土流失防治可采取坡耕地改造、坡面蓄排水工程、裸露面防治等措施,改善原有土地的立地條件,增加地面植被覆蓋,減少化肥、農(nóng)藥等有害物質(zhì)隨水土流失進(jìn)入水體,控制農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)水體的危害。楊溪水庫(kù)對(duì)25°以下的面積為65 hm2的坡耕地進(jìn)行防治,坡面徑流調(diào)控修建蓄水池135座,截水溝39 km,排水溝17 km,礦山防治面積0.6 hm2,火燒跡地植被恢復(fù)26 hm2,村鎮(zhèn)周圍裸露地防治20 hm2,退耕還林還草7 hm2。

5.4 生態(tài)建設(shè)工程

5.4.1 生態(tài)河岸建設(shè)

在滿足防洪安全的前提下,通過(guò)工程措施與園林綠化措施,修筑植物的河道護(hù)坡,使徑流進(jìn)入河道前起到過(guò)濾和緩沖作用,同時(shí)也起到保護(hù)生態(tài)環(huán)境和美化河岸環(huán)境的作用。根據(jù)庫(kù)區(qū)河道現(xiàn)狀,實(shí)施生態(tài)護(hù)岸10 km。

5.4.2 人工濕地建設(shè)

在入庫(kù)河口建設(shè)人工濕地,使農(nóng)業(yè)面源污染物經(jīng)由濕地生物系統(tǒng)攔截得以凈化,可控制和減少庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)水庫(kù)水環(huán)境的危害,并根據(jù)楊溪水庫(kù)的地形特點(diǎn)和溪河廢污水處理的要求,布置2處人工濕地,建設(shè)面積分別為16,3 hm2。

5.4.3 生態(tài)滾水堰建設(shè)

為了攔截水源區(qū)河道的泥沙,減緩河道縱坡,可在河道沿線設(shè)置滾水堰,形成水面,起到改善村莊景觀、過(guò)壩水流曝氧和凈化入庫(kù)水質(zhì)等作用,因此,根據(jù)庫(kù)區(qū)河道特點(diǎn)設(shè)置簡(jiǎn)易滾水堰20處。

5.5 水質(zhì)監(jiān)測(cè)工程

為動(dòng)態(tài)掌握水庫(kù)水質(zhì)的污染狀況和變化趨勢(shì),實(shí)施科學(xué)管理,故在庫(kù)尾主要支流匯入處和自來(lái)水取水口處建設(shè)2座水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站。

6 防治措施效果預(yù)測(cè)估算

6.1 點(diǎn)源防治效果

若庫(kù)區(qū)現(xiàn)有的養(yǎng)豬場(chǎng)、養(yǎng)雞場(chǎng)、規(guī)模企業(yè)、采石場(chǎng)和農(nóng)家樂(lè)等拆除或搬出庫(kù)區(qū)。經(jīng)預(yù)測(cè)估算,可削減入庫(kù)CODcr 60.8 t/a,占入庫(kù)總負(fù)荷的14%;削減入庫(kù)氨氮5.0 t/a,占入庫(kù)總負(fù)荷的7%;削減入庫(kù)總氮10.1 t/a,占入庫(kù)負(fù)荷的2%;削減入庫(kù)總磷5.0 t/a,占入庫(kù)負(fù)荷的3%。

6.2 生活污水防治

通過(guò)在人口較少的村莊建生態(tài)污水處理池,在人口較多、分散的村莊建無(wú)動(dòng)力污水處理設(shè)施,在人口較多、密集的地方采用MBR污水處理站等工程措施,處理后的污水達(dá)標(biāo)排放,即CODcr、氨氮、總氮、總磷排放濃度分別為60,15,20,0.5 mg/L,與處理前的污水相比,削減入庫(kù)CODcr 72.6 t/a,占入庫(kù)總量的17%;削減入庫(kù)氨氮17.5 t/a,占入庫(kù)總量的24%;削減入庫(kù)總氮21.3 t/a,占入庫(kù)總量的5%;削減入庫(kù)總磷2.5 t/a,占入庫(kù)總量的2%。

6.3 生態(tài)工程

通過(guò)在楊溪水庫(kù)庫(kù)尾和巖后溪入庫(kù)處建立2處人工濕地,利用濕地生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和生物作用機(jī)制,降低廢污水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度。根據(jù)浙江省紹興縣湯浦水庫(kù)人工濕地的調(diào)研等資料,其凈化效果一般為:CODcr去除率達(dá)60%左右,氨氮去除率達(dá)70%左右,總氮、總磷的去除率為30%～50%。

通過(guò)主要河道清淤清污工程、生態(tài)護(hù)岸工程、生態(tài)滾水堰工程等,促進(jìn)了河道生態(tài)功能恢復(fù),提高了河道自凈能力,同時(shí)生態(tài)護(hù)岸工程能阻斷污染源和河流之間的直接聯(lián)系,減少污染物直接入庫(kù)量。

6.4 水土保持

通過(guò)營(yíng)造水源涵養(yǎng)林、坡耕地改造、坡面徑流控制、村莊裸露面防治等水土保持工程,使得庫(kù)區(qū)植被覆蓋率達(dá)95%以上,水力侵蝕量減少80%以上,現(xiàn)狀水土流失嚴(yán)重地區(qū)基本得到控制,減少入庫(kù)面源污染負(fù)荷。

實(shí)施以上工程后,總氮、總磷的削減量可達(dá)削減現(xiàn)狀負(fù)荷的65%,48%的預(yù)期目標(biāo),同時(shí)入庫(kù)氨氮等污染負(fù)荷也將明顯減少,庫(kù)區(qū)水質(zhì)可恢復(fù)至II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

7 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)楊溪水庫(kù)水質(zhì)安全及富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià)后可知,當(dāng)前楊溪水庫(kù)最主要的污染因子為總氮,年均水質(zhì)為III類,個(gè)別月份為IV類;其次的污染因子為總磷,年均水質(zhì)為II～I(xiàn)II類。富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)為中營(yíng)養(yǎng)化。

在庫(kù)區(qū)污染源負(fù)荷調(diào)查估算的基礎(chǔ)上,對(duì)主要污染因子進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè),結(jié)果表明,至2020年總氮和總磷均不滿足目標(biāo)水質(zhì)的要求。為此,計(jì)算了恢復(fù)至飲用水水源地水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)需削減污染物的量值,提出了庫(kù)區(qū)污染源防治措施,并預(yù)測(cè)估算了工程實(shí)施后的防治效果。研究成果對(duì)楊溪水庫(kù)水源地污染源防治工程的實(shí)施具有較好的指導(dǎo)意義,并可對(duì)其它水庫(kù)水源地的保護(hù)提供借鑒。

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