閔志華

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶402160)

0 引 言

丹江口水庫是南水北調(diào)中線工程的調(diào)水水源地,其水質(zhì)好壞直接關(guān)系到工程的成敗。長期以來,丹江口水庫水質(zhì)總體良好,但總氮(TN)污染較為突出。根據(jù)GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行單因子評(píng)價(jià),若TN不參評(píng),庫區(qū)總體水質(zhì)可達(dá)到II類；若TN參評(píng),則只能達(dá)到IV標(biāo)準(zhǔn)。丹江口水庫水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,2005年～2014年10年間,水庫主要斷面TN濃度維持在1.1～1.5 mg/L左右。可見,TN已經(jīng)成為限制丹江口水庫水環(huán)境質(zhì)量的主要污染指標(biāo)。水體TN濃度過高導(dǎo)致營養(yǎng)鹽含量增加,引起水源地富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)問題。近期監(jiān)測結(jié)果表明,丹江口水庫局部區(qū)域葉綠素a的濃度最大值超過600 μg/L,有向富營養(yǎng)化發(fā)展的趨勢(shì)。水庫蓄水水位抬升后,特別是水域相對(duì)封閉的庫灣富營養(yǎng)化程度可能加劇,發(fā)生“水華”的風(fēng)險(xiǎn)增加。分析丹江口水庫近10年TN濃度的變化趨勢(shì)和時(shí)間變異特征,對(duì)掌握丹江口水庫整體水質(zhì)具有重要指導(dǎo)作用。

《丹江口庫區(qū)及上游水污染防治和水土保持“十二五”規(guī)劃》把“水庫總氮保持穩(wěn)定”作為規(guī)劃目標(biāo)之一納入水污染防治工作考核內(nèi)容?？偟猅N來源及防控對(duì)策得到國內(nèi)學(xué)者的普遍關(guān)注[1～3]；但由于丹江口水庫總氮濃度既受庫周面源的影響,也受漢江、丹江等干支流輸入影響,影響因素比較復(fù)雜,規(guī)劃工程措施對(duì)水庫總氮的控制作用仍然較為乏力。加之丹江口水庫及上游地區(qū)面積達(dá)9.52萬km2,涉及湖北、河南和陜西三省43個(gè)區(qū)縣,總氮污染來源和污染防治責(zé)任不明,是目前水庫總氮污染問題懸而不決的又一因素。分析入庫總氮污染負(fù)荷的分布及組成特征,有助于明確水庫總氮負(fù)荷的主要來源和劃定總氮污染重點(diǎn)防治區(qū)域,提出總氮的防治措施,有助于科學(xué)指導(dǎo)“十三五規(guī)劃”的制定與實(shí)施。

圖1 丹江口水庫各水質(zhì)斷面TN年均值變化

1 總氮污染現(xiàn)狀分析

1.1 庫體總氮污染現(xiàn)狀

相關(guān)流域機(jī)構(gòu)在丹江口水庫設(shè)置了4個(gè)常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測斷面,分別是浪河口下、壩上、陶岔、臺(tái)子山斷面。監(jiān)測頻次為1次/月,監(jiān)測指標(biāo)包括GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的24項(xiàng)常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)。

水庫各斷面TN濃度的年均值變化見圖1。壩上斷面TN濃度介于1.115～1.513 mg/L,整體上小幅增加。2009年處于最低水平,2010年開始升高,但近2年濃度稍有減少。按照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),絕大部分年份為IV類水質(zhì),部分年份甚至為V類。陶岔斷面TN濃度介于1.17～1.50 mg/L,整體上小幅增加。2008年和2009年出現(xiàn)低估,但近4年濃度逐年遞減。按照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),所有年份均為IV類水體,個(gè)別年份TN濃度已經(jīng)達(dá)到IV類水體的上限。臺(tái)子山斷面TN濃度介于1.173～1.549 mg/L,整體上小幅增加。2009年濃度較低,2010年突然升高,但隨后濃度有所減小。按照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),絕大部分年份均為IV類水體,部分年份甚至為V類水。浪河口下斷面TN濃度介于1.176～1.503 mg/L,整體上小幅增加。2009年到2012年逐年遞增,近2年開始有所減小。按照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),絕大部分年份均為IV類水體,個(gè)別年份甚至為V類水。

圖2 丹江口水庫16條入庫河流總氮年均濃度

1.2 入庫河流總氮污染現(xiàn)狀

為進(jìn)一步監(jiān)控丹江口入庫河流污染負(fù)荷的輸出情況,相關(guān)單位在直接匯入丹江口水庫的16條河流的河口設(shè)置了常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測斷面,這16條河流分別是將軍河、漢江、天河、堵河、犟河、神定河、泗河、劍河、官山河、浪河、曲遠(yuǎn)河、淘溝河、滔河、丹江、淇河、老鸛河,各河流水質(zhì)斷面見圖2(方便起見,各河流水質(zhì)監(jiān)測斷面名稱與河流名稱一致)。入庫河流水質(zhì)監(jiān)測頻次為2次/月,監(jiān)測指標(biāo)包括GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》24項(xiàng)常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)。入庫支流2012年～2014年TN年均濃度見圖2。從圖2可以看出,入庫河流TN濃度明顯高于水庫庫體,除漢江、淇河、淇河、滔河、曲遠(yuǎn)河、將軍河和淘谷河TN濃度為IV～V類以外,其他入庫河流TN濃度遠(yuǎn)超過地表水V類水標(biāo)準(zhǔn),均為劣V類。總體來看,丹江口水庫入庫支流TN污染比較突出,是丹江口水庫TN的主要污染來源。其中,漢江干流來水TN超過1.5 mg/L,為V類水質(zhì)；丹江來水TN超過4.0 mg/L,為劣V類水質(zhì)。

表1 16條主要入庫支流基本水文參數(shù)

表2 丹江口水庫6條主要入庫河流基流分割成果

2 總氮污染負(fù)荷來源解析

經(jīng)過近10年的水污染防治工作,丹江口水庫周圍點(diǎn)源已基本清除(除鄖縣縣城生活污水處理廠排污口外),其余污染物主要是經(jīng)過庫周支流匯入丹江口水庫。其中,漢江、天河、堵河、丹江、淇河和老灌河等6條河流為主要入庫河流,水利部門設(shè)置了水文站,可獲取2013年逐日流量數(shù)據(jù)。由表1可以看出,設(shè)置了水文站的6條入庫河流流域面積之和為86 549 km2,占丹江口大壩總集水面積9.52萬km2的90.9%；多年平均流量之和為1 179.5 m3/s,占總?cè)霂炝髁? 230.4 m3/s的95.9%。因此,闡明上述6條河流的入庫污染負(fù)荷特征,就可以說明丹江口水庫的TN污染負(fù)荷來源。

根據(jù)上述6條河流水文站的2013年逐日流量資料,采用基流分割法[4]得到了丹江口水庫6條主要入庫支流的河川基流量和地表徑流量(見表2)。2013年漢江、天河、堵河、丹江、淇河、老灌河的河川基流流量年平均值分別為229.56、4.90、37.79、7.71、1.54、2.04 m3/s,各條河流基流總量占總徑流量的比例為30.1%～52.1%。

結(jié)合各入庫河流2013年逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),采用通量法計(jì)算得到6條入庫河流流域點(diǎn)源污染負(fù)荷量、面源污染負(fù)荷量見表3。漢江干流是丹江口水庫總氮負(fù)荷最主要的來源,其負(fù)荷輸入量占到所有支流負(fù)荷總量的77%；堵河次之,貢獻(xiàn)了12%的總氮負(fù)荷；丹江貢獻(xiàn)了7%的總氮負(fù)荷；其他支流貢獻(xiàn)比例較少。

6條河流的面源對(duì)總氮負(fù)荷總量的貢獻(xiàn)比例范圍為40%～68%,其中堵河、漢江干流和淇河總氮的面源貢獻(xiàn)比例都超過60%,面源貢獻(xiàn)比例最低的為天河,丹江面源與點(diǎn)源對(duì)總氮的貢獻(xiàn)相當(dāng)。整個(gè)丹江口水庫TN負(fù)荷總量為35.61×103t,其中來自面源的TN入庫負(fù)荷量為21.53×103t,占TN總?cè)霂熵?fù)荷量的60%,可見,丹江口庫區(qū)面源污染已成為庫區(qū)TN變化的主導(dǎo)因素。

表3 丹江口水庫6條主要入庫河流TN污染負(fù)荷計(jì)算

3 TN組成結(jié)構(gòu)

水體中氮的存在形式主要分為氮?dú)?、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮和有機(jī)氮5大類。它們之間的相互轉(zhuǎn)化過程如圖3所示。在成分上,TN的定義是水中各種形態(tài)無機(jī)氮和有機(jī)氮的總量。

圖3 水中TN的不同形態(tài)相互轉(zhuǎn)化

3.1 硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮

現(xiàn)有TN各形態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示,丹江口水庫TN組成中以硝酸鹽氮為主,占TN含量58.2%～83.5%,平均占比66.2%。其中,龍口斷面的硝酸鹽氮含量占58.2%,白渡灘斷面的硝酸鹽含量占83.5%,表明庫內(nèi)氮的形態(tài)上處于輕微波動(dòng)狀態(tài)。河南省環(huán)境監(jiān)測中心相關(guān)監(jiān)測成果同樣表明[5],硝酸鹽氮是丹江口水庫TN的主要成分,且丹江口水庫亞硝酸鹽氮的含量約占硝酸鹽氮的10%左右。

3.2 氨氮

TN各形態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)中,氨氮占TN含量1.7%～3.4%,平均2.8%。其中,白渡灘的氨氮含量占1.7%,陶岔和莫家河的氨氮含量占3.4%,是白渡灘斷面氨氮占TN比例的2倍。根據(jù)長江流域水環(huán)境監(jiān)測中心2015年的在陶岔、臺(tái)子山、白渡灘、太平洋1和莫家河的監(jiān)測數(shù)據(jù),其氨氮占TN含量分別為14.2%,13.6%,11.9%,14.7%和13.5%,平均13.6%,約為2014年氨氮占TN含量比值的4.8倍。這些數(shù)據(jù)說明庫內(nèi)氨氮含量變幅較大。在以往的研究中也有類似的研究發(fā)現(xiàn),氨氮較TN和硝酸鹽氮輸出濃度要低,變化幅度會(huì)更大[6]。

3.3 有機(jī)氮

以往關(guān)于有機(jī)氮的研究受測量方法的局限,有機(jī)氮的含量一般為在分析TN和無機(jī)氮之后,兩者相減得到的結(jié)果；但是由于多次測量及儀器分析的誤差,有機(jī)氮的分析誤差往往被擴(kuò)大了。TN與無機(jī)氮的差值在0.30～0.73 mg/L之間,可認(rèn)為是有機(jī)氮的含量。此時(shí),有機(jī)氮占TN含量14.9%～39.6%,平均31.0%,其中白渡灘的有機(jī)氮含量占14.9%,龍口的有機(jī)氮含量占39.6%,約為白渡灘占比的2.6倍,說明庫內(nèi)有機(jī)氮含量變幅也較大。同時(shí),長江流域水環(huán)境監(jiān)測中心2015年的在陶岔、臺(tái)子山、白渡灘、太平洋1和莫家河的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,其有機(jī)氮占TN含量分別為27.7%,28.2%,25.3%,24.1%和26.6%,平均26.4%,較前一年有機(jī)氮占TN含量的比值下降4.6%,變幅較小。

4 總氮控制措施及對(duì)策

控制水源區(qū)總氮的對(duì)策主要是采取能夠削減污染物的措施。為此,建議從城鎮(zhèn)生活污染源、工業(yè)點(diǎn)源污染治理、清潔型小流域建設(shè)、庫岸帶生態(tài)緩沖帶建設(shè)和水庫水體營養(yǎng)鹽的凈化處理五大方面進(jìn)行總氮控制和治理。針對(duì)點(diǎn)源40%的總氮負(fù)荷貢獻(xiàn)比例,污染負(fù)荷的削減主要依靠建設(shè)污水處理廠和提標(biāo)改造、強(qiáng)化污水脫氮工藝、鋪設(shè)配套管網(wǎng),以及工業(yè)點(diǎn)源治理。針對(duì)面源60%的總氮負(fù)荷貢獻(xiàn)比例,污染負(fù)荷的削減主要依托清潔小流域建設(shè)、庫岸帶的生態(tài)緩沖帶建設(shè)和水庫水體營養(yǎng)鹽的凈化處理。

(1)開展城鎮(zhèn)生活污染源和工業(yè)點(diǎn)源污染治理?？紤]到庫區(qū)現(xiàn)有生活污染源和工業(yè)廢水處理基礎(chǔ),對(duì)現(xiàn)有污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)改造,強(qiáng)化污水脫氮工藝,研發(fā)適合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)水平的氮肥工業(yè)廢水總氮污染脫除關(guān)鍵技術(shù),并形成高效、低成本的總氮脫除集成技術(shù)系統(tǒng)及其運(yùn)行工藝,提高總氮排放標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于未建立污水處理措施的地區(qū),鋪設(shè)配套管網(wǎng),按照集中收集處理模式,興建污水處理設(shè)施,因地制宜的開展生活污水和工業(yè)廢水的收集和處理。

(2)開展清潔型小流域建設(shè)。重點(diǎn)關(guān)注農(nóng)村生活垃圾處理、農(nóng)村分散生活污水處理、農(nóng)田化肥農(nóng)藥減施、畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染防治及資源化利用等領(lǐng)域：①農(nóng)村生活垃圾處理。結(jié)合村落環(huán)境連片整治工程,針對(duì)農(nóng)村生活垃圾日益增多,多數(shù)直接拋棄,未進(jìn)行有效處理的現(xiàn)象,農(nóng)村生活垃圾污染日趨嚴(yán)重,垃圾處理設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后,農(nóng)村生活環(huán)境“臟、亂、差”及“白色污染”日趨嚴(yán)重的現(xiàn)狀,規(guī)劃農(nóng)村集中居民點(diǎn)建設(shè)生活垃圾堆放池、農(nóng)村垃圾集中垃圾處理站。②農(nóng)村分散生活污水處理。針對(duì)庫區(qū)生活水平較落后,環(huán)境衛(wèi)生狀況較差的現(xiàn)狀,農(nóng)村居民的生活污水基本未經(jīng)無害化處理,因村制宜地開展農(nóng)村生活污水治理,修建生活污水處理設(shè)施,對(duì)農(nóng)村生活污水進(jìn)行無害化處理。依據(jù)庫區(qū)及入庫支流周邊現(xiàn)有農(nóng)村居民居住的分散程度,對(duì)5戶以下的居民點(diǎn)采用沼氣池處理生活污水,對(duì)5～60戶的自然村落,采用集中收集處理模式。規(guī)劃措施主要包括：居民點(diǎn)排水溝渠改造、無動(dòng)力集中式污水處理措施、地埋式一體化污水處理措施等。③農(nóng)業(yè)面源污染防治。面源污染防治主要關(guān)注農(nóng)業(yè)種植、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖3種農(nóng)業(yè)面源污染類型。在分析現(xiàn)有農(nóng)業(yè)面源污染防治措施、技術(shù)及實(shí)施效果的基礎(chǔ)上,結(jié)合面源污染治理措施的實(shí)施,對(duì)農(nóng)業(yè)行政主管部門提出農(nóng)田種植減少化肥、農(nóng)藥施用的相關(guān)要求和管理建議,水產(chǎn)養(yǎng)殖的污染防治和對(duì)策等。畜禽養(yǎng)殖污水的處理和高效利用的具體措施：農(nóng)業(yè)種植面源污染防治包括雨水集蓄與再利用工程建設(shè)、生態(tài)溝渠建設(shè)、林地、草地隔離帶建設(shè)等；畜禽養(yǎng)殖廢棄物循環(huán)利用包括“一池三改”戶用沼氣、集中式糞污垃圾收集及轉(zhuǎn)運(yùn)站、畜禽糞便收集儲(chǔ)存及資源化設(shè)施等；農(nóng)村水產(chǎn)養(yǎng)殖污染防治包括生態(tài)浮島、漁業(yè)養(yǎng)殖廢水處理措施等。

(3)庫岸帶植被建設(shè)和恢復(fù)。建設(shè)庫岸帶植被緩沖帶,截留或吸收地表徑流總氮。在庫岸帶及淺水水域,由低向高依次種植沉水、挺水、濕生等植物,構(gòu)建成豐富多樣的生物群落,強(qiáng)化水庫生態(tài)功能和自凈能力,與庫周流域景觀尺度下構(gòu)建的以護(hù)坡林地、草地阻控帶等為骨架的徑流總氮攔截生態(tài)隔離帶共同形成多級(jí)阻控帶體系。

(4)水庫水體營養(yǎng)鹽的凈化處理：①河流入庫口建立前置庫,通過前置庫水生植物吸收、吸附和沉淀、絮凝作用,削減入庫TN含量,使進(jìn)入主庫區(qū)的TN含量降低；②人工植物浮島建設(shè),以浮床為載體,把高等水生植物或改良的陸生植物種植到庫區(qū)水面,通過植物根部的吸收、吸附和根際微生物的吸收和同化作用,削減水體中的總氮TN。

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