李莉 蔡金傍 陳梅 陳玉東 劉臣煒

摘要根據(jù)污染源現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果與污染源預測方法，預測了水平年東圳水庫流域污染負荷。結(jié)果表明，流域污染負荷主要來自農(nóng)業(yè)面源、生活污水和生活垃圾，其中農(nóng)業(yè)面源是流域最大污染源，而農(nóng)業(yè)面源中主要是果園徑流污染。在構(gòu)建東圳水庫水域二維水流水質(zhì)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，基于流域污染負荷預測結(jié)果，模擬分析庫區(qū)水環(huán)境變化趨勢，結(jié)果為庫區(qū)總氮和總磷將難以滿足Ⅲ類水質(zhì)標準要求。根據(jù)污染源調(diào)查及水質(zhì)影響預測結(jié)果，建議加強對東圳水庫水環(huán)境保護，重點開展果園面源污染控制、生活污水收集處理及生活垃圾收集轉(zhuǎn)運處置等項目。

關(guān)鍵詞東圳水庫；污染負荷；水質(zhì)模型；水質(zhì)預測

中圖分類號X524文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）05-0047-04

AbstractBased on the status of pollution load and its prediction methods， the pollution load of level year of Dongzhen Reservoir basin was predicted. The results showed that the pollution mainly came from agricultural nonpoint source pollution， domestic sewage and domestic garbage， of which orchard nonpoint pollution was the major source. Based on the prediction results of pollution load Dongzhen Reservoir basin， a twodimensional water quality mathematical model was constructed for the purpose of evaluating the change trend of water quality. The results showed that total nitrogen and total phosphorus cant meet Grade III of Surface Water Quality Standard. Consequently， it was suggested to strengthen environmental protection of Dongzhen Reservoir， focusing on orchard nonpoint source pollution control， domestic sewage and garbage disposal.

Key wordsDongzhen Reservoir；Pollution load；Water quality model；Water quality prediction

基金項目“十二五”國家科技支撐計劃（2014BAL02B04-02）。

作者簡介李莉（1986—），女，福建莆田人，工程師，碩士，從事環(huán)境監(jiān)測、飲用水源保護、生態(tài)保護研究。*通訊作者，副研究員，博士，從事湖庫水環(huán)境保護研究。

收稿日期2016-12-31

為貫徹落實黨中央、國務院“讓江河湖泊休養(yǎng)生息”和十八大及十八屆三中全會關(guān)于“生態(tài)文明建設(shè)”的戰(zhàn)略部署，加快對水質(zhì)較好湖泊（含水庫）的保護，避免眾多水質(zhì)較好湖泊走“先污染、后治理”的老路，環(huán)境保護部、國家發(fā)改委、財政部印發(fā)了《水質(zhì)較好湖泊生態(tài)環(huán)境保護總體規(guī)劃（2013—2020年）》[1]，將莆田市東圳水庫列入開展生態(tài)環(huán)境保護工作的湖庫中。2015年東圳水庫被納入中央財政資金支持范圍的湖庫。

東圳水庫擔負著為莆田市居民生活供水和保證莆田市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的任務，是莆田市的生命之水。但是自20世紀90年代以來，流域大面積開墾山地建果園，造成了水土流失和化肥、農(nóng)藥等面源污染，庫區(qū)水體水質(zhì)受到一定程度的影響，生態(tài)系統(tǒng)有退化的趨勢[2]。筆者分析了東圳水庫流域主要污染物入庫通量，構(gòu)建了水庫二維水動力水質(zhì)模型，對庫區(qū)水質(zhì)變化趨勢進行預測分析，并提出相應的水庫污染控制對策和建議，以期為莆田市開展東圳水庫生態(tài)環(huán)境保護研究提供科學依據(jù)。

1研究區(qū)概況

東圳水庫位于木蘭溪支流延壽溪上，是一座集供水、灌溉、防洪和發(fā)電等功能于一體的綜合性大型水利樞紐工程。水庫于1958年6月興建，1960年4月竣工并投入運行。水庫流域總面積 321 km2，多年平均降雨量1 710～1 970 mm/a，多年平均入庫水量3.13億m3/a，水庫總庫容4.35億m3[3-4]。東圳水庫已成為莆田市城廂區(qū)、荔城區(qū)、秀嶼區(qū)和湄洲島管委會等轄區(qū)150余萬人口的生活飲用水源，同時也是該轄區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水主要水源[5]。

東圳水庫流域涉及常太鎮(zhèn)、鐘山鎮(zhèn)的大部分村莊和游洋、榜頭、蓋尾、華亭、鳳辦、西天尾、白沙9個鄉(xiāng)鎮(zhèn) 53個村及九鯉湖國家水利風景區(qū)、九龍谷國家森林公園景區(qū)、東圳水庫省級水利風景區(qū)（圖1）。

根據(jù)2010—2014年東圳水庫例行水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，庫區(qū)總磷、總氮基本達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類水質(zhì)標準要求，高錳酸鹽指數(shù)、氨氮等指標達到 Ⅱ 類水質(zhì)標準要求。

2流域水污染現(xiàn)狀調(diào)查分析及預測

2.1污染源現(xiàn)狀

采用文獻查閱與經(jīng)驗公式相結(jié)合的方式進行東圳水庫流域污染源現(xiàn)狀調(diào)查[6]，調(diào)查范圍為水庫流域的9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。據(jù)調(diào)查，流域范圍沒有工業(yè)和規(guī)?；B(yǎng)殖場，污染源主要來自農(nóng)業(yè)面源污染、城鎮(zhèn)生活污水、分散畜禽養(yǎng)殖、生活垃圾等。

由表1和圖2可知，東圳水庫流域污染負荷主要來自農(nóng)業(yè)面源、城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)村生活污水和生活垃圾等。農(nóng)業(yè)面源中化學需氧量（COD）、氨氮、總磷和總氮入庫量分別占流域污染負荷總?cè)霂炝康?6.40%、65.35%、66.59%和6785%，成為流域污染物的主要來源。這是由于流域內(nèi)分布5 733 hm2果樹林，主要種植枇杷，主要施用氮、磷、鉀等化肥及農(nóng)家肥，據(jù)統(tǒng)計，果園平均施用化肥量為3 075 kg/hm2（不包括農(nóng)家肥）[7]。施肥大部分采用挖坑淺埋的傳統(tǒng)方式，使得肥料存留于土壤表層，且果園土壤類型為紅壤或赤紅壤，土層較薄，結(jié)構(gòu)疏松，極易引起水土流失[8]，造成大量肥料易隨降雨徑流進入水體，最終進入東圳水庫，對庫區(qū)水體造成污染。

2.2污染源預測

東圳水庫生態(tài)環(huán)境保護項目實施周期為2015—2018年，因此該污染源預測水平年為2018年。流域污染源預測時，以現(xiàn)狀年流域污染負荷為基礎(chǔ)，對于生活污水負荷，只考慮流域人口自然增長引起的變化量；對于畜禽養(yǎng)殖污染，只考慮流域畜禽自然增長引起的變化量；流域內(nèi)農(nóng)村耕作習慣不會發(fā)生大的變化，因此農(nóng)業(yè)面源污染會保持較穩(wěn)定狀態(tài)。

東圳水庫流域污染負荷入庫量預測結(jié)果見表2和圖3。由表2和圖3可知，2018年主要污染源仍為農(nóng)業(yè)面源污染，生活污染源隨著人口的增加而有所增加。

3.1模型方程

基于二維不可壓縮流體運動方程，構(gòu)建東圳水庫二維水流水質(zhì)數(shù)學模型，預測分析東圳水庫水質(zhì)變化情況，主要預測指標為高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮和總磷。采用三維潮波方程沿深度積分推導得出二維不可壓縮流體運動方程[9-10]，即1個連續(xù)方程、2個運動方程和1個污染物守恒方程，基本方程如下：

式中，h為水深（m）；x、y為正交坐標（m）；u、v為x、y方向的流速分量（m/s）；ρ為水的密度（kg/m3）；ρa為空氣的密度（kg/m3）；E為渦黏性系數(shù)；xx為x軸面的法線方向；yy為y軸面的法線方向，xy和yx分別為x和y方向的剪切方向（Pa·S）；g為重力加速度（m/s2）；z為庫底的高程（m）；n為糙率系數(shù)；γ2a為風剪切應力系數(shù)；ψ為風的方向與x方向的逆時針夾角（0～360 °）；ω為地球自轉(zhuǎn)的角速度（rad/s）；φ為當?shù)氐木暥?；C為庫中污染物的濃度（mg/L）；Dx、Dy為x、y方向的擴散系數(shù)（m2/s）；k為有機物的生物化學降解系數(shù)（d-1）；S為源匯項；t為時間（s）。

3.2計算范圍、網(wǎng)格及地形

模型上游邊界條件分別為延壽溪、院里溪、東太溪、西太溪等入庫斷面，模型下游邊界位于東圳水庫出口。采用三角形網(wǎng)格對模型進行剖分，地形復雜區(qū)域及工程臨近區(qū)域網(wǎng)格布置較密，網(wǎng)格間距50～100 m，網(wǎng)格數(shù)8 348個，采用三定點六節(jié)點網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點17 590個，地形插值如圖4所示。

3.3模型參數(shù)選擇

初始條件：水位初始值取計算常水位80.5 m，流速取為0，水質(zhì)初始值根據(jù)現(xiàn)狀監(jiān)測情況取平均值輸入，初始值不同，計算中迭代次數(shù)不同，但不會影響最終模擬計算結(jié)果。

邊界條件：水庫的邊界條件有2類，即開邊界和閉邊界。水庫入流及出流邊界為開邊界，陸地邊界為閉邊界。

流場計算時，在閉邊界上：Un=U*n（通常U*n=0）或者qn=q*n（通常q*n=0）。

在開邊界上：對于入流邊界，有以下幾種情況：①Un=U*n，且Us=U*s；②qn=q*n， 且qs=q*s；③H=H*，且Us=U*s；④H=H*，且qs=q*s。

對于以上4種情況的入流邊界，通常Us=qs=0；出流邊界，H=H*。

式中，Un、Us為邊界上的外法向及切向速度分量；U*n、U*s為邊界上的外法向及切向速度分量給定值；qn、qs為邊界上的單位寬流量分量；q*n、q*s為邊界上的單位寬流量分量給定值；H為邊界上的水深；H*為邊界上水深給定值。

濃度場計算中，對于閉邊界，污染物濃度通量為0，即：

對于入流邊界條件，采用邊界點濃度控制邊界。對于出流邊界條件滿足：

式中，n為固邊界的外法矢量；Dn為垂直固邊界的擴散系數(shù)（m2/s）；〖AKV→〗n為流速在外法向方向的分量（m/s）；東圳水庫入流邊界采用流量界，出流邊界采用水位邊界。

計算參數(shù)：糙率系數(shù)，根據(jù)調(diào)試，在不同區(qū)域取不同糙率系數(shù)，在主槽n值取0.011～0.016，在灘地n取0.020～0030；綜合擴散系數(shù)D取值根據(jù)艾爾德的理論推導：

式中，u*為摩阻流速（m/s）；h為平均水深（m）。

3.4預測結(jié)果

基于2018年污染負荷計算結(jié)果，預測水平年東圳水庫水質(zhì)變化情況，結(jié)果見圖5～8。結(jié)果表明，2018年庫區(qū)高錳酸鹽指數(shù)和氨氮滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002） Ⅱ 類水質(zhì)標準要求，但是總氮和總磷濃度不滿足 Ⅲ 類水質(zhì)標準要求，受入庫河流來水影響，水庫水體中總磷濃度最大值出現(xiàn)在東太溪和西太溪入庫口區(qū)域，而總氮濃度最大值出現(xiàn)在延壽溪入庫口區(qū)域。

4東圳水庫保護對策

4.1實施退果還林

建議對流域內(nèi)坡度大于25 °的陡坡果園逐步還林還草，其中一級保護區(qū)內(nèi)677.13 hm2果園全面退果還林，種植其他闊葉樹種，改造成非桉樹闊葉林或針闊混交林，形成環(huán)庫緩沖帶。減少果園的面源污染和增加水源涵養(yǎng)能力，同時對入庫的水起到過濾、凈化吸收和攔截泥沙的作用，減少污染物入庫。

4.2對果園進行改造，建設(shè)生態(tài)果園

流域內(nèi)果園面積大，普遍存在著開墾混亂、水土保持措施不完善等問題，致使水土流失現(xiàn)象嚴重，因此，必須對現(xiàn)有的果園進行改造。針對果園現(xiàn)狀實施坡改梯、園面與梯壁生草及排水系統(tǒng)建設(shè)等水土保持綜合治理措施，同時嚴禁在25 °以上的陡坡地開墾建果園。

4.3開展農(nóng)村環(huán)境綜合整治，減少生活污染

實施流域生活污水治理，推行農(nóng)戶改廁，加快鎮(zhèn)村生活污水處理設(shè)施及收集管網(wǎng)建設(shè)，做到達標排放或綜合利用，并加強對生活污水處理設(shè)施的運營管理。實施生活垃圾清運保潔工作，徹底清除流域內(nèi)歷史堆放垃圾，配置垃圾箱、保潔車及運輸車等設(shè)施，逐步推行垃圾保潔市場化運作模式，徹底解決垃圾亂堆亂放、隨意傾倒等問題。

4.4科學施用化肥和農(nóng)藥，減少農(nóng)業(yè)污染

采用“最佳管理措施”發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，改進施肥技術(shù)，實施精準施肥、測土施肥、平衡施肥，增施有機肥[11]，提倡使用生物菌肥，減少現(xiàn)有農(nóng)家肥尤其是豬糞使用量。同時，應注意施肥方法，采用環(huán)狀溝施、條狀溝施或管灌液肥的辦法，減少肥料流失，從而降低對東圳水庫水體的有機污染。

堅持“預防為主、防治結(jié)合”的方針，嚴禁銷售或使用高毒、劇毒和高殘留農(nóng)藥，提倡使用廣譜、高效、低毒、低殘留農(nóng)藥和生物農(nóng)藥。建設(shè)果樹病蟲測報站，及時掌握病蟲發(fā)生期，保證準確、適量用藥，也可以使用點燈誘殺等生物措施，減少農(nóng)藥的施用量。

5結(jié)論

該研究根據(jù)污染源現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果與污染源預測方法，預測了水平年東圳水庫流域污染狀況，結(jié)果表明流域污染負荷主要來自農(nóng)業(yè)面源、城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)村生活污水和生活垃圾，其中農(nóng)業(yè)面源中COD、氨氮、總磷和總氮入庫量分別占流域污染負荷總?cè)霂炝康?4.15%、63.81%、64.97%和6501%，成為流域污染物的主要來源，而農(nóng)業(yè)面源中主要是果園徑流污染。

在構(gòu)建東圳水庫水域二維水流水質(zhì)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，基于2018年污染負荷計算結(jié)果，模擬預測水庫水環(huán)境變化趨勢，結(jié)果表明2018年水庫高錳酸鹽指數(shù)和氨氮能滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）Ⅱ類水質(zhì)標準要求，但是總氮和總磷將不滿足Ⅲ類水質(zhì)標準要求。

根據(jù)污染源調(diào)查及水質(zhì)影響預測結(jié)果，建議加強對東圳水庫水環(huán)境保護，重點開展果園面源污染控制、生活污水收集處理及生活垃圾收集轉(zhuǎn)運處置等項目。

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