金沙河水库污染负荷与水环境容量分析
时间：2023-06-20 19:40:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
曹倩，王敏，秦柳
(1.湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062；
2.江苏菲力环保工程有限公司，江苏 无锡 214200)
随着我国经济的高速发展，城镇化进程的加快以及人们生活水平的提高，各地对于水的需求也越来越大[1-4].饮用水作为最重要的一类水资源，目前在水质、水量及资源管理方面存在着诸多问题，人们的饮用水安全已受到严重威胁[5-7].湖北省红安县是一个典型的山区农业县，各乡镇(场)干旱缺水情况时常发生，特别是枯水期供水量严重不足.金沙河水库承担着红安县城区21万人的生活用水，日供水7.5×104m3，是红安县城区居民的命脉之源.为了保护金沙河水库的水环境质量，保障红安县人民群众的饮水安全，有必要对金沙河水库的污染负荷以及水环境容量进行分析研究，为金沙河水库水环境保护与污染物排放总量控制提供科学依据.
图1 红安县金沙河水库位置图
1.1 研究区域金沙河水库(图1)位于湖北省黄冈市红安县城西2 km处，大别山南麓倒水河中游西侧支流(金沙河)上，地理坐标为北纬31°17′02″～31°22′38″，东经114°35′45″～114°32′09″.
金沙河水库1959年建于倒水河支流金沙河出口的土皇寺盆地，承雨面积为108 km2，总库容17.872×107m3，其中防洪库容2.492×107m3，有效库容10.644×107m3，死库容4.736×107m3，有1座主坝和4座副坝[8].入库河流有东、西二源.东源为金沙河干流上游，长8.9 km，上游建有蒋家冲小(一)型水库；
西源名石嘴铺河，长5 km.二源入库后，回水处形成东、西两库汊，形状相似，长3.5 km，平均宽250 m.
金沙河水库主要功能是红安县城的饮用水源以及防洪.库区多年平均降水量1 114 mm，多年平均年来水量5.9×107m3.其常水位海拔高度为71.6 m，常水位面积为1 423.17 hm2，死水位63.5 m，最高洪水位为72.33 m，平均水深常年为13～14 m，最深水位为20 m；
水库防洪标准按100年一遇设计，200年一遇洪水校核，设计洪水位72.33 m，校核洪水位73.06 m，设计汛限水位71.6 m.金沙河水库的水质优良，根据监测结果，水质常年达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅱ类水标准.
1.2 研究方法主要通过地域数据收集、行业系数折算、模型建立与计算等方法来研究金沙河水库的污染负荷及环境容量.
其中，人口数据来源于现场调查及统计年鉴；
农村生活污染、农业面源污染、畜禽养殖污染、水产养殖污染等污染负荷来源于环境统计数据，相关系数为行业指导文件推荐计算；
水环境容量模型中，COD、NH3-N的水环境容量采用完全混合模型、TP采用合田健模型、TN采用狄龙模型.
1.2.1 水污染负荷计算 采用输出系数法估算金沙河水库农村生活污水、畜禽养殖和水产养殖所产生污染负荷，本文中选用龙天渝等[9]依据降雨和入河系数所改进输出系数估算，计算式如下：
Wi=λkEkAk
(1)
式中：Wi为第i年的污染负荷，kg；
λk为第k种牲畜、或人口产污的入河系数；
Ek为第k种污染源的输出系数，kg/(人·a)或kg/((头/只)·a)；
Ak为第k种牲畜的数量(头/只)，或人口数量(人).
农业面源污染负荷核算：根据《全国水环境容量核定技术指南》[10]中的农田径流污染物计算内容，采用标准农田源强系数估算污染物入库量.计算式如下：
Pn=A·μnλ·10-3
(2)
式中：Pn为n类污染物年负荷量，t/a；
A是指农田面积，亩(1亩为666.7 m2)；
μn为标准农田n类污染物的源强系数，kg/(亩·年)；
λ为修正系数.
1.2.2 水环境容量计算 金沙河水库的主要功能是为红安县城居民提供饮用水源以及防洪，因此氮、磷等污染物排入湖库水域后，在库流和风浪作用下所具有的停留时间是足够发生充分混合的，库中污染物分布基本均匀.因此，可以应用各种均匀混合的箱式模型进行水质模拟.
化学需氧量(COD)、NH3-N理论水环境容量模型：依据《制定地方水污染排放标准的技术原则与方法》(GB 3839—83)，湖泊水库COD、NH3-N采用完全混合模型，其计算公式为：
W1=(Cs-C0)V+KVCs+(Cs-C0)Qout
(3)
式中：W1为水库NH3-N和COD的年水环境容量，t/a；
Cs为水库的水环境控制目标浓度，mg/L；
C0为水库背景浓度值；
V为水库体积，m3；
K为水库水体污染物的综合降解系数，1/d；
Qout为水库年出水量，m3/a.由于总体达标水环境容量方法计算出的结果偏大，一般不保守.故为了使计算结果符合实际，应引入不均匀系数的概念进行订正，根据《全国地表水环境容量核定技术复核大纲》[11]推荐系数，系数α取 0.3.
总磷(TP)理论水环境容量模型：湖泊水库中的TP不考虑自净能力，因此其水环境容量采用合田健模型，其计算公式为：
W2=AHCs/(Qout/V+10/H)
(4)
式中：W2为水库TP的年水环境容量，t/a；
A为水库的库水表面积，m2；
H为水库的平均水深，此处为13.5 m；
Cs为水库的水环境控制目标浓度，mg/L；
Qout为水库年出水量，m3/a；
V为水库体积，m3.
总氮(TN)理论水环境容量模型：根据金沙河水库水质的监测数据，结合水域纳污能力计算规程，确定TN的理论水环境容量采用狄龙模型，其计算公式为：
W3=ACsHQout/[V(1-RN)]
(5)
RN=1-W出/W入
(6)
式中：W3为水库TN的年水环境容量，t/a；
RN为氮在湖(库)中的滞留系数.
由于金沙河水库沿岸工业区较少，因此污染来源主要为面源污染，其中主要包括农村生活污染、农业面源污染、畜禽养殖污染、水产养殖污染.
2.1 农村生活污染农村生活污染主要是指农村人口产生的生活污水、垃圾等生活废物所形成的面源污染[12].金沙河水库周围大部分区域为农村地区，各村庄既无污水收集管网，也无污水处理设施，未经处理的生活污水及雨水自流到地势低洼的沟渠和池塘等地表水体中，最终直接或间接排入金沙河水库.同时居民环保意识并不强烈，库区周围垃圾清运系统也尚不完善，大部分居民将生活垃圾随意丢弃，后经雨水冲刷而流入水库中.
根据人口统计数据统计年鉴以及走访调查，金沙河水库流域范围人口包括城关镇、二程镇、华家河镇及七里坪镇4个镇21个村、4 484户、17 428人，详见表1.
根据《全国饮用水源地基础数据调查源强系数》以及相关文献[13-16]，农村生活污水污染负荷取生活污水量80 L/(人·日)，COD 16.4 g/(人·日)，NH3-N 4.0 g/(人·日)，TN 5 g/(人·日),TP 0.44g/(人·日).农村生活污水经过雨水冲刷、地表径流的方式进入水体，此处流失率按0.3计算.由公式(1)计算出流域农村生活污水污染物质入库量COD 31.30 t/a，NH3-N 7.62 t/a，TN 9.54 t/a，TP 0.84 t/a，具体见表2.
表1 金沙河水库流域人口统计表
2.2 农业面源污染农业面源污染是指农业生产施用的化肥进入农田，营养盐不能完全被农作物吸收，营养盐残留下来的部分随着雨水形成的地表径流进入水体.标准农田指的是平原，种植作物为小麦，土壤类型为壤土，化肥施用量为25～35 kg/(亩·a)，降水量在400～800 mm范围内的农田.金沙河流域范围内的农田有1 895亩，主要种植水稻、小麦、花生，茶叶、油菜、棉花也占有相当比例，其化肥施用量约为35 kg/(亩·a).库区地形多为低山丘陵区，坡度在25°以上，水岸多为岩石，陆地土壤主要有砂泥土、砂黄土及黄砂土.参考《全国饮用水水源地环境保护规划》[15]，标准农田源强系数取COD10.0 kg/(亩·a)，NH3-N 2.0 kg/(亩·a).
表2 金沙河水库汇水范围农村生活污水排放情况
对金沙河水库流域的农田对应的源强系数进行修正，其中土地坡度系数取1.3、农作物类型修正系数取1、土壤类型修正系数取1、化肥施用量修正系数取1.2、年降雨量修正系数取1.4，则源强修正系数为2.18,则COD源强系数取21.8 kg/(亩·a)，NH3-N源强系数4.36 kg/(亩·a).结合金沙河水库的实际情况，TN、TP的源强系数分别取4.15 kg/(亩·a)和0.30 kg/(亩·a).
农业面源污染随地表径流进入水体，其入库系数取0.22，经公式(2)计算，金沙河水库流域范围内的农业面源入库量为COD 9.10 t/a，NH3-N 1.82 t/a，TN 1.73 t/a，TP 0.13 t/a(见表3).
2.3 畜禽养殖污染通过现场调查及管理部门数据复核，金沙河库区内直接影响水质的畜禽养殖场共计84家，其中规模以上15家，规模以下69家，存栏猪5 112头，牛335头，羊649头，家禽21 260只.
根据《全国水环境容量核定技术指南》的要求，在核算畜禽养殖污染负荷时，需换算成猪的数量再进行核算.根据红安县实际情况，金沙河库区畜禽养殖折合成标猪为7 358头.畜禽养殖污染物产量可参照经验系数估算，中南地区生猪畜禽养殖场(育肥、干清粪)主要污染物排放系数为：COD 50 g/(头·d)，氨氮 10 g/(头·d)，TN 21.6 g/(头·d),TP 6.8 g/(头·d)，流失率按12%计算.畜禽养殖污染物入库量由公式(1)计算为COD 16.11 t/a，NH3-N 3.22 t/a，TN 6.96 t/a，TP 2.19 t/a(见表4).
表3 金沙河水库汇水范围农业面源污染排放情况 t/a
表4 金沙河水库汇水范围畜禽养殖污染排放情况 t/a
2.4 水产养殖污染2017年调查数据显示金沙河库区共有塘堰152处，围湖养殖99处，水面面积2 017亩，其中拦湖筑坝紧临湖面既属于规划区的又属于洪水线下的有71处，面积1 456亩，于2017年冬季进行了拆除，现还有围堰养殖面积561亩.根据红安当地相关资料，现存围堰养殖一般为混养，青、草、链、鲫鱼产量约为250 kg/亩，参考《第一次全国污染源普查水产养殖业污染源产排污系数手册》中湖北地区淡水池塘养殖排污系数，折算其排污量(见表5).
表5 金沙河水库汇水范围水产养殖污染排放情况
2.5 入库污染总量分析根据上述污染负荷计算结果，将污染物入库量进行汇总，由表 6 可知，各污染源输入金沙河水库COD、NH3-N、TN、TP总量分别为61.08 t/a、12.85 t/a、22.20 t/a、4.07 t/a.
表6 金沙河水库污染源入库污染负荷汇总 t/a
水环境容量是指在给定水域范围和水文条件，规定排污方式和水质目标的前提下，单位时间内该水域最大允许纳污量[17-19].水库的水环境容量核算分为两部分，一部分是氨氮和COD等易降解耗氧污染物的水环境容量核算，另一部分是TN、TP等难降解营养盐的水环境容量核算.
3.1 金沙河水库理论水环境容量在计算金沙河水库主要水体的环境容量时，以地表水Ⅱ类水质标准(COD 15 mg/L；
NH3-N 0.5 mg/L；
TN 0.5 mg/L；
TP 0.025 mg/L)为限值，以金沙河水库自动监测站2014—2017年年际平均数据为水库水质现状值(背景值)(金沙河水库自动监测站2014—2017年年际平均值为：COD 10.98 mg/L；
NH3-N 0.183 mg/L；
TN 0.39 mg/L；
TP 0.018 mg/L).利用1.2.1中介绍的模型计算各水体的理论环境容量，其计算结果为COD 548.10 t/a、NH3-N 39.60 t/a、TN 39.35 t/a、TP 5.39 t/a.
3.2 金沙河水库剩余水环境容量将金沙河水库水环境容量与金沙河水库污染负荷量进行对比，计算出金沙河水库的剩余水环境容量，具体见表7.结果显示金沙河水库COD剩余水环境容量为487.02 t/a，NH3-N剩余水环境容量为26.75 t/a，TN剩余水环境容量为17.15 t/a，TP剩余水环境容量为1.32 t/a.由此可见金沙河水库COD的剩余水环境容量充足，尚余89%；
NH3-N的水环境容量还有68%；
TN的剩余水环境容量还有44%；
而TP的剩余水环境容量则只有25%，实际监测值逼近临界值，亟需采取措施消减入库量，控制水体TP浓度(见图2).
表7 金沙河水库污染源入库污染负荷汇总 t/a
图2 金沙河水库的理论水环境容量和剩余水环境容量(t/a)
4.1 结论
1)根据金沙河水库污染源的计算分析结果：金沙河水库目前仍能满足地表水II类水质目标，水库COD、NH3-N的剩余水环境容量富足，分别剩余89%、68%，TN的剩余水环境容量较富足为44%，但是TP的剩余水环境容量仅有25%，环境风险较大.
2)据污染源入金沙河水库污染负荷调查与分析：畜禽养殖污染对TP的贡献率最大，年入库量2.19 t，占TP总入库量的54%，应将其作为水污染物控制的重点管控对象.COD、TN、NH3-N的最大贡献量均来自于农村生活污染，年入库量分别为31.3、7.62、9.54 t，占总入库量的51%、59%、43%，应该对农村生活污水进行必要的处理，减少对饮用水源的污染.
4.2 建议金沙河水库是红安县唯一的饮用水源，其水质保护应该处于优先地位，但是库区周围基础设施落后，污水直排现象仍然明显，目前需要尽快完善污水处理设施及配套官网建设.对于养殖污染，应结合金沙河水库饮用水水源地的保护要求，将湖区范围内的畜禽养殖以及围汊养鱼全部拆除关闭.同时推广测土配方和有机肥，发展生态农业，减少污染，通过一系列生态整治工程进一步削减污染负荷并提高水体环境容量.
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