孫小利 王建躍

(中國水利水電科學研究院 北京 100048)

1 概述

烏龜溪水庫位于美國堪薩斯市的西北部,水庫的下游就是5萬人口的曼哈頓市。水庫的功能為防洪、水上娛樂、漁業(yè)、飲用水源和水生物棲息地。總庫容為27.17億m3,其中防洪庫容為23.47億m3,多功能庫容為3.69億m3。水庫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。烏龜溪水庫形狀為一狹長型水庫,兩個分汊在測點11以上匯合 (圖1)。流域年均入流量為,22.94億m3。水庫水位有三個蓄水水位臨界值,水庫多功能水位為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)測時段,水位大部分時間是處于329.18m以下。可以認為水庫是長期處于低水位運行[1]。根據(jù)連續(xù)十年水質(zhì)監(jiān)測,水庫水質(zhì)已經(jīng)處于富營養(yǎng)化的狀態(tài),而且水中水藻生長的營養(yǎng)元素氮磷比十分適合有害藍綠藻的生長。這些營養(yǎng)鹽的來源主要來自農(nóng)牧業(yè)的非點源污染。

2 水庫水體營養(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,即烏龜溪水庫水質(zhì)的變化。美國工程兵師團(ACoE)連續(xù)數(shù)十年對烏龜溪水庫水中營養(yǎng)鹽進行了監(jiān)測。其中連續(xù)10年監(jiān)測資料表明:在該地區(qū)監(jiān)測的18座水庫中,烏龜溪水庫保持著最高總氮 (TN)濃度中值和第二高的總磷 (TP)濃度值。高濃度營養(yǎng)鹽導致了水庫水體高度營養(yǎng)化。在水庫中部的總氮濃度中值變化在2.1～2.3mg/L之間 (測點3、8和11)。入流 (測點 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 (測點27)總氮濃度中值為2.3mg/L。這些氮濃度值已經(jīng)超過了EPA的建議該地區(qū)水體營養(yǎng)化0.36mg/L的臨界值。圖4中測點30的值顯示了在監(jiān)測期間大小布盧流域內(nèi)所總氮負荷的變化情況。

磷元素也是水藻生長所必需的營養(yǎng)鹽之一。在水庫中部的總磷濃度中值的范圍在0.27～0.33mg/L(測點3、8和 11)。入流 (測點 30和32)的總磷 (TP)濃度值中值在0.3～0.56mg/L的范圍。出流 (測點 27)總磷濃度中值為0.25 mg/L(圖5)。這些磷濃度值已經(jīng)超過了EPA的建議該地區(qū)水體營養(yǎng)化0.02mg/L的臨界值,也超過了水庫超營養(yǎng)化0.10mg/L的臨界標準。氮磷比可以用來確定水體內(nèi)生長占優(yōu)勢的水藻群落的指標。當?shù)妆却笥?0∶1時,水體中生長著所期望占優(yōu)勢水藻群落。當?shù)妆刃∮?2∶1時,水體中生長著占主導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,在所有測點,氮磷比每月和每年都有較高的變化值。水庫內(nèi)三個的測點氮磷比都小于12,這就標志著水庫處于蘭綠藻暴發(fā)的危險中。但在上游來水的豐水年,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。但水庫的排水已經(jīng)對下游水體形成危害。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 烏龜溪水庫流域平面圖

圖2 烏龜溪水庫1996至2006年水位過程線

圖3 烏龜溪水庫1996至2006年各測點表層水樣的總氮濃度箱線圖

圖4 烏龜溪水庫1996至2006年第30測點表層水樣總氮濃度

圖5 烏龜溪水庫1996至2006年各測點表層水樣的總磷濃度箱線圖

3 流域非點源污染的治理

在烏龜溪水庫水庫上游,營養(yǎng)鹽負荷絕對部分來自非點源的地表徑流。對烏龜溪水庫水質(zhì)的惡化和流域非點源污染的狀況,美國環(huán)保署 (EPA)對堪薩斯州立大學與流域和水庫的利益相關(guān)者領(lǐng)導委員會 (T he Stakeholder Leadership Team ST L)予以針對性的授權(quán)和贊助。對于非點源污染的治理,主要側(cè)重于防治。EPA資助ST L用于推進烏龜溪水庫實現(xiàn)水質(zhì)改善目的和實施流域恢復和保護方式計劃 (Watershed Restoration and Protection Strategy WRARS)。其WRARS的內(nèi)容主要包括:

(1)對一些關(guān)鍵的小流域的農(nóng)牧業(yè)確定和實施最佳管理措施 (BMPs);確定最佳管理措施主要是根據(jù)當?shù)氐耐寥馈⒌匦?、降雨、牧場位置和農(nóng)作物種類等流域的具體情況[4]。烏龜溪水庫流域的BMPs主要包括兩個方面:①推廣連續(xù)免耕法;②在溪流兩岸建立緩沖和過濾帶[2]。

(2)對流域和水庫進行水質(zhì)監(jiān)測,以對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、營養(yǎng)鹽、除草劑和細菌含量的減少的量實施細化和量化,以及在流域的未端 (水庫)檢驗治理的成果。

在2007年,STL召開了會議,制訂了烏龜溪水庫流域修復和保護目標:

保護和恢復全流域的水質(zhì);

保護烏龜溪水庫的供水和蓄水的能力;

保護烏龜溪水庫的娛樂功能;

保護和改善流域內(nèi)野生動物棲息地;

保護全流域的農(nóng)田的生產(chǎn)能力。

2008年以前,在水庫上游流域已經(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)地面測量出2008年當時采用4種普通BMPs農(nóng)田面積,占整個流域農(nóng)田的比率見表一。根據(jù)流域的農(nóng)場主的接受能力、資金效益和污染物減排的效力,ST L確定BMPs的具體方案。STL還負責布置和安排流域內(nèi)居民所接受的BMPs。在這種過程的一開始,在STL的會議上進行討論,得出他們認為可接受的和會產(chǎn)生明顯減排效果BMPs目錄協(xié)議。在會議上,每一單項在BMPs目錄進行排序,以排出這些單項的順序。最終目錄中前農(nóng)業(yè)前4(或5項,肥料管理和施肥方式可以認為是一項)、牧畜業(yè)的前四項和溪流岸坡的一項被采用 (見表1)。

在2000年4月發(fā)布美國湖泊與水庫營養(yǎng)物基準技術(shù)指南,幫助各州建立水體的營養(yǎng)鹽濃度基準。該基準是政府強制執(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,美國環(huán)保局主要采用控磷來治理水庫水華。水庫的相關(guān)機構(gòu)確定對于營養(yǎng)鹽的治理是以降低總磷為目標,烏龜溪水庫水體最終總磷濃度＜50μ g/L。

堪薩斯州立大學生物和農(nóng)業(yè)系應(yīng)用土壤和水評估(SWAT)模型對大小布盧河流域進行分析。SWAT模型是一種估算來自地表沖刷流入溪流的營養(yǎng)鹽和泥沙污染年均負荷評估工具。通過SWAT模型計算,可以得出每一個小流域年均負荷。根據(jù)經(jīng)驗和技術(shù)知識,在流域內(nèi)最高負荷大于70%～80%的其它小流域和區(qū)域的區(qū)域則被選為實行農(nóng)田和牧場BMPs的優(yōu)先治理關(guān)鍵區(qū)域。通過威斯康星大學進行的SWAT模型研究表明:在整個流域,通過模型有針對性優(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自農(nóng)田和牧場徑流中的泥沙、營養(yǎng)鹽和大腸桿菌等。對確定治理的流域?qū)⒃趦蓚€方面進行:

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

(2)實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,而反過來實施這些治理泥砂的BMPs也將降低總磷的排放。

表1 為解決烏龜溪水庫富營養(yǎng)化,根據(jù)SLT確定的最佳管理措施(BM Ps)和計劃實施的面積或項目

目前估計大小布盧河流域的總磷負荷約為8690t/a(不包括布萊克沃米林河流域)。在經(jīng)過模型40年的模擬,如果所有的BMPs得到實施,將在烏龜溪水庫上游流域內(nèi)實現(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,必須加強與內(nèi)布拉斯加州的合作。在烏龜溪水庫上游流域的減排量要達到7909t/a,才能滿足烏龜溪水庫總磷負荷為860t/a的TMDL要求。

表2 模型40年的模擬結(jié)果

牧場最佳管理措施(BMP)

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

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

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

在執(zhí)行過程中,為了改善水質(zhì),SLT將繼續(xù)評估和修正流域整個治理計劃,設(shè)立新的目標和實施新的BMPs。每五年SLT和KDHE將共同討論治理的基準和更新 TDM L計劃。利用KDHE和ACoE的監(jiān)測數(shù)據(jù),包括治理水質(zhì)的階段目標參數(shù)之一(總磷含量),將被用于評估減輕污染負荷措施的有效性。

4 結(jié)語

美國對于由于非點源污染造成的水庫水體富營養(yǎng)化的治理,主要測重于小流域的防治。

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

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

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Onondaga湖治理過程的啟示,環(huán)境科學與工程,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