石成春

(福州市環(huán)境科學(xué)研究院,福州 350011)

基于水污染物通量的小流域生態(tài)補(bǔ)水研究

石成春

(福州市環(huán)境科學(xué)研究院,福州 350011)

為改善水質(zhì)環(huán)境,對福建省龍江中下流進(jìn)行補(bǔ)水效果實(shí)驗(yàn)。根據(jù)控制斷面測得的水質(zhì)濃度和流量數(shù)據(jù),計算水污染物通量。使用該通量評估污染負(fù)荷,計算生態(tài)補(bǔ)水量。所得污染物通量良好地反映出流域污染狀況,實(shí)驗(yàn)效果顯著,河流水質(zhì)達(dá)到了國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

污染物通量;生態(tài)補(bǔ)水;水質(zhì)改善

1 龍江流域水環(huán)境特征

福建龍江發(fā)源于莆田市的瑞云山,自西向東流經(jīng)福清市境內(nèi)由?？阪?zhèn)注入福清灣。流域面積538 km2,多年平均徑流量約5.486×108m3[1],水庫大壩下游有3條支流:太城溪、大北溪和虎溪,流域水系分布見圖1。由于上游修建了大型東張水庫1座、小型水庫10余座,總庫容超過2×108m3;河流上還有4座自來水廠和大量企業(yè)直接取水,現(xiàn)狀總?cè)∷考s達(dá)20×104m3/d,水資源分配方面以保生產(chǎn)、生活為主,導(dǎo)致河道生態(tài)徑流量銳減。相關(guān)計算資料表明[2],在枯水年份龍江流域的地表徑流量約為28 090×104m3,水庫截流量約22 128×104m3,干流及支流河道天然徑流總量僅約5 962×104m3(不考慮地下水補(bǔ)給等)。龍江流域中下游天然徑流與污水比例接近1.4∶1,河道實(shí)際上已經(jīng)成為排污溝渠,導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)毀滅性破壞。在流域污染源控制基礎(chǔ)上,實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水是解決龍江水環(huán)境污染的重要工程措施。

2 控制斷面污染物通量測量

2.1 研究區(qū)間、水質(zhì)和水文監(jiān)控斷面布設(shè)

(1)研究區(qū)間

本次研究區(qū)間為龍江東張水庫-倪浦橋之間的流域范圍,包括干流和主要支流大北溪、太城溪和關(guān)溪(圖 1)。

圖1 研究區(qū)域和控制斷面分布圖Fig.1 Research area and monito ring section distribution

(2)監(jiān)控斷面

在龍江干流、主要支流布設(shè)5個水質(zhì)、水文同步監(jiān)控斷面,其中干流2個,支流3個。干流的大斜龍江橋斷面代表研究區(qū)間上游控制斷面;倪浦橋代表龍江各主要支流、福清市區(qū)水污染物匯入后的下游干流控制斷面;西門橋表示支流大北溪匯入龍江干流的控制斷面;石門下表示支流太城溪匯入龍江干流的控制斷面;溪下橋表示支流關(guān)溪匯入龍江干流的控制斷面。

2.2 水質(zhì)和水文同步測量方法

斷面測量采用徠卡(TCR303)全站儀測量系統(tǒng),所有斷面測量平面控制采用各自獨(dú)立的自由坐標(biāo)系統(tǒng),高程控制采用各自獨(dú)立的假定高程系統(tǒng)。系統(tǒng)測量精度符合國家標(biāo)準(zhǔn)《工程測量規(guī)范》(GB0026-93)的標(biāo)準(zhǔn)。測流精度符合《流量測驗(yàn)規(guī)范》(GB50179-93)。水質(zhì)監(jiān)測按照國家相關(guān)技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[3]。各斷面每隔6 h同步測定一次水位、流速和BOD5、氨氮和總磷指標(biāo),連續(xù)測量2 d,取流量、水質(zhì)指標(biāo)時段平均值計算斷面污染物通量[4]。

2.3 通量測量結(jié)果與討論

調(diào)查期間龍江流域各斷面水質(zhì)調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果見表1。根據(jù)實(shí)測的水位、流速及各斷面形狀資料,估算出各河道的期間流量;結(jié)合同步實(shí)測的BOD5、氨氮、總磷等3種主要污染物的濃度,計算出其相應(yīng)時段的污染物通量[5,6],結(jié)果見表2。研究區(qū)間上游控制斷面大斜龍江橋污染物通量較小,測量期間BOD5污染物通量僅1.918 2 t/d,可見龍江上游污染較輕。研究區(qū)間內(nèi)各主要支流污染物通量大小順序依次為大北溪>關(guān)溪>太城溪。大北溪的污染最為嚴(yán)重,其對龍江流域的污染物通量貢獻(xiàn)值最大,BOD5通量貢獻(xiàn)率達(dá)43%,氨氮通量貢獻(xiàn)率高達(dá)63%,主要原因是大北溪接納了福清市城區(qū)、洪寬工業(yè)村和周邊畜禽養(yǎng)殖場的大量工農(nóng)業(yè)和生活污水。關(guān)溪流量最小,但BOD5、氨氮和總磷的污染物通量均較大,其中總磷通量是3條支流中最大的,通量貢獻(xiàn)率達(dá)60%,該結(jié)果與關(guān)溪流域以畜禽養(yǎng)殖為主要污染的調(diào)查結(jié)果相一致[2]。

表1 龍江流域各斷面水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果(單位:mg/l)Table 1 Water quality calculations for the monito ring sections in Longjiang

表2 龍江流域各監(jiān)控斷面污染物流通量計算結(jié)果Table 2 Calculations of water pollutant fluxes for the monitoring sections in Longjiang

3 基于污染物通量的生態(tài)補(bǔ)水量估算

研究采用超標(biāo)污染輸送量和等標(biāo)污染負(fù)荷法[7]評價入河污染物通量對龍江干流水環(huán)境質(zhì)量的影響,估算維持水環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)的生態(tài)補(bǔ)水量。各斷面超標(biāo)污染物流通量計算公式如下:超標(biāo)污染物輸送量=(實(shí)測含量-水環(huán)境管理目標(biāo)含量)(g/m3)×流量(m3/s),,式中,Q為等標(biāo)污染負(fù)荷,m3/s;ΔWi為超標(biāo)污染物輸送通量;Ci為水質(zhì)管理目標(biāo)濃度,g/m3。

超標(biāo)污染物輸送量和等標(biāo)污染負(fù)荷計算結(jié)果見表3。在不考慮污染物擴(kuò)散和降解情況下,要使大北溪的BOD5和氨氮達(dá)標(biāo),理論上需向大北溪補(bǔ)充清水2～5 m3/s,需向關(guān)溪補(bǔ)充清水2～3 m3/s;若以龍江干流中下游倪浦橋斷面水質(zhì)全面達(dá)標(biāo)為約束條件,BOD5達(dá)標(biāo)需補(bǔ)充清水6.70 m3/s,氨氮達(dá)標(biāo)需補(bǔ)充清水3.38 m3/s,總磷達(dá)標(biāo)需補(bǔ)充清潔水源3.30 m3/s。由于污染物通量測量僅能代表某時段的污染負(fù)荷,上述采用等標(biāo)污染負(fù)荷估算出的生態(tài)補(bǔ)水量僅能概略的表示各河段的生態(tài)需水量范圍,需要通過實(shí)際的生態(tài)補(bǔ)水實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證其結(jié)果的科學(xué)性,以便指導(dǎo)流域的生態(tài)補(bǔ)水方案實(shí)施。

表3 超標(biāo)污染物輸送量的等標(biāo)污染負(fù)荷計算結(jié)果Table 3 Calculations of equivalent standard pollution load fo r the standard exceeding pollutants

4 生態(tài)補(bǔ)水試驗(yàn)與效果分析

4.1 生態(tài)補(bǔ)水實(shí)施方案

為驗(yàn)證基于水污染物通量提出的生態(tài)補(bǔ)水量的可靠性,2008年7月8日21∶00至2008年7月15日21∶00分別由東張水庫和大北溪閩江調(diào)水工程向龍江流域補(bǔ)水,每日24 h連續(xù)補(bǔ)水,補(bǔ)水水量分配為:東張水庫補(bǔ)水流量2 m3/s,閩調(diào)工程向大北溪補(bǔ)水量3 m3/s,太城溪補(bǔ)水量1 m3/s,生態(tài)補(bǔ)水水源水質(zhì)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)[8]。

在補(bǔ)水第 1 d、2 d、4 d、6 d、8 d 和 10 d(即補(bǔ)水停止后2 d)分別采樣分析龍江干流大斜龍江橋、天寶陂、南門湖、倪浦橋4個斷面的DO、高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、氨氮、總磷等指標(biāo),分析其隨補(bǔ)水時間延長的變化趨勢。補(bǔ)水期間,由福清市環(huán)保局加強(qiáng)流域沿岸污染源監(jiān)察,杜絕了事故性和異常排放對補(bǔ)水過程水質(zhì)造成的瞬時沖擊影響。

4.2 效果與討論

補(bǔ)水期間各控制斷面水質(zhì)指標(biāo)變化調(diào)查結(jié)果見圖2。監(jiān)測結(jié)果表明,6 m3/s的生態(tài)補(bǔ)水對倪浦橋水質(zhì)改善較為明顯。補(bǔ)水初期倪浦橋退潮時BOD5、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷等指標(biāo)均較高,分別為 9.78 mg/l、9.23 mg/l、6.35 mg/l、0.46 mg/l,其中氨氮等標(biāo)污染指數(shù)達(dá)3.2,總磷等標(biāo)污染指數(shù)達(dá)1.2,大大超過《地表水環(huán)境質(zhì)量》(GB3838-2002)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)(以下均按此標(biāo)準(zhǔn)評價水質(zhì))。經(jīng)過8 d的生態(tài)補(bǔ)水過程,上述各項指標(biāo)平均值分別降低了37%、46%、60%、33%,除氨氮指標(biāo)略超 Ⅴ類外 ,其余指標(biāo)可基本達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。氨氮指標(biāo)仍超標(biāo)的主要原因是補(bǔ)水期間氨氮指標(biāo)與通量監(jiān)測時期相比異常偏高。

圖2 生態(tài)補(bǔ)水期間各斷面水質(zhì)指標(biāo)變化Fig.2 Changes of the water quality indexes at themonitoring sections during the period of eco-water supp lement

南門湖(代表大北溪匯入干流后響應(yīng)斷面)的BOD5、高錳酸鹽指數(shù)和總磷指標(biāo)改善效果較好,與補(bǔ)水前相比,補(bǔ)水期間各項指標(biāo)平均值分別降低了53%、38%和40%。但是氨氮指標(biāo)補(bǔ)水前后變化較小 ,僅 9%。

天寶陂斷面(代表太城溪匯入干流后的響應(yīng)斷面)的氨氮改善效果較好,與補(bǔ)水前相比降低了64%,但對總磷指標(biāo)改善效果較差,通過生態(tài)補(bǔ)水總體上斷面水質(zhì)可達(dá)到Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。

從水質(zhì)變化過程分析,各項水質(zhì)指標(biāo)在生態(tài)補(bǔ)水期間基本上呈下降的趨勢,但是補(bǔ)水結(jié)束后水質(zhì)出現(xiàn)明顯的反彈。在生態(tài)補(bǔ)水第4～6 d之間,各斷面水質(zhì)出現(xiàn)明顯的改善?？梢姲凑闸箢愃|(zhì)標(biāo)準(zhǔn)向龍江流域補(bǔ)充6 m3/s的生態(tài)水量,可以有效改善龍江水質(zhì),各項指標(biāo)基本可以達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量》(GB3838-2002)中規(guī)定的Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

(1)污染物通量測量結(jié)果表明,龍江流域大北溪污染物通量最大,其次是關(guān)溪,太城溪相對較小。大北溪對整個研究區(qū)域的氨氮通量貢獻(xiàn)率高達(dá)63%,關(guān)溪總磷通量貢獻(xiàn)率達(dá)60%。

(2)基于實(shí)測的各項指標(biāo)的污染物通量,在不考慮污染物擴(kuò)散和降解情況下,估算龍江干流水質(zhì)達(dá)標(biāo)需生態(tài)補(bǔ)水6～7 m3/s。

(3)生態(tài)補(bǔ)水實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,按照Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)向龍江流域補(bǔ)充清潔水源6 m3/s,在生態(tài)補(bǔ)水第4～6 d之間,各斷面水質(zhì)出現(xiàn)明顯的改善,各項指標(biāo)基本可以達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量》(GB3838-2002)中規(guī)定的Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

(4)污染物通量可以良好地反映流域污染負(fù)荷特征,污染物通量測量可作為指導(dǎo)流域生態(tài)補(bǔ)水流量和分配的技術(shù)依據(jù)。

[1] 何愛先.福清市水利水電志[M].福建:海風(fēng)出版社,1996.

[2] 石成春,等.龍江流域水資源和水污染控制系統(tǒng)規(guī)劃與實(shí)施過程控制[R].福州:福州市環(huán)境科學(xué)研究所,2008.

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ECO-WATER SUPPLEM ENT TO SMALL CATCHM ENT BASED ONWATER POLLUTANT FLUXES

Shi Cheng-chun
(Fuzhou Research Academ y of Environmental Sciences,Fuzhou 350011,China)

To imp rove the water quality,an experiment is conducted on water supplementing effects fo r the dow nstream of Longjiang River in Fujian.The flux of water pollutants was calculated using the water quality concentration and flow data measured at themonito ring sections.This flux was then used to assess the pollution load and calculate the amount of supp lemented eco-water.The calculated flux reflects the real pollution and the results are effective w ith thewater quality reaching the national standard.

pollutant flux;eco-water supp lement;water quality imp rovement

X143

A

1006-4362(2011)02-0099-04

2010-10-08 改回日期: 2010-11-29

福建省環(huán)?？萍贾攸c(diǎn)項目(2007年),福建省小流域整治重點(diǎn)工程(2006年)

石成春(1973- ),男,博士,高級工程師,研究方向?yàn)榄h(huán)境污染控制、規(guī)劃與評價,現(xiàn)任福州市環(huán)境科學(xué)研究院副院長,在Water Research、中國環(huán)境科學(xué)、農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報等學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文20余篇,其中SCI收錄1篇,EI收錄2篇,獲福建省科學(xué)技術(shù)獎2項,福州市科技進(jìn)步二等獎2項。