吳穎靖 彭昆國 黃建美 查東平

(江西省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，江西 南昌 330029)

1 研究區(qū)概況

湖塘水庫位于德安縣和瑞昌市交界處，庫區(qū)涉及德安縣鄒橋鄉(xiāng)、車橋鎮(zhèn)和瑞昌市的南義鎮(zhèn)。湖塘水庫是一座以防洪為主，兼有發(fā)電、灌溉、養(yǎng)殖等綜合效益的重點(diǎn)中型水利樞紐工程，壩址距德安縣及京九鐵路、昌九高速公路40km、距316國道僅800m。

水庫控制流域面積144km2，其中在湖塘水庫壩址以上12.9km處建有幸福水庫(中型水庫)，幸福水庫控制流域面積48km2，占總流域匯水面積的1/3。湖塘水庫正常蓄水位72.68m，水面面積6000余畝，總庫容4700萬m3。多年平均徑流量0.91億m3，多年平均流量3.0m3/s；洪水水位為74.86m(黃海高程)，最大流量為13999m3/s，灌溉面積2667hm2，下游防洪保護(hù)面積1000hm2。

圖1 研究區(qū)概況圖

2 污染負(fù)荷分析

2.1 農(nóng)村生活污染負(fù)荷分析

農(nóng)村生活污染主要是指農(nóng)村人口產(chǎn)生的生活污水、垃圾等生活廢物所形成的面源污染。湖塘水庫周邊存在相當(dāng)一部分地區(qū)為農(nóng)村，基礎(chǔ)設(shè)施落后，缺乏基本的排水和垃圾清運(yùn)處理系統(tǒng)，農(nóng)村生活污水、垃圾未經(jīng)處理就直接入河形成農(nóng)業(yè)面源污染。城鎮(zhèn)化的發(fā)展、人口的積聚和固體廢棄物等管理落后，以及水沖廁所的普及，也造成了散排污水的增多，這種分散式污水最終也進(jìn)入了土壤和水體，從而引起受納水體的富營養(yǎng)化等生態(tài)危害。

本次核算主要采用源口村、長慶村、白水村、新福村等四個湖塘水庫流域范圍內(nèi)農(nóng)村生活污染。

2.1.1 人口預(yù)測

人口預(yù)測采用鄉(xiāng)鎮(zhèn)各自規(guī)劃的人口預(yù)測的數(shù)值。人口預(yù)測采取幾何級數(shù)法，計(jì)算公式如下：

Pn=P0(1+K)n

其中：Po—基準(zhǔn)年的人口總數(shù)；

K—每年的人口自然增長率，為方便計(jì)算，均按0.7%計(jì)算；

N—年數(shù)。

人口預(yù)測結(jié)果如下：

表1 湖塘水庫流域范圍內(nèi)農(nóng)村人口現(xiàn)狀及預(yù)測表

2.1.2 生活污水入庫污染負(fù)荷計(jì)算

農(nóng)村生活類污染核算采用人均系數(shù)法。根據(jù)資料[1]，九江市生活源污水污染物人均產(chǎn)生系數(shù)分別為：CODcr為28.1kg/人/a，NH3-N為2.82kg/人/a，TN為3.71kg/人/a，總磷為0.26kg/人/a。

表2 農(nóng)村生活面源污染單元產(chǎn)物系數(shù)(kg/人/a)

根據(jù)相關(guān)的研究成果，農(nóng)村生活污水流失率為100%，并按照30%進(jìn)入水環(huán)境計(jì)算，綜合計(jì)算加總得，農(nóng)村生活類單元CODcr、NH3-N、TN、TP的年流失量分別為8.43kg/人、0.85kg/人、1.11kg/人和0.08kg/人。由此可以計(jì)算出湖塘水庫流域現(xiàn)狀和規(guī)劃期內(nèi)的污染物排放量，見表3。

表3 湖塘水庫流域范圍內(nèi)農(nóng)村生活污染物入湖量

2.1.3 生活垃圾入庫污染負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)湖塘水庫周邊農(nóng)村實(shí)際生活垃圾產(chǎn)生情況，綜合考慮人均生活垃圾產(chǎn)生因素，研究范圍內(nèi)各村莊現(xiàn)狀垃圾產(chǎn)生量按0.8kg/人.d計(jì)算，2015年和2020年按照0.8kg/人.d計(jì)算。調(diào)查發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)2/3生活垃圾直接入河入庫，污染物全部在河道和水庫內(nèi)釋放；另有1/3的生活垃圾在距離水庫和河道150m以內(nèi)的路邊堆積，因距離較近，其降解產(chǎn)生的污染物隨徑流匯入河流。湖塘水庫所在地區(qū)雨水充沛，且雨熱同期，使垃圾易腐敗釋放N、P污染水體。進(jìn)入湖塘水庫中的垃圾的N、P釋放周期為2～6個月；沿岸堆積垃圾N、P釋放周期也小于1年。結(jié)合相關(guān)研究和湖塘水庫周邊農(nóng)村生活垃圾物理組成，每噸積存生活垃圾的COD、NH3-N、TN、TP釋放負(fù)荷分別為50kg、0.3kg、1kg和0.2kg。

表4 生活垃圾入庫污染負(fù)荷估算結(jié)果

2.2 農(nóng)田化肥污染負(fù)荷分析

參照相關(guān)研究[2-4]，，農(nóng)田養(yǎng)分排放采用以下標(biāo)準(zhǔn)：NH3-N按所施肥中的氮元素的1%計(jì)，合計(jì)為0.45t/km2，TN為2.4t/km2，TP為0.07t/km2。氮素流失以氨態(tài)氮為主，磷素流失以顆粒磷為主。水稻種植初期是氮磷流失量最大的階段，分別占流失總量的64%-89%和42%-87%。

農(nóng)田化肥污染進(jìn)入湖塘水庫污染負(fù)荷依據(jù)源口村、長慶村、白水村、和新福村4個流域范圍內(nèi)的行政村農(nóng)田面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。各村農(nóng)田面積計(jì)算氮磷流失量以及氮磷進(jìn)入地表水的量如表5所示。

表5 湖塘水庫流域范圍內(nèi)化肥污染

2.3 畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷分析

湖塘水庫流域范圍內(nèi)分布著40家規(guī)劃化畜禽養(yǎng)殖場，總規(guī)模達(dá)到豬13160頭、羊900頭、雞10400羽。所有畜禽養(yǎng)殖場均未建設(shè)專業(yè)污水處理設(shè)施，糞尿污水直接外排進(jìn)入水環(huán)境，并最終進(jìn)入湖塘水庫。

畜禽糞尿產(chǎn)生的估算一般是通過各類畜禽糞尿日排泄系數(shù)來估算的，不同種類的畜禽，其日排泄系數(shù)有明顯的差異，本研究采用國家環(huán)保部(2002)公布的數(shù)據(jù)來估算。

表6 各類畜禽糞尿的日、年排泄系數(shù)

畜禽糞尿中有CODcr、TP、TN等污染物。大量畜禽糞尿中有大量的污染物，各類畜禽糞尿中的污染物平均含量如表7所示：

表7 各類畜禽糞尿中污染物的含量(kg/t)

流域范圍內(nèi)40家畜禽養(yǎng)殖點(diǎn)所產(chǎn)生的糞尿排放量進(jìn)入湖塘水庫，計(jì)算方法為：畜禽糞尿排污量=畜禽養(yǎng)殖量×畜禽糞尿日排泄系數(shù)×養(yǎng)殖天數(shù)×畜禽養(yǎng)分含量×流失率。根據(jù)相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場糞尿流失進(jìn)入水環(huán)境率分別取70%和80%。由此可以計(jì)算出湖塘水庫集水范圍內(nèi)畜禽養(yǎng)殖各污染物產(chǎn)生量和入湖量。

表8 湖塘水庫流域范圍內(nèi)畜禽養(yǎng)污染物產(chǎn)生量(t/a)

表9 湖塘水庫流域范圍內(nèi)畜禽養(yǎng)污染物入湖量(t/a)

2.4 水產(chǎn)養(yǎng)殖污染負(fù)荷分析

湖塘水庫招標(biāo)承包規(guī)?；B(yǎng)殖后，水產(chǎn)養(yǎng)殖對環(huán)境的負(fù)面影響也隨之而來。有研究表明[5]，魚塘系統(tǒng)餌料氮素僅13.9%轉(zhuǎn)化為漁產(chǎn)品，另有13.4%沉積于底泥，水體及損失部分占72.7%；輸入磷素約25.4%轉(zhuǎn)化為漁產(chǎn)品，28.9%沉積于底泥，45.7%匯集于水體；水體所含養(yǎng)分通過清塘或排水進(jìn)入周圍水環(huán)境。

不同的水產(chǎn)養(yǎng)殖和管理模式下，氮磷養(yǎng)分輸入輸出量差異較大。氮磷養(yǎng)分年輸入量分別在227.4～800.4 kg/hm2和43.1～107kg/hm2，庫塘通過滲漏而引起的氮磷損失量分別為11.46～20.94 kg/hm2和1.10～2.80kg/hm2。

水產(chǎn)養(yǎng)殖污染排放量為水產(chǎn)養(yǎng)殖面積與水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物產(chǎn)污系數(shù)的乘積，產(chǎn)污系數(shù)如表10所示：

表10 養(yǎng)魚的產(chǎn)污系數(shù)(kg.hm-2.a-1)

湖塘水庫目前由靈光寶承包水產(chǎn)養(yǎng)殖場，以散養(yǎng)和網(wǎng)箱兩種方式經(jīng)營，年養(yǎng)殖產(chǎn)量達(dá)45t。湖塘水庫水面面積400hm2以此進(jìn)行計(jì)算得到湖塘水庫水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物排放情況，如表11所示：

表11 水產(chǎn)養(yǎng)殖各類污染物排放量(單位：t/a)

2.5 工業(yè)污染負(fù)荷分析

根據(jù)湖塘水庫流域范圍內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)提供的轄區(qū)范圍內(nèi)工業(yè)企業(yè)的資料，湖塘水庫流域范圍內(nèi)年工業(yè)企業(yè)總污水排放量為19.75萬t。

表12 湖塘水庫流域范圍內(nèi)工業(yè)企業(yè)污水排放量情況

上述企業(yè)大致可以分為3大類，一類為煤炭開采企業(yè)，共有6家，年排放污水3.75萬t，另外一類為銻礦為主的有色金屬開采企業(yè)，年排放廢水12萬t，其他類型企業(yè)年排放廢水2萬t。因無確切核算統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本研究采用2012年德安縣和瑞昌市環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中同類企業(yè)排污情況進(jìn)行類比計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表13所示。

表13 工礦企業(yè)排污量統(tǒng)計(jì)

2.6 污染排放總量分析

根據(jù)以上污染負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，匯總得到湖塘水庫周邊農(nóng)村污染物排放進(jìn)入水環(huán)境污染物總量，詳見表14。

表14 入庫污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)(單位t/a)

3 水環(huán)境容量分析

3.1 水質(zhì)模型

從目前國內(nèi)外的研究來看，在水環(huán)境規(guī)劃中，受制于數(shù)據(jù)獲取和水環(huán)境機(jī)理研究的局限，多采用完全均勻混合箱體水質(zhì)模型來預(yù)測水庫水體長期的動態(tài)變化。本研究考慮到湖塘水庫的自然形態(tài)和水文特征，兼顧監(jiān)測數(shù)據(jù)的可得性，也同樣選定完全均勻混合水質(zhì)模型來描述水庫的水質(zhì)狀態(tài)變化，并將水庫當(dāng)做一個箱體考慮。

選取4項(xiàng)污染指標(biāo)作為研究對象，即COD、氨氮、TN和TP，其中COD和氨氮屬于耗氧類污染物，TN和TP屬于守恒類污染物，容量模型相應(yīng)為耗氧類污染物容量模型和守恒類容量模型。

(1)COD、氨氮模型

(式1)

式中：V(t)—箱體在t時(shí)刻的水量，單位為億m3；

dC/dt—箱體水質(zhì)參數(shù)的變化率；

Qin(t)，Qout(t)—在t時(shí)刻的入庫水量和出庫水量，單位均為m3/s；

Cin(t)，Cout(t)—在t時(shí)刻對箱體的入庫和出庫的COD(氨氮)的濃度值，單位為mg/L；

Sc—其它未計(jì)入的外部源和漏(如內(nèi)源)污染量，單位為t/a；

K—COD和氨氮的綜合降解系數(shù)，單位為d-1。

(2)TN、TP污染物模型

TN、TP的模型采用Dillion模型。Dillion模型對Vollenweider模型進(jìn)行了一些修正，模型也假定水庫完全均勻混合，水庫的N、P負(fù)荷主要來源于外部，水體中的物質(zhì)平衡處于穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。

(式2)

式中：C—水庫營養(yǎng)鹽濃度，單位為mg/L；

Lp—水庫單位面積上TN(TP)負(fù)荷量，單位為g/m2·a；

L0—入庫TN(TP)總量，單位為t/a；

Qin—年入庫水量，單位為億m3/a；

R—TN(TP)的滯留系數(shù)。

Z—平均水深，單位為m。

3.2 降解系數(shù)選擇

參考《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則——地面水環(huán)境》HJ/T2.3-93中關(guān)于降解系數(shù)實(shí)驗(yàn)室測定法中有關(guān)湖泊、水庫與河流耗氧系數(shù)相關(guān)方程，根據(jù)江西地區(qū)監(jiān)測站采用的河流KCOD和KNH3-N(其中KCOD=0.2；KNH3-N=0.15)，計(jì)算水庫枯水期的KCOD和KNH3-N，并通過與現(xiàn)場實(shí)測法得出的降解系數(shù)進(jìn)行對比，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，最終確定水庫枯水期庫區(qū)的KCOD和KNH3-N。

由HJ/T2.3-93，降解系數(shù)溫度修正公式如下：

K(T)=k(20)·θ(T-20)

(式3)

式中：θ為溫度常數(shù)，θ=1.047。

由HJ/T2.3-93，實(shí)驗(yàn)室測定K庫和K河相關(guān)函數(shù)公式如下：

K河=K庫+(0.11+54I)·u/H

(式4)

式中：湖泊水庫可直接采用K庫；

K庫為實(shí)驗(yàn)20℃測定降解系數(shù)，單位為d-1；

K河為河水溫度為20℃時(shí)降解系數(shù)，單位為d-1；

I為河床坡度；

H為河流平均水深，單位為m；

u為河流中斷面平均流速，單位為m/s。

經(jīng)計(jì)算得到，枯水期KCOD和KNH3-N分別為0.0533d-1和0.1323 d-1。

對綜合降解系數(shù)K值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定。借鑒有關(guān)江西地區(qū)湖泊和其它水庫相關(guān)K值實(shí)驗(yàn)法研究成果，KCOD和KNH3-N分別為0.064d-1和0.057 d-1。

3.3 水環(huán)境容量計(jì)算條件確定

(1)水質(zhì)控制目標(biāo)

本研究以COD、氨氮、TN、TP這4項(xiàng)污染物作為水環(huán)境容量計(jì)算的控制指標(biāo)。

(2)水質(zhì)目標(biāo)

水質(zhì)的總體控制目標(biāo)應(yīng)保證在國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅱ類或Ⅱ類限值以下，但為了該區(qū)域的長遠(yuǎn)發(fā)展和水體環(huán)境的自凈再生循環(huán)，限定這類特定水域的水質(zhì)不能超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

(3)相關(guān)參數(shù)條件確定

①滯留系數(shù)RN、Rp

(式5)

式中：Wout—出庫污染物總量，單位為t/a；

Win—入庫污染物總量，單位為t/a。

②水質(zhì)目標(biāo)

根據(jù)擬定的水質(zhì)目標(biāo)，查閱國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，確定各控制指標(biāo)的污染物控制濃度，具體數(shù)據(jù)如下表15。

表15 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(單位：mg/L)

③邊界條件

根據(jù)湖塘水庫水文數(shù)據(jù)以90%水文保證率年型的情況和污染負(fù)荷入庫量計(jì)算出湖塘水庫的水環(huán)境容量。具體見表16。

表16 湖塘水庫水環(huán)境容量計(jì)算邊界條件

3.4 水環(huán)境容量核算

(1)COD、氨氮模型

W=CS(Qout+KV)

(式6)

式中：Cs——COD和氨氮的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，單位是mg/L。

(2)TN、TP模型

(式7)

選定完全均勻混合水質(zhì)模型來描述水庫的水質(zhì)狀態(tài)變化，并將水庫作為一個箱體考慮。選取4項(xiàng)污染指標(biāo)作為研究對象，即COD、氨氮、TN和TP，其中COD和氨氮屬于耗氧類污染物，在確定了湖塘水庫水環(huán)境容量模型后，根據(jù)對湖塘水庫的水質(zhì)分析，納入模型的因子包括COD、氨氮、TN和TP。在容量計(jì)算的基礎(chǔ)上，水文保證率P=90%，計(jì)算得到湖塘水庫現(xiàn)狀的水環(huán)境容量，見表17所示。

表17 湖塘水庫水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果

3.5 環(huán)境容量與污染污染負(fù)荷對比

各污染物排放量與計(jì)算的湖塘水庫各項(xiàng)指標(biāo)環(huán)境容量與污染物對比情況見表18。

表18 湖塘水庫現(xiàn)狀污染物排放量與水環(huán)境容量比較

4 結(jié)論與分析

人口增長、城鎮(zhèn)化發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變動和區(qū)域結(jié)構(gòu)變化四大趨勢的走向和進(jìn)程將對當(dāng)?shù)丨h(huán)境問題特別是湖塘水庫流域生態(tài)環(huán)境帶來直接和間接的重大影響。在控制污染、防止生態(tài)環(huán)境質(zhì)量問題日益突出的總趨勢下，面臨著許多問題。根據(jù)入庫污染負(fù)荷與水環(huán)境容量分析對比結(jié)果可知，當(dāng)前湖塘水庫尚能滿足III類，但超II類，影響水質(zhì)的主要因子為TN。根據(jù)污染符合分析結(jié)果可知TN輸入最大的為畜禽養(yǎng)殖，年入湖量達(dá)31.65t，占水庫TN總?cè)牒康?3%，畜禽養(yǎng)殖污染治理刻不容緩。湖塘水庫流域范圍內(nèi)農(nóng)村生活污水排放量達(dá)689.50 t/d，生活垃圾7.84 t/d，當(dāng)前生活污水和生活垃圾未采取任何處理措施，污染物最終進(jìn)入湖塘水庫水環(huán)境中，給水庫及其下游博陽河水質(zhì)造成重大的污染。

[1]環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所.《生活源產(chǎn)排污系數(shù)及使用說明》.2010.

[2]李瑤.鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀及控制對策[D].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[3]傅春，康晚英.環(huán)鄱陽湖區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染TN/TP時(shí)空變化與分布特征[J].長江流域資源與環(huán)境，2012，07：864-868.

[4]姜峰.江蘇省農(nóng)業(yè)面源污染時(shí)空特征及削減方案研究[D].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[5]王德建，徐琪，劉元昌.草基-魚塘生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化與養(yǎng)分循環(huán)研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1997，04：426-430.