陳平

摘要[目的]分析洋河水庫流域納污能力及消減量。[方法]在統(tǒng)計(jì)分析洋河水庫流域污染物負(fù)荷量的基礎(chǔ)上，根據(jù)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，結(jié)合流域內(nèi)各個子流域控制單元的污染狀況、水質(zhì)現(xiàn)狀和水質(zhì)管理目標(biāo)，計(jì)算多年平均、50%保證率和75%保證率水量條件下各個子流域控制單元的主要污染指標(biāo)（TN、TP、COD、NH3-N）水體納污能力及消減量。[結(jié)果]多年平均水量條件下TN、TP、COD、NH3-N的水環(huán)境容量分別為428.26、144.19、1 845.28、182.56 t/a；庫區(qū)和西洋河支流的污染物消減量最大，為今后重點(diǎn)污染治理的區(qū)域。[結(jié)論]該研究可為洋河水庫流域面源污染防治及消減提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞污染物負(fù)荷；納污能力；消減量；控制單元；洋河水庫流域

中圖分類號X26文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）20-0081-05

Abstract[Objective]The aim of the study was to analyze pollution receiving capacity and reduction for Yanghe reservoir watershed.[Method]Based on statistical analysis of the Yanghe River reservoir watershed pollutant load，according to the mathematical model of water environment，combined pollution，water quality status and water quality management objectives of watershed sub basin control unit，the annual average and 50% guarantee rate and 75% guarantee rate under the condition of water pollution indexes of sub basins（TN，control unit TP，COD，NH3-N）and the reduction of pollutant carrying capacity was calculated.[Result]The pollution receiving capacity of mean annual precipitation were the largest，the water environmental capacity of TN，TP，COD，NH3-N were respectively 428.26，144.19，1 845.28，182.56 t/a；the maximal quantity of pollutant reduction were reservoir and Xiyanghe watershed，they would be the key area for watershed pollution management.[Conclusion]The study can provide a theoretical basis for prevention and mitigation of nonpoint pollution in Yanghe reservoir basin.

Key wordsPollutant load；Pollution receiving capacity；Reduction；Control unit；Yanghe reservoir watershed

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，出現(xiàn)了資源的不合理開發(fā)利用及能源過度消耗等問題，導(dǎo)致污染物排放量急劇增加。流域水環(huán)境污染已成為當(dāng)今社會面臨的主要災(zāi)害之一[1-3]。流域生態(tài)環(huán)境惡化引起的湖泊、水庫富營養(yǎng)化嚴(yán)重影響水資源的可持續(xù)發(fā)展及人類健康生活，尤其是城市供水水源地水庫水體的污染。為了緩解流域水環(huán)境問題，改善流域水環(huán)境健康，促進(jìn)流域水資源更加合理的利用，實(shí)現(xiàn)我國社會經(jīng)濟(jì)與環(huán)境資源的和諧發(fā)展，流域?qū)嵤┪廴疚锟偭靠刂瓶滩蝗菥廩3-4]。在水資源保護(hù)和水質(zhì)改善工程規(guī)劃中，污染物排放量消減是一項(xiàng)重要工作。如何確定污染物消減量和制訂消減量，并分配到排放口是規(guī)劃的重要內(nèi)容[5-7]。

水域納污能力（Pollution Receiving Capacity）是指對一定水域，根據(jù)其自然凈化能力，在特定的污染源布局和結(jié)構(gòu)下，為達(dá)到一定的水質(zhì)目標(biāo)值，所允許的污染物最大排放量。水域納污能力是水污染防控規(guī)劃的主要約束條件，是水質(zhì)目標(biāo)管理的基本依據(jù)[8-11]?？刂茊卧鳛榱饔蛩|(zhì)目標(biāo)管理中的一個基本實(shí)施單位，在水域納污能力的核算中，對于科學(xué)制訂控制單元的總?cè)萘靠刂埔?guī)劃具有重要意義[12]。洋河水庫是秦皇島市主要城市供水水源地之一，近30年來，流域內(nèi)人口迅速增加，周邊村社城鎮(zhèn)化腳步的加快，流域內(nèi)人均排污量及各種農(nóng)牧業(yè)污染物的排放量持續(xù)增加，大量農(nóng)藥、化肥、牲畜糞便、垃圾等進(jìn)入庫區(qū)，致使水庫水質(zhì)不斷惡化，嚴(yán)重影響城市供水安全[13]。筆者研究了洋河水庫流域水體納污能力及消減量，旨在為當(dāng)?shù)毓芾聿块T提供必要的技術(shù)支持和管理依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

洋河水庫位于秦皇島市撫寧區(qū)大灣子村北，1959年10月興建，1961年8月建成并投入使用，總庫容3.86 億m3，是一座以防洪為主，兼顧城市供水、灌溉及發(fā)電等綜合利用任務(wù)的大（Ⅱ）型水利樞紐工程。洋河水庫流域呈從東北向西南走向的不規(guī)則狹長矩形區(qū)域，東西長約42.7 km，南北寬約37.7 km，流域覆蓋面積755 km2。洋河流域地勢東北高西南低，境內(nèi)較大支流主要有東洋河、西洋河、迷霧河和麻姑營河（圖1）。

洋河流域?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)型氣候，極端最高氣溫39.9 ℃，極端最低氣溫-24.0 ℃，年平均氣溫10.2 ℃。封凍期自12月中旬至翌年2月底，長約80 d，凍土層深度0.8～1.2 m。流域位于燕山迎風(fēng)山區(qū)，多年平均降水量750 mm，水量較充沛，洋河水庫多年平均徑流量1.69億m3。全年降水量約80%集中于汛期（6—9月），較大暴雨多出現(xiàn)在7、8月。

洋河水庫流域包括撫寧、盧龍和青龍3個縣7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)242個村莊。流域上游農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入來源主要由農(nóng)林產(chǎn)品收入、外出務(wù)工和在當(dāng)?shù)匕l(fā)展養(yǎng)殖業(yè)構(gòu)成。

1.2數(shù)據(jù)收集與調(diào)查

以村為單元，以2013年為基準(zhǔn)年，分類收集洋河水庫流域各項(xiàng)農(nóng)事活動與人居活動涉及的原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源：全國第一次污染源普查數(shù)據(jù)（秦皇島市）《2014年秦皇島統(tǒng)計(jì)年鑒》《2014年盧龍統(tǒng)計(jì)年鑒》《2014年青龍縣統(tǒng)計(jì)年鑒》《2014年撫寧統(tǒng)計(jì)年鑒》《2014年河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》及實(shí)地調(diào)研、問卷調(diào)查和相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)資料，同時收集用于負(fù)荷核算的相關(guān)參數(shù)。

洋河水庫流域的氣象數(shù)據(jù)主要來源于洋河水庫流域水文站、氣象站的實(shí)測數(shù)據(jù)，其中包括1970—2015年的氣象數(shù)據(jù)。

1.3污染物負(fù)荷計(jì)算

依據(jù)污染源形成特點(diǎn)，將研究區(qū)域非點(diǎn)源污染源劃分為農(nóng)村生活污水、固體廢棄物、畜禽養(yǎng)殖、化肥流失、水土流失和城鎮(zhèn)地表徑流攜帶物六大類。各類污染負(fù)荷的估算系數(shù)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[14]及《河北省水資源質(zhì)量評價(jià)》（2004年）確定?；谳敵鱿禂?shù)負(fù)荷計(jì)算，采用清單分析方法，核算5類面源污染來源的TN、TP、NH3-N、COD的排

放負(fù)荷。

生活源污染負(fù)荷產(chǎn)生量：

W1=n×C（1）

式中，W1為生活源污染負(fù)荷產(chǎn)生量（kg/a）；n為人口數(shù)（人）；C為生活污水或固體廢棄物污染人均排放量[kg/（a·人）]。

畜禽污染物排放量：

W2=m×α×β（2）

式中，W2為畜禽污染物排放量（kg/a）；m為畜禽養(yǎng)殖量（只）；α為某畜禽糞便排泄系數(shù)；β為某畜禽糞便中污染物平均含量[kg/（a·只）]。

化肥流失量：化肥施用量采用相關(guān)統(tǒng)計(jì)年鑒中統(tǒng)計(jì)值的折中量。

TN=（氮肥+復(fù)合肥×0.3+磷肥×0.185）×20%（3）

TP=（磷肥+復(fù)合肥×0.3）×15%（4）

NH3-N=TN×10%（5）

水土流失污染物：

W3=Wi×Ai×ERi×Ci×10-6（6）

式中，W3為流域隨泥沙運(yùn)移輸出的污染物（t）；Wi為某一種土地利用類型單位面積泥沙流失量（t/km2）；Ai為某一種土地利用類型面積（km2）；ERi為污染物富集系數(shù)；Ci為土壤中TN、TP平均含量（mg/kg）。

城鎮(zhèn)地表徑流污染：

L=R×C×A×10-6（7）

式中，L為城鎮(zhèn)地表徑流年負(fù)荷量（kg）；R為年徑流量（mm）；C為徑流污染物平均濃度（mg/L）；A為集水區(qū)面積（m2）。

對于洋河水庫流域，沒有直接可供使用的當(dāng)?shù)匚廴疚锱欧畔禂?shù)，主要依賴于類比方法對流域面源污染進(jìn)行分析。各種污染物污染參數(shù)見表1。

1.4流域納污能力計(jì)算

1.4.1水文設(shè)計(jì)條件。

設(shè)計(jì)流量是最基本的河流水文參數(shù)，它不僅直接影響其他水文參數(shù)，而且在河流水環(huán)境容量的計(jì)算中至關(guān)重要[15]。在水文上，流域一般會有較明顯的年際變化特性，對流域的水環(huán)境管理分別按多年平均、50%保證率的水量、75%保證率的水量水文設(shè)計(jì)條件計(jì)算。洋河水庫入庫徑流頻率分析見表2。

1.4.2洋河水庫流域空間元的劃分。

實(shí)現(xiàn)以空間元為基本單位的污染物消減控制技術(shù)是從源頭上改善流域水環(huán)境的主要措施，也是最有效的措施。為此，首先要構(gòu)建237個空間元（圖2中黑色數(shù)字）與35個子流域（圖2中紅色數(shù)字）的空間拓?fù)潢P(guān)系（圖2）。

1.4.3水質(zhì)目標(biāo)值。

根據(jù)《全國重要江河湖泊水功能區(qū)劃》（2011—2030年）及《河北省水功能區(qū)劃》，洋河水庫是飲用水源地，屬二級水功能區(qū)，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ 類標(biāo)準(zhǔn)。另外參考秦皇島市關(guān)于洋河水入庫水質(zhì)的要求（Ⅱ 類達(dá)標(biāo)天數(shù)不低于80%，Ⅲ 類水質(zhì)達(dá)標(biāo)天數(shù)為100%），將洋河水庫上游主干河道全部河段的水質(zhì)目標(biāo)設(shè)定為 Ⅱ，通過計(jì)算水域納污能力，確定河段所在空間元的污染物消減量，以實(shí)現(xiàn)洋河水庫水源地生態(tài)保護(hù)的最終目的。

1.4.4流域納污能力計(jì)算方法。水域納污能力計(jì)算模型：

W=86.4[Q0（CS-C0）+kVCS86 400+qCS]（8）

式中，W為水域容許納污量（kg/d）；Q0為上河段來水設(shè)計(jì)流量（m3/s）；CS為計(jì)算河段水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（mg/L）；C0為上河段水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（mg/L）；k為污染物降解系數(shù)（1/d）；V為計(jì)算河段水體體積（m3）；q為支流匯入流量（m3/s）。

考慮不同水文設(shè)計(jì)條件平衡概念，子流域內(nèi)的污染物量為子流域內(nèi)初始污染物量、周邊子流域污染物隨水流進(jìn)入、流出子流域污染物凈通量和污染物衰減量之和。從子流域到河段的污染物輸移過程計(jì)算模式如下：

Wei=We0i+CeiQpi-Vei（9）

式中，Wei表示子流域污染物量（t）；We0i表示子流域初始污染物量（t/d）；Cei表示子流域污染物濃度（遷移濃度選擇由流動方向確定）（mg/L）；Qpi表示子流域間的交換水量（萬m3）；Vei表示子流域內(nèi)污染物衰減量（t）。

子流域濃度采用總污染物量與總水量的平均概念，公式表示為

Cei=KeiWe0iQei（10）

式中，Kei表示子流域污染物分布系數(shù)，與子流域植被、坡度和徑流水量有關(guān)，單位量綱為L-1。

計(jì)算過程以子流域級別為順序，實(shí)現(xiàn)逐級匯流和污染物遷移，在此過程中控制推求空間元的污染物消減率，使整個子流域?qū)?yīng)的河段水質(zhì)目標(biāo)達(dá)到 Ⅱ 類水標(biāo)準(zhǔn)，整個過程通過Fortran編程實(shí)現(xiàn)，最終的消減成果映射到空間元。

2結(jié)果與分析

2.1流域污染物負(fù)荷量

由表3可知，2013年洋河水庫流域6個面源污染來源（農(nóng)村生活污水、固體廢棄物、畜禽養(yǎng)殖流失、化肥流失、水土流失污染和城鎮(zhèn)地表徑流污染）、4個污染物指標(biāo)（TN、TP、NH3-N、COD）的排放負(fù)荷總量為55 900.55 t/a，入河量為3 476.70 t/a。其中，COD的產(chǎn)生量和入河量最大，分別為41 645.72和2 519.53 t/a，所占比重均超過70%；其次為TN，排放量和入河量分別為7 798.94和567.43 t/a，所占比重分別為13.95%和16.32%；TP和NH3-N所占比例較少，約為5%。以上數(shù)據(jù)可得，對洋河水庫流域污染影響較大的污染物是COD和TN。

在6種面源污染源輸出量中，洋河水庫流域污染主要貢獻(xiàn)源是畜禽養(yǎng)殖，每年產(chǎn)生量約為51 621.34 t/a，入河量為2 961.52 t/a，所占比重分別為92.34%和85.18%；其次是化肥流失，每年產(chǎn)生3 279.64 t/a，為5.87%，入河量為377.00 t/a，所占比重為10.84%；農(nóng)村生活污水、固體廢棄物、水土流失量和城鎮(zhèn)地表徑流污染產(chǎn)生量和入河量所占比重較少，約為2%。

2.2流域納污量和消減量

水體的環(huán)境納污能力與其污染消減量是實(shí)施總量控制的重要依據(jù)。結(jié)合洋河水庫水功能區(qū)的劃分及水質(zhì)目標(biāo)要求，運(yùn)用水域納污能力模型對洋河水庫流域污染物納污量和消減量進(jìn)行計(jì)算。由表4可知，洋河水庫流域在多年平均水量條件下對污染物TN、TP、COD、NH3-N的水環(huán)境容量分別為428.26、144.19、1 845.28、182.56 t/a，消減量分別為139.17、26.07、674.25、36.92 t/a。

75%保證率水量條件下污染物的水環(huán)境容量比多年平均水量和50%保證率水量小，而消減量大于多年平均水量和50%保證率水量。

洋河水庫流域內(nèi)不同支流區(qū)段的主要污染指標(biāo)消減量差異較大。如圖3所示，TN、TP和NH3-N的消減量均為庫區(qū)最大，占整個流域各個污染物總消減量的50%左右；其次是西洋河和東洋河支流，迷霧河和麻河的消減量較小。COD的消減量在各個支流的分布特征與其他污染物略有不同，以西洋河支流最大，所占比重為80%；其次是東洋河支流，所占比重為15%。在目前的水質(zhì)目標(biāo)下，雖部分河段對應(yīng)的空間元無需處理，但絕大數(shù)河段水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)，必須采取相關(guān)工程與非工程措施，從源頭上、污染物遷移過程中進(jìn)行消減控制。

3結(jié)論與討論

水體納污能力是流域污染物總量控制及水環(huán)境管理的基本依據(jù)，關(guān)系到流域水質(zhì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。洋河水庫作為秦皇島市的重要飲用水水源地，對其納污能力進(jìn)行分析，不僅可以有效地利用其水環(huán)境容量資源，還可為該流域水環(huán)境管理從目標(biāo)總量控制向容量總量控制轉(zhuǎn)變提供科技支撐。筆者根據(jù)洋河水庫的水文特征和水質(zhì)目標(biāo)，結(jié)合污染現(xiàn)狀，采用水質(zhì)模型和水域納污能力模型，得出各個控制單元、支流的主要污染指標(biāo)（TN、TP、COD、NH3-N）納污能力和消減量。洋河水庫流域多年平均水量時期TN、TP、COD、NH3-N的水環(huán)境容量分別為428.26、144.19、1 845.28、182.56 t/a，消減量分別為139.17、26.07、674.25、36.92 t/a，均大于50%和75%保證率水量時期的各個污染物納污能力。分析其原因，水體納污能力大小與水體流量密切相關(guān)[11-13]，流量較大時河流的納污能力較大，流量小時納污能力隨之減小。近年來，洋河水庫流域水量降低的主要因素一方面是流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水量大，利用率低。目前，洋河水庫流域每年向農(nóng)業(yè)供水0.7億m3/a，占總用水量的53.80%；另一方面是上游流域大力興建水利工程，分流了大量水資源，隔斷水的正常流動，使洋河水庫上游流域流量減少，部分河段出現(xiàn)斷流。因此，在洋河水庫流域今后的規(guī)劃中，為了使流域內(nèi)各個控制單元達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)，對流域進(jìn)行統(tǒng)一控制管理，通過對上游閘壩的實(shí)時調(diào)控，使下游河段流量保持在一定的范圍內(nèi)，從而達(dá)到提高河段水體納污能力的目的，改善河流水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)流域水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度。

洋河水庫流域內(nèi)各個支流區(qū)段的主要污染物消減量顯示庫區(qū)和西洋河支流最大。主要是西洋河支流內(nèi)結(jié)構(gòu)性污染嚴(yán)重，該水系內(nèi)除工業(yè)和生活污水污染外，大量淀粉加工廠廢水的排入是造成洋河水庫水體污染的另一個主要原因。大量的淀粉廢水除了滲漏、蒸發(fā)等作用外，被排入河流后進(jìn)入庫區(qū)，對水庫水質(zhì)產(chǎn)生了較大污染，也導(dǎo)致水體中的高氮、磷含量。劉娜[16]通過對洋河水庫西洋河支流上游淀粉廢水的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，廢水中氮、磷等營養(yǎng)鹽的含量很高。這說明西洋河支流的淀粉廢水已成為洋河水庫水體污染的主要污染源之一。

以上分析可知，洋河水庫流域污染物減排任務(wù)艱巨，應(yīng)對重點(diǎn)污染物河段進(jìn)行排污控制和重點(diǎn)整治。為降低污染負(fù)荷，應(yīng)在流域內(nèi)開展產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，針對洋河水庫流域淀粉加工廢水的產(chǎn)生量、污染物濃度及流域缺水的特點(diǎn)，淀粉加工廢水應(yīng)采用集中收集處理與分散處理相結(jié)合，采用生物接觸氧化工藝處理，處理后廢水可用于農(nóng)田水利灌溉；控制農(nóng)業(yè)面源污染可采用“源頭控制與節(jié)流相結(jié)合”方法進(jìn)行治理，“源頭控制”即對農(nóng)田采取科學(xué)的施肥方式，使農(nóng)田中的養(yǎng)分保持平衡，減少氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的積累量與流失量。“節(jié)流”即控制水土流失，減少氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的流失量；采取末端治理的方法，將重點(diǎn)河道入庫口處的灘地合理利用，建成人工濕地或者生物廊道，利用水生生物及水生態(tài)環(huán)境生物鏈系統(tǒng)達(dá)到去除水體中氮、磷和其他污染物質(zhì)的目的。

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