韓亞萍，郭亞男

(河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，鄭州 450016)

0 引 言

生態(tài)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的根基，生態(tài)環(huán)境變化直接影響文明興衰演替。城市水生態(tài)環(huán)境破壞問(wèn)題日益凸顯，嚴(yán)重制約著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。針對(duì)我國(guó)城市廣泛的水環(huán)境污染問(wèn)題，各地區(qū)大力開(kāi)展水環(huán)境綜合治理，著力解決突出的水環(huán)境問(wèn)題，努力實(shí)現(xiàn)水清綠岸、魚(yú)翔淺底的美好愿景。本文以桃花塢水庫(kù)為例，利用灰水足跡理論對(duì)現(xiàn)狀的水污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，并結(jié)合桃花塢水庫(kù)污染源分析采取水環(huán)境綜合治理，通過(guò)灰水足跡理論與Mike 21水質(zhì)模型的聯(lián)合運(yùn)用對(duì)其治理效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

灰水足跡理論從水量的角度來(lái)評(píng)價(jià)水污染的程度，為定量評(píng)價(jià)水污染程度提供了新的思路[1]。但是，灰水足跡理論是基于污染物總量核算，缺少對(duì)水動(dòng)力擴(kuò)散、水體自凈能力的考慮[2]。而水質(zhì)模型與水動(dòng)力模型耦合后可以反映出水質(zhì)的演變過(guò)程，將水質(zhì)模型與灰水足跡理論相結(jié)合運(yùn)用，能夠彌補(bǔ)灰水足跡未能考慮水動(dòng)力擴(kuò)散這一不足之處，可全面綜合地評(píng)價(jià)區(qū)域的水環(huán)境狀況。

1 區(qū)域概況

桃花塢水庫(kù)位于河南省信陽(yáng)市固始縣城，史河支流鄭小河、小史河上，是一座以防洪、城市工業(yè)用水為主，結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖、休閑旅游等綜合利用的小(Ⅰ)型水庫(kù)。鄭小河發(fā)源于根親文化園南入口的一處坑塘，向北作為根親文化園的主要水系橫穿文化園，最終匯入桃花塢水庫(kù)。桃花塢水庫(kù)上游為鄭小河，下游為小史河，承接梅山灌區(qū)南干渠下游退水作為調(diào)節(jié)水源。桃花塢水庫(kù)控制流域面積為5.82 km2，50年一遇洪水設(shè)計(jì)，1 000年一遇洪水校核，校核庫(kù)容178×104m3。

桃花塢水庫(kù)和上游鄭小河位于老城區(qū)，污水管網(wǎng)不健全，沿河居民產(chǎn)生的生活污水直排入河，河道淤積嚴(yán)重。桃花塢水庫(kù)沿岸口徑較大的污水排放口共有15處，沿庫(kù)周邊約2萬(wàn)居民，桃花塢水庫(kù)上游與鄭小河水系不連通，造成桃花塢水庫(kù)缺乏清潔的補(bǔ)水水源。根據(jù)對(duì)桃花塢水庫(kù)的抽樣檢測(cè)，桃花塢水庫(kù)NH3-N、COD、BOD5此3項(xiàng)檢測(cè)值均大于地表水環(huán)境Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)值，因此桃花塢水庫(kù)水質(zhì)屬于劣Ⅴ類。

2 現(xiàn)狀水污染程度評(píng)價(jià)

2.1 灰水足跡理論

灰水足跡的概念在2008年由Hoekstra和Chapagain提出，并將其定義為排放到水體的污染負(fù)荷除以最大容許濃度[3-4]。通過(guò)引入灰水足跡理論計(jì)算，從水量的角度評(píng)價(jià)水污染的程度，量化地分析區(qū)域水資源對(duì)水質(zhì)的影響，利用灰水足跡可持續(xù)來(lái)評(píng)價(jià)區(qū)域水污染程度，可根據(jù)不同地區(qū)的水資源稀缺程度來(lái)量化分析同一污染物在不同區(qū)域水環(huán)境造成的污染影響。

灰水足跡的計(jì)算通常采用《水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)》的方法直接核算[5]，采用將污染物稀釋至水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需水量進(jìn)行表示，其計(jì)算公式如下:

(1)

式中：WFgrey為灰水足跡，m3/a；L為區(qū)域內(nèi)污染物排放總量，kg/a；Cmax為水體達(dá)到某一環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)所容許的污染物最大濃度，kg/m3；Cnat為受納水體的自然本底濃度，kg/m3。

根據(jù)灰水足跡可持續(xù)評(píng)估的計(jì)算方法[5]，流域內(nèi)水污染程度(WPL)是評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)灰水足跡可持續(xù)的指標(biāo)，WPL等于一個(gè)流域的灰水足跡(max[WFgrey(P)])與流域徑流量(Ract) 的比值。

(2)

流域水污染程度與流域內(nèi)徑流成反相關(guān)，Ract越小，相對(duì)的WPL就越大，說(shuō)明流域內(nèi)徑流量越小，水污染程度越大，灰水足跡不可持續(xù)性的概率也越大。當(dāng)WPL大于1，說(shuō)明該流域內(nèi)水體的納污能力消耗殆盡，能容納污染物的能力也基本消失，水體呈現(xiàn)污染且不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及計(jì)算結(jié)果

2.2.1 參數(shù)選取

桃花塢水庫(kù)在城市區(qū)，匯入的污染物主要是以點(diǎn)源方式的直排生活污水，面源匯入的地表徑流污染相對(duì)比點(diǎn)源來(lái)說(shuō)含量較小，可忽略不計(jì)。因此，本次核算主要考慮點(diǎn)源污染，污染物類型為桃花塢水庫(kù)抽樣檢測(cè)的超標(biāo)因子COD和NH3-N。

污染物濃度參照當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S進(jìn)水濃度，COD和NH3-N濃度為271和25.6 mg/L，沿庫(kù)周邊約2萬(wàn)人的生活污水不經(jīng)處理進(jìn)入庫(kù)區(qū)，參照《固始縣城市排水防澇綜合規(guī)劃》，污水量為用水量的0.8，日變化系數(shù)取1.3。桃花塢水庫(kù)需要達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，即Cmax(COD)為30 mg/L、Cmax(NH3-N)為1.5 mg/L。COD和NH3-N指標(biāo)的自然本底值參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中的Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，Cnat(COD)為15 mg/L、Cnat(NH3-N)為0.015 mg/L。

Ract為桃花塢水庫(kù)年均徑流總量186.2×104m3，桃花塢水庫(kù)及流域內(nèi)無(wú)水文觀測(cè)站，無(wú)實(shí)測(cè)流量資料。參照河南省水文水資源局2007年8月編繪的《河南省水資源》，查算流域內(nèi)多年平均徑流深320 mm左右，且年際變化劇烈，本文將多年平均徑流量作為流域徑流量。

2.2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式(1)，WFgrey(COD)為970.34×104m3/a，WFgrey(NH3-N)為1 016.44×104m3/a，選取較大的污染物數(shù)值作為該區(qū)域的灰水足跡，故桃花塢水庫(kù)的灰水足跡為1 016.44×104m3/a。根據(jù)式(2)，WPL為5.46，水污染程度大于1，說(shuō)明該區(qū)域灰水足跡不可持續(xù)。

桃花塢水庫(kù)有大量生活污水未經(jīng)處理直接排入庫(kù)區(qū)，因此造成桃花塢水庫(kù)灰水足跡比較大；桃花塢水庫(kù)上游與鄭小河現(xiàn)狀水系不連通，上游徑流不能匯入該研究區(qū)域，流域內(nèi)徑流量不足，遠(yuǎn)小于區(qū)域承受的灰水足跡量，桃花塢水庫(kù)水污染程度大于1，灰水足跡呈現(xiàn)不可持續(xù)性。

3 工程治理措施

根據(jù)灰水足跡計(jì)算結(jié)果，本方案采用“控源截污、內(nèi)源治理、水系連通”的思路對(duì)該區(qū)域水環(huán)境進(jìn)行治理，桃花塢水庫(kù)水污染程度降低可以通過(guò)減小灰水足跡和增大徑流量?jī)蓚€(gè)方式入手，即分別是控源截污削減污染物排放量和水系連通進(jìn)行補(bǔ)源，同時(shí)為了減少內(nèi)源污染物的釋放，削減污染物，增加水體的自凈能力，在該區(qū)域進(jìn)行內(nèi)源清淤。

3.1 控源截污工程

控源截污措施是為了防止外來(lái)的各種污染物直接或隨雨水排入水體，是水環(huán)境整治最直接有效的工程措施，也是采取其他技術(shù)措施的前提[6]?？卦唇匚鄞胧┲饕窍一▔]水庫(kù)的點(diǎn)源污染，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，桃花塢水庫(kù)周邊無(wú)污水管道，兩岸居民生活污水都是直排入庫(kù)。對(duì)成功大道-桃花塢路之間水庫(kù)沿庫(kù)周圍分別在東西向布置兩個(gè)截污管道，東西兩個(gè)管道系統(tǒng)各服務(wù)人口約1萬(wàn)人，污水管網(wǎng)分別沿桃花塢水庫(kù)岸線東西兩側(cè)由南向北布置，最后與城市已有的污水干管連通，進(jìn)入城市污水處理廠。

3.2 內(nèi)源治理工程

底泥疏浚能夠永久性去除富含污染物的底泥，從而在源頭上有效控制內(nèi)源污染物的釋放，提升區(qū)域的自凈能力[7]。為了快速降低桃花塢水庫(kù)的內(nèi)源污染負(fù)荷，需要對(duì)桃花塢水庫(kù)進(jìn)行清淤?；贛IKE 21 FM搭建二維水動(dòng)力模型，結(jié)合地形資料，對(duì)庫(kù)區(qū)進(jìn)行合理概化。從桃花塢水庫(kù)的流場(chǎng)分布圖(圖1)可以看出，桃花塢水庫(kù)引水時(shí)，上中游的流速較大，流速為0.05～0.1 m/s，對(duì)庫(kù)區(qū)底部淤泥沖刷作用相對(duì)較強(qiáng)，下游流速偏小且流態(tài)穩(wěn)定，流速為0.005～0.05 m/s，對(duì)庫(kù)區(qū)底部淤泥的擾動(dòng)較?。煌瑫r(shí)庫(kù)底淤積層相對(duì)穩(wěn)定，污染物在不擾動(dòng)情況下不易釋放。根據(jù)引水時(shí)流場(chǎng)分布情況，治理工程樁號(hào)0+606(化肥廠家屬院東南側(cè))以下庫(kù)區(qū)水體流速小，底泥擾動(dòng)輕微，底泥對(duì)水體水質(zhì)影響??；且?guī)斓子俜e層相對(duì)穩(wěn)定，污染物在不擾動(dòng)情況下不易釋放，該區(qū)域可不進(jìn)行清淤。因此，確定清淤范圍為化肥廠家屬院以上區(qū)域(圖2)，清淤深度0.5～1.5 m，清淤面積約7.5×104m2，清淤量約9.8×104m3。

圖1 桃花塢庫(kù)區(qū)流場(chǎng)分布圖

圖2 桃花塢水庫(kù)清淤范圍圖

3.3 水系連通工程

水系連通對(duì)河道水質(zhì)改善作用明顯，能夠增加水動(dòng)力條件，縮短水體水力停留時(shí)間，改善水系水質(zhì)[8]。 本方案通過(guò)將梅山南干渠和鄭小河連通，增加桃花塢水庫(kù)的生態(tài)補(bǔ)水量，提高水體的流動(dòng)性，增加水體的水環(huán)境容量，桃花塢水庫(kù)生態(tài)需水量為317.2×104m3。在梅山灌區(qū)南干渠九支渠下游60 m處建引調(diào)水建筑物(此處上游20 m處建有節(jié)制閘，可以控制引調(diào)水不會(huì)沿渠道向渠道上游回水)，將鲇魚(yú)山東干渠水源引調(diào)至梅山灌區(qū)南干渠，將引調(diào)水引至鄭小河中并進(jìn)入桃花塢水庫(kù)。

4 治理效果評(píng)價(jià)分析

4.1 灰水足跡評(píng)價(jià)

根據(jù)灰水足跡計(jì)算方法及工程措施，工程實(shí)施后該部分污水被截留進(jìn)入污水處理廠，出水經(jīng)處理后達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入水體，即污染物入河濃度COD和NH3-N分別為50和5 mg/L；Cmax和Cnat參數(shù)不變；Ract為桃花塢水庫(kù)連通后通過(guò)梅山南干渠可補(bǔ)給的水量317.2×104m3。

根據(jù)式(1)，WFgrey(COD)為179.69×104m3/a，WFgrey(NH3-N)為181.51×104m3/a，選取較大的污染物數(shù)值作為該區(qū)域的灰水足跡，故桃花塢水庫(kù)的灰水足跡為181.51×104m3/a。根據(jù)式(2)，WPL為0.57，該數(shù)值小于1，說(shuō)明該區(qū)域灰水足跡持續(xù)。

通過(guò)控源截污、內(nèi)源治理的工程措施后，污染物排放量得到削減，桃花塢水庫(kù)的灰水足跡從1 016.44×104m3/a降低至181.51×104m3/a。通過(guò)水系連通工程措施后，桃花塢水庫(kù)徑流量增加，能夠用來(lái)稀釋污染物的水源變大，桃花塢水庫(kù)的水污染程度由5.46降低至0.57，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域灰水足跡的可持續(xù)性。

4.2 水質(zhì)模型評(píng)價(jià)

4.2.1 水質(zhì)濃度變化分析評(píng)價(jià)

根據(jù)MIKE 21二維生態(tài)水質(zhì)的模擬，將引水、清淤、截污等工程措施添加到模型的外邊界條件，模型中考慮降雨蒸發(fā)及大氣沉降的影響，并根據(jù)換水運(yùn)行工況來(lái)設(shè)置入流的水質(zhì)邊界，引水水質(zhì)采用梅山南干渠實(shí)測(cè)水質(zhì)資料。在每年的3、6、8和11月初進(jìn)行補(bǔ)水，補(bǔ)水流量1.5 m3/s，全部換水一次需6 d。該工況主要水質(zhì)指標(biāo)值見(jiàn)表1，模擬計(jì)算得到TP、TN及Chla濃度的年變化情況見(jiàn)圖3。

表1 主要水質(zhì)指標(biāo)模擬結(jié)果

圖3 模擬水質(zhì)濃度年變化曲線

藻類生長(zhǎng)受溫度影響較大，溫度越高藻類生長(zhǎng)越快，5-10月份，隨著溫度的升高藻類生長(zhǎng)速率加快，在水體內(nèi)累積的營(yíng)養(yǎng)鹽也相應(yīng)增加。而在補(bǔ)水換水的時(shí)候，由于稀釋作用營(yíng)養(yǎng)鹽濃度有一定的降低，10月份以后溫度降低藻類不適宜生存而開(kāi)始衰亡，TN、TP等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度也迅速降低。

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)，水質(zhì)模型模擬出的TN、TP指標(biāo)年度變化值最大值分別是1.45 和0.07 mg/L，均在地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。根據(jù)《地表水資質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》(SL 395-2007)，水質(zhì)模型模擬出的Chla指標(biāo)年度變化值最大值是0.025 mg/L，小于湖泊富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)時(shí)葉綠素濃度要求。

4.2.2 水華風(fēng)險(xiǎn)分析

ECOLab是DHI開(kāi)發(fā)的生態(tài)數(shù)值模擬軟件，主要回來(lái)描述水環(huán)境中的物理、化學(xué)、生物及生態(tài)過(guò)程，與Mike11或者M(jìn)ike21模型耦合一起解決水質(zhì)問(wèn)題，對(duì)湖泊和水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題進(jìn)行模擬[9]。

由于水溫從年初逐漸升高，到夏季7、8和9月份水溫達(dá)到25℃左右，處于藻類生長(zhǎng)適宜溫度范圍內(nèi)，隨后溫度下降。本文對(duì)桃花塢水庫(kù)進(jìn)行模型構(gòu)建，模擬高峰期8月份的Chla濃度變化情況，通過(guò)在連續(xù)入流條件下的模擬，得到高溫、光照等自然條件及營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較充足情況下的Chla濃度月變化曲線(圖4)。Chla濃度持續(xù)升高，經(jīng)過(guò)約25 d后Chla濃度為0.025 mg/L，小于湖泊富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)時(shí)葉綠素濃度0.026 mg/L的要求，可以認(rèn)為庫(kù)區(qū)的水華風(fēng)險(xiǎn)程度為低風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 Chla濃度8月份變化曲線

5 結(jié) 論

1) 利用灰水足跡理論和水質(zhì)模型對(duì)研究區(qū)域水環(huán)境措施效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，工程實(shí)施后灰水足跡降低至原來(lái)的17.8%，水污染程度從5.46降低至0.57，灰水足跡由不可持續(xù)變?yōu)榭沙掷m(xù)；根據(jù)水質(zhì)模型結(jié)果，TN和TP指標(biāo)的濃度全年都在地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，水華風(fēng)險(xiǎn)處于低風(fēng)險(xiǎn)。

2) 利用水質(zhì)模型來(lái)彌補(bǔ)單一的灰水足跡計(jì)算未考慮水體自凈能力這一因素，水質(zhì)模型驗(yàn)證結(jié)果與灰水足跡理論計(jì)算結(jié)果一致，說(shuō)明本次治理措施能夠有效提升改善桃花塢水庫(kù)的生態(tài)環(huán)境。

3) 水污染程度與徑流量關(guān)系密切，年際變化下或者年內(nèi)豐、平、枯水期條件變化下水污染程度均不相同，本文取多年平均徑流量核算一個(gè)多年平均的水污染程度。