基于水污染物通量的小流域生态补水研究

石成春

(福州市环境科学研究院,福州 350011)

基于水污染物通量的小流域生态补水研究

石成春

(福州市环境科学研究院,福州 350011)

为改善水质环境,对福建省龙江中下流进行补水效果实验。根据控制断面测得的水质浓度和流量数据,计算水污染物通量。使用该通量评估污染负荷,计算生态补水量。所得污染物通量良好地反映出流域污染状况,实验效果显著,河流水质达到了国家规定标准。

污染物通量;生态补水;水质改善

1 龙江流域水环境特征

福建龙江发源于莆田市的瑞云山,自西向东流经福清市境内由海口镇注入福清湾。流域面积538 km2,多年平均径流量约5.486×108m3[1],水库大坝下游有3条支流:太城溪、大北溪和虎溪,流域水系分布见图1。由于上游修建了大型东张水库1座、小型水库10余座,总库容超过2×108m3;河流上还有4座自来水厂和大量企业直接取水,现状总取水量约达20×104m3/d,水资源分配方面以保生产、生活为主,导致河道生态径流量锐减。相关计算资料表明[2],在枯水年份龙江流域的地表径流量约为28 090×104m3,水库截流量约22 128×104m3,干流及支流河道天然径流总量仅约5 962×104m3(不考虑地下水补给等)。龙江流域中下游天然径流与污水比例接近1.4∶1,河道实际上已经成为排污沟渠,导致河流生态系统毁灭性破坏。在流域污染源控制基础上,实施生态补水是解决龙江水环境污染的重要工程措施。

2 控制断面污染物通量测量

2.1 研究区间、水质和水文监控断面布设

(1)研究区间

本次研究区间为龙江东张水库-倪浦桥之间的流域范围,包括干流和主要支流大北溪、太城溪和关溪(图 1)。

图1 研究区域和控制断面分布图Fig.1 Research area and monito ring section distribution

(2)监控断面

在龙江干流、主要支流布设5个水质、水文同步监控断面,其中干流2个,支流3个。干流的大斜龙江桥断面代表研究区间上游控制断面;倪浦桥代表龙江各主要支流、福清市区水污染物汇入后的下游干流控制断面;西门桥表示支流大北溪汇入龙江干流的控制断面;石门下表示支流太城溪汇入龙江干流的控制断面;溪下桥表示支流关溪汇入龙江干流的控制断面。

2.2 水质和水文同步测量方法

断面测量采用徕卡(TCR303)全站仪测量系统,所有断面测量平面控制采用各自独立的自由坐标系统,高程控制采用各自独立的假定高程系统。系统测量精度符合国家标准《工程测量规范》(GB0026-93)的标准。测流精度符合《流量测验规范》(GB50179-93)。水质监测按照国家相关技术规范标准进行[3]。各断面每隔6 h同步测定一次水位、流速和BOD5、氨氮和总磷指标,连续测量2 d,取流量、水质指标时段平均值计算断面污染物通量[4]。

2.3 通量测量结果与讨论

调查期间龙江流域各断面水质调查统计结果见表1。根据实测的水位、流速及各断面形状资料,估算出各河道的期间流量;结合同步实测的BOD5、氨氮、总磷等3种主要污染物的浓度,计算出其相应时段的污染物通量[5,6],结果见表2。研究区间上游控制断面大斜龙江桥污染物通量较小,测量期间BOD5污染物通量仅1.918 2 t/d,可见龙江上游污染较轻。研究区间内各主要支流污染物通量大小顺序依次为大北溪>关溪>太城溪。大北溪的污染最为严重,其对龙江流域的污染物通量贡献值最大,BOD5通量贡献率达43%,氨氮通量贡献率高达63%,主要原因是大北溪接纳了福清市城区、洪宽工业村和周边畜禽养殖场的大量工农业和生活污水。关溪流量最小,但BOD5、氨氮和总磷的污染物通量均较大,其中总磷通量是3条支流中最大的,通量贡献率达60%,该结果与关溪流域以畜禽养殖为主要污染的调查结果相一致[2]。

表1 龙江流域各断面水质监测结果(单位:mg/l)Table 1 Water quality calculations for the monito ring sections in Longjiang

表2 龙江流域各监控断面污染物流通量计算结果Table 2 Calculations of water pollutant fluxes for the monitoring sections in Longjiang

3 基于污染物通量的生态补水量估算

研究采用超标污染输送量和等标污染负荷法[7]评价入河污染物通量对龙江干流水环境质量的影响,估算维持水环境质量达标的生态补水量。各断面超标污染物流通量计算公式如下:超标污染物输送量=(实测含量-水环境管理目标含量)(g/m3)×流量(m3/s),,式中,Q为等标污染负荷,m3/s;ΔWi为超标污染物输送通量;Ci为水质管理目标浓度,g/m3。

超标污染物输送量和等标污染负荷计算结果见表3。在不考虑污染物扩散和降解情况下,要使大北溪的BOD5和氨氮达标,理论上需向大北溪补充清水2～5 m3/s,需向关溪补充清水2～3 m3/s;若以龙江干流中下游倪浦桥断面水质全面达标为约束条件,BOD5达标需补充清水6.70 m3/s,氨氮达标需补充清水3.38 m3/s,总磷达标需补充清洁水源3.30 m3/s。由于污染物通量测量仅能代表某时段的污染负荷,上述采用等标污染负荷估算出的生态补水量仅能概略的表示各河段的生态需水量范围,需要通过实际的生态补水实验进一步验证其结果的科学性,以便指导流域的生态补水方案实施。

表3 超标污染物输送量的等标污染负荷计算结果Table 3 Calculations of equivalent standard pollution load fo r the standard exceeding pollutants

4 生态补水试验与效果分析

4.1 生态补水实施方案

为验证基于水污染物通量提出的生态补水量的可靠性,2008年7月8日21∶00至2008年7月15日21∶00分别由东张水库和大北溪闽江调水工程向龙江流域补水,每日24 h连续补水,补水水量分配为:东张水库补水流量2 m3/s,闽调工程向大北溪补水量3 m3/s,太城溪补水量1 m3/s,生态补水水源水质达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类标准[8]。

在补水第 1 d、2 d、4 d、6 d、8 d 和 10 d(即补水停止后2 d)分别采样分析龙江干流大斜龙江桥、天宝陂、南门湖、倪浦桥4个断面的DO、高锰酸盐指数、BOD5、氨氮、总磷等指标,分析其随补水时间延长的变化趋势。补水期间,由福清市环保局加强流域沿岸污染源监察,杜绝了事故性和异常排放对补水过程水质造成的瞬时冲击影响。

4.2 效果与讨论

补水期间各控制断面水质指标变化调查结果见图2。监测结果表明,6 m3/s的生态补水对倪浦桥水质改善较为明显。补水初期倪浦桥退潮时BOD5、高锰酸盐指数、氨氮、总磷等指标均较高,分别为 9.78 mg/l、9.23 mg/l、6.35 mg/l、0.46 mg/l,其中氨氮等标污染指数达3.2,总磷等标污染指数达1.2,大大超过《地表水环境质量》(GB3838-2002)Ⅴ类水标准(以下均按此标准评价水质)。经过8 d的生态补水过程,上述各项指标平均值分别降低了37%、46%、60%、33%,除氨氮指标略超 Ⅴ类外 ,其余指标可基本达到Ⅳ类水质标准。氨氮指标仍超标的主要原因是补水期间氨氮指标与通量监测时期相比异常偏高。

图2 生态补水期间各断面水质指标变化Fig.2 Changes of the water quality indexes at themonitoring sections during the period of eco-water supp lement

南门湖(代表大北溪汇入干流后响应断面)的BOD5、高锰酸盐指数和总磷指标改善效果较好,与补水前相比,补水期间各项指标平均值分别降低了53%、38%和40%。但是氨氮指标补水前后变化较小 ,仅 9%。

天宝陂断面(代表太城溪汇入干流后的响应断面)的氨氮改善效果较好,与补水前相比降低了64%,但对总磷指标改善效果较差,通过生态补水总体上断面水质可达到Ⅴ类水标准。

从水质变化过程分析,各项水质指标在生态补水期间基本上呈下降的趋势,但是补水结束后水质出现明显的反弹。在生态补水第4～6 d之间,各断面水质出现明显的改善。可见按照Ⅲ类水质标准向龙江流域补充6 m3/s的生态水量,可以有效改善龙江水质,各项指标基本可以达到《地表水环境质量》(GB3838-2002)中规定的Ⅴ类水质标准。

5 结论

(1)污染物通量测量结果表明,龙江流域大北溪污染物通量最大,其次是关溪,太城溪相对较小。大北溪对整个研究区域的氨氮通量贡献率高达63%,关溪总磷通量贡献率达60%。

(2)基于实测的各项指标的污染物通量,在不考虑污染物扩散和降解情况下,估算龙江干流水质达标需生态补水6～7 m3/s。

(3)生态补水实验研究结果表明,按照Ⅲ类水质标准向龙江流域补充清洁水源6 m3/s,在生态补水第4～6 d之间,各断面水质出现明显的改善,各项指标基本可以达到《地表水环境质量》(GB3838-2002)中规定的Ⅴ类水质标准。

(4)污染物通量可以良好地反映流域污染负荷特征,污染物通量测量可作为指导流域生态补水流量和分配的技术依据。

[1] 何爱先.福清市水利水电志[M].福建:海风出版社,1996.

[2] 石成春,等.龙江流域水资源和水污染控制系统规划与实施过程控制[R].福州:福州市环境科学研究所,2008.

[3] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法(第四版)[M].北京:中国环境科学出版社,2006.

[4] 曹飞凤,陆芳,张李青.基于ADCP测量的钱塘江主要断面污染物通量研究[J].浙江水利科技,2007,149(1):8-10.

[5] 王晖.淮河干流水质断面污染物年通量估算[J].水资源保护,2004,(6):37-39.

[6] 富国.河流污染物通量估算方法分析(Ⅰ)-时段通量估算方法比较分析[J].环境科学研究,2003,16(1):1-4.

[7] 吴群河,等.区域合作与水环境综合整治[M].北京:化学工业出版社,2002.

[8] 黄海田,仇宝云,朱月新.从长江向南四湖应急生态补水运行分析[J].南水北调与水利科技,2003,1(3):22-25.

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

福建省环保科技重点项目(2007年),福建省小流域整治重点工程(2006年)

石成春(1973- ),男,博士,高级工程师,研究方向为环境污染控制、规划与评价,现任福州市环境科学研究院副院长,在Water Research、中国环境科学、农业环境科学学报等学术刊物上发表相关学术论文20余篇,其中SCI收录1篇,EI收录2篇,获福建省科学技术奖2项,福州市科技进步二等奖2项。