湖塘水库污染负荷与水环境容量分析研究

吴颖靖 彭昆国 黄建美 查东平

(江西省环境保护科学研究院，江西 南昌 330029)

1 研究区概况

湖塘水库位于德安县和瑞昌市交界处，库区涉及德安县邹桥乡、车桥镇和瑞昌市的南义镇。湖塘水库是一座以防洪为主，兼有发电、灌溉、养殖等综合效益的重点中型水利枢纽工程，坝址距德安县及京九铁路、昌九高速公路40km、距316国道仅800m。

水库控制流域面积144km2，其中在湖塘水库坝址以上12.9km处建有幸福水库(中型水库)，幸福水库控制流域面积48km2，占总流域汇水面积的1/3。湖塘水库正常蓄水位72.68m，水面面积6000余亩，总库容4700万m3。多年平均径流量0.91亿m3，多年平均流量3.0m3/s；洪水水位为74.86m(黄海高程)，最大流量为13999m3/s，灌溉面积2667hm2，下游防洪保护面积1000hm2。

图1 研究区概况图

2 污染负荷分析

2.1 农村生活污染负荷分析

农村生活污染主要是指农村人口产生的生活污水、垃圾等生活废物所形成的面源污染。湖塘水库周边存在相当一部分地区为农村，基础设施落后，缺乏基本的排水和垃圾清运处理系统，农村生活污水、垃圾未经处理就直接入河形成农业面源污染。城镇化的发展、人口的积聚和固体废弃物等管理落后，以及水冲厕所的普及，也造成了散排污水的增多，这种分散式污水最终也进入了土壤和水体，从而引起受纳水体的富营养化等生态危害。

本次核算主要采用源口村、长庆村、白水村、新福村等四个湖塘水库流域范围内农村生活污染。

2.1.1 人口预测

人口预测采用乡镇各自规划的人口预测的数值。人口预测采取几何级数法，计算公式如下：

Pn=P0(1+K)n

其中：Po—基准年的人口总数；

K—每年的人口自然增长率，为方便计算，均按0.7%计算；

N—年数。

人口预测结果如下：

表1 湖塘水库流域范围内农村人口现状及预测表

2.1.2 生活污水入库污染负荷计算

农村生活类污染核算采用人均系数法。根据资料[1]，九江市生活源污水污染物人均产生系数分别为：CODcr为28.1kg/人/a，NH3-N为2.82kg/人/a，TN为3.71kg/人/a，总磷为0.26kg/人/a。

表2 农村生活面源污染单元产物系数(kg/人/a)

根据相关的研究成果，农村生活污水流失率为100%，并按照30%进入水环境计算，综合计算加总得，农村生活类单元CODcr、NH3-N、TN、TP的年流失量分别为8.43kg/人、0.85kg/人、1.11kg/人和0.08kg/人。由此可以计算出湖塘水库流域现状和规划期内的污染物排放量，见表3。

表3 湖塘水库流域范围内农村生活污染物入湖量

2.1.3 生活垃圾入库污染负荷计算

根据湖塘水库周边农村实际生活垃圾产生情况，综合考虑人均生活垃圾产生因素，研究范围内各村庄现状垃圾产生量按0.8kg/人.d计算，2015年和2020年按照0.8kg/人.d计算。调查发现研究区内2/3生活垃圾直接入河入库，污染物全部在河道和水库内释放；另有1/3的生活垃圾在距离水库和河道150m以内的路边堆积，因距离较近，其降解产生的污染物随径流汇入河流。湖塘水库所在地区雨水充沛，且雨热同期，使垃圾易腐败释放N、P污染水体。进入湖塘水库中的垃圾的N、P释放周期为2～6个月；沿岸堆积垃圾N、P释放周期也小于1年。结合相关研究和湖塘水库周边农村生活垃圾物理组成，每吨积存生活垃圾的COD、NH3-N、TN、TP释放负荷分别为50kg、0.3kg、1kg和0.2kg。

表4 生活垃圾入库污染负荷估算结果

2.2 农田化肥污染负荷分析

参照相关研究[2-4]，，农田养分排放采用以下标准：NH3-N按所施肥中的氮元素的1%计，合计为0.45t/km2，TN为2.4t/km2，TP为0.07t/km2。氮素流失以氨态氮为主，磷素流失以颗粒磷为主。水稻种植初期是氮磷流失量最大的阶段，分别占流失总量的64%-89%和42%-87%。

农田化肥污染进入湖塘水库污染负荷依据源口村、长庆村、白水村、和新福村4个流域范围内的行政村农田面积进行统计。各村农田面积计算氮磷流失量以及氮磷进入地表水的量如表5所示。

表5 湖塘水库流域范围内化肥污染

2.3 畜禽养殖污染负荷分析

湖塘水库流域范围内分布着40家规划化畜禽养殖场，总规模达到猪13160头、羊900头、鸡10400羽。所有畜禽养殖场均未建设专业污水处理设施，粪尿污水直接外排进入水环境，并最终进入湖塘水库。

畜禽粪尿产生的估算一般是通过各类畜禽粪尿日排泄系数来估算的，不同种类的畜禽，其日排泄系数有明显的差异，本研究采用国家环保部(2002)公布的数据来估算。

表6 各类畜禽粪尿的日、年排泄系数

畜禽粪尿中有CODcr、TP、TN等污染物。大量畜禽粪尿中有大量的污染物，各类畜禽粪尿中的污染物平均含量如表7所示：

表7 各类畜禽粪尿中污染物的含量(kg/t)

流域范围内40家畜禽养殖点所产生的粪尿排放量进入湖塘水库，计算方法为：畜禽粪尿排污量=畜禽养殖量×畜禽粪尿日排泄系数×养殖天数×畜禽养分含量×流失率。根据相关研究经验，规模化畜禽养殖场粪尿流失进入水环境率分别取70%和80%。由此可以计算出湖塘水库集水范围内畜禽养殖各污染物产生量和入湖量。

表8 湖塘水库流域范围内畜禽养污染物产生量(t/a)

表9 湖塘水库流域范围内畜禽养污染物入湖量(t/a)

2.4 水产养殖污染负荷分析

湖塘水库招标承包规模化养殖后，水产养殖对环境的负面影响也随之而来。有研究表明[5]，鱼塘系统饵料氮素仅13.9%转化为渔产品，另有13.4%沉积于底泥，水体及损失部分占72.7%；输入磷素约25.4%转化为渔产品，28.9%沉积于底泥，45.7%汇集于水体；水体所含养分通过清塘或排水进入周围水环境。

不同的水产养殖和管理模式下，氮磷养分输入输出量差异较大。氮磷养分年输入量分别在227.4～800.4 kg/hm2和43.1～107kg/hm2，库塘通过渗漏而引起的氮磷损失量分别为11.46～20.94 kg/hm2和1.10～2.80kg/hm2。

水产养殖污染排放量为水产养殖面积与水产养殖污染物产污系数的乘积，产污系数如表10所示：

表10 养鱼的产污系数(kg.hm-2.a-1)

湖塘水库目前由灵光宝承包水产养殖场，以散养和网箱两种方式经营，年养殖产量达45t。湖塘水库水面面积400hm2以此进行计算得到湖塘水库水产养殖污染物排放情况，如表11所示：

表11 水产养殖各类污染物排放量(单位：t/a)

2.5 工业污染负荷分析

根据湖塘水库流域范围内各乡镇提供的辖区范围内工业企业的资料，湖塘水库流域范围内年工业企业总污水排放量为19.75万t。

表12 湖塘水库流域范围内工业企业污水排放量情况

上述企业大致可以分为3大类，一类为煤炭开采企业，共有6家，年排放污水3.75万t，另外一类为锑矿为主的有色金属开采企业，年排放废水12万t，其他类型企业年排放废水2万t。因无确切核算统计数据，本研究采用2012年德安县和瑞昌市环境统计数据中同类企业排污情况进行类比计算。计算结果如表13所示。

表13 工矿企业排污量统计

2.6 污染排放总量分析

根据以上污染负荷计算结果，汇总得到湖塘水库周边农村污染物排放进入水环境污染物总量，详见表14。

表14 入库污染负荷统计(单位t/a)

3 水环境容量分析

3.1 水质模型

从目前国内外的研究来看，在水环境规划中，受制于数据获取和水环境机理研究的局限，多采用完全均匀混合箱体水质模型来预测水库水体长期的动态变化。本研究考虑到湖塘水库的自然形态和水文特征，兼顾监测数据的可得性，也同样选定完全均匀混合水质模型来描述水库的水质状态变化，并将水库当做一个箱体考虑。

选取4项污染指标作为研究对象，即COD、氨氮、TN和TP，其中COD和氨氮属于耗氧类污染物，TN和TP属于守恒类污染物，容量模型相应为耗氧类污染物容量模型和守恒类容量模型。

(1)COD、氨氮模型

(式1)

式中：V(t)—箱体在t时刻的水量，单位为亿m3；

dC/dt—箱体水质参数的变化率；

Qin(t)，Qout(t)—在t时刻的入库水量和出库水量，单位均为m3/s；

Cin(t)，Cout(t)—在t时刻对箱体的入库和出库的COD(氨氮)的浓度值，单位为mg/L；

Sc—其它未计入的外部源和漏(如内源)污染量，单位为t/a；

K—COD和氨氮的综合降解系数，单位为d-1。

(2)TN、TP污染物模型

TN、TP的模型采用Dillion模型。Dillion模型对Vollenweider模型进行了一些修正，模型也假定水库完全均匀混合，水库的N、P负荷主要来源于外部，水体中的物质平衡处于稳态或准稳态。

(式2)

式中：C—水库营养盐浓度，单位为mg/L；

Lp—水库单位面积上TN(TP)负荷量，单位为g/m2·a；

L0—入库TN(TP)总量，单位为t/a；

Qin—年入库水量，单位为亿m3/a；

R—TN(TP)的滞留系数。

Z—平均水深，单位为m。

3.2 降解系数选择

参考《环境影响评价技术导则——地面水环境》HJ/T2.3-93中关于降解系数实验室测定法中有关湖泊、水库与河流耗氧系数相关方程，根据江西地区监测站采用的河流KCOD和KNH3-N(其中KCOD=0.2；KNH3-N=0.15)，计算水库枯水期的KCOD和KNH3-N，并通过与现场实测法得出的降解系数进行对比，对计算结果进行修正，最终确定水库枯水期库区的KCOD和KNH3-N。

由HJ/T2.3-93，降解系数温度修正公式如下：

K(T)=k(20)·θ(T-20)

(式3)

式中：θ为温度常数，θ=1.047。

由HJ/T2.3-93，实验室测定K库和K河相关函数公式如下：

K河=K库+(0.11+54I)·u/H

(式4)

式中：湖泊水库可直接采用K库；

K库为实验20℃测定降解系数，单位为d-1；

K河为河水温度为20℃时降解系数，单位为d-1；

I为河床坡度；

H为河流平均水深，单位为m；

u为河流中断面平均流速，单位为m/s。

经计算得到，枯水期KCOD和KNH3-N分别为0.0533d-1和0.1323 d-1。

对综合降解系数K值进行实验测定。借鉴有关江西地区湖泊和其它水库相关K值实验法研究成果，KCOD和KNH3-N分别为0.064d-1和0.057 d-1。

3.3 水环境容量计算条件确定

(1)水质控制目标

本研究以COD、氨氮、TN、TP这4项污染物作为水环境容量计算的控制指标。

(2)水质目标

水质的总体控制目标应保证在国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅱ类或Ⅱ类限值以下，但为了该区域的长远发展和水体环境的自净再生循环，限定这类特定水域的水质不能超过《地表水环境质量标准》的Ⅲ类标准。

(3)相关参数条件确定

①滞留系数RN、Rp

(式5)

式中：Wout—出库污染物总量，单位为t/a；

Win—入库污染物总量，单位为t/a。

②水质目标

根据拟定的水质目标，查阅国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，确定各控制指标的污染物控制浓度，具体数据如下表15。

表15 地表水环境质量标准(单位：mg/L)

③边界条件

根据湖塘水库水文数据以90%水文保证率年型的情况和污染负荷入库量计算出湖塘水库的水环境容量。具体见表16。

表16 湖塘水库水环境容量计算边界条件

3.4 水环境容量核算

(1)COD、氨氮模型

W=CS(Qout+KV)

(式6)

式中：Cs——COD和氨氮的水环境质量标准，单位是mg/L。

(2)TN、TP模型

(式7)

选定完全均匀混合水质模型来描述水库的水质状态变化，并将水库作为一个箱体考虑。选取4项污染指标作为研究对象，即COD、氨氮、TN和TP，其中COD和氨氮属于耗氧类污染物，在确定了湖塘水库水环境容量模型后，根据对湖塘水库的水质分析，纳入模型的因子包括COD、氨氮、TN和TP。在容量计算的基础上，水文保证率P=90%，计算得到湖塘水库现状的水环境容量，见表17所示。

表17 湖塘水库水环境容量计算结果

3.5 环境容量与污染污染负荷对比

各污染物排放量与计算的湖塘水库各项指标环境容量与污染物对比情况见表18。

表18 湖塘水库现状污染物排放量与水环境容量比较

4 结论与分析

人口增长、城镇化发展、产业结构变动和区域结构变化四大趋势的走向和进程将对当地环境问题特别是湖塘水库流域生态环境带来直接和间接的重大影响。在控制污染、防止生态环境质量问题日益突出的总趋势下，面临着许多问题。根据入库污染负荷与水环境容量分析对比结果可知，当前湖塘水库尚能满足III类，但超II类，影响水质的主要因子为TN。根据污染符合分析结果可知TN输入最大的为畜禽养殖，年入湖量达31.65t，占水库TN总入湖量的93%，畜禽养殖污染治理刻不容缓。湖塘水库流域范围内农村生活污水排放量达689.50 t/d，生活垃圾7.84 t/d，当前生活污水和生活垃圾未采取任何处理措施，污染物最终进入湖塘水库水环境中，给水库及其下游博阳河水质造成重大的污染。

[1]环境保护部华南环境科学研究所.《生活源产排污系数及使用说明》.2010.

[2]李瑶.鄱阳湖生态经济区农业面源污染现状及控制对策[D].江西农业大学，2012.

[3]傅春，康晚英.环鄱阳湖区农业面源污染TN/TP时空变化与分布特征[J].长江流域资源与环境，2012，07：864-868.

[4]姜峰.江苏省农业面源污染时空特征及削减方案研究[D].南京农业大学，2012.

[5]王德建，徐琪，刘元昌.草基-鱼塘生态系统的能量转化与养分循环研究[J].应用生态学报，1997，04：426-430.