基于水环境容量盈余估算的库区污染物减排方案——以珊溪库区为例

孙 光，罗遵兰,2，柳晓燕，曾 勇，王纪伟(.中国环境科学研究院，北京 0002；2. 中国农业大学，北京 0008；.中国石油大学，北京 25706)

水环境容量[1]是指水体在一定时段内，在规定的环境目标下允许容纳的污染物的量。水环境容量是水环境目标管理的基本依据，是控制水污染物总量的理论基础。为了加强水资源的保护，实现水资源的可持续利用，打造健康的水环境，很多环境领域学者已普遍关注水环境容量的研究。水环境容量的计算方法[2]主要分确定性方法和不确定性方法两大类。Qiuwen Chen等[3]把参数之间的独立性和相关性来估算水环境容量的不确定性分析方法，并以东江及其支流作为研究案例。邬彬等[4]选取水资源、水环境和社会经济的19个指标，评价了深圳水环境承载力处于预警状态，接近危机状态。黄真理等[5]分析了三峡库区的污染状况，并估算了三峡水库工程建成的水环境容量。MIKE[6,7]是丹麦水力研究所(DHI)开发的水动力、水质系列数值模型，其中的 MIKE11 系列软件是一维模型，MIKE3 系列软件是三维模型。目前虽有学者开展运用MIKE模型确定流域水环境容量的研究，但尚少见到有学者将其应用于河流型水库的水环境污染防治管理决策中。本文以珊溪库区为例，采用水环境容量盈余分析，提出水库水环境污染防治管理措施建议，使科研与管理应用紧密结合，在水环境污染防治管理方面具有十分重要的意义。

1 研究区域概况

珊溪库区位于浙江省温州境内飞云江干流中游，分布于文成县、泰顺县和瑞安市境内。珊溪水库为温州市区及瑞安市、文成县、洞头和平阳等地约500万人生活的主要水源，同时也为温州市区及瑞安、平阳等地工农业生产提供用水。

本研究以珊溪水库大坝为界，将研究区划分为珊溪库区控制I区和珊溪库区控制II区，见图1。I区水库河道较宽，最宽达到1 500 m，水深最深达90 m。Ⅱ区水库河道较窄，一般为100～200 m，水深10 m。历年监测数据表明，Ⅰ区水质状况总体良好，除TN、TP部分年份超标外，基本满足饮用水水源地二级保护区的水质要求。近年来，珊溪水库及其部分支流水域存在藻类异常增殖现象。Ⅱ区水质总体劣于I区，超标因子为TN、TP。Ⅱ区为Ⅰ区的反调节水库，其水质变差的主要原因是区间干流沿岸居民生活污染和农业面源污染、控制区间主要入库支流泗溪、珊溪坑水质较差。近年监测结果表明，II区取水口水质均为Ⅲ类，大坝右向测点个别月份达到Ⅳ类或Ⅴ类水质，严重威胁左向取水口的饮用水水质安全。此外，珊溪库周及上游区域排放的污染物，使库区局部河段及部分入库水体受到不同程度污染，如黄坦坑、珊溪坑、泗溪、玉泉溪、李井溪，库区水质安全受到威胁。

图1 珊溪库区分区图Fig.1 Partition of Shanxi reservoir

2 研究方法

2.1 污染物入河量计算方法

本研究采用污染物入河系数法估算工业、农村生活、城镇生活、种植业、畜禽养殖业的污染物入河量。具体估算方法如下：

(1) 工业污染物入河量。

WI=(WIp-θ1)×β1

(1)

式中：WI为工业污染物入河量；WIp为工业污染物排放量；β1为工业污染物入河系数；θ1为被污水处理厂处理掉的量。

(2)城镇生活污染物入河量。

W生2=(W生2p-θ2)×β2

(2)

式中：W生2为城镇生活污染物入河量；W生2p为城镇生活污染物排放量；β2为城镇生活污染物入河系数；θ2为被污水处理厂处理掉的量。

(3)农村生活污染物入河量。

W生1=W生1p×β3

(3)

式中：W生1为农村生活污染物入河量；W生1p为农村生活污染物排放量；β3为农村生活污染物入河系数。

(4)种植业污染物入河量。

W农=W农p×β4

(4)

式中：W农为农田污染物入河量；W农p为农田污染物排放量；β4为农田污染物入河系数。

(5)畜禽养殖污染物入河量。研究区畜禽养殖分为散养和规模化养殖，畜禽养殖业污染物入河量技术如式(5)所示。

W畜禽﹦W畜禽p1×λ1+W畜禽p2×

(1-综合处理效率)×λ2+W畜禽p3×λ2

(5)

式中：W畜禽为畜禽养殖污染物入河量；W畜禽p1为散养的畜禽粪污各污染物排放量；W畜禽p2为规模化综合处理的畜禽粪污各污染物排放量；W畜禽p3为规模化未综合处理的畜禽粪污各污染物排放量；λ1为散养的畜禽粪污各污染物入河系数；λ2为规模化综合处理的畜禽粪污各污染物入河系数。

(6)入河系数。各类污染源产生的污染物进入河流、库区前受受多种因素的影响，仅部分进入水体。入河系数是估算污染物入河量的重要参数[8]。本研究通过调查各类污染源污染物的入河过程及其主要因素，确定库区的入河平均系数，如表1所示。

表1 各类污染源入河系数表Tab.1 Coefficient of all kinds of pollution into the river

2.2 水环境容量计算方法

水环境容量采用MIKE流域水动力、水质模型估算。

珊溪库区I区河道特征符合三维模式，选择三维水质模式MIKE3模型的水动力模块和水质模块建立珊溪库区流域三维非恒定流水动力和水质模型，以近3年的降雨、蒸发、断面流量及水质监测等数据验证模型参数，并估算其水环境容量。

珊溪库区Ⅱ区河道较窄，水较浅，污染物一进入水体在横向和垂向方向能够完全混合，河道符合一维模式特征，采用MIKE11水动力和水质软件建立控制区流域一维非恒定流水动力和水质模型，对Ⅱ区流域的主要支流和水库的水质进行模拟。

3 污染物入河量估算

3.1 不同来源污染物入河量及贡献率

本文以乡镇为基本单位，结合小流域分区估算2010年各流域的工业、城镇生活、农村生活、生活垃圾、种植业、畜禽养殖业和旅游业等七类主要污染物来源，其中生活垃圾源、旅游业源参照式(2)、式(3)分别估算城镇、农村部分。工业污染物排放量采用区域统计数据，城镇生活、农村生活、种植业、畜禽养殖业、旅游业等污染物排放量分别根据各小流域对应的人口数、作物种植面积、化肥农药使用量、畜禽养殖数量等采用系数法估算[9,10]。2010年珊溪库区COD入河量为6 060.60 t，氨氮为725.21 t，总氮为1 109.27 t，总磷为187.39 t。不同来源的污染物入河量及贡献率如表2所示。

表2 2010年不同来源污染物入河量估算结果Tab.2 The estimation values of pollutants into the river discharge from different sources (2010)

城镇污水和畜禽养殖排放的污染物对污染物总量的贡献率较高。COD入河量大的污染源为城镇污水、畜禽养殖，分别占库区COD排放量的50.74%、30.02%；NH3-N入河量大的污染源为城镇污水、农村污水及畜禽养殖，分别占库区NH3-N排放量的48.68%、26.94%和20.98%；TN入河量大的污染源为城镇污水、畜禽养殖及农村污水，分别占库区TN排放量的46.34%、28.73%和22.01%；TP入河量大的污染源为畜禽养殖和城镇污水，分别占库区TP排放量的61.81%、22.90%。

3.2 各小流域污染物入河量及贡献率

根据库区水系汇流情况，本研究将研究区域划分为16个小流域，各流域对应的行政乡镇关系如图2所示。不同污染物各流域入河量估算结果如表3所示。

16个小流域COD入河量及其对库区污染物总量的贡献率从大到小依次为：泗溪流域、黄坦坑流域、珊溪坑流域、飞云江(营前-珊溪段)流域、玉泉溪流域、峃作口溪流域、莒江溪流域、珊溪水库流域、里光溪流域、洪口溪流域、桂溪流域、平和溪流域、九溪流域、三插溪流域、李井溪流域、赵山渡水库流域，其COD入河量对库区COD总量的贡献率如表3所示。

图2 研究区小流域及乡镇关系Fig.2 Small watershed partition & relation of village-town

表3 各流域污染物入河量现状统计(2010年)Tab.3 The pollutant situation into the river discharge statistics(2010)

续表3 各流域污染物入河量现状统计(2010年)

16个小流域氨氮入河量及其对库区污染物总量的贡献率从大到小依次为：泗溪流域、黄坦坑流域、玉泉溪流域、飞云江(营前-珊溪段)流域、珊溪坑流域、莒江溪流域、峃作口溪流域、珊溪水库流域、洪口溪流域、里光溪流域、桂溪流域、九溪流域、平和溪流域、赵山渡水库流域、三插溪流域、李井溪流域，其氨氮入河量对库区氨氮总量的贡献率如表3所示。

16个小流域总氮入河量及其对库区污染物总量的贡献率从大到小依次为：泗溪流域、黄坦坑流域、玉泉溪流域、飞云江(营前-珊溪段)流域、珊溪水库流域、珊溪坑流域、峃作口溪流域、莒江溪流域、洪口溪流域、里光溪流域、桂溪流域、赵山渡水库流域、九溪流域、平和溪流域、三插溪流域、李井溪流域，其总氮入河量对库区总氮总量的贡献率如表3所示。

16个小流域总磷入河量及其对库区污染物总量的贡献率从大到小依次为：黄坦坑流域、泗溪流域、玉泉溪流域、峃作口溪流域、珊溪水库流域、珊溪坑流域、飞云江(营前-珊溪段)流域、莒江溪流域、洪口溪流域、里光溪流域、桂溪流域、赵山渡水库流域、平和溪流域、九溪流域、三插溪流域、李井溪流域，其总磷入河量对库区总磷氮总量的贡献率如表3所示。

3.3 2020年污染物入河量预测

根据流域内各乡镇2020年经济人口发展规划等相关资料，采用式(1)～式(5)的方法估算2020年污染物入河量，2020年珊溪库区COD入河量为10 298.19 t，氨氮为1 147.84 t，总氮为1 821.55 t，总磷为311.94 t。不同来源污染物入河量及其贡献率预测结果如表4所示，各流域污染物入河量及其贡献率预测如表5所示。

由表4可知，2020年研究区COD、NH3-N、TN入河量最大的污染源是城镇污水，分别占库区排放量的57.65%、61.23%、55.35%；其次为畜禽养殖分别占库区排放量的30.57%、23.518%、31.20%；TP 入河量最大的污染源是畜禽养殖，占库区TP排放量的64.10%，其次为城镇污水，占库区TP排放量的27.24%。

表4 污染源入河量预测(2020年)Tab.4 Pollution into the river discharge forecast(2020)

表5 各流域污染物入河量预测(2020年)Tab. 5 The river pollutants into the river discharge forecast(2020)

如表5所示，2020年研究区16个小流域中COD污染物入河量大的流域为泗溪流域、黄坦坑流域、珊溪坑流域、玉泉溪流域；NH3-N污染物入河量大的流域为泗溪流域、黄坦坑流域、玉泉溪流域、珊溪坑流域；污染物入河量大的流域为泗溪流域、黄坦坑流域、玉泉溪流域、飞云江(营前-珊溪段)流域；污染物入河量大的流域为泗溪流域、黄坦坑流域、玉泉溪流域、峃作口溪流域。

4 水环境容量估算

本文确定水质目标为：到2020年珊溪库区水质稳定达到II类。经MIKE3和MIKE11流域水动力、水质模型估算，珊溪库区各主要支流的控制断面水质目标条件下，对应的COD水环境容量为7 769 t/a；NH3-N水环境容量为881 t/a；TN水环境容量为1 035 t/a；TP水环境容量为184 t/a。

5 水环境容量盈余分析

根据上文的污染物入河量预测、各小流域的水环境容量，分析研究区水环境容量盈余。结果显示，2020年研究区16个小流域中有6个小流域污染物入河量未超过水环境容量，10个小流域污染物入河量超出水环境容量需削减。

污染物入河量未超标的小流域分别为：三插溪流域、里光溪流域、洪口溪流域、李井溪流域、珊溪水库流域、赵山渡水库流域。

表6 珊溪库区控制区流域各控制单元的水环境容量Tab.6 The water environmental capacity of control units in Shanxi reservoir watershed

污染物入河量超标的小流域分别为：玉泉溪流域、泗溪流域、峃作口溪流域、黄坦坑流域、莒江溪流域、珊溪坑流域、飞云江(营前-珊溪段)流域、平和溪流域、九溪流域、桂溪流域。各小流域不同污染物超标量、盈余量、削减率分析结果如表7所示。

表7 珊溪库区各控制单元的水环境容量盈余及污染物控制目标分析Tab.7 The water environmental capacity surplus of Shanxi reservoir and pollution control target analysis

其中“-”为未超过该流域水环境容量，黄坦坑流域、珊溪坑流域和飞云江(营前-珊溪段)流域COD、氨氮、总氮和总磷入河量均超过环境容量，泗溪流域和九溪流域的氨氮、总氮和总磷入河量均超过环境容量，玉泉溪流域总磷入河量超过环境容量，桂溪流域氨氮和总氮入河量均超过环境容量，应对其有较大程度的削减。其他支流水环境容量利用率大部分超过70%，需要严格控制未来的污染物增量。

根据各小流域污染物入河量和水环境容量盈余分析，可以确定珊溪库区基于水环境容量的污染物控制目标，2020年，珊溪库区COD、氨氮、总氮、总磷需在预测入河量的基础上分别削减41.6%，45.4%，54.3%和59.9%。其中，黄坦坑各污染物均需在预测入河量的基础上削减80%以上；珊溪坑各污染物均需在预测入河量的基础上削减52%以上；泗溪和飞云江(营前-珊溪段)各污染物均需在预测入河量的基础上削减35%以上。

6 结论及建议

6.1 主要结论

2010年珊溪库区COD现状入河量为6 060.60 t，氨氮为725.21 t，总氮为1 109.27 t，总磷为187.39 t。城镇生活源和畜禽养殖源是主要污染源，在各项污染物入河量中均占最大比例；其次是农村生活污染源与生活垃圾源；工业源、种植业和旅游业污染物所占比例较小。从污染源空间分布看，泗溪流域与黄坦坑流域占入河污染物总负荷的比例最大，其他流域污染负荷较小。

2020年珊溪库区COD污染物入河量为10 298.19 t，氨氮为1 147.83 t，总氮为1 821.55 t，总磷为311.94 t。城镇生活源和畜禽养殖仍为主要污染源，但是较2010年，城镇生活源、养殖源、旅游业源、工业源入河量比例上升，种植业源、农村生活源比例下降。从污染源空间分布看，泗溪流域与黄坦坑流域占入河污染物总负荷的比例最大，其次是珊溪坑流域、玉泉溪流域、飞云江(营前-珊溪段)流域、峃作口溪流域占入河污染物总负荷的比例较大，这与2010年空间污染源空间分布特征一致。

珊溪库区水质稳定达到Ⅱ类条件下的COD水环境容量为7 769 t/a，氨氮为881 t/a，总氮为1 035 t/a，总磷为184 t/a。

6.2 水环境污染防治建议

从2010年至2020年，为保证珊溪水质达标，到2020年前，珊溪库区控制区流域COD应总削减41.6%、氨氮应总削减45.4%、总氮应总削减54.3%、总磷应总削减59.9%。

珊溪库区控制区流域应主要控制黄坦坑流域、珊溪坑流域和飞云江(营前-珊溪段)流域COD、氨氮、总氮和总磷排放量，泗溪流域和九溪流域的氨氮、总氮和总磷排放量，玉泉溪流域总磷排放量；桂溪流域氨氮和总氮排放量。如保持在当前的污染治理水平， 2020年黄坦坑流域COD、氨氮、总氮和总磷应分别削减85%、81%、82%、84%；珊溪坑流域COD、氨氮、总氮和总磷应分别削减52.1%、71%、68.4%、63.3%；飞云江(营前-珊溪段)流域COD、氨氮、总氮和总磷应分别削减35%、40%、49.8%、51%；泗溪流域氨氮、总氮和总磷应分别削减57.2%、75%、75.4%；九溪流域氨氮、总氮和总磷应分别削减38.3%、53.6%、40%；玉泉溪流域总磷应削减47.1%；桂溪流域氨氮和总氮应分别削减15.7%、40.4%。

维持当前的污染处理水平，珊溪库区控制区各小流域污染物削减任务艰巨，应综合应用先进的污染治理手段，积极开展污染治理各项措施。如：将污染综合整治与流域生态恢复相结合，加强流域水土保持工程实施，提升库区周边生态系统污染拦截功能，减少污染物入河入库量。加强城镇生活污水和规模化畜禽养殖业的污染治理，建设科学适宜的污水处理设施，并加强其监督管理。开展农村生活及散养畜禽户污染治理，从源头减少污染物排放水平。提倡减少农药化肥的使用量，倡导使用无毒农药及有机花费，减少种植业污染物排放量。建设水质安全监测预警体系，制定突发谁污染事件的应急预案，保障珊溪库区水质安全。

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