东圳水库水质影响预测及对策

李莉 蔡金傍 陈梅 陈玉东 刘臣炜

摘要根据污染源现状调查结果与污染源预测方法，预测了水平年东圳水库流域污染负荷。结果表明，流域污染负荷主要来自农业面源、生活污水和生活垃圾，其中农业面源是流域最大污染源，而农业面源中主要是果园径流污染。在构建东圳水库水域二维水流水质数学模型的基础上，基于流域污染负荷预测结果，模拟分析库区水环境变化趋势，结果为库区总氮和总磷将难以满足Ⅲ类水质标准要求。根据污染源调查及水质影响预测结果，建议加强对东圳水库水环境保护，重点开展果园面源污染控制、生活污水收集处理及生活垃圾收集转运处置等项目。

关键词东圳水库；污染负荷；水质模型；水质预测

中图分类号X524文献标识码A文章编号0517-6611（2017）05-0047-04

AbstractBased on the status of pollution load and its prediction methods， the pollution load of level year of Dongzhen Reservoir basin was predicted. The results showed that the pollution mainly came from agricultural nonpoint source pollution， domestic sewage and domestic garbage， of which orchard nonpoint pollution was the major source. Based on the prediction results of pollution load Dongzhen Reservoir basin， a twodimensional water quality mathematical model was constructed for the purpose of evaluating the change trend of water quality. The results showed that total nitrogen and total phosphorus cant meet Grade III of Surface Water Quality Standard. Consequently， it was suggested to strengthen environmental protection of Dongzhen Reservoir， focusing on orchard nonpoint source pollution control， domestic sewage and garbage disposal.

Key wordsDongzhen Reservoir；Pollution load；Water quality model；Water quality prediction

基金項目“十二五”国家科技支撑计划（2014BAL02B04-02）。

作者简介李莉（1986—），女，福建莆田人，工程师，硕士，从事环境监测、饮用水源保护、生态保护研究。*通讯作者，副研究员，博士，从事湖库水环境保护研究。

收稿日期2016-12-31

为贯彻落实党中央、国务院“让江河湖泊休养生息”和十八大及十八届三中全会关于“生态文明建设”的战略部署，加快对水质较好湖泊（含水库）的保护，避免众多水质较好湖泊走“先污染、后治理”的老路，环境保护部、国家发改委、财政部印发了《水质较好湖泊生态环境保护总体规划（2013—2020年）》[1]，将莆田市东圳水库列入开展生态环境保护工作的湖库中。2015年东圳水库被纳入中央财政资金支持范围的湖库。

东圳水库担负着为莆田市居民生活供水和保证莆田市工农业生产用水的任务，是莆田市的生命之水。但是自20世纪90年代以来，流域大面积开垦山地建果园，造成了水土流失和化肥、农药等面源污染，库区水体水质受到一定程度的影响，生态系统有退化的趋势[2]。笔者分析了东圳水库流域主要污染物入库通量，构建了水库二维水动力水质模型，对库区水质变化趋势进行预测分析，并提出相应的水库污染控制对策和建议，以期为莆田市开展东圳水库生态环境保护研究提供科学依据。

1研究区概况

东圳水库位于木兰溪支流延寿溪上，是一座集供水、灌溉、防洪和发电等功能于一体的综合性大型水利枢纽工程。水库于1958年6月兴建，1960年4月竣工并投入运行。水库流域总面积 321 km2，多年平均降雨量1 710～1 970 mm/a，多年平均入库水量3.13亿m3/a，水库总库容4.35亿m3[3-4]。东圳水库已成为莆田市城厢区、荔城区、秀屿区和湄洲岛管委会等辖区150余万人口的生活饮用水源，同时也是该辖区工农业生产用水主要水源[5]。

东圳水库流域涉及常太镇、钟山镇的大部分村庄和游洋、榜头、盖尾、华亭、凤办、西天尾、白沙9个乡镇 53个村及九鲤湖国家水利风景区、九龙谷国家森林公园景区、东圳水库省级水利风景区（图1）。

根据2010—2014年东圳水库例行水质监测数据，库区总磷、总氮基本达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类水质标准要求，高锰酸盐指数、氨氮等指标达到 Ⅱ 类水质标准要求。

2流域水污染现状调查分析及预测

2.1污染源现状

采用文献查阅与经验公式相结合的方式进行东圳水库流域污染源现状调查[6]，调查范围为水库流域的9个乡镇。据调查，流域范围没有工业和规模化养殖场，污染源主要来自农业面源污染、城镇生活污水、分散畜禽养殖、生活垃圾等。

由表1和图2可知，东圳水库流域污染负荷主要来自农业面源、城镇生活污水、农村生活污水和生活垃圾等。农业面源中化学需氧量（COD）、氨氮、总磷和总氮入库量分别占流域污染负荷总入库量的56.40%、65.35%、66.59%和6785%，成为流域污染物的主要来源。这是由于流域内分布5 733 hm2果树林，主要种植枇杷，主要施用氮、磷、钾等化肥及农家肥，据统计，果园平均施用化肥量为3 075 kg/hm2（不包括农家肥）[7]。施肥大部分采用挖坑浅埋的传统方式，使得肥料存留于土壤表层，且果园土壤类型为红壤或赤红壤，土层较薄，结构疏松，极易引起水土流失[8]，造成大量肥料易随降雨径流进入水体，最终进入东圳水库，对库区水体造成污染。

2.2污染源预测

东圳水库生态环境保护项目实施周期为2015—2018年，因此该污染源预测水平年为2018年。流域污染源预测时，以现状年流域污染负荷为基础，对于生活污水负荷，只考虑流域人口自然增长引起的变化量；对于畜禽养殖污染，只考虑流域畜禽自然增长引起的变化量；流域内农村耕作习惯不会发生大的变化，因此农业面源污染会保持较稳定状态。

东圳水库流域污染负荷入库量预测结果见表2和图3。由表2和图3可知，2018年主要污染源仍为农业面源污染，生活污染源随着人口的增加而有所增加。

3.1模型方程

基于二维不可压缩流体运动方程，构建东圳水库二维水流水质数学模型，预测分析东圳水库水质变化情况，主要预测指标为高锰酸盐指数、氨氮、总氮和总磷。采用三维潮波方程沿深度积分推导得出二维不可压缩流体运动方程[9-10]，即1個连续方程、2个运动方程和1个污染物守恒方程，基本方程如下：

式中，h为水深（m）；x、y为正交坐标（m）；u、v为x、y方向的流速分量（m/s）；ρ为水的密度（kg/m3）；ρa为空气的密度（kg/m3）；E为涡黏性系数；xx为x轴面的法线方向；yy为y轴面的法线方向，xy和yx分别为x和y方向的剪切方向（Pa·S）；g为重力加速度（m/s2）；z为库底的高程（m）；n为糙率系数；γ2a为风剪切应力系数；ψ为风的方向与x方向的逆时针夹角（0～360 °）；ω为地球自转的角速度（rad/s）；φ为当地的纬度；C为库中污染物的浓度（mg/L）；Dx、Dy为x、y方向的扩散系数（m2/s）；k为有机物的生物化学降解系数（d-1）；S为源汇项；t为时间（s）。

3.2计算范围、网格及地形

模型上游边界条件分别为延寿溪、院里溪、东太溪、西太溪等入库断面，模型下游边界位于东圳水库出口。采用三角形网格对模型进行剖分，地形复杂区域及工程临近区域网格布置较密，网格间距50～100 m，网格数8 348个，采用三定点六节点网格，网格节点17 590个，地形插值如图4所示。

3.3模型参数选择

初始条件：水位初始值取计算常水位80.5 m，流速取为0，水质初始值根据现状监测情况取平均值输入，初始值不同，计算中迭代次数不同，但不会影响最终模拟计算结果。

边界条件：水库的边界条件有2类，即开边界和闭边界。水库入流及出流边界为开边界，陆地边界为闭边界。

流场计算时，在闭边界上：Un=U*n（通常U*n=0）或者qn=q*n（通常q*n=0）。

在开边界上：对于入流边界，有以下几种情况：①Un=U*n，且Us=U*s；②qn=q*n， 且qs=q*s；③H=H*，且Us=U*s；④H=H*，且qs=q*s。

对于以上4种情况的入流边界，通常Us=qs=0；出流边界，H=H*。

式中，Un、Us为边界上的外法向及切向速度分量；U*n、U*s为边界上的外法向及切向速度分量给定值；qn、qs为边界上的单位宽流量分量；q*n、q*s为边界上的单位宽流量分量给定值；H为边界上的水深；H*为边界上水深给定值。

浓度场计算中，对于闭边界，污染物浓度通量为0，即：

对于入流边界条件，采用边界点浓度控制边界。对于出流边界条件满足：

式中，n为固边界的外法矢量；Dn为垂直固边界的扩散系数（m2/s）；〖AKV→〗n为流速在外法向方向的分量（m/s）；东圳水库入流边界采用流量界，出流边界采用水位边界。

计算参数：糙率系数，根据调试，在不同区域取不同糙率系数，在主槽n值取0.011～0.016，在滩地n取0.020～0030；综合扩散系数D取值根据艾尔德的理论推导：

式中，u*为摩阻流速（m/s）；h为平均水深（m）。

3.4预测结果

基于2018年污染负荷计算结果，预测水平年东圳水库水质变化情况，结果见图5～8。结果表明，2018年库区高锰酸盐指数和氨氮满足《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002） Ⅱ 类水质标准要求，但是总氮和总磷浓度不满足 Ⅲ 类水质标准要求，受入库河流来水影响，水库水体中总磷浓度最大值出现在东太溪和西太溪入库口区域，而总氮浓度最大值出现在延寿溪入库口区域。

4东圳水库保护对策

4.1实施退果还林

建议对流域内坡度大于25 °的陡坡果园逐步还林还草，其中一级保护区内677.13 hm2果园全面退果还林，种植其他阔叶树种，改造成非桉树阔叶林或针阔混交林，形成环库缓冲带。减少果园的面源污染和增加水源涵养能力，同时对入库的水起到过滤、净化吸收和拦截泥沙的作用，减少污染物入库。

4.2对果园进行改造，建设生态果园

流域内果园面积大，普遍存在着开垦混乱、水土保持措施不完善等问题，致使水土流失现象严重，因此，必须对现有的果园进行改造。针对果园现状实施坡改梯、园面与梯壁生草及排水系统建设等水土保持综合治理措施，同时严禁在25 °以上的陡坡地开垦建果园。

4.3开展农村环境综合整治，减少生活污染

实施流域生活污水治理，推行农户改厕，加快镇村生活污水处理设施及收集管网建设，做到达标排放或综合利用，并加强对生活污水处理设施的运营管理。实施生活垃圾清运保洁工作，彻底清除流域内历史堆放垃圾，配置垃圾箱、保洁车及运输车等设施，逐步推行垃圾保洁市场化运作模式，彻底解决垃圾乱堆乱放、随意倾倒等问题。

4.4科学施用化肥和农药，减少农业污染

采用“最佳管理措施”发展生态农业，改进施肥技术，实施精准施肥、测土施肥、平衡施肥，增施有机肥[11]，提倡使用生物菌肥，减少现有农家肥尤其是猪粪使用量。同时，应注意施肥方法，采用环状沟施、条状沟施或管灌液肥的办法，减少肥料流失，从而降低对东圳水库水体的有机污染。

坚持“预防为主、防治结合”的方针，严禁销售或使用高毒、剧毒和高残留农药，提倡使用广谱、高效、低毒、低残留农药和生物农药。建设果树病虫测报站，及时掌握病虫发生期，保证准确、适量用药，也可以使用点灯诱杀等生物措施，减少农药的施用量。

5结论

该研究根据污染源现状调查结果与污染源预测方法，预测了水平年东圳水库流域污染状况，结果表明流域污染负荷主要来自农业面源、城镇生活污水、农村生活污水和生活垃圾，其中农业面源中COD、氨氮、总磷和总氮入库量分别占流域污染负荷总入库量的54.15%、63.81%、64.97%和6501%，成为流域污染物的主要来源，而农业面源中主要是果园径流污染。

在构建东圳水库水域二维水流水质数学模型的基础上，基于2018年污染负荷计算结果，模拟预测水库水环境变化趋势，结果表明2018年水库高锰酸盐指数和氨氮能满足《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅱ类水质标准要求，但是总氮和总磷将不满足Ⅲ类水质标准要求。

根据污染源调查及水质影响预测结果，建议加强对东圳水库水环境保护，重点开展果园面源污染控制、生活污水收集处理及生活垃圾收集转运处置等项目。

参考文献

[1] 环境保护部，发展改革委，财政部.关于印发《水质较好湖泊生态环境保护总体规划（2013-2020年）》的通知[A/OL].（2014-09-26）[2016-09-23].http：//www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bwi/201409/t20140930-289795.html.

[2] 方东阳，詹永东，郑天和，等.莆田市东圳水库库区面源污染及防治对策[J].中国水土保持，2006（7）：30-32.

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[11] 中国科学院地学部.东南沿海经济快速发展地区环境污染及其治理对策[J].地球科学进展，2003，18（4）：493-496.