巢湖流域磨墩水库流域水环境污染源调查及防治对策

2019-05-08谢三桃杨富宝

水利规划与设计 2019年4期

谢三桃,杨富宝

(1.安徽省水利水电勘测设计院，安徽合肥 230088; 2.安徽省水资源利用与水环境保护工程技术研究中心，安徽合肥 230088)

巢湖为全国五大淡水湖之一，是长江下游重要生态湿地、著名的鱼米之乡和抚育江淮儿女的母亲湖，长期以来，在防洪、供水、灌溉、航运、生态保育等方面发挥了巨大作用。20世纪80年代以来，受地形、降水和人类活动等影响，巢湖水污染加剧，富营养化状况严重，是全国水污染重点防治的“三河三湖”之一。截至2004年，巢湖西半湖已失去向合肥市城区饮用水源供水功能。2011年区划调整后，合肥市全面启动了巢湖生态保护与修复工作，并对巢湖流域水资源保护及利用提出新要求，应重点保护上游水源水库，加大水库周边水环境整治力度。基于此，本文通过对磨墩水库流域水环境污染源调查评价及问题剖析，以TN和TP为污染控制指标进行水库水环境容量核定，在此基础上提出污染总量控制方案与水污染防治对策，以削减入湖污染负荷，改善区域生态环境，并为巢湖流域其他饮用水源性水库水环境治理提供参考和借鉴。

1 流域概况

磨墩水库位于长江流域巢湖水系丰乐河支流、肥西县山南镇和铭传乡境内，是一座具有灌溉、防洪、供水等综合利用功能的中型反调节水库。水库控制流域面积24.2km2，多年平均径流量534.2万m3，正常蓄水位47.4m，水库面积1.93km2，总库容1356万m3，兴利库容880万m3，调洪库容476万m3，年供水能力1700万m3，属中型水库。水库设计灌溉面积12.21万亩，保护下游柿树岗乡、山南镇、花岗镇等3.5万人，2.5万亩耕地及省道杨桃公路。目前，磨墩水库流域范围内点源及面源污染缺乏有效控制措施，污染负荷持续积累，致使区域内水环境日趋恶化，库区水质面临威胁。根据合肥市供水战略规划，磨墩水库将作为龙河口向合肥供水的调蓄水库，至2020年需向合肥西南片城市进行供水。由此，开展流域水污染防治工作尤为重要且十分迫切。

2 污染源调查及分析

2.1 水质现状分析

2.1.1数据来源

系列年水质监测数据主要采用肥西县环保部门提供2011—2014年逐月的磨墩水厂取水口水质监测成果，水质验证监测数据分别于2015年4月16日(非汛期)、7月15日(汛期)两次在库区内现场取样获得，共设18个取样点(具体分布如图1所示)。依据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》，采用单因子评价方法，评价的主要因子为化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)。

2.1.2结果分析

根据《合肥市水功能区划》，磨墩水库是未来合肥市重要供水水源地，划为调水水源保护区，水质管理目标近期应符合GB 3838—2002规定的Ⅱ～Ⅲ类，远期Ⅱ类。

从2011—2014年提供的监测数据分析来看，库区水质总体上为III～IV标准，水质状况不稳定，年际变化较大，汛期水质较非汛期的好。从主要水质指标来看，COD、NH3-N、TN年均值达Ⅱ类标准，其中TN在2012年的8—12月，2013年的7—8月，10—12月均超Ⅱ类标准；TP年均值超标，超Ⅲ类水质标准0.04倍。具体见表1。

根据水质验证监测数据分析显示，库区水质总体上为III～IV标准，不同区域水质差异较大，汛期水质总体较非汛期的好。由图2可以看出，从主要水质指标来看，COD、TN非汛期与汛期变化不大，NH3-N非汛期与汛期均能稳定达III标准，汛期TP浓度明显优于非汛期，这是由于汛期降雨量增加，入库水量增大，对污染物有一定的稀释作用。

2.2 污染源调查评价

2.2.1子流域划分

磨墩水库流域为江淮丘陵地貌，高低起伏，岗冲相间，高程多分布在45～160m之间。考虑不同区域污染源分布差异较大，为精准了解流域内污染物产生量，给水污染防治措施提供数据支撑，需对流域进行子流域划分。子流域划分主要以自然地形地貌为基础，从区域汇水方向、村庄分布及主要污染源分布等方面综合考虑，结合实测的1∶2000地形图，采用ArcGis工具对流域进行划分，共将磨墩水库流域划分13个子流域。各子流域分布如图1所示，参数见表2。

2.2.2污染类型与分布

流域内主要为农村地区，无工业企业，污染源分布较分散，根据污染源分布特征，将污染源类型划分为点源和面源，点源主要为规模化畜禽养殖污染，面源有农村生活污染、农业面源污染、水产养殖污染及桑蚕养殖污染等。其中，①规模化畜禽养殖污染。流域内规模化生猪存栏量1200头，家禽8800只，主要分布在3、5、6、9、10子流域。②农村生活污染。流域内共涉及山南和铭传2个乡镇，6个行政村，62个村民组，6478人，主要分布在3、5、6、9子流域，生活污水均为自然排放模式。③农业面源污染。流域内种植作物主要为农田和桑园，农田种植面积6980亩，多为“一稻一油”种植模式。桑园种植面积4210亩，当地养蚕一般为两季三批，每年施肥期为4月份、7月份。④水产养殖污染。流域内养殖规模314亩，主要养殖为四大家鱼，分布在3、4、5、9、10子流域。⑤桑蚕养殖污染。根据现场调研磨墩水库流域桑蚕养殖平均每年两季三批，每亩地平均可养殖2.5张蚕种，年产生鲜蚕粪约1578.75吨，蚕沙部分用做肥料，部分被废弃。各子流域污染源分布情况见表2。

表1 2011—2014年磨墩水库历年水质现状评价

图2 磨墩水库汛期、非汛期水质状况

表2 磨墩水库各子流域污染源分布统计表

2.2.3污染计算及权重分析

(1)污染物排放、迁移特点及参数选取

根据流域内产业结构分布、居民生活习惯及社会经济状况等，并结合实地走访调查，流域内污染物排放主要呈现以下几个方面特点。①桑蚕养殖是当地老百姓主要经济来源，蚕沙未进行有效利用，对水体污染严重；②居民生活污水基本处于自然排放状态；③畜禽养殖污染距离水库较近，部分畜禽粪便、沼液、沼渣未进行处理；④农田桑园耕种较为粗放，农药化肥施用量大，污染物随降雨径流进入水库。流域内污染物排放量计算参数主要依据《安徽省农村环境连片整治示范项目技术指南》、《第一次全国污染源普查系列手册》及实测数据等进行选取。污染物入河(湖)系数的选取与流域范围内的地形、降雨量、入河距离、植被覆盖率以及水体分布等有关。《全国水环境容量核定技术指南》建议入河系数取0.01～0.1之间。清华大学对淮河流域农业污染以及农村生活污染的研究表明，建议非点源污染物入河系数在0.1范围内选取。由于目前研究桑蚕养殖入河系数的较少，考虑流域内蚕沙主要用于施肥与丢弃，类比于农业面源的入河系数，桑蚕养殖污染物的入河系数取0.15。具体各污染负荷计算参数见表3。

(2)入库污染负荷计算

根据污染物排放与入河系数选取，计算得出流域内不同污染源排放量及入库量，具体见表4。据计算统计，流域内年污染物排放量为：COD 924.52t/a、NH3-N 40.68t/a、TN 101.53t/a、TP 9.47t/a；污染物入河量分别为：COD136.35t/a、NH3-N 6.47t/a、TN 16.12t/a、TP 1.39t/a。

(3)污染结构权重分析

如图3所示，从污染物计算成果分析来看，流域内主要污染源由大到小依次为桑蚕养殖、规模化畜禽养殖、农村生活污染、农业面源污染及水产养殖污染。其中，桑蚕养殖年入库污染COD占40%、NH3-N占51%、TN占51%、TP占23%，规模化畜禽养殖年入库污染COD占37%、NH3-N占51%、TN占51%、TP占23%。

表3 流域污染物排放系数与入河(库)系数取值

表4 磨墩水库流域内污染物排放量及入库量计算统计表

图3 不同污染源类型入库污染贡献权重分析

如图4所示，从各子流域入库污染物贡献来看，污染贡献较大的依次为子流域8、子流域5、子流域9、子流域3。其中，子流域8入库污染COD占37%、NH3-N占51%、TN占51%、TP占23%，子流域9入库污染COD占37%、NH3-N占51%、TN占51%、TP占23%。综上分析，桑蚕养殖与规模化畜禽养殖污染是污染源防治的重点类型，子流域8、子流域5、子流域9、子流域3是本次污染防治的重点区域。

图4 各子流域入库污染贡献权重分析

3 入库污染物消减量分配

3.1 水环境容量计算

(1)水环境容量计算模型选取

在目前国内外的研究中，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，即将水库视为一个完全混合反应器，以水体质量平衡基本方程为基础导出的营养盐模型，容量计算模型可以用水体质量平衡基本方程计算。经比选，磨墩水库的营养盐总氮、总磷的水环境容量模型采用GB/T 25173—2010《水域纳污能力计算规程》推荐的狄龙(Dillion)模型进行计算。

(1)

(2)计算结果及分析

根据《全国水环境容量核定技术指南》以及GB/T 25173—2010，湖(库)水环境容量计算的设计水文条件可以采用近10年最低月平均水位或90%保证率最枯月平均水位相应的蓄水量作为设计水量，本工程计算容量参考点源的水文条件选取，同时考虑到枯水期水量变幅造成污染分配的影响，水环境容量按照丰、平、枯不同水文条件进行计算。由于磨墩水库没有实测的降解系数及滞留系数，参考相关研究，COD、NH3-N的降解系数，TP、TN滞留系数取值范围均在0.001～0.11/d之间。考虑到磨墩水库为饮用水水源地，从偏安全的角度选取安全临界值为10%作为水库水环境容量的安全阈值。水库丰、平、枯水期COD、NH3-N、TN、TP水环境容量具体见表5。

3.2 污染物消减量分配

通过磨墩水库近远期丰、平、枯水环境的削减量可以看出，若磨墩水库达到Ⅲ类水质目标，除枯水期COD、NH3-N、TN不需要削减外，丰、平水期各指标均需要削减，总的削减量占入河总量分别为COD 19.6%、NH3-N20.7%、TN 24.1%、TP 62.9%；若达到Ⅱ类水质，丰、平、枯水期各指标均需削减，且丰水期削减的量较大，总的削减量占入河总量分别为COD 60.0%、NH3-N65.3%、TN 60.6%、TP 81.5%。根据以上近、远期丰、平、枯水期需要削减的量以及各种污染源各种指标入库量分析，对磨墩水库水体达标削减量进行分配，分配原则如下：①削减流域内占比较大的污染源(畜禽养殖及桑蚕养殖)是工程方案设计的重点；②COD、NH3-N的削减应以桑蚕养殖污染作为削减重点对象；③TN、TP的削减应以规模化畜禽养殖污染作为削减重点对象。

表5 磨墩水库近、远期主要指标水环境容量及污染负荷消减量统计表单位：t

注：水环境容量已考虑10%的安全余量，“—”表示水环境容量有富余。

4 水污染防治对策

4.1 治理思路及策略

针对本项目水系现状存在的主要问题与污染源组成的成分及其特征，本着保护优先、合理衔接、因地制宜的原则，通过面源控制、点源拦截、湿地净化、水源涵养及生态修复等一系列工程建设，减少流域内污染物的排放，消减入库污染负荷，改善库周生态环境，作为水源中转站，确保向合肥市供水水质安全。具体治理思路及对策如图5所示。

控源截污——对一级保护区范围内实行“三退”，对二级保护区内居民点生活垃圾统一收集转运，生活污水收集处理，拆除保护区范围内的规模养殖场，并利用生态沟及生态塘对居民点生活污水进行净化处理。

湿地净化——主要对养殖场尾水、农业面源，采用生态湿地、水体原位净化系统等工程措施，对入库的水体水质进行净化。

水源涵养——为丰富生物多样性，防治水土流失，结合“三退”工作的落实，着重对一级保护区植被相对稀疏、裸露的区域增植水源涵养林。

以渔养水——取缔库区规模化养殖，通过生物调控方式改善水库水生态系统结构，形成生态养殖的良性循环，改善库区水质。

图5 磨墩水库流域水污染防治工程技术路线

4.2 水污染防治工程措施

4.2.1农村生活污染治理工程

(1)生活垃圾处理。按照村集中清运和转运、乡镇统一管理的模式运行对农村生活垃圾进行收集，根据区域居民人口数量计算，流域内共配套240L垃圾桶300个。

(2)生活污水处理。根据现场调查发现，磨墩水库周边村民居住区很分散，“空洞化”现象严重，老人小孩居多；厕所基本为旱厕，人粪尿(黑水)往往施用到菜地中，占农村生活污染的60%以上；村民组内往往地势落差大，村民组内径流方向各异，集中收集不现实。基于此，本工程对于农村生活污水按照地表径流产生的面源采用生态塘进行统一净化处理。

4.2.2畜禽与桑蚕养殖污染治理工程

(1)畜禽养殖污染治理工程。根据肥西县人民政府2013年11月颁布的《肥西县规模化畜禽养殖区划定方案》，磨墩水库二级保护区内属于禁养区范围。本次工程对规模化养殖场原则上按照拆除进行处理，不采取具体工程措施。

(2)桑蚕养殖污染治理工程。根据当地老百姓的实际需求，并考虑地方政府实际管理能力，采用“桑枝与蚕沙分离→堆场堆肥(按户设蚕沙发酵池)→农田、耕地有机肥”方式进行处理，共设蚕沙发酵池1255座，其余散落的废弃物按地表径流污染进行处理。

4.2.3面源污染治理工程

(1)生态塘构建工程。本工程将农村生活污水、散养的畜禽、水产养殖、桑蚕养殖及农业尾水统一按照面源治理的模式进行处理。针对面源治理主要利用村庄附近与水库周边现有的鱼塘或当家塘，通过适当的工程措施，将其改造成生态塘，以拦截、消减入库污染负荷。拟建生态塘25座，共计面积34.44hm2，生态沟渠长度6.23km。

(2)水源涵养林及库周湿地缓冲带工程。根据安徽省颁布的关于饮用水源地管理条例，结合“三退”工作的实施，本次工程主要对一级保护区退出的田地进行退耕还林，水源涵养林主要分布于47m等高线以上，面积为1258亩。并在44.5～45.5m高程之间消落区域，有条件的地方构建形成湿地缓冲带，对周边的农村生活污水、散养的畜禽养殖及农业面源等污染物形成入库前拦截、缓冲、净化处理。库周湿地缓冲带面积为340.8亩。

(3)库尾生态湿地工程。着重对北叉污染较严重的库梢约276亩水面采用原位构建生态系统的方式，达到强化区域的水质保持及提升的效果。通过构建水生植物—水生动物—微生物的完善生态系统，把水体的营养盐向高等级营养层转移，从而达到水质净化的目的。

4.2.4“以渔养水”生态治理工程

对一级保护区水产养殖进行退渔还湖，禁止进行人工投料喂养。通过放养滤食性鱼类如鲢、鳙鱼等调整库区水生态系统结构，利用其吸收水体中的藻类和N、P等有机物，以水产品的形式转移移出，减轻水域环境的富营养化。在实际开发中需要保留一部分渔产力不被利用，用来保护水环境，确保水库渔业和水环境保护的协调发展。