白石水库面源污染分析与控制探讨

王 颖

(辽宁省葫芦岛水文局，辽宁 葫芦岛 125000)

在各饮用水源地类型中湖库型水源地占比达40%左右，对于保障区域供水和饮水安全等发挥着重要作用。水资源调查统计显示，我国大部分湖库型水源地均存在不同程度的富营养化现象，水质不达标、水污染问题突出。由于受其自身条件限制，湖库型水源地的水流速度缓慢，从而使得污染物容易累积且降解速度较慢，对水源地饮水安全和水环境保护存在较高的风险。水库、湖泊富营养化问题与流域生态环境恶化密切相关，对人类社会安全、经济发展及水资源科学利用已形成潜在威胁，特别是流域水库污染问题更加突出。

为改善流域水环境质量状况和促进人水和谐发展，采取科学的方法措施控制流域污染物总量已成为目前急需解决的问题。传统的面源污染调查方法主要有查阅统计资料、水质监测分析、区域入户调查及野外采样等手段。地方统计数据为污染源调查统计的重要依据，由于土地利用类型、径流量、人口数量和流域范围等资料的缺乏，使得统计数据的获取存在较大困难，且数据的可靠度和时效性往往较差。在湖库型水源地面源污染评价过程中为有效获取模型计算参数，可利用GIS技术提高数据的可行度和输入效率，另外还可结合TS技术模拟分析土地利用状况、类型等因素的时空变化特征。GIS技术的可视化功能和空间分析技术不仅能够揭示大量数据中隐藏的内在变化规律与空间特征，而且提高了数据的直观性，对污染物迁移途径和主要来源能够有效进行识别，从而准确评价水环境质量受污染物类型及负荷的影响作用，并为水源地污染控制和水环境保护提供一定决策依据。

在面源污染研究方面GIS技术越来越引起人们的重视，对于面源污染控制专家系统和信息系统最早应用于美、日等发达国家。Behrendt等[1]通过调查和监测区域磷污染状况，利用GIS空间建模功能分析了易污染地区不同土壤类型吸收磷元素的能力；Zhang等[2]认为非点源污染影响分析的重要基础是揭示流域水质面源污染的空间分布规律，从而可确定污染源重点控制区；Cooke W.H等[3]利用GIS技术深入研究了密歇根州农业流域的N、P流失状况和土壤侵蚀特征，在此基础上提出了最佳的农业管理模式。目前，在非点源污染分析中GIS技术的研究应用已成为大势所趋，如贾海峰等[4]运用GIS技术分析石匣小流域实验监测结果和土地利用数据，从而提出了非点源污染重点控制区域和分布特征；康启燕等[5]为定量描述污染物的产生量构建了基于GIS技术的污染物迁移数学模型，在流域系统范围内模拟分析了污染物空间分布特征，对改变流域水质恶化趋势、保护水环境重点区域以及水污染治理具有重要的指导作用；郑强等[6]对太湖流域非点源污染入河量的时空分布规律利用GIS的空间分析功能进行研究，结果显示汛期为入河污染物的高峰时期且环太湖地区为高峰集中区。

当前，对于非点源污染的分析过程GIS技术的应用较为常见，而在湖库型水库面源污染控制中GIS技术的研究相对较少。本文以大凌河干流白石水库为例，在水库面源污染控制和解析过程中引入GIS技术，以期为流域水污染控制及面源污染负荷的消减提供一定科学依据。

1 研究概况

选择白石水库汇水区域作为整个研究范围，总面积75.0km2，主体工程有取水口、水电站、泄洪排沙底孔、拦河坝和溢流表孔等。白石水库位于大凌河干流，具有优越的地理环境和便利的交通条件，处于锦州、阜新和朝阳区域的中心地带。该水库是一座主要以农业灌溉、防洪排涝和城市供水为主，同时兼顾一定的发电、旅游和水产养殖等功能的大型水利工程，入库河流主要有大凌河、凉水河、牤牛河、沙河等，主要为锦州、阜新等区域提供居民生活饮用水。大凌河主脉贯穿辽西、东南汇入渤海，西支与南支发源于平泉县泉子沟及建昌县水泉沟，二支汇合后径流朝阳县、凌海市、北票市、义县等地区。流域内河网密布有凉水河子、忙牛河、老虎山河、西河等支流，景观变化比较剧烈、经济增长速度较快，属于辽宁省工农业发展的核心区域[7- 15]。

城镇生活污水、水土流失、农村固废污染物、农田径流及分散式牲畜养殖等为白石水库面源污染的主要来源，各污染物贡献率和排放量统计值见表1。由表1可知，在各类面源污染中白石水库农田径流污染的占比最大，其次为农村生活污水。

2 研究方法

2.1 水库面源污染控制措施评价指标

科学合理的选择评价指标是水库面源污染控制方案优选决策的关键环节，评价体系的构建应尊姓可性性、系统性性、适用性性、科学性原则。另外，选择的评价指标还要综合考虑面源污染治理的经济成本因子和污染物消减等环境因子。本文从经济与环境效益的角度，兼顾水库污染源的时空分布特征对评价指标进行选择，其中环境效益指标包括COD、NH3-N、TN与TP消减率4项参数，经济成本指标有运行成本、建设成本的技术投资因子。

2.2 水资源保护方案决策模型

对饮用水源地污染控制措施利用AHP-GRAP层次分析改进灰色关联法进行优选，首先基于AHP原理建立水源地保护各影响因子层次结构关系，然后根据各因子分析结果建立方案层、子准则层和准则层判断矩阵，通过一致性检验确定各参数相对权重。然后对各指标关联度采用GRAP法计算，水资源保护最优措施即为AHP-GRAP法计算确定的关联度系数最大的措施，该方法不仅综合考虑了各子系统的关系特征，而且有效解决了以往定性分析主、次不分和单一因素评价的问题。

3 结果分析

3.1 水库面源污染控制方案布局

(1)子流域划分。通过对研究区域内各入库子流域的划分，采用GIS软件确定各支流汇水面积，统计计算白石水库各入库河流的来水量、汇水面积占比见表2，为便于计算分析不考虑水库周边的塘坝。

表1 白石水库各类面源污染贡献率和排放量

表2 白石水库入库河流数据统计值

根据表2可知，白石水库入汇河流以大凌河为主，经北票市后径流白石水库，其中68.0%以上入库水量来源于大凌河支流。相对于其他河流牤牛河、凉水河的来水量相对较大，占比分别为20.25%、11.102%。

(2)大凌河干流白石水库水域面积10.28km2，研究区总面积75.0km2，因此土地面积还有64.72km2，统计分析白石水库内土地利用类型见表3。

表3 白石水库研究区内土地利用类型

根据表3统计结果可知，白石水库一级、二级水源地保护区土地利用以耕地为主，占比分别为73.04%、56.22%，其次为林地占比分别为11.83%和30.52%。总体而言，白石水库研究范围内的土地利用类型以耕地、城镇居民用地为主，而林地、草地占比相对较低。根据各土地利用类型占水库汇水区域比例可知，城镇居民用地、耕地面积占水源保护区的比例较大，该统计结果与城镇生活污水和农田径流污染占区域总污染比例的污染源调查结果基本保持相同。

(3)水库保护区污染排放量分布特征。根据点面源污染调查资料、土地利用方式和子流域划分结果，对白石水库水源保护区的污染排放量分布规律利用GIS软件进行模拟计算，然后结合各土地利用方式污染物排放系数计算污染物年排放量。对入库河流汇水面积内的污染物排放量利用GIS软件的矢量剪切功能进行计算，计算结果见表4。

根据表4可知，对白石水库NH3-N、TP、TN和COD污染负荷贡献率最大的为大凌河子流域，占比分别为63.70%、65.35%、64.13%、68.38%；其次为凉水河子流域，各污染物贡献率分别为20.10%、19.33%、19.45%、20.16%。大凌河与凉水河产生较大污染负荷量的原因为：一方面为该子流域的汇水面积相对较大，占总面积的61.85%、11.10%；另一方面为大凌河、凉水河接纳了朝阳市与北票市等区域的生活污水与农业废水，加之农田径流、乡镇固废污染等因素使得该区域负荷贡献率较大。

(4)结合白石水库研究范围内GIS土地坡度提取结果，水源保护区坡耕地均在25°以下区域，然后根据水源保护区污染防治要求和饮用水区划技术规范，对库区实施退耕还林措施见表5。

表5 基于GIS技术白石水库退耕还林工程量计算

对白石水库汇水区采取退耕还林措施可有效减少NH3-N、TP、TN和COD污染负荷量，分别为133.26t/a、47.36t/a、242.85t/a、650.18t/a，对于保护区域生态环境和改善水质持续恶化的局面具有重要作用。

表4 白石水库污染物贡献率及排放量统计结果

3.2 典型污染控制技术分析

根据白石水库污染排放量分布规律和污染源计算结果可知，在库区面源污染中农田径流污染的占比最大，其次为城镇生活污水，二者污染总负荷在80%以上，因此将其作为典型污染源控制重点。

(1)农田径流典型污染控制技术。结合现有文献资料和相关技术指南，对白石水库农田径流污染控制技术进行优选，各项技术的投资指标和污染物消减率见表6。

表6 投资指标与污染物消减率

选择B0作为评判标准对污染控制技术进行优选决策，在该标准下技术投资为10元/m2，对各类污染物的去除率均达到100%。相对标准技术各污染控制技术的关联度系数μ和各参数权重利用GRAP、AHP法进行计算见表7。

表7 农田径流污染控制技术关联度系数与权重

根据表7可知，综合考虑污染控制技术投资成本和以TP、TN、COD去除率为主的条件下，灰色关联系数最大值为生态沟渠-生态塘农田径流污染控制技术的0.6810，其次为生态拦截缓冲带的0.5732；虽然技术投资最小的为生态天然，然而其污染物去除率也较低，因此综合关联度为0.3865。综上分析，生态拦截缓冲带和生态沟渠-生态塘为白石水库农田径流污染控制的主要措施，另外还要结合库区生态环境实际情况采取人工湿地控制措施。

(2)城镇生活污水控制措施。结合现有文献资料和相关技术指南，对白石水库乡镇生活污水控制技术进行优选，各项技术的投资指标和污染物消减率见表8。

表8 投资指标与污染物消减率

选择C0作为评判标准对污染控制技术进行优选决策，在该标准下运行成本为0.2元/m3，建设成本为1000元/m3，对各类污染物的去除率均达到100%。相对标准技术各污染控制技术的关联度系数μ和各参数权重利用GRAP、AHP法进行计算，见表9。

表9 城镇生活污水控制技术的关联度系数与权重

根据表9可知，综合考虑污染控制技术投资成本和以TP、TN、COD去除率为主的条件下，灰色关联系数最大值为生物接触氧化-人工湿地生活污水处理技术的0.6810，其次为潜流式人工湿地城镇生活污水控制技术，另外还可根据当地经济社会发展实际情况采取沼气池控制技术。

3.3 污染物总量控制方案

(1)计算水环境容量。白石水库污染物总量控制目标设定为水源地一级保护区Ⅱ类水质标准，然后结合地表水环境质量标准设定Ⅱ类水质NH3-N、TP、TN和COD浓度临界值为0.5mg/L、0.025mg/L、0.5mg/L、15mg/L。

根据地方水污染排放标准选择完全混合模型作为河湖水库NH3-N、COD水环境容量计算模型，其表达式如下：

W1=362[(ρs-ρ0)V0/T+KV0ρs+(ρs-ρ0)qout]

(1)

式中，W1—白石水库NH3—N、COD水环境容量，t/a；ρ0、ρs—白石水库水环境现状与目标控制质量浓度，mg/L；K、T—白石水库污染物综合降解技术和维持设计水量的天数，a-1、d；V0、qout—代表白石水库安全设计水量与排泄出水量，m3、m3/s。

采用吉柯奈尔-迪龙模型作为白石水库TP、TN水环境容量计算模型，计算表达式分别如下：

W2=ρsqHA/(1-R)

(2)

其中，q=Q1/V；qs=Q/A；Q=365qout；

R=0.426exp(-0.271qs)+0.571exp(-0.00949)

式中，W2—白石水库TP、TN水环境容量，t/a；R—TP、TN滞留系数；Q、Q1—白石水库年出库水量与输入水量，m3/a；q、qs—水力冲刷速率与面积水符合，a-1、m/s；A、H、V—白石水库湖水表面积、平均水深及水库库容，m2、m、m3；

根据白石水库有关数据资料和上述计算模型，对各污染指标消减率、现状符合及水环境容量进行计算见表10。

表10 白石水库各污染物计算值

根据上表计算结果，消减率相对较大的为TN、TP、COD，对NH3-N污染物的消减率最低为23.51%。相对于NH3-N、TN、TP、COD水环境容量白石水库现状负荷消减量分别为9.61、46.78、9.25、369.81t/a，消减率分别为23.51%、52.88%、63.14%与40.85%。根据各污染物现状排放量和消减率，需要消减的于NH3-N、TP、TN、COD排放量分别为112.96、108.14、465.20、918.37t/a。

在退耕还林工程建设实施后，达到消减要求的仅有NH3-N污染物，还需要进一步消减的TP、TN、COD量分别为52.38、206.42与226.47t/a，治理工程以去除TN、TP为主要目标。

(2)总量控制方案优选。结合库区水环境保护要求和生态环境现状，本研究设定了3套方案。基础方案a：不采取新的治理技术，控制保护区污染源为基准年水平；基本治理方案b：重点对大凌河、凉水河重点污染区进行农田径流污染源控制，通过对其他入库河流的污染控制构建情景方案；污染控制方案c：兼顾治理农村生活污水与农田径流污染方案，构建4套治理方案。各方案污染控制参数及治理率见表11。

从经济成本控制和污染物消减量的角度对比分析各治理方案，另外还要考虑其他因素。采用生态沟-生态塘与生态拦截缓冲带复合技术对白石水库农田径流污染控制，另外辅助科学施肥、合理栽植技术措施，其投资成本在4600元/hm2左右，可实现NH3-N、TP、TN、COD去除率为50%、66%、57%、42%。采用人工湿地-生物接触氧化技术处理农村生活污水，可实现NH3-N、TP、TN、COD去除率为90%、92%、84%、76%。6种方案的投资费用与污染负荷消减率见表11。综合考虑投资成本和消减量等因素下，最佳方案为b，即对研究区控制农田径流污染。

表11 不同方案的污染控制治理参数

4 结论

(1)白石水库入汇河流以大凌河为主，经北票市后径流白石水库，68.0%以上入库水量来源于大凌河支流，其次为牤牛河、凉水河。研究范围内的土地利用类型以耕地、城镇居民用地为主，而林地、草地占比相对较低，城镇居民用地、耕地面积占水源保护区的比例较大，该统计结果与城镇生活污水和农田径流污染占区域总污染比例的污染源调查结果基本保持相同。对白石水库NH3-N、TP、TN和COD污染负荷贡献率最大的为大凌河子流域，占比均在60%以上，其次为凉水河子流域，占比在20%左右。

(2)综合考虑污染控制技术投资成本和去除率为主的条件下，白石水库农田径流污染控制、城镇生活污水控制最优措施分别为生态沟渠-生态塘技术与生物接触氧化-人工湿地技术。

(3)在控制污染物总量的条件下，相对于NH3-N、TN、TP、COD水环境容量白石水库现状负荷消减率分别为23.51%、52.88%、63.14%与40.85%。在退耕还林工程建设实施后，达到消减要求的仅有NH3-N污染物，还需要进一步消减的TP、TN、COD污染物。在实现剩余城镇生活污水和农田径流污染全部消减目标的条件下，选择控制农田径流污染方案的投资最低，为水库污染控制的最佳方案。