小型水库水质劣化特征及长效治理对策

王振华,李青云,龙 萌,胡艳平,郝 越

(1.长江科学院 流域水环境研究所,武汉 430010;2.长江科学院 流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室,武汉 430010)

0 引 言

我国现有库容10万m3以上的水库9.8万多座,其中小型水库(库容<1 000万m3)9.4万座,占比95%,超过7.5万座为库容100万m3以下的小(2)型水库[1]。作为地方民生水利基础设施,量大面广的小型水库在灌溉、供水、防洪、养殖、旅游、生态等方面发挥着重要作用,为支持地方经济、社会的快速发展作出了巨大贡献。当前我国很多地区的水库供水占总供水量的1/3甚至1/2以上,且主要依赖于中小型水库[2]。随着乡镇的快速发展,许多小型水库还被用作备用水源或应急水源。但在经济社会迅猛发展的同时,各地大量小型水库水质劣化及水生态退化问题也日益突出[3-5],成为新时期供水基础领域的突出短板,威胁人民群众饮水安全和生产用水安全。

随着我国治水进入大保护的新时代,水资源和水生态保护已从城镇向农村地区扩展[6-7],尤其是乡村振兴国家战略以及河湖长制实施后,农村地区小型水库水质安全保障成为重要治水工作内容之一。然而,目前围绕小型水库水体污染来源与特点,以及水质改善措施的相关研究较少,制约小型水库水质提升治理工作开展。因此,有必要结合现场调查和文献资料分析,梳理我国小型水库水质恶化成因及主要水质指标参数特征,提出劣质水精准治理与水质长效达标维持对策,支撑广大农村地区供水安全保障,服务水美乡村建设,助力乡村振兴和美丽中国建设。

1 小型水库蓄水来源及功能特点

小型水库一般分布在山丘区,总库容和有效库容小,集水面积小,一般为几平方公里至几十平方公里,其蓄水来源主要是坡面汇流或河道干流集水[8]。我国小型水库类型主要可分为集雨型水库和河道型水库,且以集雨型水库数量居多,集水方式主要为坡面汇流。

与以防汛、发电等为主要功能的大中型水库不同,我国小型水库以灌溉、供水和养殖为其主要兴利功能,而且随着经济社会结构调整和环境污染压力增加,小型水库普遍存在过度养殖、水质劣化、泥沙淤积、内源负荷高等问题,以致出现部分功能退化[9]。据调查,广东、四川、重庆等地很多小型水库因周边农业种植结构调整而灌溉用水需求弱化,因供水水质保障程度低而丧失供水功能,因肥水养鱼引起水体富营养化并最终导致养殖功能退化甚至废止。

2 小型水库水质污染来源

通过对四川、重庆、广东、湖北、江苏、湖南等地典型小型水库水质污染调查和文献资料分析,梳理总结绝大多数位于农村地区的小型水库水体污染主要来源包括肥水养殖、库周面源、内源释放等。

2.1 肥水网箱养殖污染

利用小型水库进行投料式网箱养殖,曾为我国农村地区经济社会发展发挥了一定作用。但随着养殖规模的扩大和养殖密度的增加,加之许多农区采用肥水养殖模式,网箱养殖造成的小型水库水体污染问题越来越突出。肥水养殖过程中,投放的各种饲料、农家粪肥、化肥以及渔药和蓄积水体的水产动物排泄物,导致以氮、磷为主的营养物质含量升高,水体透明度下降,溶解氧含量降低,水质恶化,富营养化程度加重[5,10-11]。据调查,投放人工配合饲料养鱼过程中,25%～35%的饲料用于鱼生产发育,其他残余饲料将直接或间接污染水体;此外每生产1 kg鱼,同时产生约有70 g氮、14 g磷和800 g有机物通过各种形式进入水体[11],随养殖对象的不同而有所差异。目前,即使绝大多数小型水库通过取缔、禁养措施,切断肥水网箱养殖这一污染源,但以往累积在水体中高负荷营养盐仍会长时间存在,氮、磷浓度难以短期内降低。

2.2 农村生产生活产生的面源污染

小型水库的集水区域一般分布农村,水库周边的农田、畜禽养殖、农村径流和分散式生活污水等农业源是造成面源污染的主要原因[9,12]。农业部一项调查显示,我国农田氮肥、磷肥当季平均利用率约为33%和24%,而其余部分除农作物吸收、土壤固定外,相当一部分随径流进入沟渠,并最终汇流入库。未经处理的农村畜禽粪便、生活垃圾和生活废水,也通过降雨径流冲刷或淋溶进入水库,不断增加水库中营养物质负荷,造成水体营养过剩。

2.3 底泥内源污染再释放

随着投料网箱养殖年限的增加,大量残留物料、水产动物排泄物以及入库的面源物质,不断沉降至水库底泥表层,蓄积成为内源污染物。水库作为人工型湖泊,因水较深、水动力较弱和水底溶解氧低,导致表层底泥处于厌氧环境下,加速有机质分解,促进不稳定形态氮、磷的活化,持续向上层水体中释放氮、磷等物质,从而加重水体富营养化[13]。已有研究表明,在外源污染得到有效控制后,内源污染释放成为水库水质恶化的主要来源,若内源没得到治理,则水库会长期处于富营养化状态[14-15]。

除受上述多种来源污染影响外,少数位于城镇地区的小型水库还可能受到工业污染影响。此外,小型水库水质恶化的一个重要因素是其自我恢复能力弱。我国现有小型水库大多数为集雨型,其水量来源主要为小流域内降雨汇流,换水补水率低,水体更新缓慢,水环境容量较小,自净能力较差,生物多样性较低,因此一旦水质恶化后小型水库系统较难自我恢复。

表1 西南地区某小型水库各观测点位主要水质指标值

3 小型水库水质劣化特征

近些年,为摸清小型水库水体污染情况,各地方的水利、环保部门或相关研究机构开展了一些定点取样监测,分析评价了小型水库水质污染程度及特点。2018年,四川内江对79座水库(其中76座为小型水库)进行了取样检测,结果显示64座水库存在水质超标问题,主要是水体总磷浓度超过地表水V类水质标准(GB 3838—2002),超标率81.0%,超标浓度范围0.21～2.05 mg/L。在雅安,小型水库水体总氮、总磷和CODMn的超标率分别为65.6%、40.5%、61.1%[10]。在南京,37座小型水库取样调查数据表明,超过50%的水库处于富营养状态,主要污染指标为总氮和总磷[5]。在东莞,22%小型水库发生富营养化,主要超标指标为总磷、总氮、COD等[3]。国外也有小型水库水质劣化的报道,农业面源和水产养殖污染造成斯洛伐克西部6个小型水库水体发生不同程度的富营养化,总磷和总氮的浓度范围分别为0.03～0.38 mg/L和0.78～6.89 mg/L[16]。

为进一步查明小型水库中不同部位(坝前主体区、库湾区、库尾支流区)水体污染情况及其时空差异性,课题组选取我国西南地区某小型水库(库容171万m3,水域面积约30万m2,以灌溉功能为主的集雨型水库,坝前平均水深10 m,支流及库湾水深<2 m),开展了定位观测(图1)。西南地区某小型水库各观测点位主要水质指标值及不同时间总磷浓度分别如表1和图2所示。

图1 西南地区某小型水库取样观测点位分布示意

图2 西南地区某小型水库不同时间总磷浓度

由表1和图2可知：

(1)水库不同部位的主要水质指标值呈现空间差异性。库区取样点位水体总磷浓度范围为0.24～1.39 mg/L(表1),全部超过Ⅴ类水质标准(水库Ⅴ类水质总磷限值为0.20 mg/L),其中50%的点位水体总磷浓度在1.0 mg/L以上,且这些点位多处于水库坝前区水域(S4、S5、S6、S7、S8、S9),其平均浓度1.29 mg/L,并以溶解态磷为主;支流及库湾水域(S1、S2、S3、S10、S11、S12)为磷低浓度区,平均浓度0.50 mg/L,且以颗粒态磷为主;坝前区水域总磷平均浓度是支流及库湾水域的2.8倍。库区水体总氮、溶解氧、CODMn浓度和pH值的范围分别为1.32～4.02、3.30～9.39、20.90～53.40、7.91～8.60 mg/L,其中总氮平均浓度3.17 mg/L,超过Ⅴ类水质标准(水库Ⅴ类水质总氮限值为2.0 mg/L),且空间变化规律较为突出。坝前区水域(S4、S5、S6、S7、S8、S9)总氮的平均浓度为3.53 mg/L,明显高于支流及库湾水域(S1、S2、S3、S10、S11、S12)平均浓度2.80 mg/L。库区水体总磷、总氮的上述空间分布特点,即坝前区水域总磷、总氮污染较重,这与坝前区水域为网箱养殖区有关,大量投放含氮磷饵料是造成该水域氮磷含量高的主要原因。

(2) 不同时间条件下水库典型水质指标值存在明显的差异性。以S4点位的水体总磷为例(图2),不同季节时水库总磷浓度差异显著,总体表现为冬、春季(枯水期)时总磷浓度相对较高(1.10～1.22 mg/L),而夏、秋季(丰水期)时总磷浓度偏低(0.86～0.94 mg/L),这可能与夏、秋季洪水汇集入库后的稀释作用有关。

基于上述资料分析可知,目前我国小型水库水质污染指标普遍集中于总氮、总磷等,且各指标值存在明显的时空差异性。在实施治污之前明确这些水质污染特征与规律,对小型水库水质污染治理目标与区域的确定和治理时机的选择,是极为重要的。

4 小型水库劣质水长效治理对策

小型水库水质提升治理总体思路是在全面控污减污的基础上,加强水库生态系统修复与综合管护,以确保水库水质显著改善并持续稳定达标。其中,大多数遭受污染的小型水库亟需全面控污减污,即针对肥水养殖源、面源径流源、底泥内源以及水体污染存量采取分类定向施策,同时考虑水库库滨带、坝前区、支流及库湾区内污染特异性,实施分区精准治污;对于水质劣化和水生态系统同时遭受严重损害的小型水库,有必要在全面治污基础上,开展水生植物恢复重建和水生动物优化调控,促进水生态修复与水库系统健康发展;加强综合管护是新时期我国小型水库水质逐步改善并持续稳定达标的共性要求。

4.1 全面控污减污措施

4.1.1 分类定向施策

(1)水产养殖污染控制。各地方政府应正确处理水产养殖生产与水环境保护的关系,坚持生态优先理念,合理布局小型水库的水产养殖生产,依法划定禁养区、限养区和养殖区,科学规划水产养殖规模。全面禁止和取缔传统的肥水养殖和投料(饵料、粪、肥、药)网箱养殖,倡导生态绿色养殖,大力发展适合小型水库特点的健康养殖模式,防止水产养殖对水生态环境的负面影响。

(2) 面源径流污染防治。针对山丘区入库面源径流污染特点,在小型水库集水区范围内,因地制宜地采用水土保持、耕作管理、精准施肥、节灌控排、沟塘拦截、湿地净化、缓冲带削减等治理技术,通过水肥调控、排水拦蓄、汇集净化等多种途径,在面源径流“产生-排放-入水”全过程中,对氮、磷等污染物进行截留和净化,从而减少面源入库污染负荷。

(3) 底泥内源污染减控。借鉴湖泊底泥污染控制中常用的环保疏浚、原位覆盖、原位钝化等技术,综合考虑这些技术的适用条件、处理效果、应用成本及潜在环境问题和小型水库底泥污染特点,优选效率高、成本少、风险低的底泥污染减控单项或组合技术,通过实施污染底泥生态清淤、覆盖(掩蔽)、固化、稳定化在内的一种或多种处置方式,实现小型水库底泥污染高效控制。

(4) 水体存量污染削减。在开展小型水库水体特征污染物浓度监测与存量负荷评价基础上,综合考虑技术效果、成本和生态风险等因素,优先选择水力调度、水系连通、引调水等水利措施,通过改善环境条件或提高水环境容量方式达到提升水质的目的,其次可配合采用曝气增氧、絮凝沉淀、生态浮床、生物网膜等多种原位治理技术措施,削减水体存量污染物。

4.1.2 分区精准治污

以前述西南地区某集雨型小水库的磷污染治理为例(图1),重点分析小型水库库滨带、坝前区、支流及库湾区等典型区位内磷污染特点及其特殊性和差异性,提出针对性强的分区控磷减磷措施如下：

(1)库滨带截污。作为陆域外源磷污染物迁移入库的最后屏障和必经地,库滨带对外源磷污染物的拦截净化十分关键。考虑库滨带向上延伸分布坡耕地、梯田以及一些分散村落农户和畜禽养殖点及其产排污特点,宜布设等高植物篱、生态沟渠、生态缓冲带、小型人工湿地等技术措施,削减进入水库的外源径流磷的污染负荷。

(2)坝前区减污。水库坝前区水域面积较大,是网箱养殖的主体区域。该区域水体和底泥中磷含量较高,是亟待开展污染治理的核心区域。因很多集雨型小水库不具备实施水利调控改善水质的条件,可优选能够原位削减营养物质的移动式水质净化系统对坝前区水体磷进行高效快速净化处理[17]。此外,由于实施成本高、淤泥占地面积大等因素,底泥疏浚并不是这类小水库底泥污染控制的最佳选择,而操作简单、控污效果好、生态风险小、成本低廉的原位钝化或生态覆盖技术,可作为底泥污染修复的优选技术手段。

(3)支流及库湾区净污。与坝前区相比,支流及库湾区水深较浅、水域面积小,水体中磷含量低且以颗粒态磷为主,宜采用成本低、易操作、对颗粒态磷净化效果好的治理技术,可优选布设生物网膜削减水体磷。此外,支流及库湾区底泥磷含量及其释放量较低,且水面狭窄,多处存在隔堰、人行桥等障碍物,不适宜底泥原位覆盖的施工操作,宜采用便于施工作业的控磷技术措施,可优选投加环保型底泥钝化固磷材料,达到抑制内源磷释放的目的。

4.2 生态系统修复措施

4.2.1 水生植物恢复重建

根据生态适宜性,结合库区时空条件,重点在库滨带、支流及库湾浅水区,开展挺水、沉水、浮叶植物种植恢复,重建水库水生植被,改善局部水域环境和自然生态。对水生植物进行恢复时,需考虑外源入库拦截、水体净化、水生态系统稳定运行等多种需求,尽可能选取本地的、净水能力强的水生植物品种,并对不同品种在时间和空间上优化配置,确保水生植被系统稳定运转,并具有良好的截污净化效果。此外,在水深较深、水生植物常规栽种困难的坝前区,可选取成活率高、根系发达、净污作用强、具有观赏性和经济性的水生植物,构建一定数量的多功能生态浮岛,促进水生态修复的同时美化水库景观。

4.2.2 水生动物优化调控

水生动物优化调控是利用食物网或食物链的摄食关系以及生物相互促进或者抑制的关系,改变水生态系统中各种动物种群配置,以达到改良水质、恢复生态平衡的目的。结合库区水生植物恢复情况,优化调控鱼、虾等水生动物的种类和数量,逐步构建起结构合理、功能稳定的水库生态系统。对水生动物调控时,需对水库中现存过多的食草性鱼类(如草鱼)进行适时适量捕获,减少其对种植初期水生植物的摄食,提高水生植物成活率。此外,通过减控水体中现存鲤鱼等底层性鱼类的数量,减少其对底泥的扰动,降低内源营养盐的释放,以实现改善水生态系统结构和功能的同时强化内源污染控制。

4.3 综合管护措施

小型水库劣质水治理工作是一项复杂的系统工程,除了科学实施各项技术措施外,还需要政策法规支持,加强相关工作的管理与维护,以及库区居民的积极参与,做到工程技术措施与非工程措施并举,通过综合施策和全方位治理,实现小型水库水质持续改善与长效达标。

地方政府可参照河湖长制,全面推进落实“库长制”,明确小型水库水质保护管理职责与分工,加强对库区肥水养殖、网箱养殖、非法排污、面源污染等行为与活动的监管。以“库长制”为抓手,制定小型水库水质监测实施方案,加强水产养殖区水质监测,及时发现水质隐患,并强化对水产养殖污染行为的处罚和责任追究。严格入库排污口与散排点整治,设立水库巡查员,保障库区环境。引导库区农户调整种植结构,推行科学种养与施肥,严格控制化肥投入量,逐步改善耕作习惯,减少农业面源污染入库。建立水库周边生活垃圾及畜禽粪便处置管理体系,避免垃圾、粪便随雨水径流入库形成污染。加强治污工程技术实施后期的运维管理工作,例如,针对生态沟渠、生态缓冲带、人工湿地等技术在运行过程中可能存在淤堵、植被死亡、碎屑残留等问题,及时进行人工疏淤、补栽、收割、清理等管理维护工作。此外,加大小型水库环保宣传教育,让库周居民认识到水库环境的重要性,引导公众参与维护水库环境。

5 结 语

(1)总结分析了我国小型水库特点与污染来源,结合典型案例调查,分析了小型水库水体总磷、总氮等主要污染指标的时空差异性,探讨了掌握水质劣化规律对开展小型水库污染治理的重要性。

(2)面向小型水库水质提升、持续改善、长效达标等需求,针对肥水养殖源、面源径流源、底泥内源以及水体污染存量的特点,结合水库库滨带、坝前区、支流及库湾区内污染特异性,提出了“全面治污-系统修复-综合管护”相结合的总体治理思路,以及分类定向施策、分区精准治污、水生态修复、综合管护等各项具体措施建议。其中,大多数小型水库污染治理需采取的共性技术措施包括取缔肥水养殖和发展生态绿色水产业、库周农作区实施科学种养与施肥、构建面源污染防控技术与管理体系、削减库区内源与水体存量污染负荷等;对于水生态系统受损严重的小型水库,需在全面治污基础上,重建水库水生植被,改善局部水域环境和自然生态,并优化调控鱼、虾等水生动物的种类和数量,逐步构建起结构合理、功能稳定的水库生态系统。

(3)针对某一具体小型水库开展污染治理时,需结合其个性特点,综合考虑技术可行性、经济性、安全性等因素,优选操作简单、控污效果好、生态风险小、成本低的工程技术措施,同时加强运维管理和环保宣教,引导鼓励库周居民参与库区环境维护。

(4)以推进落实“库长制”为契机,建议尽早组织开展小型水库水质提升与污染治理示范工程,形成可复制推广的技术体系与应用推广模式,科学支撑我国小型水库长效治理及水美乡村建设。