白石水庫面源污染分析與控制探究

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】白石水庫面源污染分析與控制探究在各飲用水源地類型中湖庫型水源地占比達40%左右，對于保障區(qū)域供水和飲水安全等發(fā)揮著重要作用。水資源調(diào)查統(tǒng)計顯示，我國大部分湖庫型水源地均存在不同程度的富營養(yǎng)化現(xiàn)象，水質(zhì)不達標(biāo)、水污染問題突出。由于受其自身條件限制，湖庫型水源地的水流速度緩慢，從而使得污染物容易累積且降解速度較慢，對水源地飲水安全和水環(huán)境保護存在較高的風(fēng)險。水庫、湖泊富營養(yǎng)化問題與流域生態(tài)環(huán)境惡化密切相關(guān)，對人類社會安全、經(jīng)濟發(fā)展及水資源科學(xué)利用已形成潛在威脅，特別是流域水庫污染問題更加突出。

為改善流域水環(huán)境質(zhì)量狀況和促進人水和諧發(fā)展，采取科學(xué)的方法措施控制流域污染物總量已成為目前急需解決的問題。傳統(tǒng)的面源污染調(diào)查方法主要有查閱統(tǒng)計資料、水質(zhì)監(jiān)測分析、區(qū)域入戶調(diào)查及野外采樣等手段。地方統(tǒng)計數(shù)據(jù)為污染源調(diào)查統(tǒng)計的重要依據(jù)，由于土地利用類型、徑流量、人口數(shù)量和流域范圍等資料的缺乏，使得統(tǒng)計數(shù)據(jù)的獲取存在較大困難，且數(shù)據(jù)的可靠度和時效性往往較差。在湖庫型水源地面源污染評價過程中為有效獲取模型計算參數(shù)，可利用GIS技術(shù)提高數(shù)據(jù)的可行度和輸入效率，另外還可結(jié)合TS技術(shù)模擬分析土地利用狀況、類型等因素的時空變化特征。GIS技術(shù)的可視化功能和空間分析技術(shù)不僅能夠揭露大量數(shù)據(jù)中隱藏的內(nèi)在變化規(guī)律與空間特征，而且提高了數(shù)據(jù)的直觀性，對污染物遷移途徑和主要來源能夠有效開展識別，從而準(zhǔn)確評價水環(huán)境質(zhì)量受污染物類型及負(fù)荷的影響作用，并為水源地污染控制和水環(huán)境保護提供一定決策依據(jù)。

在面源污染研究方面GIS技術(shù)越來越引起人們的重視，對于面源污染控制專家系統(tǒng)和信息系統(tǒng)最早應(yīng)用于美、日等發(fā)達國家。Behrendt等通過調(diào)查和監(jiān)測區(qū)域磷污染狀況，利用GIS空間建模功能分析了易污染地區(qū)不同土壤類型吸收磷元素的能力，Zhang等認(rèn)為非點源污染影響分析的重要根底是揭露流域水質(zhì)面源污染的空間分布規(guī)律，從而可確定污染源重點控制區(qū)，CookeW.H等利用GIS技術(shù)深入研究了密歇根州農(nóng)業(yè)流域的N、P流失狀況和土壤侵蝕特征，在此根底上提出了最正確的農(nóng)業(yè)管理模式。目前，在非點源污染分析中GIS技術(shù)的研究應(yīng)用已成為大勢所趨，如賈海峰等運用GIS技術(shù)分析石匣小流域?qū)嶒灡O(jiān)測結(jié)果和土地利用數(shù)據(jù)，從而提出了非點源污染重點控制區(qū)域和分布特征，康啟燕等為定量描述污染物的產(chǎn)生量構(gòu)建了基于GIS技術(shù)的污染物遷移數(shù)學(xué)模型，在流域系統(tǒng)范圍內(nèi)模擬分析了污染物空間分布特征，對改變流域水質(zhì)惡化趨勢、保護水環(huán)境重點區(qū)域以及水污染治理具有重要的指導(dǎo)作用，鄭強等對太湖流域非點源污染入河量的時空分布規(guī)律利用GIS的空間分析功能開展研究，結(jié)果顯示汛期為入河污染物的高峰時期且環(huán)太湖地區(qū)為高峰集中區(qū)。

當(dāng)前，對于非點源污染的分析過程GIS技術(shù)的應(yīng)用較為常見，而在湖庫型水庫面源污染控制中GIS技術(shù)的研究相對較少。本文以大凌河干流白石水庫為例，在水庫面源污染控制和解析過程中引入GIS技術(shù)，以期為流域水污染控制及面源污染負(fù)荷的消減提供一定科學(xué)依據(jù)。

一、研究概況

選擇白石水庫匯水區(qū)域作為整個研究范圍，總面積75.0km2，主體工程有取水口、水電站、泄洪排沙底孔、攔河壩和溢流表孔等。白石水庫位于大凌河干流，具有優(yōu)越的地理環(huán)境和便利的交通條件，處于***、***和***區(qū)域的中心地帶。該水庫是一座主要以農(nóng)業(yè)灌溉、防洪排澇和城市供水為主，同時兼顧一定的發(fā)電、旅游和水產(chǎn)養(yǎng)殖等功能的大型水利工程，入庫河流主要有大凌河、涼水河、牤牛河、***等，主要為***、***等區(qū)域提供居民生活飲用水。大凌河主脈貫穿遼西、東南匯入渤海，西支與南支發(fā)源于平泉縣泉子溝及建昌縣水泉溝，二支集合后徑流***縣、***市、***市、義縣等地區(qū)。流域內(nèi)河網(wǎng)密布有涼水河子、忙牛河、老虎山河、西河等支流，景觀變化比較劇烈、經(jīng)濟增長速度較快，屬于某省工農(nóng)業(yè)發(fā)展的核心區(qū)域。

城鎮(zhèn)生活污水、水土流失、農(nóng)村固廢污染物、農(nóng)田徑流及分散式牲畜養(yǎng)殖等為白石水庫面源污染的主要來源，各污染物奉獻率和排放量統(tǒng)計值見表1。由表1可知，在各類面源污染中白石水庫農(nóng)田徑流污染的占比最大，其次為農(nóng)村生活污水。

二、研究方法

2.1水庫面源污染控制措施評價指標(biāo)

科學(xué)合理的選擇評價指標(biāo)是水庫面源污染控制方案優(yōu)選決策的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，評價體系的構(gòu)建應(yīng)尊姓可性性、系統(tǒng)性性、適用性性、科學(xué)性原則。另外，選擇的評價指標(biāo)還要綜合考慮面源污染治理的經(jīng)濟成本因子和污染物消減等環(huán)境因子。本文從經(jīng)濟與環(huán)境效益的角度，兼顧水庫污染源的時空分布特征對評價指標(biāo)開展選擇，其中環(huán)境效益指標(biāo)包括COD、NH3-N、TN與TP消減率4項參數(shù)，經(jīng)濟成本指標(biāo)有運行成本、建設(shè)成本的技術(shù)投資因子。

2.2水資源保護方案決策模型

對飲用水源地污染控制措施利用AHP-GRAP層次分析改良灰色關(guān)聯(lián)法開展優(yōu)選，首先基于AHP原理建立水源地保護各影響因子層次構(gòu)造關(guān)系，然后根據(jù)各因子分析結(jié)果建立方案層、子準(zhǔn)則層和準(zhǔn)則層判斷矩陣，通過一致性檢驗確定各參數(shù)相對權(quán)重。然后對各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度采用GRAP法計算，水資源保護最優(yōu)措施即為AHP-GRAP法計算確定的關(guān)聯(lián)度系數(shù)最大的措施，該方法不僅綜合考慮了各子系統(tǒng)的關(guān)系特征，而且有效解決了以往定性分析主、次不分和單一因素評價的問題。

三、結(jié)果分析

3.1水庫面源污染控制方案布局

(1)子流域劃分。通過對研究區(qū)域內(nèi)各入庫子流域的劃分，采用GIS軟件確定各支流匯水面積，統(tǒng)計計算白石水庫各入庫河流的來水量、匯水面積占比見表2，為便于計算分析不考慮水庫周邊的塘壩。

根據(jù)表2可知，白石水庫入?yún)R河流以大凌河為主，經(jīng)***市后徑流白石水庫，其中68.0%以上入庫水量來源于大凌河支流。相對于其他河流牤牛河、涼水河的來水量相對較大，占比分別為20.25%、11.102%。

(2)大凌河干流白石水庫水域面積10.28km2，研究區(qū)總面積75.0km2，因此土地面積還有64.72km2，統(tǒng)計分析白石水庫內(nèi)土地利用類型見表3。

根據(jù)表3統(tǒng)計結(jié)果可知，白石水庫一級、二級水源地保護區(qū)土地利用以耕地為主，占比分別為73.04%、56.22%，其次為林地占比分別為11.83%和30.52%?？傮w而言，白石水庫研究范圍內(nèi)的土地利用類型以耕地、城鎮(zhèn)居民用地為主，而林地、草地占比相對較低。根據(jù)各土地利用類型占水庫匯水區(qū)域比例可知，城鎮(zhèn)居民用地、耕地面積占水源保護區(qū)的比例較大，該統(tǒng)計結(jié)果與城鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)田徑流污染占區(qū)域總污染比例的污染源調(diào)查結(jié)果基本保持相同。

(3)水庫保護區(qū)污染排放量分布特征。根據(jù)點面源污染調(diào)查資料、土地利用方式和子流域劃分結(jié)果，對白石水庫水源保護區(qū)的污染排放量分布規(guī)律利用GIS軟件開展模擬計算，然后結(jié)合各土地利用方式污染物排放系數(shù)計算污染物年排放量。對入庫河流匯水面積內(nèi)的污染物排放量利用GIS軟件的矢量剪切功能開展計算，計算結(jié)果見表4。

根據(jù)表4可知，對白石水庫NH3-N、TP、TN和COD污染負(fù)荷奉獻率最大的為大凌河子流域，占比分別為63.70%、65.35%、64.13%、68.38%，其次為涼水河子流域，各污染物奉獻率分別為20.10%、19.33%、19.45%、20.16%。大凌河與涼水河產(chǎn)生較大污染負(fù)荷量的原因為：一方面為該子流域的匯水面積相對較大，占總面積的61.85%、11.10%，另一方面為大凌河、涼水河接納了***市與***市等區(qū)域的生活污水與農(nóng)業(yè)廢水，加之農(nóng)田徑流、鄉(xiāng)鎮(zhèn)固廢污染等因素使得該區(qū)域負(fù)荷奉獻率較大。

(4)結(jié)合白石水庫研究范圍內(nèi)GIS土地坡度提取結(jié)果，水源保護區(qū)坡耕地均在25°以下區(qū)域，然后根據(jù)水源保護區(qū)污染防治要求和飲用水區(qū)劃技術(shù)規(guī)范，對庫區(qū)實施退耕還林措施見表5。

對白石水庫匯水區(qū)采取退耕還林措施可有效減少NH3-N、TP、TN和COD污染負(fù)荷量，分別為133.26t/a、47.36t/a、242.85t/a、650.18t/a，對于保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境和改善水質(zhì)持續(xù)惡化的局面具有重要作用。

3.2典型污染控制技術(shù)分析

根據(jù)白石水庫污染排放量分布規(guī)律和污染源計算結(jié)果可知，在庫區(qū)面源污染中農(nóng)田徑流污染的占比最大，其次為城鎮(zhèn)生活污水，二者污染總負(fù)荷在80%以上，因此將其作為典型污染源控制重點。

(1)農(nóng)田徑流典型污染控制技術(shù)。結(jié)合現(xiàn)有文獻資料和相關(guān)技術(shù)指南，對白石水庫農(nóng)田徑流污染控制技術(shù)開展優(yōu)選，各項技術(shù)的投資指標(biāo)和污染物消減率見表6

選擇B0作為評判標(biāo)準(zhǔn)對污染控制技術(shù)開展優(yōu)選決策，在該標(biāo)準(zhǔn)下技術(shù)投資為10元/m2，對各類污染物的去除率均到達100%。相對標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)各污染控制技術(shù)的關(guān)聯(lián)度系數(shù)μ和各參數(shù)權(quán)重利用GRAP、AHP法開展計算見表7。

根據(jù)表7可知，綜合考慮污染控制技術(shù)投資成本和以TP、TN、COD去除率為主的條件下，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)最大值為生態(tài)溝渠-生態(tài)塘農(nóng)田徑流污染控制技術(shù)的0.6810，其次為生態(tài)攔截緩沖帶的0.5732，雖然技術(shù)投資最小的為生態(tài)天然，然而其污染物去除率也較低，因此綜合關(guān)聯(lián)度為0.3865。綜上分析，生態(tài)攔截緩沖帶和生態(tài)溝渠-生態(tài)塘為白石水庫農(nóng)田徑流污染控制的主要措施，另外還要結(jié)合庫區(qū)生態(tài)環(huán)境實際情況采取人工濕地控制措施。

(2)城鎮(zhèn)生活污水控制措施。結(jié)合現(xiàn)有文獻資料和相關(guān)技術(shù)指南，對白石水庫鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水控制技術(shù)開展優(yōu)選，各項技術(shù)的投資指標(biāo)和污染物消減率見表8。

選擇C0作為評判標(biāo)準(zhǔn)對污染控制技術(shù)開展優(yōu)選決策，在該標(biāo)準(zhǔn)下運行成本為0.2元/m3，建設(shè)成本為1000元/m3，對各類污染物的去除率均到達100%。相對標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)各污染控制技術(shù)的關(guān)聯(lián)度系數(shù)μ和各參數(shù)權(quán)重利用GRAP、AHP法開展計算，見表9。

根據(jù)表9可知，綜合考慮污染控制技術(shù)投資成本和以TP、TN、COD去除率為主的條件下，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)最大值為生物接觸氧化-人工濕地生活污水處理技術(shù)的0.6810，其次為潛流式人工濕地城鎮(zhèn)生活污水控制技術(shù)，另外還可根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展實際情況采取沼氣池控制技術(shù)。

3.3污染物總量控制方案

(1)計算水環(huán)境容量。白石水庫污染物總量控制目標(biāo)設(shè)定為水源地一級保護區(qū)Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，然后結(jié)合地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定Ⅱ類水質(zhì)NH3-N、TP、TN和COD濃度臨界值為0.5mg/L、0.025mg/L、0.5mg/L、15mg/L。根據(jù)地方水污染排放標(biāo)準(zhǔn)選擇完全混合模型作為河湖水庫NH3-N、COD水環(huán)境容量計算模型，其表達式如下：

式中，W1—白石水庫NH3—N、COD水環(huán)境容量，t/a，ρ0、ρs—白石水庫水環(huán)境現(xiàn)狀與目標(biāo)控制質(zhì)量濃度，mg/L，K、T—白石水庫污染物綜合降解技術(shù)和維持設(shè)計水量的天數(shù)，a-1、d，V0、qout—代表白石水庫安全設(shè)計水量與排泄出水量，m3、m3/s。

采用吉柯奈爾-迪龍模型作為白石水庫TP、TN水環(huán)境容量計算模型，計算表達式分別如下：

其中，q=Q1/V，qs=Q/A，Q=365qout；

式中，W2—白石水庫TP、TN水環(huán)境容量，t/a，R—TP、TN滯留系數(shù)，Q、Q1—白石水庫年出庫水量與輸入水量，m3/a，q、qs—水力沖刷速率與面積水符合，a-1、m/s，A、H、V—白石水庫湖水表面積、平均水深及水庫庫容，m2、m、m3。

根據(jù)白石水庫有關(guān)數(shù)據(jù)資料和上述計算模型，對各污染指標(biāo)消減率、現(xiàn)狀符合及水環(huán)境容量開展計算見表10。

根據(jù)上表計算結(jié)果，消減率相對較大的為TN、TP、COD，對NH3-N污染物的消減率最低為23.51%。相對于NH3-N、TN、TP、COD水環(huán)境容量白石水庫現(xiàn)狀負(fù)荷消減量分別為9.61、46.78、9.25、369.81t/a，消減率分別為23.51%、52.88%、63.14%與40.85%。根據(jù)各污染物現(xiàn)狀排放量和消減率，需要消減的于NH3-N、TP、TN、COD排放量分別為112.96、108.14、465.20、918.37t/a。

在退耕還林工程建設(shè)實施后，到達消減要求的僅有NH3-N污染物，還需要進一步消減的TP、TN、COD量分別為52.38、206.42與226.47t/a，治理工程以去除TN、TP為主要目標(biāo)。

(2)總量控制方案優(yōu)選。結(jié)合庫區(qū)水環(huán)境保護要求和生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，本研究設(shè)定了3套方案。根底方案a:不采取新的治理技術(shù)，控制保護區(qū)污染源為基準(zhǔn)年水平，基本治理方案b：重點對大凌河、涼水河重點污染區(qū)開展農(nóng)田徑流污染源控制，通過對其他入庫河流的污染控制構(gòu)建情景方案，污染控制方案c:兼顧治理農(nóng)村生活污水與農(nóng)田徑流污染方案，構(gòu)建4套治理方案。各方案污染控制參數(shù)及治理率見表11。

從經(jīng)濟成本控制和污染物消減量的角度比照分析各治理方案，另外還要考慮其他因素。采用生態(tài)溝-生態(tài)塘與生態(tài)攔截緩沖帶復(fù)合技術(shù)對白石水庫農(nóng)田徑流污染控制，另外輔助科學(xué)施肥、合理栽植技術(shù)措施，其投資成本在4600元/hm2左右，可實現(xiàn)NH3-N、TP、TN、COD去除率為50%、66%、57%、42%。采用人工濕地-生物接觸氧化技術(shù)處理農(nóng)村生活污水，可實現(xiàn)NH3-N、TP、TN、COD去除率