基于水環境容量盈余估算的庫區污染物減排方案
——以珊溪庫區為例

孫 光，羅遵蘭,2，柳曉燕，曾 勇，王紀偉(.中國環境科學研究院，北京 0002；2. 中國農業大學，北京 0008；.中國石油大學，北京 25706)

水環境容量[1]是指水體在一定時段內，在規定的環境目標下允許容納的污染物的量。水環境容量是水環境目標管理的基本依據，是控制水污染物總量的理論基礎。為了加強水資源的保護，實現水資源的可持續利用，打造健康的水環境，很多環境領域學者已普遍關注水環境容量的研究。水環境容量的計算方法[2]主要分確定性方法和不確定性方法兩大類。Qiuwen Chen等[3]把參數之間的獨立性和相關性來估算水環境容量的不確定性分析方法，并以東江及其支流作為研究案例。鄔彬等[4]選取水資源、水環境和社會經濟的19個指標，評價了深圳水環境承載力處于預警狀態，接近危機狀態。黃真理等[5]分析了三峽庫區的污染狀況，并估算了三峽水庫工程建成的水環境容量。MIKE[6,7]是丹麥水力研究所(DHI)開發的水動力、水質系列數值模型，其中的 MIKE11 系列軟件是一維模型，MIKE3 系列軟件是三維模型。目前雖有學者開展運用MIKE模型確定流域水環境容量的研究，但尚少見到有學者將其應用于河流型水庫的水環境污染防治管理決策中。本文以珊溪庫區為例，采用水環境容量盈余分析，提出水庫水環境污染防治管理措施建議，使科研與管理應用緊密結合，在水環境污染防治管理方面具有十分重要的意義。

1 研究區域概況

珊溪庫區位于浙江省溫州境內飛云江干流中游，分布于文成縣、泰順縣和瑞安市境內。珊溪水庫為溫州市區及瑞安市、文成縣、洞頭和平陽等地約500萬人生活的主要水源，同時也為溫州市區及瑞安、平陽等地工農業生產提供用水。

本研究以珊溪水庫大壩為界，將研究區劃分為珊溪庫區控制I區和珊溪庫區控制II區，見圖1。I區水庫河道較寬，最寬達到1 500 m，水深最深達90 m。Ⅱ區水庫河道較窄，一般為100～200 m，水深10 m。歷年監測數據表明，Ⅰ區水質狀況總體良好，除TN、TP部分年份超標外，基本滿足飲用水水源地二級保護區的水質要求。近年來，珊溪水庫及其部分支流水域存在藻類異常增殖現象。Ⅱ區水質總體劣于I區，超標因子為TN、TP。Ⅱ區為Ⅰ區的反調節水庫，其水質變差的主要原因是區間干流沿岸居民生活污染和農業面源污染、控制區間主要入庫支流泗溪、珊溪坑水質較差。近年監測結果表明，II區取水口水質均為Ⅲ類，大壩右向測點個別月份達到Ⅳ類或Ⅴ類水質，嚴重威脅左向取水口的飲用水水質安全。此外，珊溪庫周及上游區域排放的污染物，使庫區局部河段及部分入庫水體受到不同程度污染，如黃坦坑、珊溪坑、泗溪、玉泉溪、李井溪，庫區水質安全受到威脅。

圖1 珊溪庫區分區圖Fig.1 Partition of Shanxi reservoir

2 研究方法

2.1 污染物入河量計算方法

本研究采用污染物入河系數法估算工業、農村生活、城鎮生活、種植業、畜禽養殖業的污染物入河量。具體估算方法如下：

(1) 工業污染物入河量。

WI=(WIp-θ1)×β1

(1)

式中：WI為工業污染物入河量；WIp為工業污染物排放量；β1為工業污染物入河系數；θ1為被污水處理廠處理掉的量。

(2)城鎮生活污染物入河量。

W生2=(W生2p-θ2)×β2

(2)

式中：W生2為城鎮生活污染物入河量；W生2p為城鎮生活污染物排放量；β2為城鎮生活污染物入河系數；θ2為被污水處理廠處理掉的量。

(3)農村生活污染物入河量。

W生1=W生1p×β3

(3)

式中：W生1為農村生活污染物入河量；W生1p為農村生活污染物排放量；β3為農村生活污染物入河系數。

(4)種植業污染物入河量。

W農=W農p×β4

(4)

式中：W農為農田污染物入河量；W農p為農田污染物排放量；β4為農田污染物入河系數。

(5)畜禽養殖污染物入河量。研究區畜禽養殖分為散養和規模化養殖，畜禽養殖業污染物入河量技術如式(5)所示。

W畜禽﹦W畜禽p1×λ1+W畜禽p2×

(1-綜合處理效率)×λ2+W畜禽p3×λ2

(5)

式中：W畜禽為畜禽養殖污染物入河量；W畜禽p1為散養的畜禽糞污各污染物排放量；W畜禽p2為規模化綜合處理的畜禽糞污各污染物排放量；W畜禽p3為規模化未綜合處理的畜禽糞污各污染物排放量；λ1為散養的畜禽糞污各污染物入河系數；λ2為規模化綜合處理的畜禽糞污各污染物入河系數。

(6)入河系數。各類污染源產生的污染物進入河流、庫區前受受多種因素的影響，僅部分進入水體。入河系數是估算污染物入河量的重要參數[8]。本研究通過調查各類污染源污染物的入河過程及其主要因素，確定庫區的入河平均系數，如表1所示。

表1 各類污染源入河系數表Tab.1 Coefficient of all kinds of pollution into the river

2.2 水環境容量計算方法

水環境容量采用MIKE流域水動力、水質模型估算。

珊溪庫區I區河道特征符合三維模式，選擇三維水質模式MIKE3模型的水動力模塊和水質模塊建立珊溪庫區流域三維非恒定流水動力和水質模型，以近3年的降雨、蒸發、斷面流量及水質監測等數據驗證模型參數，并估算其水環境容量。

珊溪庫區Ⅱ區河道較窄，水較淺，污染物一進入水體在橫向和垂向方向能夠完全混合，河道符合一維模式特征，采用MIKE11水動力和水質軟件建立控制區流域一維非恒定流水動力和水質模型，對Ⅱ區流域的主要支流和水庫的水質進行模擬。

3 污染物入河量估算

3.1 不同來源污染物入河量及貢獻率

本文以鄉鎮為基本單位，結合小流域分區估算2010年各流域的工業、城鎮生活、農村生活、生活垃圾、種植業、畜禽養殖業和旅游業等七類主要污染物來源，其中生活垃圾源、旅游業源參照式(2)、式(3)分別估算城鎮、農村部分。工業污染物排放量采用區域統計數據，城鎮生活、農村生活、種植業、畜禽養殖業、旅游業等污染物排放量分別根據各小流域對應的人口數、作物種植面積、化肥農藥使用量、畜禽養殖數量等采用系數法估算[9,10]。2010年珊溪庫區COD入河量為6 060.60 t，氨氮為725.21 t，總氮為1 109.27 t，總磷為187.39 t。不同來源的污染物入河量及貢獻率如表2所示。

表2 2010年不同來源污染物入河量估算結果Tab.2 The estimation values of pollutants into the river discharge from different sources (2010)

城鎮污水和畜禽養殖排放的污染物對污染物總量的貢獻率較高。COD入河量大的污染源為城鎮污水、畜禽養殖，分別占庫區COD排放量的50.74%、30.02%；NH3-N入河量大的污染源為城鎮污水、農村污水及畜禽養殖，分別占庫區NH3-N排放量的48.68%、26.94%和20.98%；TN入河量大的污染源為城鎮污水、畜禽養殖及農村污水，分別占庫區TN排放量的46.34%、28.73%和22.01%；TP入河量大的污染源為畜禽養殖和城鎮污水，分別占庫區TP排放量的61.81%、22.90%。

3.2 各小流域污染物入河量及貢獻率

根據庫區水系匯流情況，本研究將研究區域劃分為16個小流域，各流域對應的行政鄉鎮關系如圖2所示。不同污染物各流域入河量估算結果如表3所示。

16個小流域COD入河量及其對庫區污染物總量的貢獻率從大到小依次為：泗溪流域、黃坦坑流域、珊溪坑流域、飛云江(營前-珊溪段)流域、玉泉溪流域、峃作口溪流域、莒江溪流域、珊溪水庫流域、里光溪流域、洪口溪流域、桂溪流域、平和溪流域、九溪流域、三插溪流域、李井溪流域、趙山渡水庫流域，其COD入河量對庫區COD總量的貢獻率如表3所示。

圖2 研究區小流域及鄉鎮關系Fig.2 Small watershed partition & relation of village-town

表3 各流域污染物入河量現狀統計(2010年)Tab.3 The pollutant situation into the river discharge statistics(2010)

續表3 各流域污染物入河量現狀統計(2010年)

16個小流域氨氮入河量及其對庫區污染物總量的貢獻率從大到小依次為：泗溪流域、黃坦坑流域、玉泉溪流域、飛云江(營前-珊溪段)流域、珊溪坑流域、莒江溪流域、峃作口溪流域、珊溪水庫流域、洪口溪流域、里光溪流域、桂溪流域、九溪流域、平和溪流域、趙山渡水庫流域、三插溪流域、李井溪流域，其氨氮入河量對庫區氨氮總量的貢獻率如表3所示。

16個小流域總氮入河量及其對庫區污染物總量的貢獻率從大到小依次為：泗溪流域、黃坦坑流域、玉泉溪流域、飛云江(營前-珊溪段)流域、珊溪水庫流域、珊溪坑流域、峃作口溪流域、莒江溪流域、洪口溪流域、里光溪流域、桂溪流域、趙山渡水庫流域、九溪流域、平和溪流域、三插溪流域、李井溪流域，其總氮入河量對庫區總氮總量的貢獻率如表3所示。

16個小流域總磷入河量及其對庫區污染物總量的貢獻率從大到小依次為：黃坦坑流域、泗溪流域、玉泉溪流域、峃作口溪流域、珊溪水庫流域、珊溪坑流域、飛云江(營前-珊溪段)流域、莒江溪流域、洪口溪流域、里光溪流域、桂溪流域、趙山渡水庫流域、平和溪流域、九溪流域、三插溪流域、李井溪流域，其總磷入河量對庫區總磷氮總量的貢獻率如表3所示。

3.3 2020年污染物入河量預測

根據流域內各鄉鎮2020年經濟人口發展規劃等相關資料，采用式(1)～式(5)的方法估算2020年污染物入河量，2020年珊溪庫區COD入河量為10 298.19 t，氨氮為1 147.84 t，總氮為1 821.55 t，總磷為311.94 t。不同來源污染物入河量及其貢獻率預測結果如表4所示，各流域污染物入河量及其貢獻率預測如表5所示。

由表4可知，2020年研究區COD、NH3-N、TN入河量最大的污染源是城鎮污水，分別占庫區排放量的57.65%、61.23%、55.35%；其次為畜禽養殖分別占庫區排放量的30.57%、23.518%、31.20%；TP 入河量最大的污染源是畜禽養殖，占庫區TP排放量的64.10%，其次為城鎮污水，占庫區TP排放量的27.24%。

表4 污染源入河量預測(2020年)Tab.4 Pollution into the river discharge forecast(2020)

表5 各流域污染物入河量預測(2020年)Tab. 5 The river pollutants into the river discharge forecast(2020)

如表5所示，2020年研究區16個小流域中COD污染物入河量大的流域為泗溪流域、黃坦坑流域、珊溪坑流域、玉泉溪流域；NH3-N污染物入河量大的流域為泗溪流域、黃坦坑流域、玉泉溪流域、珊溪坑流域；污染物入河量大的流域為泗溪流域、黃坦坑流域、玉泉溪流域、飛云江(營前-珊溪段)流域；污染物入河量大的流域為泗溪流域、黃坦坑流域、玉泉溪流域、峃作口溪流域。

4 水環境容量估算

本文確定水質目標為：到2020年珊溪庫區水質穩定達到II類。經MIKE3和MIKE11流域水動力、水質模型估算，珊溪庫區各主要支流的控制斷面水質目標條件下，對應的COD水環境容量為7 769 t/a；NH3-N水環境容量為881 t/a；TN水環境容量為1 035 t/a；TP水環境容量為184 t/a。

5 水環境容量盈余分析

根據上文的污染物入河量預測、各小流域的水環境容量，分析研究區水環境容量盈余。結果顯示，2020年研究區16個小流域中有6個小流域污染物入河量未超過水環境容量，10個小流域污染物入河量超出水環境容量需削減。

污染物入河量未超標的小流域分別為：三插溪流域、里光溪流域、洪口溪流域、李井溪流域、珊溪水庫流域、趙山渡水庫流域。

表6 珊溪庫區控制區流域各控制單元的水環境容量Tab.6 The water environmental capacity of control units in Shanxi reservoir watershed

污染物入河量超標的小流域分別為：玉泉溪流域、泗溪流域、峃作口溪流域、黃坦坑流域、莒江溪流域、珊溪坑流域、飛云江(營前-珊溪段)流域、平和溪流域、九溪流域、桂溪流域。各小流域不同污染物超標量、盈余量、削減率分析結果如表7所示。

表7 珊溪庫區各控制單元的水環境容量盈余及污染物控制目標分析Tab.7 The water environmental capacity surplus of Shanxi reservoir and pollution control target analysis

其中“-”為未超過該流域水環境容量，黃坦坑流域、珊溪坑流域和飛云江(營前-珊溪段)流域COD、氨氮、總氮和總磷入河量均超過環境容量，泗溪流域和九溪流域的氨氮、總氮和總磷入河量均超過環境容量，玉泉溪流域總磷入河量超過環境容量，桂溪流域氨氮和總氮入河量均超過環境容量，應對其有較大程度的削減。其他支流水環境容量利用率大部分超過70%，需要嚴格控制未來的污染物增量。

根據各小流域污染物入河量和水環境容量盈余分析，可以確定珊溪庫區基于水環境容量的污染物控制目標，2020年，珊溪庫區COD、氨氮、總氮、總磷需在預測入河量的基礎上分別削減41.6%，45.4%，54.3%和59.9%。其中，黃坦坑各污染物均需在預測入河量的基礎上削減80%以上；珊溪坑各污染物均需在預測入河量的基礎上削減52%以上；泗溪和飛云江(營前-珊溪段)各污染物均需在預測入河量的基礎上削減35%以上。

6 結論及建議

6.1 主要結論

2010年珊溪庫區COD現狀入河量為6 060.60 t，氨氮為725.21 t，總氮為1 109.27 t，總磷為187.39 t。城鎮生活源和畜禽養殖源是主要污染源，在各項污染物入河量中均占最大比例；其次是農村生活污染源與生活垃圾源；工業源、種植業和旅游業污染物所占比例較小。從污染源空間分布看，泗溪流域與黃坦坑流域占入河污染物總負荷的比例最大，其他流域污染負荷較小。

2020年珊溪庫區COD污染物入河量為10 298.19 t，氨氮為1 147.83 t，總氮為1 821.55 t，總磷為311.94 t。城鎮生活源和畜禽養殖仍為主要污染源，但是較2010年，城鎮生活源、養殖源、旅游業源、工業源入河量比例上升，種植業源、農村生活源比例下降。從污染源空間分布看，泗溪流域與黃坦坑流域占入河污染物總負荷的比例最大，其次是珊溪坑流域、玉泉溪流域、飛云江(營前-珊溪段)流域、峃作口溪流域占入河污染物總負荷的比例較大，這與2010年空間污染源空間分布特征一致。

珊溪庫區水質穩定達到Ⅱ類條件下的COD水環境容量為7 769 t/a，氨氮為881 t/a，總氮為1 035 t/a，總磷為184 t/a。

6.2 水環境污染防治建議

從2010年至2020年，為保證珊溪水質達標，到2020年前，珊溪庫區控制區流域COD應總削減41.6%、氨氮應總削減45.4%、總氮應總削減54.3%、總磷應總削減59.9%。

珊溪庫區控制區流域應主要控制黃坦坑流域、珊溪坑流域和飛云江(營前-珊溪段)流域COD、氨氮、總氮和總磷排放量，泗溪流域和九溪流域的氨氮、總氮和總磷排放量，玉泉溪流域總磷排放量；桂溪流域氨氮和總氮排放量。如保持在當前的污染治理水平， 2020年黃坦坑流域COD、氨氮、總氮和總磷應分別削減85%、81%、82%、84%；珊溪坑流域COD、氨氮、總氮和總磷應分別削減52.1%、71%、68.4%、63.3%；飛云江(營前-珊溪段)流域COD、氨氮、總氮和總磷應分別削減35%、40%、49.8%、51%；泗溪流域氨氮、總氮和總磷應分別削減57.2%、75%、75.4%；九溪流域氨氮、總氮和總磷應分別削減38.3%、53.6%、40%；玉泉溪流域總磷應削減47.1%；桂溪流域氨氮和總氮應分別削減15.7%、40.4%。

維持當前的污染處理水平，珊溪庫區控制區各小流域污染物削減任務艱巨，應綜合應用先進的污染治理手段，積極開展污染治理各項措施。如：將污染綜合整治與流域生態恢復相結合，加強流域水土保持工程實施，提升庫區周邊生態系統污染攔截功能，減少污染物入河入庫量。加強城鎮生活污水和規模化畜禽養殖業的污染治理，建設科學適宜的污水處理設施，并加強其監督管理。開展農村生活及散養畜禽戶污染治理，從源頭減少污染物排放水平。提倡減少農藥化肥的使用量，倡導使用無毒農藥及有機花費，減少種植業污染物排放量。建設水質安全監測預警體系，制定突發誰污染事件的應急預案，保障珊溪庫區水質安全。

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