南方某主要供水水庫氮磷來源分析及控制對策

張 巧，楊 晟，張 建，謝幫蜜，尹 雪，朱婷婷，彭盛華，孟海濤

(1.深圳市環境科學研究院，國家環境保護飲用水水源地管理技術重點實驗室，深圳市飲用水源地安全保障重點實驗室，深圳市水環境中新型污染物檢測與控制重點實驗室，廣東 深圳518001； 2.淄博職業學院化學工程系，山東 淄博 2553314)

0 引 言

飲用水安全問題是社會公共安全的一個重要組成部分，直接關系到人民健康、社會穩定和經濟發展。近年來，我國突發環境事件不斷發生，對群眾飲水安全造成嚴重威脅，飲用水安全問題已經引起了全社會高度重視。水體富營養化是我國最突出的水環境問題之一，根據國際經濟發展合作組織(OECD)的定義，富營養化的成因為水體中營養鹽的增加導致水生態系統的功能退化，這將嚴重威脅供水安全[1,2]。因此，控制飲用水源氮、磷等營養鹽污染是保護飲用水安全的關鍵。華南某市為資源型缺水城市，主要以境內陸域水庫等蓄水工程和入庫河流為主要水源。作為典型的城區型水源地，建成區占比高，且分布有大量工業企業和居民區，人類活動將增加河流氮、磷輸入，并在下游水庫不斷累積，導致水源水庫受氮、磷污染風險高[3,4]。S水庫為該市主要供水水庫之一，集雨面積64 km2，近5年平均供水量1.44 億m3，處于城市建成區包圍中，外源水量占比高達88%，水質受流域內污染源和境外引水水源水質共同影響。根據近年水質監測結果，該水庫總氮和總磷指標達標形勢嚴峻，處于中營養狀態，存在供水安全風險[5]。本文以該水庫為研究對象，通過監測和調查分析手段，摸清其氮磷污染負荷來源及遷移轉化規律，評估該水源水庫氮磷污染風險，研究制定氮磷污染控制對策，為該市飲用水源地管理和飲用水安全保障提供技術支撐。

1 研究方法

1.1 研究區域調查

S水庫分布有7條入庫支流，其中R4為S水庫與其他水庫聯通渠，R6和R7水量小，水質相對較好，對水庫水質影響小。R1、R2、R3和R5均流經建成區，污水收集管網不完善，其中R1、R3和R5水質長期劣Ⅴ類。R1來水旱季被截排不入庫，雨季來水超過截排量后入庫；R2建有人工濕地，且上游河道已進行截污，進水水質相對較好，旱季來水處理效果及出水水質較好，但雨季上游截污設施溢流導致水質變差，且來水超過濕地處理能力，部分水未經處理直接入庫；R3無任何處理設施，旱季及雨季來水皆直接入庫；R5建有人工濕地，但來水污染物濃度高，去除效果較差，處理后出水直接入庫。此外，S水庫流域內還存在24.06 km2的集雨區不屬于入庫支流的流域范圍，區域匯水通過散流入庫。因此，污染物進入S水庫的主要途徑包括R1～R3、R5四條支流，外來水源及雨季散流。S水庫子流域劃分見表1，入庫支流照片見圖1。

表1 S水庫子流域劃分Tab.1 Watershed subdivision of S reservoir

圖1 入庫支流照片Fig.1 Photos of tributaries to the reservoir

1.2 采樣點位及監測方法

采樣點位布設于S水庫入水口，支流R1～R3、R5污水處理設施出水口(見圖2)。監測頻率為每月一次，監測指標為氨氮、總氮、總磷等，監測方法依據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)[6]。

圖2 采樣點位布設圖Fig.2 Map of the sampling sites

1.3 入庫氮磷負荷計算方法[7-11]

1.3.1 入庫支流核算方法

根據入庫氮磷負荷來源特征，采取不同方法對入庫負荷進行核算。

(1)入庫流量計算方法。根據入庫支流是否存在截排工程，采用不同方法計算入庫水量及污染負荷。

若存在截排工程，需綜合考慮不同降雨情景下，支流上游來水情況及截排能力，分析是否存在溢流，以計算溢流量。入庫流量Q按如下公式計算：

(1)

式中：Q0為支流旱季基流；Q1為截排工程的截排流量；Q2為降雨徑流流量。

采用廣東省綜合單位線法進行匯流分析，以計算各入庫支流逐小時來水降雨徑流流量。

(2)入庫污染負荷計算方法。入庫污染負荷為全部入庫水量與對應污染物濃度的乘積的求和：

m=∑QC

(2)

對于有截排工程存在的支流，以其降雨過程中徑流污染物濃度的平均值(基于水量的加權平均值)作為入庫污染物濃度。對于未截排的支流，降雨徑流入庫污染負荷和基流入庫污染負荷分開計算。其中，以降雨過程中徑流污染物濃度的平均值(基于水量的加權平均值)作為降雨徑流入庫污染物濃度，以枯水期支流水質監測值作為基流入庫污染物濃度。

1.3.2 散流入庫氮磷負荷核算方法

入庫支流流域范圍僅占水庫全部流域范圍的一部分，對于不從支流入庫的部分流域，本文全部按照散流入庫面源污染進行氮磷負荷核算。S水庫散流入庫流域內建成區1.92 km2，林地18 km2，果園1.92 km2，農田菜地1.2 km2，其他0.96 km2。散流入庫水量亦采用徑流系數法計算，入庫污染負荷為入庫水量與對應面源污染物平均濃度的乘積，公式如：

(3)

面源污染物濃度主要受地表土地利用類型影響，本研究采用綜合EMC作為各散流入庫區面源污染物平均濃度。不同土地利用類型的面源污染物濃度計算系數K如表2所示。

表2 面源污染物濃度計算系數K取值 mg/L

各散流入庫區的面源污染物平均濃度(綜合EMC)采用土地利用類型加權平均計算得到：

(4)

式中：Kij為用地類型i的第j類污染物濃度計算系數，mg/L；Ai為該散流入庫區用地類型i的面積，km2；Cj為該散流入庫區綜合EMC，mg/L。

1.3.3 引水工程外源入庫氮磷負荷核算方法

引水工程外源入庫污染負荷為入庫水量與對應污染物濃度的乘積，公式為m=QC。Q通過水庫的調度報表獲得，C為對應月份污染物監測濃度(多次監測取平均值)。

2 結果與討論

2.1 入庫流量核算

經計算得出R1的單位降雨流量過程線，結果如圖3所示。

圖3 R1降雨流量過程線(1 mm)Fig.3 Flow procedure lines produced by precipitation of R1 (1 mm)

采用上述單位降雨流量過程線，根據流域內雨量站全年逐小時降雨數據，按1.3.1節計算方法得出， R1全年累計開閘泄洪時間為881 h，總泄洪量492 萬m3；R2、R3和R5降雨徑流入庫流量分別為824、212、892 萬m3。

R2河水為流域內少量未被收集的污水，旱季基流量很小，約500 m3/d，因此計算時段內旱季基流入庫流量為15.5 萬m3；R3旱季基流量約600 m3/d，計算時段內旱季基流入庫流量為18.6 萬m3；R5旱季基流量約8 000 m3/d，計算時段內旱季基流入庫流量為248 萬m3。

參照1.3.2節對散流入庫水量進行計算，結果顯示S水庫通過散流入庫水量為2 045 萬m3。通過對S水庫調度報表統計，得到S水庫外調水量約為45 819 萬m3。

2.2 入庫污染負荷核算

通過不同途徑進入S水庫的水量及污染物平均濃度如表3所示。可以看出，S水庫全年入庫水量中外來引水量(45 819 萬m3)>支流入庫水量(2 702 萬m3)>散流入庫水量(2 045 萬m3)，在支流入庫水量中R5(1 140 萬m3) >R2(839.5 萬m3)>R1(492 萬m3)>R3(230.6 萬m3)，在4條支流入庫水量中占比最高的為降雨徑流量和溢流流量。各支流入庫污染物平均濃度均遠超地表水Ⅲ類標準，散流入庫總磷略超Ⅲ類水標準，外來引水總氮偏高，超過1 mg/L(Ⅲ類水限值)。從R2、R3和R5降雨徑流和旱季基流污染物濃度來看，R2雨季水質劣于旱季水質，這是由于旱季污水被截流，雨季河道上游截流污水溢流導致水質變差；R3、R5雨季水質明顯優于旱季，是由于以上兩條支流旱季污染物超標嚴重，在降雨期間污染物得到雨水徑流稀釋所致。經綜合核算，NH3-N、TN和TP全年入庫污染負荷量分別為134.3、796.1和48.5 t。

可以看出，S水庫NH3-N和TP污染負荷來源主要是本地源，占總污染負荷的90%和81%。TN污染負荷來源主要是外來引水，占比67%。在本地污染源中以入庫支流污染負荷為主，在入庫支流中對NH3-N和TP污染負荷貢獻量最大的是R5支流，污染負荷占比為40%和21%；此外，R1、R2對NH3-N和TP污染負荷貢獻都較大，R3對入庫污染負荷的貢獻較小。本地源中，散流入庫對TP污染負荷貢獻也比較突出，可達21%。總體而言，S水庫本地氨氮、總磷污染較為嚴重，而本地源中又以R5流域的污染最為嚴重。這主要是由于R5的旱季及雨季來水基本全部入庫，且有大量污水排入河道，水質較差所致。此外，S水庫外來引水中的TN污染不容忽視。

表3 入庫水量、污染物濃度及污染負荷核算表Tab.3 Accounting table of storage water quantity, pollutant concentration and pollution load

3 入庫污染控制策略

(1)本地點源污染控制策略。對流域內雨污水管網進行排查，對老舊管網進行改造，對缺失管網進行新建。特別是R5流域內上游和下游兩條支渠流域內管網缺失嚴重且排污量較大，建議優先完善該流域內支管建設，將支管收集的污水接入規劃排污主管；其次，逐步完善R5中游暗涵流域內污水支管的建設，將流域內產生的污水通過污水管網輸送至污水處理廠處理，不再進入人工濕地，人工濕地僅用于處理未納入污水管網的河道基流河水及初期雨水的處理。以雨污分流為原則，完善R1流域內九圍社區內的管網建設，特別是九圍新村內管網建設，將R1污水收集至污水干管中，輸送至污水處理廠進行處理。

圖4 S水庫污染負荷來源構成Fig.4 Source of pollution load in S reservoir

(2)本地面源污染控制策略。對于建成區面源污染而言，應加快雨污分流制管網的建設，對流域內初期雨水進行收集，在流域內污水全部進入管網后，將現有濕地用于初期雨水的處理。對于保護區內的菜地、果園、花卉苗圃，可通過控制農藥、化肥的使用種類、施肥方式，減少污染物的產生，還可通過在菜地、果園、花卉苗圃周圍建設溝渠，減少徑流產生量。

(3)外來調水污染控制策略。S水庫引水工程來水比例大，是污染負荷重要來源之一，引水工程來水不僅受來水水源水質影響，還受前端水庫流域污染的影響。因此，一方面需要對前端水庫流域進行治理、加強管理來降低來水污染負荷；另一方面需要通過跨市協調推動引水水源水質保護工作來解決境外引水工程來水水質問題。