中型水庫磷污染成因及污染控制技術方案分析

劉 力，劉蒙泰，陳 浩

(1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300381；2.無錫市水利設計研究院有限公司，江蘇 無錫 21400)

0引言

磷是湖泊初級生產力的限制性營養元素[1,2]，是湖庫發生富營養化的主要原因之一。磷在自然界存在的形態較多，分為溶解性磷和顆粒態磷。僅溶解態磷可被植物及微生物吸收及利用，顆粒態磷主要通過化學沉淀、過濾等措施去除。磷進入湖庫后，利用化學藥劑、旁路處理等工程措施去除顆粒態磷難度較大，造價高，且易破壞湖庫的生態系統，因此工程上通常采用生態工程技術去除溶解態的磷，并在污染物入庫前攔截部分顆粒態的磷，以此控制入庫磷污染負荷。此外，湖庫中磷污染控制要求較高(IV類水質目標≤0.1mg/L，III類水質目標≤0.05mg/L)，達標難度較大。綜上所述，磷是湖庫污染控制的重中之重。

一般情況下，上游流域用地類型多為林地、草地及農業用地等，因此，面源污染多是我國上游地區湖庫污染的主要原因，尤其是農業面源污染。面源污染調查方法眾多，但由于流域尺度較大，用地類型復雜及人口分布不均勻，導致面源污染調研難度較大，且數據的準確性、可行度較差。因此入庫污染負荷評估分析及污染物總量控制有助于識別污染的主要來源，分析不同污染源的變化趨勢及其對水體的影響，并根據總量控制目標，有針對性地制定出減少污染負荷的措施，為湖庫環境改善與保護提供決策依據[3]。

目前，面源污染負荷評估的研究報道較多，但基于入庫污染負荷，尤其是湖庫中TP污染負荷，制定生態控制技術，并對控制技術進行經濟性分析的研究比較缺乏。因此本研究以中型水庫為例，通過分析流域范圍內的用地類型，評估入庫TP污染負荷，并確定主要的污染來源。基于不同水質目標下的水庫納污能力及污染物削減量，分別制定污染控制方案，并對不同污染控制方案進行經濟性比較，最終推薦優選工藝技術。

1 研究區域概況

該水庫位于湖北省西北部，漢江中游地區。入庫季節性河流1是漢江季節性支流，河溝全長25.9km。水庫流域面積約為27.51km2，總庫容1609萬m3，其中興利庫容922.7萬m3，調洪庫容652.3萬m3，死庫容34萬m3。正常蓄水位5.4m。該水庫是一座以灌溉為主，兼有防洪、養殖等綜合效益的中型水庫。

由于周圍人類活動的影響，目前水庫水質處于劣V類水質，迫切需要對水庫進行綜合整治。水庫近期工程整治目標為地表水IV類水質標準，遠期目標為地表水III類水質標準。

表1 水庫水質監測結果及地表水環境質量標準對比表 (mg/L)

根據表1水庫水質監測結果，監測點2水質COD指標超III類標準1.07倍，超IV類標準0.38倍，其他區域的COD指標均能滿足IV類標準，但均不滿足III類水質標準。監測點1結果顯示TP指標超III類標準9.4倍，超IV類標準4.2倍，其他區域內的TP均超III類水質標準3倍，超IV類標準1倍。由此可知，TP是水庫污染的主要指標。

2 研究方法

2.1 污染評價指標體系選擇

污染評價指標的選擇是污染控制決策的關鍵，該體系的建立應遵循科學、全面、適用和可操作性等原則。在設計評價指標時，要兼顧污染物削減等環境指標和經濟成本指標[3]。根據水庫現狀污染情況，水庫主要污染控制指標為TP。根據相關工程經驗，TP污染控制技術較多，且污染物去除要求高、難度大、成本高，尤其是TP進入湖庫后，污染控制及去除難度進一步增大，因此針對水庫水質進行綜合污染分析，選取TP作為評價及污染控制的主要指標具有重要的意義。

2.2 計算模型

2.2.1 輸出系數模型

輸出系數模型是基于多元線性回歸分析的數學模型，是借助污染物輸出系數與土地利用等相關數據估算流域輸出的面源污染負荷，主要用于評價土地利用和湖泊富營養之間的關系[4，5]。輸出系數模型計算模型如下：

式中：L表示營養鹽的輸出量，kg；Ei為第i種污染源的輸出系數,kg·hm-2·a-1或kg·頭(只)-1·a-1或kg·人-1·a-1；Ai表示第i種耕地的面積，hm2，或第種畜禽年末存欄數，頭(只)，或農村人口數，人。Ii表示第i種污染源營養鹽的輸入量；P為由降水輸入的污染物的數量，本次研究暫不考慮此項因素的影響。

2.2.2 水環境容量計算

TP的水環境容量計算模型采用吉柯奈爾-迪龍模型[6,7]，其計算公式為:

Mn=LSA/1000

式中：Mn為TP納污能力，kg/a；Ls為單位湖(庫)水面積，g/m3.a；A為湖庫面積，m2，Ps為湖庫中TP的年平均控制濃度，g/m3；R為磷在湖庫中的滯留系數，a-1；h為湖庫的平均水深，m；Qa為湖庫的年出流水量，m3/a；V為湖庫的總庫容，m3。

3 結果與討論

3.1 污染源分析及污染控制技術方案

3.1.1 流域劃分

利用Arcgis技術，劃分水庫流域范圍的匯水區域(匯水區域劃分見圖1)。一般流域范圍內的入庫的徑流量與匯水面積呈正比，因此，根據不同匯水區域面積分析流域范圍內徑流量占入庫徑流總量的比例，從而確定水庫主要的污染來源。

表2 入庫溝渠匯水面積及徑流量所占比例

根據流域劃分結果可以看出，入庫河流1是匯入水庫的主要河流之一，該排水溝匯水量占入庫總徑流量的91.8%。

3.1.2 土地利用現狀分析

利用Arcgis技術分析流域范圍內的用地類型，用于分析不同的污染類型，為后續污染控制決策奠定基礎。

表3 水庫匯水區域內土地利用情況統計分析表

由表3可見，水庫匯水區域內大部分為林地，比例約為50%，其次是耕地(農作物)，所占比例為37.1%。其余用地類型占地比例較小，均<10%。一般林地范圍內人類活動較少，污染物流失量較小，可忽略不計。耕地范圍內施肥、農業灌溉等因素，存在較大的N、P等營養鹽流失的風險。

3.1.3 TP污染負荷計算及結果分析

根據流域內的用地類型及周圍環境調查，水庫周圍的污染來源主要為農業面源、農村固廢及農村分散性生活污水、畜禽養殖等。在流域劃分、用地類型識別的基礎上，根據相關的文獻[8]，計算不同污染來源入庫污染負荷，如表4所示。

表4 各污染源TP污染負荷計算參數、排放量及貢獻率詳表

根據計算結果，水庫周圍TP污染負荷總計為1113.81kg/a，初步核算TP理論污染平均濃度為0.305mg/L，與實測TP污染平均濃度0.307mg/L相近，表明污染負荷計算相對準確。

表3中，TP污染來源主要以農業面源為主，TP年均污染負荷排放量為807kg/a，占總污染負荷排放量的72.53%。其次是畜禽養殖污染，水庫周邊存在幾處養豬場，存欄數為2000～3000頭不等，TP年均污染負荷排放量為293.4kg/a，占總污染負荷排放量的26.34%。其余污染源的污染貢獻率較小。由此可見，農業面源是水庫TP污染的主要來源。

3.2 TP污染控制技術及工程布局

本研究建議農業面源以生態工程技術為主。濱水緩沖帶生態工程宜布置于水庫周邊10～20m的范圍內，用以攔截污染物進入水庫。人工濕地工程布置于入庫河流1進入水庫前的河道中，用以凈化入庫徑流量。復合生態浮島工程布置于入庫河道1及河道2的末端，用以攔截及凈化污染物。同時復合生態浮島可布置于水庫中，用于入庫TP污染控制。

3.3 TP污染總量控制方案及目標可達性分析

根據相關計算的模型，計算水庫TP環境容量，并根據不同的水質目標，分析污染物削減量。本研究在畜禽養殖污染控制率為80%的前提下，計算農業面源污染削減量。計算結果如表5所示。

表5 不同水質目標下水庫的水環境容量及TP污染物削減量 ( kg/a)

根據計算結果可以看出，III類水質目標條件下，水庫允許容納TP污染物入庫量為363.73kg/a，水庫入庫污染物削減量約為750.08kg/a，削減率約為67.34%，削減要求較高。IV類水質目標條件下的水環境容量較III類水質目標大，允許容納的污染物較多，相應污染物的削減率較低，約為34.69%。因此不同的水質目標，尤其是TP污染控制目標對水庫污染控制工程的布局，工程內容等要求不同，應合理確定水庫可達的目標并制定相應的污染控制措施。

不同的生態污染控制工程對污染物的去除效果不同。單立楠[10]指出生態緩沖帶對面源污染TP的去除能力為32g/m2。根據工程經驗，人工濕地TP污染的去除能力為100～200g/m2[11]，復合生態浮島TP污染的去除能力為200～300g/m2。不同污染控制技術的規模及經濟分析見表6。

根據計算結果，不同工程技術對TP污染累積去除的效果不同，工程設計所需的工程量也不同。生態緩沖帶III類水質目標條件下所需的面積最大，約為16105m2，其次是人工濕地，最后是復合浮動浮島。不同工程措施的單平米的造價不同，其中復合浮動濕地因仿生人工水草等材料的不同，造價不同，一般造價約為800元/m2，相對較高。綜合分析，復合浮動濕地的造價高，污染物的去除效率高，所需的工程面積相對較小，因此工程造價適宜。生態緩沖帶的造價低，但工程設計所需的面積較大，工程造價相對較高。從工程成本及去除效果考慮，不建議作為主要措施，可根據需要作為輔助措施。綜上所述，本工程推薦采用人工濕地工程技術及復合生態浮島作為農業面源污染控制的主要工程技術。

表6 農業面源污染物去除技術對比及技術經濟分析

4 結論

(1)在水庫入庫河流中，河流1的匯水面積最大，匯水面積占總流域面積的91.8%。河流1也是入庫水量最大的河流。在整個匯水區域中，現狀林地占50%，比例最大，但林地中的污染負荷流失較小，可忽略不計。其次是耕地，占比為37.1%，耕地是TP入庫污染的重要污染來源。

(2)在不同水質目標的前提下，TP的納污能力不同，污染削減量也不相同。III類水質目標的條件下，TP削減率為67.34%。IV類水質目標條件下，TP削減率為34.69%。

(3)在總量控制的前提下，在兼顧工程目標可達性和成本的前提下，人工濕地工程和復合生態浮島工程是控制農業面源污染及入庫TP目標可達的優選技術。