水泊渡水库水环境容量计算及水污染物排放量预测研究

摘要：本文以黔北地区的水泊渡水库为例，对其水环境容量进行计算，并预测到2025年水库流域范围内的污染物入河量，分析该水源地能否达到水质相关要求。预测结果显示，到2025年，水泊渡水库接纳COD及NH3-N的水环境容量均有剩余，但TN和TP入库量都已超过环境容量。

关键词：水泊渡水库;水环境容量;污染物排放量;预测与分析

中图分类号：X11 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）09-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.09.072

Study on calculation of water environmental capacity and prediction of water pollutants emission of Shuipodu Reservoir

Shang Zhengsong1，2

（1.Guizhou Institute of Environmental Science and Design，Guiyang Guizhou 550081，China;

2.Guizhou Key Laboratory of Water Pollution Control and Resource Reuse，Guiyang Guizhou 550081，China）

Abstract：Taking Shuipudu Reservoir in northern Guizhou as an example， this paper calculates its water environmental capacity， predicts the amount of pollutants entering the river basin in 2025， and analyses whether the water source can meet the water quality requirements. The prediction results show that by 2025， the water environmental capacity of Shuipodu Reservoir to accept COD and NH3-N is surplus， but the TN and TP inflows have exceeded the environmental capacity.

Keywords：Shuipodu Reservoir;Water environmental capacity; Pollutant discharge; Prediction and analysis

自20世紀中叶以来，我国学术界就开始了环境容量的研究工作，用水环境容量来指导流域污染源总量控制、流域水质目标管理、江河湖泊水功能区划以及流域资源优化配置，是一个侧重于宏观指导且行之有效的管理科学技术方法[1]。

水泊渡水库位于遵义市播州区，处于乌江一级支流偏岩河的支流乐民河流域范围内，于2005 年建成蓄水，坝高68.8m，水位高程848m，库容5510m3，兴利库容4570万m3，回水长度10.9km[2]。为更好的保护好宝贵的水资源，水泊渡水库集中式饮用水水源地保护区最初于2007年划定，后经2018年由贵州省人民政府批准对原有保护区进行调整，以适应新形势下的环境保护需要。调整后将整个水库流域范围纳入保护区，分为一级、二级和准保护区，调整后保护区面积共224.8400km2，其中一级保护区面积9.6164km2，二级保护区面积50.5721km2，准保护区面积164.6515km2。

水泊渡水库的设计使用功能为播州区城区生活饮用水和遵义中心城区备用水源[3]，水泊渡水库一期工程为城市供水1670万m3/年，是遵义市播州区的重要饮用水源，对水库的污染状况及未来变化趋势进行研究，对保障播州区人口饮水安全及区域经济发展具有重要意义。本文将对水泊渡水库的水环境容量及未来污染源排放量进行预测研究，并初步提出污染防治措施供相关行政部门参考。

1 水泊渡水库水质现状

按照2017年水泊渡水库的水质监测数据，根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）的水质标准，对水泊渡水库的21项指标进行评价，2017年，水泊渡水库能达到Ⅲ类水质要求;根据《2018年遵义市生态环境状况公报》，水泊渡水库的水质达标率为100%。

2 水泊渡水库水环境容量计算

水泊渡水库为湖库型水源地，以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程时，往往可以把水库看作一个完全混合反应器，故选取零维模型对水泊渡水库的COD、NH3-N、TN和TP进行计算分析。

2.1 有机物的水环境容量计算模型

本文采用沃伦韦德（R.A.Vollenweider）模型计算水泊渡水库库区COD、NH3-N的水环境容量：

式中，V：水库中水的体积（m3）;

Q：平衡时流入与流出水库的流量（m3/a）;

CE：流入水库的水量中水质组分浓度（g/ m3）;

C：水库中水质组分浓度（g/ m3）;

Sc：如非点源一类的外部源和汇（m3）;

γ（c）：水质组分在水库中的反应速率。

上式为零维的水质组分的基本方程。如果反应器中只有反应过程，则Sc=0，则公式变为：

当所考虑的水质组分在反应器内的反应符合一级反应动力学，而且是衰减反应时，则：

γ（c）=-KC

公式又变为以下形式：

K是一级反应速率常数（1/d）。当反应器处于稳定状态时，dC/dt=0，可得到下式：

当C为水库功能区要求浓度标准Cs时，则上式变为：

Wc=31.54*（QCs+KCsV/86400）

式中：Wc：水环境容量，t/a;

V：水库中水的体积（m3）;

Q：平衡时流入与流出水库的流量（m3/s）;

K：是一级反应速率常数（1/d），根据水库各断面的实测水质浓度值，进行数值模拟，试算并调整降解系数达到总体最优时，即为所求的参数。

在水库中，对于难氧化的污染物，K值一般在0.01～0.03/d，本文选取COD、氨氮降解系数分别为0.01/d、0.01/d。

2.2 总氮、总磷的水环境容量模型

本文对总氮、总磷水环境容量计算采用狄龙（Dillon）模型。

式中，W为水库总氮或总磷的水環境容量，t/a;

A为水库水面面积，m2;

R为水库总氮或总磷滞留系数，无量纲;

Cs为水库中污染物的水质标准，mg/L;

q为水库出库水量，m3/a。

2.3 水环境容量计算结果

通过收集水泊渡水库的水文资料，以地表水III类标准水质计算水泊渡水库的水环境容量。结算结果表明，水泊渡水库的COD、NH3-N、TN和TP的水环境容量分别为5227.06t/a、261.35t/a、147.02t/a和7.35t/a。

3 污染源排放量预测（2025年）

本文将以2017年水泊渡水库流域范围内的各种来源污染物排放量为基础，利用特定的计算方法，预测到2025年，流域范围内的工业源、生活源、畜禽养殖污染源及种植业污染物源的COD、NH3-N、TN和TP的排放量。

3.1 工业废水污染物排放量预测

经调查，水泊渡水库流域范围内有6家工业企业，其中5家企业的工业废水经过处理后循环利用，1家企业未在流域范围内设排污口，6家企业均不在流域范围内排放工业废水。随着政府相关部门对集中式饮用水水源地监管的加强，预计到2025年，水泊渡水库流域范围内仍将杜绝工业废水污染物排放。

3.2 生活污染物排放量预测

经统计，水泊渡水库流域范围内常住人口共244个村民组，13949户52953人。根据《遵义市国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》，“十三五”期间，人口自然增长率为7.6‰，“十四五”期间参照此增长率，以此为农村未来人口增长规模。采用排污系数法对农村生活污染排放负荷进行预测，按照《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》中排污系数，人均COD、NH3-N、TN和TP的排污系数分别为16.4g/（d·人）、4g/（d·人）、5g/（d·人）和0.44g/（d·人）。经计算，预计到2025年，水泊渡水库流域范围内的生活源COD、NH3-N、TN和TP排放量分别为280.04t/a、64.50t/a、80.11t/a和6.90t/a。

3.3 畜禽养殖污染物排放量预测

水泊渡水库流域范围内畜禽养殖主要以散养为主，包扩生猪、肉牛、蛋鸡和肉鸡。根据遵义市统计局发布的《2017年全市畜牧业发展情况报告》，2017年全市生猪出栏量增长率为3.8%，肉牛出栏量增长率为7.7%，蛋鸡、肉鸡的存（出）栏量增长率为6.7%。以此预测到2025年流域范围内畜禽养殖量。

根据《第一次全国污染源普查畜禽养殖产排污系数手册》中产污系数确定的公式，得出各类畜禽污染物的产污系数，详见表1。

经计算，预计到2025年，水泊渡水库流域范围内的畜禽养殖污染源COD、NH3-N、TN和TP排放量分别为2699.52t/a、18.10t/a、114.88t/a和6.34t/a。

3.4 种植业污染物排放量预测

根据《全国地表水环境容量核定和总量分配工作方案》附录将所有农田折算成标准农田，计算出农田的径流污染物排放量。标准农田源强系数为COD10kg/（亩·a）、NH3-N2kg/（亩·a）、TN2.3kg/（亩·a）、TP0.12kg/（亩·a）。根据水泊渡水库流域范围内的农田类型、土壤类型、化肥施用量及降水量进行修正，计算种植业污染物排放量。

经统计，水泊渡水库流域范围内耕地面积共174628.5亩。由于耕地面积在短期内不会有明显的变化，故以此面积作为2025年的基础数据，计算种植业污染物排放量。经计算，预计到2025年，水泊渡水库流域范围内的种植业污染源COD、NH3-N、TN和TP排放量分别为1746.29t/a、349.26t/a、401.65t/a和20.96t/a。

3.5 污染物入河量预测

污染源排放的污染物进入水体的数量有众多影响因素，情况十分复杂，区域差异很大。根据《全国水环境容量核算指南》中提供的技术参数，结合水源保护区的实际情况，确定各污染源入河系数。经计算，预计到2025年，水泊渡水库流域范围内COD、NH3-N、TN和TP入河量分别为1119.80t/a、212.30t/a、159.49t/a和8.94t/a。详见表2。

4 水环境容量利用情况预测

根据2025年水泊渡水库流域范围内污染物入河量预测结果，结合水库的水环境容量，对其水环境容量的利用情况进行分析。预计到2025年，水泊渡水库的COD及NH3-N的水环境容量均有剩余，但TN和TP入库量都已超过环境容量，水库流域范围内生态治理迫在眉睫。详见表3。

5 污染防治措施

5.1 建立流域生态环境保护长效机制

成立长期性的饮用水水源地生态环境保护领导机构，对保护区内保护工作统一管理，统一协调，统一规划。各相关单位和工作组明确目标，落实责任，全面落实各项措施，推动水泊渡水库集中式饮用水水源地生态保护工作深入开展。

5.2 产业发展引导

根据生态环境目标，设置严格的产业准入门槛。为减少农业生产面源对水质的影响，加强产业引导，发展有机农业和旅游业，努力引导当地农村居民改种适合当地情况山地作物，减少农业生产面源对库区水质的影响。对饮用水水源地流域涵养区及周边在林业生态建设和林业产业发展上给予政策、项目、资金的倾斜，支持林区进行产业结构调整。

5.3 加大农村环境综合整治力度

应结合播州区新农村建设、生态创建、乡村振兴、四在农家、美丽乡村等工作部署，积极申请中央、省级农村环境综合整治项目资金，对水泊渡水库流域范围内村寨所有生活污水、生活垃圾进行收集、处理和管理。

5.4 加强水源地规范化建设

由于水泊渡水库的饮用水水源地保护区重新划定，应按照省政府的批复文件重新开展饮用水水源地保护区标志标准化建设。按照《饮用水源地保护区标志技术要求》（HJ/T433-2008）技術要求设立界标、道路警示牌和宣传牌。按照《集中式饮用水水源地规范化建设环境保护技术要求》（HJ773-2015）技术要求对一级保护区周边人类活动频繁区域设置隔离防护设施。

5.5 建设水源地环境监控体系

为了建立有效预警监控体系，保障饮用水水质安全，在水泊渡水库主要入库支流的二级保护区与准保护区交界点上设置自动水质预警监控断面，并实时与生态环境部门联网。

5.6 加大环境保护宣传力度

深入开展饮用水水源地环境保护宣传教育。引导居民和游客自觉保护环境，养成文明的生产、消费及生活方式。全面提高全社会对水泊渡水库生态环境保护与治理全局观念，加强水源地管理执法力度，对破坏水源地生态环境的行为给予必要的处罚。

6 结语

本文以黔北地区的水泊渡水库为例，对其水环境容量进行计算，并预测到2025年水库流域范围内的污染物入河量，分析该水源地能否达到水质相关要求。预测结果显示，到2025年，水泊渡水库接纳的TN和TP已经超过了水环境容量，建议在现有排放量的基础上，采取措施削减TN和TP的排放量，着重对污染物排放量较大的种植业进行治理。

参考文献

[1]杨国录，陆晶，骆文广，等.水环境容量研究共识问题探讨[J].华北水利水电大学学报（自然科学版），2018，39（4）：01-06.

[2]白杰，吴昊，戴楠.浅谈遵义水泊渡水库防洪抢险应急预案编制[J].黑龙江水利科学，2018，46（8）：79-81.

[3]刘昌文.遵义水泊渡库区饮用水源锰超标原因分析及对策措施[J].环境与发展，2018，30（09）：20-21.

收稿日期：2019-07-12

作者简介：商正松（1984-），男，工程师，研究方向为水污染防治。