对河口水库水质安全评价及污染防治措施研究

何若英,罗建良,倪宏伟,丁 涛,楼越平,崔 丹

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.对河口水库管理局,浙江 湖州 310006;3.牡丹江水力发电总厂,黑龙江 牡丹江 157000)

1 问题的提出

对河口水库地处浙北德清县境内,东苕溪支流余英溪中游,是一座以防洪为主,结合供水、灌溉、发电等综合利用的大(2)型水库,坝址以上控制流域面积148.7 km2,库容1.469亿m3,是德清县重要的城乡饮用水水源地,被称作全县43万人民的“大水缸”。水库现状日平均供水9万t,供水人口13.8万。随着经济社会的迅速发展,水库已被《德清县县域给水规划 (2000—2020)》明确列入城乡一体化供水的主要水源地,远期 (2020年)规划供水27.6万t/d,规划供水人口为40万。

对河口水库建成运行40多年来,随着社会发展、库区人类活动加剧和历年上游来沙淤积,工业、农业、养殖、生活、水土流失的点面源污染和库区底泥污染物释放,都威胁着水源地水质安全。2008年水库送检水样检测结果表明,除总氮外,其余水质指标年均水质均为I～II类,但总氮汛期、非汛期和年均水质均为IV类,总磷最差月份也为III类水,水库已接近富营养状态。因此开展对河口水库水质安全评价和污染防治措施的研究非常迫切。

2 研究总体思路

本文研究的总体思路见图1所示。

图1 总体思路流程图

3 水质评价分析

对河口水库水质评价采用2005—2008年实际监测的水质资料,地表水质评价按 《地表水环境质量标准》 (GB 3838—2002),采用单因子评价法;富营养化评价按《地表水资源质量评价技术规程》 (SL 395—2007),采用指数法。由于水库近几年常规水质监测中无富营养化评价重要指标叶绿素 a项目,因此取总磷 (TP)、总氮 (TN)、透明度(SD)和高锰酸盐指数 (CODMn)4项指标进行评价。评价时段按全年平均、汛期、非汛期和年极大值分别统计,水质评价结果列于表1中。

表1 对河口水库2005—2008年水质评价结果表

由表1可知:①2005—2008年各年度平均水质为Ⅳ～Ⅴ类水,定类项目均为总氮;年极大值达到1.68～5.33 mg/L,为Ⅴ～超Ⅴ类水。可以看出,总氮是对河口水库近几年最主要的污染因子。②总磷2005—2008年全年期、汛期、非汛期平均水质为Ⅱ～Ⅲ类水,未达到Ⅱ类目标水质要求。③2005—2008年全年期、汛期、非汛期水质均为中营养状态,临近富营养化状态。④2005—2008年氟化物含量无论是年度平均、还是年极大值均正逐年递减,说明关闭砩石矿起到了非常明显的效果,但氟化物水质监测极大值为0.56～1.03 mg/L,个别月份已达到Ⅳ类水质,隐患较大。

4 安全隐患及污染负荷估算

通过对库区污染源的实际调查,目前库区水质安全隐患主要有:①库区内主要工业污染源竹拉丝、白竹生产企业排放的CODcr浓度分别高达 10000～35000 mg/L和45000～90000mg/L,若这些高浓度的有机废水未经任何处理直接或间接入库,对水质影响很大。②库区内30%行政村尚未建成生态村,生活污染物仍存在随意排放现象。③库区农业以传统产业模式为主,生产过程中施用的大量化肥、农药随着灌溉余水和地表径流入库,产生农业面源污染。④水库建成运行40余年,目前库区泥沙淤积严重,造成大量污染物入库沉淀,影响水库水质。⑤库区板栗林种植区多紧临库区,坡面植被覆盖度较低,水力侵蚀强度大,直接威胁库体水质。⑥紧临库区的3家砩石矿虽已停止开采,但矿山裸露,易随降雨径流入库。⑦入库支流末端由于暴雨冲刷和人类活动影响,冲刷严重,河道天然自净能力偏低,影响库区水质。⑧临库公路、桥梁一旦发生化学危险品等有毒有害物质运输事故,将直接威胁供水安全。

在对库区安全隐患调查分析的基础上,对主要污染物总氮、总磷、CODcr、氨氮的污染源排放量和入库量进行了估算,入库系数参照 《全国水环境容量核定技术指南》和《浙江省农业农村面源污染调查》中的推荐值,经计算:污染负荷排放量CODcr1075 t/a、氨氮171 t/a、总氮1564 t/a、总磷119 t/a;污染负荷入库量CODcr343 t/a、氨氮31 t/a、总氮300 t/a、总磷5 t/a。在入库污染负荷中,CODcr主要来自竹拉丝、白竹和水煮笋加工企业,其次来自面源污染;总氮主要来自库区水田、旱地、板栗林、茶园及毛竹林的面源污染;总磷、氨氮除主要来自库区面源污染外,农村生活污水和禽畜养殖也是一个重要来源。

5 污染防治措施

5.1 污染负荷削减量

本文地表水质模型采用湖泊完全混合衰减模型,富营养化预测模型采用狄龙模型,对近期水平年 (2015年)水质进行了预测,并计算了水质恢复至Ⅱ类目标水质需削减的污染物量。

湖泊完全混合衰减模型表达式为:

式中:Cp为入库污染物浓度(mg/L);Ch为水库现状污染物浓度(mg/L);Kh为中间变量;Qp为入库流量(m3/d);W0为水库现有污染物排入量(g/s);V为水库库容(m3);C为污染物浓度(mg/L);Qh为水库出流量(m3/s);K1为污染物降解速率(1/d)。

狄龙模型表达式为:

式中(N,p)为库水体中氮、磷浓度(mg/L);E为水库单位面积氮、磷负荷量(g/m2);H为水库平均深度(m);ρ为水力冲刷系数,ρ=Q/V;V为水库容积(m3);Q为入库水量(m3);R为氮、磷滞留系数,R=0.426◦exp(-0.271Qi)+0.547◦exp(-0.00949Qi);Qi为单位面积水量负荷(m),Qi=Q/A,A为水库水面面积(m2)。

假定水库不采取任何污染防治措施,经计算,若近期水平年为平水年,则年均水质总氮为1.31 mg/L,总氮恢复至目标水质0.5 mg/L,需削减62%,总磷可满足目标水质要求;若近期水平年为枯水年,则年均水质总氮为1.85 mg/L,总磷为0.031mg/L,恢复至目标水质总氮需需削减73%,总磷需削减20%;COD、氨氮虽满足 Ⅱ类目标水质要求,但库区仍分布有工业污染源安全隐患,且生产季节比较集中,因此也需进行削减。

5.2 主要污染防治措施

为达到上述预期污染物削减量目标,水库应以 “综合整治”为主,采取工程措施和非工程措施相结合的方式,重点提出如下治理措施:

(1)工业污染源治理。重点治理库区内污染较大的30家竹拉丝、6家白竹生产企业。该2类企业为库区内主要的工业污染源,排放的高浓度有机废污水就地达标处理难度很大,宜将企业排放污水集中外运至武康镇狮山污水处理厂进行处理。

(2)农村生活污水治理。参照库区已建生态村生活污水处理的成功经验,采用户用型人工湿地的处理措施;与筏头乡集镇较近的姜家庄移民新区,其生活污水管网接入集镇污水处理厂。

(3)水库清淤工程。对于水库建成运行40余年来的库区泥沙淤积严重,底泥污染物释放问题,对河口水库清淤保源工程已于2007年12月正式启动。

(4)库周板栗林治理。重点治理板栗林水土流失防治面积200 hm2,从国内板栗林治理实践来看,在板栗林种植区间植防护林带和实施坡面径流调控工程可有效改善水土流失状况。但从长期来看,应通过采用补偿等方式,逐步将板栗林迁出。

(5)砩石矿治理。采用将土地整治、周边拦挡防护等工程措施和生态复绿的植物措施相结合的方式,改善矿山的立地条件,重点治理银子山砩石矿裸露面20 hm2。

(6)生态工程建设。生态工程建设包括人工湿地、生态河道、植被缓冲带等。在库区各类污染源中,面源污染所占比重最大,并且无法采取类似点源污染那样集中治理的方法加以解决。因此农业面源治理考虑从2方面着手:一是源头污染负荷削减技术、措施的推广和实施,包括科学选用化肥农药、施用有机肥、推广测土配方施肥技术和“节水减污”高产栽培技术等;二是从输移路径和末端来控制和削减污染负荷,包括生态河道建设:通过对入库支流河道采取生态护岸、绿化坡岸等措施,可促进河流生态功能恢复,提高河流的自净能力,降低入库河流的污染;植被缓冲带建设:由于入库支流河道两侧大多僻作农地、菜园,地表裸露率高,肥、水流失量大,因此在支流河道两侧建立植被缓冲带,能阻断污染源和河流之间的直接连接,减少进入河流的污染物;人工湿地建设:在各支流入库河口建设人工湿地工程,农业面源污染物经由湿地生物系统拦截净化,可控制和减少库区农业生产面源性污染对水库水环境的危害。

(7)突发水污染事件防范和水质监测工程。通过建设公路防护栏、桥梁隔离防护设施,以有效防范突发水污染事件。为动态掌握水库水质的污染水平和变化趋势,科学管理,在库尾主要支流汇入处和自来水取水口处建设2座水质自动监测站和1套水库水质预警预报系统。

(8)水库水源地保护长效管理机制建设。全面实施水库饮用水源地的监管,确保供水总体安全。

5.3 防治措施效果预测估算

(1)通过实施竹拉丝和白竹生产企业污水治理工程、非生态村生活污染物治理工程以及筏头乡污水处理厂收集管网扩建工程,可削减CODcr达159 t/a、削减总磷0.4 t/a、削减氨氮3.1 t/a。

(2)通过在各支流入库河口建设人工湿地,利用湿地生态系统中物理、化学和生物的作用机制,降低废污水中营养物质的浓度,从目前国内现场实验、示范工程的监测数据来看,各地人工湿地污染物去除率的影响因素较多,运行效果也相差较大。但总结下来其净化效果一般为:CODcr去除率可达到70%,总氮、总磷可达到30%。

(3)通过对各支流下游河道进行清淤疏浚、生态护岸、清理垃圾,以及在支流两侧建设植被缓冲带,可促进河流生态功能恢复,提高河流的自净能力,有效阻断污染源和河流之间的直接连接,减少进入河流的污染物。

(4)通过实施板栗林防治工程、山林生态修复工程、公路裸露面整治工程等水土保持工程,可增大库区植被覆盖率,减少水力侵蚀量,可使水土流失基本得到控制,明显减少入库面源污染负荷。

(5)通过实施20 hm2矿山裸露面整治工程,可使砩石矿山的污染隐患基本得到控制,减少氟化物的入库量。

(6)通过建设公路与桥梁隔离防护设施,可有效拦截有毒有害物质和污水进入水库水体,并及时排出,可有效防范水库突发水污染事件。

通过实施以上工程,总氮、总磷的削减量能够达到预期目标,同时入库CODcr、氨氮等污染负荷也将明显减少,库体水质将恢复至预期的Ⅱ类水质标准。

6 结 语

通过对对河口水库水质安全评价及污染防治措施的研究可知,当前对河口水库最主要的污染因子为总氮,年均水质为Ⅳ类水,其次为总磷,年均水质为Ⅱ类,个别月份为Ⅲ类,总氮、总磷均不满足目标水质要求。CODMn、氨氮等其它水质全年监测值为I～Ⅱ类水。本文在对主要超标因子及安全隐患调查分析的基础上,计算了污染负荷的削减量,并提出了工业污染源、生活污水、板栗林、砩石矿、冲刷河道等污染源治理工程,项目研究对对河口水库水源安全保障工程的实施具有重要的指导意义。

[1]丁涛,何若英,崔丹.对河口水库水源安全保障工程实施方案报告 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2009.

[2]谢宏春,王潮良,陈丽红.对河口水库水环境污染控制及保护的探讨[J].浙江水利水电专科学校学报,2006,18(4):18-20.

[3]李迎喜,雷阿林.三峡水库水环境保护的探讨[J].人民长江,2008,39(23):55-58.