美國烏龜溪水庫降低水藻生長控制元素磷負荷的措施

孫小利 王建躍

(中國水利水電科學研究院 北京 100048)

1 概述

烏龜溪水庫位于美國堪薩斯市的西北部,水庫的下游就是5萬人口的曼哈頓市。水庫的功能為防洪、水上娛樂、漁業、飲用水源和水生物棲息地。總庫容為27.17億m3,其中防洪庫容為23.47億m3,多功能庫容為3.69億m3。水庫上游河流主要有大小布盧河與布萊克沃米林河,河流流域面積為24864km2。大小布盧河流域大部分都在內布拉斯加州,只有 25%在堪薩斯州。流域內共有農田298500ha,占流域面積的47.4%;牧場247870ha,占流域面積的39.36%;林地44120ha,占流域面積的7.01%。流域內年均降雨量為800mm左右。烏龜溪水庫形狀為一狹長型水庫,兩個分汊在測點11以上匯合 (圖1)。流域年均入流量為,22.94億m3。水庫水位有三個蓄水水位臨界值,水庫多功能水位為327.66m,季節性洪水水位控制在327.66～346.25m,臨界最高水位控制在346.25～352.59m之間。根據圖2所示,在1996～2006年的監測時段,水位大部分時間是處于329.18m以下。可以認為水庫是長期處于低水位運行[1]。根據連續十年水質監測,水庫水質已經處于富營養化的狀態,而且水中水藻生長的營養元素氮磷比十分適合有害藍綠藻的生長。這些營養鹽的來源主要來自農牧業的非點源污染。

2 水庫水體營養鹽狀況

流域內水質狀況的基本特征應體現在流域的終端,即烏龜溪水庫水質的變化。美國工程兵師團(ACoE)連續數十年對烏龜溪水庫水中營養鹽進行了監測。其中連續10年監測資料表明:在該地區監測的18座水庫中,烏龜溪水庫保持著最高總氮 (TN)濃度中值和第二高的總磷 (TP)濃度值。高濃度營養鹽導致了水庫水體高度營養化。在水庫中部的總氮濃度中值變化在2.1～2.3mg/L之間 (測點3、8和11)。入流 (測點 30和32)的總氮 (TN)濃度值中值在1.6～2.6mg/L的范圍之間。出流 (測點27)總氮濃度中值為2.3mg/L。這些氮濃度值已經超過了EPA的建議該地區水體營養化0.36mg/L的臨界值。圖4中測點30的值顯示了在監測期間大小布盧流域內所總氮負荷的變化情況。

磷元素也是水藻生長所必需的營養鹽之一。在水庫中部的總磷濃度中值的范圍在0.27～0.33mg/L(測點3、8和 11)。入流 (測點 30和32)的總磷 (TP)濃度值中值在0.3～0.56mg/L的范圍。出流 (測點 27)總磷濃度中值為0.25 mg/L(圖5)。這些磷濃度值已經超過了EPA的建議該地區水體營養化0.02mg/L的臨界值,也超過了水庫超營養化0.10mg/L的臨界標準。氮磷比可以用來確定水體內生長占優勢的水藻群落的指標。當氮磷比大于20∶1時,水體中生長著所期望占優勢水藻群落。當氮磷比小于12∶1時,水體中生長著占主導的有害的蘭綠藻群落,有可能產生蘭綠藻的暴發。正如圖3、5中所示,在所有測點,氮磷比每月和每年都有較高的變化值。水庫內三個的測點氮磷比都小于12,這就標志著水庫處于蘭綠藻暴發的危險中。但在上游來水的豐水年,較高的氮磷比變化又可能中和了可能出現的蘭綠藻暴發的威脅。但水庫的排水已經對下游水體形成危害。2008年堪薩斯州健康和環境部 (KDHE)和EPA將大小布盧河下游流域列入水質惡化的 “303d目錄”[2]。

圖1 烏龜溪水庫流域平面圖

圖2 烏龜溪水庫1996至2006年水位過程線

圖3 烏龜溪水庫1996至2006年各測點表層水樣的總氮濃度箱線圖

圖4 烏龜溪水庫1996至2006年第30測點表層水樣總氮濃度

圖5 烏龜溪水庫1996至2006年各測點表層水樣的總磷濃度箱線圖

3 流域非點源污染的治理

在烏龜溪水庫水庫上游,營養鹽負荷絕對部分來自非點源的地表徑流。對烏龜溪水庫水質的惡化和流域非點源污染的狀況,美國環保署 (EPA)對堪薩斯州立大學與流域和水庫的利益相關者領導委員會 (T he Stakeholder Leadership Team ST L)予以針對性的授權和贊助。對于非點源污染的治理,主要側重于防治。EPA資助ST L用于推進烏龜溪水庫實現水質改善目的和實施流域恢復和保護方式計劃 (Watershed Restoration and Protection Strategy WRARS)。其WRARS的內容主要包括:

(1)對一些關鍵的小流域的農牧業確定和實施最佳管理措施 (BMPs);確定最佳管理措施主要是根據當地的土壤、地形、降雨、牧場位置和農作物種類等流域的具體情況[4]。烏龜溪水庫流域的BMPs主要包括兩個方面:①推廣連續免耕法;②在溪流兩岸建立緩沖和過濾帶[2]。

(2)對流域和水庫進行水質監測,以對已采用最佳管理措施 (BMPs)的小流域產生地表徑流中的泥沙、營養鹽、除草劑和細菌含量的減少的量實施細化和量化,以及在流域的未端 (水庫)檢驗治理的成果。

在2007年,STL召開了會議,制訂了烏龜溪水庫流域修復和保護目標:

保護和恢復全流域的水質;

保護烏龜溪水庫的供水和蓄水的能力;

保護烏龜溪水庫的娛樂功能;

保護和改善流域內野生動物棲息地;

保護全流域的農田的生產能力。

2008年以前,在水庫上游流域已經采用4種普通BMPs措施,即緩沖帶、免耕、有草覆蓋的排水溝和土表面下的施肥方法。根據地面測量出2008年當時采用4種普通BMPs農田面積,占整個流域農田的比率見表一。根據流域的農場主的接受能力、資金效益和污染物減排的效力,ST L確定BMPs的具體方案。STL還負責布置和安排流域內居民所接受的BMPs。在這種過程的一開始,在STL的會議上進行討論,得出他們認為可接受的和會產生明顯減排效果BMPs目錄協議。在會議上,每一單項在BMPs目錄進行排序,以排出這些單項的順序。最終目錄中前農業前4(或5項,肥料管理和施肥方式可以認為是一項)、牧畜業的前四項和溪流岸坡的一項被采用 (見表1)。

在2000年4月發布美國湖泊與水庫營養物基準技術指南,幫助各州建立水體的營養鹽濃度基準。該基準是政府強制執行天然水體污染控制工作的基礎。根據該技術指南,我們可以看到,美國環保局主要采用控磷來治理水庫水華。水庫的相關機構確定對于營養鹽的治理是以降低總磷為目標,烏龜溪水庫水體最終總磷濃度＜50μ g/L。

堪薩斯州立大學生物和農業系應用土壤和水評估(SWAT)模型對大小布盧河流域進行分析。SWAT模型是一種估算來自地表沖刷流入溪流的營養鹽和泥沙污染年均負荷評估工具。通過SWAT模型計算,可以得出每一個小流域年均負荷。根據經驗和技術知識,在流域內最高負荷大于70%～80%的其它小流域和區域的區域則被選為實行農田和牧場BMPs的優先治理關鍵區域。通過威斯康星大學進行的SWAT模型研究表明:在整個流域,通過模型有針對性優化BMP的布置和定位要比以前隨意布置 BMPs收效要好的多。因此SLT將治理區域的BMP布置主要用于減少來自農田和牧場徑流中的泥沙、營養鹽和大腸桿菌等。對確定治理的流域將在兩個方面進行:

(1)在農田和牧場區實行泥砂、磷、大腸桿菌和阿特拉津的減排治理;

(2)實行防治溪流岸坡沖刷,以減少溪流中的泥砂。

值得注意的是農田的 BMPs也有減少產生泥砂的明顯效果,而反過來實施這些治理泥砂的BMPs也將降低總磷的排放。

表1 為解決烏龜溪水庫富營養化,根據SLT確定的最佳管理措施(BM Ps)和計劃實施的面積或項目

目前估計大小布盧河流域的總磷負荷約為8690t/a(不包括布萊克沃米林河流域)。在經過模型40年的模擬,如果所有的BMPs得到實施,將在烏龜溪水庫上游流域內實現1271t/a的總磷減排量,為總減排量的16.2%。

由于大量的磷來自位于內布拉斯加州的大小布盧河的上游,堪薩斯州流域部分的總磷減排量還不能滿足TMDL。

為滿足TMDL,必須加強與內布拉斯加州的合作。在烏龜溪水庫上游流域的減排量要達到7909t/a,才能滿足烏龜溪水庫總磷負荷為860t/a的TMDL要求。

表2 模型40年的模擬結果

牧場最佳管理措施(BMP)

經過40年的治理,WRAPS項目將改善全流域和烏龜溪水庫的水質狀況。

在烏龜溪水庫水質監測是非常重要的。任何水質的改善將會被在流域末端的水體(烏龜溪水庫)體現出來。所帶來的社會效益也會由來烏龜溪水庫旅游的人數體現出來,公眾往往喜歡一個生態系統健康水庫,好享受水庫水上和岸上的活動。

堪薩斯州健康和環境部要求水庫水質清澈,無水藻暴發。水庫和溪流內水體總磷濃度要達到平均小于0.2mg/L階段目標。

在執行過程中,為了改善水質,SLT將繼續評估和修正流域整個治理計劃,設立新的目標和實施新的BMPs。每五年SLT和KDHE將共同討論治理的基準和更新 TDM L計劃。利用KDHE和ACoE的監測數據,包括治理水質的階段目標參數之一(總磷含量),將被用于評估減輕污染負荷措施的有效性。

4 結語

美國對于由于非點源污染造成的水庫水體富營養化的治理,主要測重于小流域的防治。

考慮到流域內農場主經營的分散性和不規律性,BMP是目前有效治理農牧業非點源污染的最有效方式,并已經開始在烏龜溪水庫流域和其它流域進行小規模的應用。

在流域內較大范圍應用BMP,利用SWAT模型模擬進行優化和總磷減排的細化和量化,顯然要比在流域內隨意布置BMP更顯得“有的放矢”,從而提高改進治理非點源污染的效率。

1 US Army Corps of Engineers Kansas City District.2006 Annual Water Quality Program Report.April 2007

2 K·State Research and Extension,Kansas State University and Stakeholder Leadership Team Tuttle Creek Lake Watershed Restoration and Protection Strategy,June 2,2010

3 黃衛東.美國Onondaga湖治理過程的啟示,環境科學與工程,200812,page 11-14

4 Dr.Thomas Simpson and Sarah Weammert,Developing Nitrogen,Phosphorus and Sediment Reduction Efficiencies for Tributary Strategy Practices,the University of Maryland,March,2009