東圳水庫水質影響預測及對策

李莉 蔡金傍 陳梅 陳玉東 劉臣煒

摘要根據污染源現狀調查結果與污染源預測方法，預測了水平年東圳水庫流域污染負荷。結果表明，流域污染負荷主要來自農業面源、生活污水和生活垃圾，其中農業面源是流域最大污染源，而農業面源中主要是果園徑流污染。在構建東圳水庫水域二維水流水質數學模型的基礎上，基于流域污染負荷預測結果，模擬分析庫區水環境變化趨勢，結果為庫區總氮和總磷將難以滿足Ⅲ類水質標準要求。根據污染源調查及水質影響預測結果，建議加強對東圳水庫水環境保護，重點開展果園面源污染控制、生活污水收集處理及生活垃圾收集轉運處置等項目。

關鍵詞東圳水庫；污染負荷；水質模型；水質預測

中圖分類號X524文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）05-0047-04

AbstractBased on the status of pollution load and its prediction methods， the pollution load of level year of Dongzhen Reservoir basin was predicted. The results showed that the pollution mainly came from agricultural nonpoint source pollution， domestic sewage and domestic garbage， of which orchard nonpoint pollution was the major source. Based on the prediction results of pollution load Dongzhen Reservoir basin， a twodimensional water quality mathematical model was constructed for the purpose of evaluating the change trend of water quality. The results showed that total nitrogen and total phosphorus cant meet Grade III of Surface Water Quality Standard. Consequently， it was suggested to strengthen environmental protection of Dongzhen Reservoir， focusing on orchard nonpoint source pollution control， domestic sewage and garbage disposal.

Key wordsDongzhen Reservoir；Pollution load；Water quality model；Water quality prediction

基金項目“十二五”國家科技支撐計劃（2014BAL02B04-02）。

作者簡介李莉（1986—），女，福建莆田人，工程師，碩士，從事環境監測、飲用水源保護、生態保護研究。*通訊作者，副研究員，博士，從事湖庫水環境保護研究。

收稿日期2016-12-31

為貫徹落實黨中央、國務院“讓江河湖泊休養生息”和十八大及十八屆三中全會關于“生態文明建設”的戰略部署，加快對水質較好湖泊（含水庫）的保護，避免眾多水質較好湖泊走“先污染、后治理”的老路，環境保護部、國家發改委、財政部印發了《水質較好湖泊生態環境保護總體規劃（2013—2020年）》[1]，將莆田市東圳水庫列入開展生態環境保護工作的湖庫中。2015年東圳水庫被納入中央財政資金支持范圍的湖庫。

東圳水庫擔負著為莆田市居民生活供水和保證莆田市工農業生產用水的任務，是莆田市的生命之水。但是自20世紀90年代以來，流域大面積開墾山地建果園，造成了水土流失和化肥、農藥等面源污染，庫區水體水質受到一定程度的影響，生態系統有退化的趨勢[2]。筆者分析了東圳水庫流域主要污染物入庫通量，構建了水庫二維水動力水質模型，對庫區水質變化趨勢進行預測分析，并提出相應的水庫污染控制對策和建議，以期為莆田市開展東圳水庫生態環境保護研究提供科學依據。

1研究區概況

東圳水庫位于木蘭溪支流延壽溪上，是一座集供水、灌溉、防洪和發電等功能于一體的綜合性大型水利樞紐工程。水庫于1958年6月興建，1960年4月竣工并投入運行。水庫流域總面積 321 km2，多年平均降雨量1 710～1 970 mm/a，多年平均入庫水量3.13億m3/a，水庫總庫容4.35億m3[3-4]。東圳水庫已成為莆田市城廂區、荔城區、秀嶼區和湄洲島管委會等轄區150余萬人口的生活飲用水源，同時也是該轄區工農業生產用水主要水源[5]。

東圳水庫流域涉及常太鎮、鐘山鎮的大部分村莊和游洋、榜頭、蓋尾、華亭、鳳辦、西天尾、白沙9個鄉鎮 53個村及九鯉湖國家水利風景區、九龍谷國家森林公園景區、東圳水庫省級水利風景區（圖1）。

根據2010—2014年東圳水庫例行水質監測數據，庫區總磷、總氮基本達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類水質標準要求，高錳酸鹽指數、氨氮等指標達到 Ⅱ 類水質標準要求。

2流域水污染現狀調查分析及預測

2.1污染源現狀

采用文獻查閱與經驗公式相結合的方式進行東圳水庫流域污染源現狀調查[6]，調查范圍為水庫流域的9個鄉鎮。據調查，流域范圍沒有工業和規模化養殖場，污染源主要來自農業面源污染、城鎮生活污水、分散畜禽養殖、生活垃圾等。

由表1和圖2可知，東圳水庫流域污染負荷主要來自農業面源、城鎮生活污水、農村生活污水和生活垃圾等。農業面源中化學需氧量（COD）、氨氮、總磷和總氮入庫量分別占流域污染負荷總入庫量的56.40%、65.35%、66.59%和6785%，成為流域污染物的主要來源。這是由于流域內分布5 733 hm2果樹林，主要種植枇杷，主要施用氮、磷、鉀等化肥及農家肥，據統計，果園平均施用化肥量為3 075 kg/hm2（不包括農家肥）[7]。施肥大部分采用挖坑淺埋的傳統方式，使得肥料存留于土壤表層，且果園土壤類型為紅壤或赤紅壤，土層較薄，結構疏松，極易引起水土流失[8]，造成大量肥料易隨降雨徑流進入水體，最終進入東圳水庫，對庫區水體造成污染。

2.2污染源預測

東圳水庫生態環境保護項目實施周期為2015—2018年，因此該污染源預測水平年為2018年。流域污染源預測時，以現狀年流域污染負荷為基礎，對于生活污水負荷，只考慮流域人口自然增長引起的變化量；對于畜禽養殖污染，只考慮流域畜禽自然增長引起的變化量；流域內農村耕作習慣不會發生大的變化，因此農業面源污染會保持較穩定狀態。

東圳水庫流域污染負荷入庫量預測結果見表2和圖3。由表2和圖3可知，2018年主要污染源仍為農業面源污染，生活污染源隨著人口的增加而有所增加。

3.1模型方程

基于二維不可壓縮流體運動方程，構建東圳水庫二維水流水質數學模型，預測分析東圳水庫水質變化情況，主要預測指標為高錳酸鹽指數、氨氮、總氮和總磷。采用三維潮波方程沿深度積分推導得出二維不可壓縮流體運動方程[9-10]，即1個連續方程、2個運動方程和1個污染物守恒方程，基本方程如下：

式中，h為水深（m）；x、y為正交坐標（m）；u、v為x、y方向的流速分量（m/s）；ρ為水的密度（kg/m3）；ρa為空氣的密度（kg/m3）；E為渦黏性系數；xx為x軸面的法線方向；yy為y軸面的法線方向，xy和yx分別為x和y方向的剪切方向（Pa·S）；g為重力加速度（m/s2）；z為庫底的高程（m）；n為糙率系數；γ2a為風剪切應力系數；ψ為風的方向與x方向的逆時針夾角（0～360 °）；ω為地球自轉的角速度（rad/s）；φ為當地的緯度；C為庫中污染物的濃度（mg/L）；Dx、Dy為x、y方向的擴散系數（m2/s）；k為有機物的生物化學降解系數（d-1）；S為源匯項；t為時間（s）。

3.2計算范圍、網格及地形

模型上游邊界條件分別為延壽溪、院里溪、東太溪、西太溪等入庫斷面，模型下游邊界位于東圳水庫出口。采用三角形網格對模型進行剖分，地形復雜區域及工程臨近區域網格布置較密，網格間距50～100 m，網格數8 348個，采用三定點六節點網格，網格節點17 590個，地形插值如圖4所示。

3.3模型參數選擇

初始條件：水位初始值取計算常水位80.5 m，流速取為0，水質初始值根據現狀監測情況取平均值輸入，初始值不同，計算中迭代次數不同，但不會影響最終模擬計算結果。

邊界條件：水庫的邊界條件有2類，即開邊界和閉邊界。水庫入流及出流邊界為開邊界，陸地邊界為閉邊界。

流場計算時，在閉邊界上：Un=U*n（通常U*n=0）或者qn=q*n（通常q*n=0）。

在開邊界上：對于入流邊界，有以下幾種情況：①Un=U*n，且Us=U*s；②qn=q*n， 且qs=q*s；③H=H*，且Us=U*s；④H=H*，且qs=q*s。

對于以上4種情況的入流邊界，通常Us=qs=0；出流邊界，H=H*。

式中，Un、Us為邊界上的外法向及切向速度分量；U*n、U*s為邊界上的外法向及切向速度分量給定值；qn、qs為邊界上的單位寬流量分量；q*n、q*s為邊界上的單位寬流量分量給定值；H為邊界上的水深；H*為邊界上水深給定值。

濃度場計算中，對于閉邊界，污染物濃度通量為0，即：

對于入流邊界條件，采用邊界點濃度控制邊界。對于出流邊界條件滿足：

式中，n為固邊界的外法矢量；Dn為垂直固邊界的擴散系數（m2/s）；〖AKV→〗n為流速在外法向方向的分量（m/s）；東圳水庫入流邊界采用流量界，出流邊界采用水位邊界。

計算參數：糙率系數，根據調試，在不同區域取不同糙率系數，在主槽n值取0.011～0.016，在灘地n取0.020～0030；綜合擴散系數D取值根據艾爾德的理論推導：

式中，u*為摩阻流速（m/s）；h為平均水深（m）。

3.4預測結果

基于2018年污染負荷計算結果，預測水平年東圳水庫水質變化情況，結果見圖5～8。結果表明，2018年庫區高錳酸鹽指數和氨氮滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002） Ⅱ 類水質標準要求，但是總氮和總磷濃度不滿足 Ⅲ 類水質標準要求，受入庫河流來水影響，水庫水體中總磷濃度最大值出現在東太溪和西太溪入庫口區域，而總氮濃度最大值出現在延壽溪入庫口區域。

4東圳水庫保護對策

4.1實施退果還林

建議對流域內坡度大于25 °的陡坡果園逐步還林還草，其中一級保護區內677.13 hm2果園全面退果還林，種植其他闊葉樹種，改造成非桉樹闊葉林或針闊混交林，形成環庫緩沖帶。減少果園的面源污染和增加水源涵養能力，同時對入庫的水起到過濾、凈化吸收和攔截泥沙的作用，減少污染物入庫。

4.2對果園進行改造，建設生態果園

流域內果園面積大，普遍存在著開墾混亂、水土保持措施不完善等問題，致使水土流失現象嚴重，因此，必須對現有的果園進行改造。針對果園現狀實施坡改梯、園面與梯壁生草及排水系統建設等水土保持綜合治理措施，同時嚴禁在25 °以上的陡坡地開墾建果園。

4.3開展農村環境綜合整治，減少生活污染

實施流域生活污水治理，推行農戶改廁，加快鎮村生活污水處理設施及收集管網建設，做到達標排放或綜合利用，并加強對生活污水處理設施的運營管理。實施生活垃圾清運保潔工作，徹底清除流域內歷史堆放垃圾，配置垃圾箱、保潔車及運輸車等設施，逐步推行垃圾保潔市場化運作模式，徹底解決垃圾亂堆亂放、隨意傾倒等問題。

4.4科學施用化肥和農藥，減少農業污染

采用“最佳管理措施”發展生態農業，改進施肥技術，實施精準施肥、測土施肥、平衡施肥，增施有機肥[11]，提倡使用生物菌肥，減少現有農家肥尤其是豬糞使用量。同時，應注意施肥方法，采用環狀溝施、條狀溝施或管灌液肥的辦法，減少肥料流失，從而降低對東圳水庫水體的有機污染。

堅持“預防為主、防治結合”的方針，嚴禁銷售或使用高毒、劇毒和高殘留農藥，提倡使用廣譜、高效、低毒、低殘留農藥和生物農藥。建設果樹病蟲測報站，及時掌握病蟲發生期，保證準確、適量用藥，也可以使用點燈誘殺等生物措施，減少農藥的施用量。

5結論

該研究根據污染源現狀調查結果與污染源預測方法，預測了水平年東圳水庫流域污染狀況，結果表明流域污染負荷主要來自農業面源、城鎮生活污水、農村生活污水和生活垃圾，其中農業面源中COD、氨氮、總磷和總氮入庫量分別占流域污染負荷總入庫量的54.15%、63.81%、64.97%和6501%，成為流域污染物的主要來源，而農業面源中主要是果園徑流污染。

在構建東圳水庫水域二維水流水質數學模型的基礎上，基于2018年污染負荷計算結果，模擬預測水庫水環境變化趨勢，結果表明2018年水庫高錳酸鹽指數和氨氮能滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅱ類水質標準要求，但是總氮和總磷將不滿足Ⅲ類水質標準要求。

根據污染源調查及水質影響預測結果，建議加強對東圳水庫水環境保護，重點開展果園面源污染控制、生活污水收集處理及生活垃圾收集轉運處置等項目。

參考文獻

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