漳河水庫流域水環(huán)境容量分析

王知曉，周鐵軍，陳崇德

(1.湖北省漳河工程管理局，湖北 荊門 448156；2.鄂北地區(qū)水資源配置工程建設(shè)與管理局，湖北 武漢 430071)

漳河水庫是一座以農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)供水為主，兼有防洪、發(fā)電、旅游、養(yǎng)殖、航運(yùn)等綜合功能的大型水庫。水庫建于湖北省長江支流沮漳河?xùn)|支的漳河上，1958年動工興建，1966年建成并投入使用。漳河水庫集水面積2 212 km2，水庫水域面積104 km2，總庫容21.13億m3，其中興利庫容9.24億m3。設(shè)計(jì)灌溉面積17.4萬hm2，覆蓋荊門、荊沙、當(dāng)陽、鐘祥等市縣的大部分耕地。

根據(jù)湖北省環(huán)保局2000年《湖北省地表水環(huán)境功能區(qū)類別》規(guī)定：漳河水庫及其干流主要適用功能為集中式生活飲用水水源地一級保護(hù)區(qū)，執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；漳河水庫各支流主要適用功能為集中式生活飲用水水源地二級保護(hù)區(qū)，一般魚類保護(hù)區(qū)，執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。漳河水庫水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，部分水體水質(zhì)在若干年份的COD、總氮、總磷等指標(biāo)超標(biāo)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量受到一定的影響[1]。

1 漳河水庫水環(huán)境容量分析

1.1 漳河水庫水域理論水環(huán)境容量分析

1)漳河水庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模型。為計(jì)算方便，認(rèn)為各功能區(qū)的水體是充分混合的，在此基礎(chǔ)上建立水庫營養(yǎng)鹽的數(shù)學(xué)模型，即：

dc/dt=(Q入C入-Q出C出)/V-C×k

(1)

由數(shù)學(xué)模型定義可知C出=C，令ρ=Q出/V，J入=Q入C入，于是：

dc/dt=J入/V-ρC/A-C×k

(2)

式中：C為氮(磷)濃度，mg/L；J入為年水庫容積，m3；k為氮(磷)的自凈系數(shù)；ρ為水力沖刷速率，a-1；J入、V、ρ、k等參數(shù)通過實(shí)測或?qū)嶒?yàn)方法求得。由于k值的取法不同，研究的均勻混合模型較多，采取多種模型試算與實(shí)測結(jié)果比較的方法，建立漳河水庫最佳水質(zhì)數(shù)學(xué)模型[2]。模型公式如下：

2)COD水質(zhì)模型：P=Pi/[1+(H/qs)1/2]

允許負(fù)荷量模型：Lc=qs×Ps×[1+(H/qs)1/2]

3)總氮水質(zhì)模型：P=L(1-R)/(ρ×H)

允許負(fù)荷量模型：Lc=(Ps×ρ×H)/(1-R)

4)總磷水質(zhì)模型：P=Pi/[1+2.27τ0.585]

允許負(fù)荷量模型：Lc=qs×Ps(1+2.27τ0.585)

5)水環(huán)境容量：Wk=Lc×A

式中：Lc為水庫氮(磷)允許負(fù)荷量，g/m2·a；L為水庫單位面積氮(磷)負(fù)荷量，g/m2·a；Ps為總氮(磷)的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，mg/L；P為水庫平均總氮(磷)濃度，mg/L；Pi為平均入庫總氮(磷)濃度，mg/L；qs為單位水庫面積的水量負(fù)荷，m3/m2·a；ρ為水力沖刷系數(shù)；R為水庫中氮(磷)的滯留系數(shù)，1/a；H為水庫的平均深度，m；τ為庫水滯留時(shí)間；Wk為功能區(qū)的水環(huán)境容量，g/a；Lc為功能區(qū)的允許負(fù)荷量，g/(m2·a)；A為功能區(qū)的面積。

水庫規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅱ類水質(zhì)，COD的Ps≤15 mg/L、總氮Ps≤0.5 mg/L和總磷Ps≤0.025 mg/L。按模型公式計(jì)算，漳河水庫COD的理論允許負(fù)荷量為143.137 g/m2·a，總氮的理論允許負(fù)荷量為6.603 g/m2·a，總磷的理論允許負(fù)荷量為1.556 g/m2·a。按水環(huán)境容量計(jì)算，漳河水庫水域COD的理論環(huán)境容量為13 942 t/a，總氮的理論環(huán)境容量為643 t/a，總磷的理論環(huán)境容量為152 t/a。

1.2 漳河水庫流域主要河流理論環(huán)境容量分析

一維模型水環(huán)境容量的計(jì)算公式：

Wi=31.536×(C×eKx/86.4u-Ci)×(Qi+Qj)

(3)

式中：Wi為允許排放量，t/a；C為沿程濃度，mg/l；Kx為計(jì)算點(diǎn)到第i節(jié)點(diǎn)的距離，m；u為第i個(gè)河段的設(shè)計(jì)流速，m/s；Ci為河段第i個(gè)節(jié)點(diǎn)處的水質(zhì)濃度，mg/l；Qi為河道節(jié)點(diǎn)后流量，m3/s；Qj為第i節(jié)點(diǎn)處廢水入河量，m3/s。

漳河水庫各主要干流支流水質(zhì)目標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅲ類水質(zhì)，COD的Ps≤20 mg/L、總氮Ps≤1.0 mg/L和總磷Ps≤0.05 mg/L。對流域各主要直接入庫干流支流水環(huán)境容量分別分析后匯總，漳河水庫流域各主要干支流理論水環(huán)境容量：COD的理論環(huán)境容量為6 889 t/a，總氮的理論環(huán)境容量為317 t/a，總磷的理論環(huán)境容量為83 t/a。

1.3 漳河水庫流域理論水環(huán)境容量分析

將漳河水庫和水庫流域主要干支流理論水環(huán)境容量進(jìn)行匯總后得出整個(gè)漳河水庫流域理論水環(huán)境容量，結(jié)果見表1。

表1 漳河水庫流域理論水環(huán)境容量匯總表 t/a

2 漳河水庫水質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查與預(yù)測分析

2.1 漳河水庫水質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查分析

1)主要污染源。漳河水庫流域主要污染源有：①農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染主要來自化肥、農(nóng)藥利用不充分，降雨后其污染物隨地表徑流進(jìn)入水體；②牲畜和家禽養(yǎng)殖業(yè)廢棄物沒有經(jīng)過處理或處理不徹底隨意排放至水體；③水產(chǎn)養(yǎng)殖污染主要是化肥、飼料投入過多及網(wǎng)箱養(yǎng)殖等污染水體；④城鄉(xiāng)居民生活、工業(yè)生產(chǎn)(主要是煤礦)廢水沒有經(jīng)過有效處理或直接排入水體；⑤旅游業(yè)、食用菌生產(chǎn)的污染物排放不規(guī)范等[3]。

2)計(jì)算分析依據(jù)。主要分析依據(jù)有：全國飲用水水源地環(huán)境保護(hù)規(guī)劃，第一次全國污染源普查相關(guān)數(shù)據(jù)，流域各縣、市、區(qū)，漳河水庫調(diào)度運(yùn)用的實(shí)測資料。2011年度流域主要排污量及入河(庫)計(jì)算結(jié)果見表2。

3)比重分析。漳河水庫流域COD、總氮、總磷等污染物輸入比重見表3。從表3可以看出，流域的主要污染源為畜禽養(yǎng)殖，其次是農(nóng)業(yè)種植、生活污水與食用菌生產(chǎn)，應(yīng)加強(qiáng)這方面的環(huán)保工作[4]。

2.2 流域污染物排放量預(yù)測

1)預(yù)測方法。①農(nóng)業(yè)種植耕地面積在各水平年均保持不變，排污系數(shù)不變；②牲畜、水產(chǎn)養(yǎng)殖按各縣、市、區(qū)“十三五”規(guī)劃中農(nóng)業(yè)(第一產(chǎn)業(yè))的年均增長率分別進(jìn)行預(yù)測；③居民生活按各縣、市、區(qū)人口增長率及今后生活水平提高而需要增加的用水量預(yù)測；④工業(yè)廢水各水平年污染排放量不變；⑤旅游業(yè)根據(jù)《漳河風(fēng)景區(qū)重點(diǎn)區(qū)域生態(tài)旅游規(guī)劃》預(yù)測；⑥食用菌生產(chǎn)污染物排放按各縣、市、區(qū)規(guī)劃的增長率預(yù)測(見表4)。

表2 2011年度主要排污量與入河(庫)污染量統(tǒng)計(jì)表

表3 主要污染物排入比重表 %

2)各類污染物入河(庫)量預(yù)測分析。根據(jù)以上各污染源污染物排放預(yù)測結(jié)果和污染物入河(庫)系數(shù)，預(yù)測漳河水庫流域各類污染源污染物入河(庫)量，見表5。

3 漳河水庫流域水環(huán)境容量分析

3.1 水環(huán)境容量分析

根據(jù)上述分析計(jì)算，漳河水庫流域污染物輸入量統(tǒng)計(jì)見表6。從表6可以看出，2011年全流域污染物輸入量已經(jīng)大于水環(huán)境容量，從預(yù)測情況來看，漳河水庫流域的水環(huán)境容量變化形勢不容樂觀。2011年水庫水域除總氮、總磷輸入量稍微大于水環(huán)境允許容量外，其他各污染物輸入量基本上小于水環(huán)境容量，說明當(dāng)時(shí)漳河水庫流域的水質(zhì)基本滿足水體環(huán)境功能區(qū)劃要求。但是隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，2015年后各污染物的輸入量增加較多，如不采取相應(yīng)治理措施，漳河水庫水體將不能達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅱ類水質(zhì)要求，務(wù)必引起有關(guān)部門的高度重視[5]。

表4 主要污染物預(yù)測統(tǒng)計(jì)表 t/a

表5 流域各類污染源污染物入河(庫)量預(yù)測表 t/a

表6 漳河水庫流域預(yù)測理論水環(huán)境容量與污染物輸入量表 t/a

注：①全流域理論容量：COD 20 831 t/a，總氮960 t/a，總磷235 t/a；②水庫水域理論容量：COD 13 942 t/a，總氮643 t/a，總磷152 t/a。

3.2 水環(huán)境容量變化原因與利用建議

1)水環(huán)境容量變化原因。①流域森林面積減少較多，水土流失嚴(yán)重。據(jù)各縣市區(qū)統(tǒng)計(jì)資料，1958年建設(shè)漳河水庫時(shí)，流域森林面積達(dá)65%之多，并具有完整的森林生態(tài)系統(tǒng)，是湖北省重要的林區(qū)之一。但目前流域森林面積只有40%。森林面積的銳減，使得漳河主河道多年平均含沙量、流域侵蝕模數(shù)呈增加趨勢，水土流失進(jìn)一步加劇。②污染隱患持續(xù)增加。農(nóng)業(yè)種植、畜禽與水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等經(jīng)營粗放，其污染物沒經(jīng)過徹底處理直接排入水體，造成部分地段水體污染嚴(yán)重；生活污水、工業(yè)廢水治理的覆蓋率較低，至今成效不大；旅游業(yè)的發(fā)展與城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程加快，但環(huán)境保護(hù)工作卻滯后，導(dǎo)致其污染物的排放呈繼續(xù)增加的趨勢。③水源地保護(hù)工程建設(shè)不健全。主要表現(xiàn)在生態(tài)監(jiān)測能力較弱，缺少相應(yīng)的設(shè)施和儀器。預(yù)警能力、污染事故應(yīng)急執(zhí)法能力不足[6]等。④生態(tài)環(huán)境監(jiān)管、執(zhí)法合力不夠。流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)管有點(diǎn)多、線長、面廣、跨界等特點(diǎn)，因而環(huán)境違法行為監(jiān)管難度較大；環(huán)境保護(hù)涉及的部門較多，使得查處違法行為的程序多、手續(xù)多、辦案周期長、時(shí)效較差等，且不同部門法規(guī)，量責(zé)和處理方式、結(jié)果也不盡相同，造成了執(zhí)法資源的分散和內(nèi)耗[7]。⑤管理體制亟待理順。流域跨多個(gè)縣、市、區(qū)，受行政區(qū)劃的約束，導(dǎo)致環(huán)境保護(hù)統(tǒng)一執(zhí)法困難較多，執(zhí)法效能不高。

2)水環(huán)境容量利用建議。①利用水環(huán)境容量資源分布特征，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，合理調(diào)整工業(yè)布局，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。通過漳河水庫流域水環(huán)境容量計(jì)算，對現(xiàn)有水環(huán)境容量利用狀況進(jìn)行分析。通過分析，根據(jù)水環(huán)境容量分布調(diào)整區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局，合理利用水環(huán)境容量。以水環(huán)境容量特征來引導(dǎo)和調(diào)控社會經(jīng)濟(jì)布局，解決工業(yè)發(fā)展與環(huán)境協(xié)調(diào)的問題。②節(jié)約環(huán)境資源、加快發(fā)展規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖和鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水治理步伐。城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施的嚴(yán)重滯后，已經(jīng)在很大程度上制約著流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此，加快發(fā)展規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖，完善和改造現(xiàn)有城鎮(zhèn)排污管網(wǎng)與建設(shè)城市生活污水處理廠已成當(dāng)務(wù)之急，須盡快有效處理畜禽養(yǎng)殖污染物及生活污水，降低污染負(fù)荷[8]。

4 結(jié) 語

漳河水庫流域水環(huán)境容量分析結(jié)果表明，流域內(nèi)面臨著越來越嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境不斷遭受破壞的問題。在流域人類經(jīng)濟(jì)與社會活動日趨頻繁、工業(yè)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展、城鎮(zhèn)化建設(shè)和人口不斷增長的同時(shí)，亟需按照漳河水庫流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)實(shí)施規(guī)劃與“讓江河湖泊休養(yǎng)生息”的戰(zhàn)略部署，繼續(xù)探索“一湖一策”的湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)方式，建立漳河水庫生態(tài)環(huán)境保護(hù)長效機(jī)制，確保漳河水庫水資源的可持續(xù)利用。