白石水庫總氮污染負(fù)荷分布組成特征分析

婁利華

(遼寧省朝陽水文局,遼寧 朝陽 122000)

白石水庫是一座兼顧城市供水、灌溉、防洪、發(fā)電、養(yǎng)魚等功能的綜合水利樞紐,水質(zhì)狀況直接關(guān)系到阜新市用水安全及引白水源工程的成敗。一直以來,白石水庫水質(zhì)良好,但依然存在總氮污染問題。根據(jù)單因子評(píng)價(jià)方法,若總氮不參評(píng)庫區(qū)水質(zhì)總體可以達(dá)到Ⅱ類,若總氮參評(píng)僅滿足Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。參考白石水庫2011—2020年水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料,該時(shí)段主要斷面總氮濃度處于1.0～1.4mg/L之間,說明白石水庫水環(huán)境質(zhì)量主要受總氮濃度指標(biāo)的限制,總氮濃度較高會(huì)增加水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量及富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)水平。近期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,白石水庫局部區(qū)域呈現(xiàn)出富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展趨勢(shì),個(gè)別時(shí)段葉綠素a濃度達(dá)到500μg/L。水庫蓄水位抬升會(huì)在一定程度上增加“水華”發(fā)生風(fēng)險(xiǎn),加劇庫灣和相對(duì)封閉水域的富營(yíng)養(yǎng)化程度[1-3]。因此,研究近10a白石水庫總氮濃度時(shí)間變異特征及變化趨勢(shì),可以為水庫重點(diǎn)防治區(qū)域劃定及其總氮負(fù)荷來源分析提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 總氮現(xiàn)狀

1.1 庫體總氮分析

流域管理機(jī)構(gòu)對(duì)白石水庫設(shè)置了水庫中心區(qū)B5和壩前取水口B1兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,每月監(jiān)測(cè)1次,監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括氨氮、總磷、總氮、pH值、總硬度、揮發(fā)酚、溶解氧和石油類等常規(guī)24項(xiàng)指標(biāo),水庫中心區(qū)B5和壩前取水口B1處的總氮濃度年均變化趨勢(shì)如圖1。

(a)水庫中心區(qū)B5斷面 (b)壩前取水口B1處

由圖1可知,水庫中心區(qū)總氮濃度處于0.60～1.03mg/L之間,總體呈小幅上升趨勢(shì),2015年濃度最低,2016年有所上升,但近2a明顯下降。依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)2011—2020年水庫中心區(qū)總體達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn),個(gè)別年份為Ⅳ類。壩前取水口總氮濃度處于0.52～0.95mg/L之間,總體呈小幅上升趨勢(shì),2014年、2015年濃度最低,2017—2020年逐年遞減趨勢(shì)。依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)2011—2020年壩前取水口處均達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn),個(gè)別年份接近Ⅲ類水的上限。

1.2 入庫河流總氮分析

流域管理機(jī)構(gòu)對(duì)白石水庫入庫河流設(shè)置了大凌河B19、牤牛河M7和涼水河L10三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,通過監(jiān)測(cè)分析及時(shí)掌握其污染負(fù)荷輸出狀況。每月監(jiān)測(cè)2次,監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括氨氮、總磷、總氮、pH值、總硬度、揮發(fā)酚、溶解氧和石油類等常規(guī)24項(xiàng)指標(biāo),2018—2020年入庫河流監(jiān)測(cè)斷面的總氮濃度年均變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 入庫河流總氮變化趨勢(shì)

由圖2可知,大凌河、牤牛河、涼水河入庫河流明顯高于水庫庫體的總氮濃度,除牤牛河達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)外,其它河流均達(dá)到Ⅲ類水。總體而言,白石水庫入庫河流面臨著一定的總氮濃度超標(biāo)問題,這也是白石水庫總氮污染主要來源。

2 總氮負(fù)荷來源與組成結(jié)構(gòu)

2.1 來源解析

通過近10a水污染防治基本清除了白石水庫周圍點(diǎn)源,經(jīng)庫周支流其它污染物匯入白石水庫。水利部門對(duì)大凌河、牤牛河和涼水河入庫河流設(shè)置了水文站,統(tǒng)計(jì)整理2019年逐日流量數(shù)據(jù),并利用集流分割法計(jì)算各入庫河流的地表徑流量及其河川基流量[4-5],白石水庫入庫河流基流分割,見表1。結(jié)果顯示,大凌河、牤牛河、涼水河流域面積之和為43228km2,年均流量之和達(dá)到568.2m3/s。大凌河、牤牛河、涼水河的年均河川基流流量為118.52、4.80、14.25m3/s,基流總量對(duì)總徑流量的貢獻(xiàn)率分別為42.4%、57.5%和36.1%。

表1 白石水庫入庫河流基流分割

采用通量法[6]和大凌河、牤牛河、涼水河2019年逐月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算確定入庫河流的面源和電源污染負(fù)荷,如表2所示。從表2可以看出,白石水庫總氮負(fù)荷來源以大凌河為主,其負(fù)荷輸入量所占比例達(dá)到86.2%,其次是涼水河,對(duì)總氮負(fù)荷的貢獻(xiàn)達(dá)到11.4%,而牤牛河的貢獻(xiàn)最少為2.4%。

表2 入庫河流總氮污染負(fù)荷

對(duì)于入庫河流,面源對(duì)總氮負(fù)荷的貢獻(xiàn)率處于42.1%～72.0%之間,其中大凌河、涼水河面源對(duì)總氮負(fù)荷的貢獻(xiàn)率均>60%,而牤牛河相對(duì)較低。總體上,白石水庫總氮負(fù)荷量為15.95×103t,其中面源總氮入庫負(fù)荷達(dá)到9.89×103t,所占比例62.0%,所以庫區(qū)總氮變化的主導(dǎo)因素是白石水庫庫區(qū)面源污染。

2.2 組成結(jié)構(gòu)

1)亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮。依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),從組成上白石水庫總氮主要為硝酸鹽氮,所占比例為65.8%,硝酸鹽氮占總氮比例處于58.1%～82.6%。其中,大凌河B19、牤牛河M7斷面的硝酸鹽含量占比為58.1%和82.6%,說明庫內(nèi)氮呈現(xiàn)出輕微波動(dòng)特征。根據(jù)相關(guān)監(jiān)測(cè)資料,白石水庫總氮成分以硝酸鹽氮為主,并且亞硝酸鹽氮占白石水庫硝酸鹽氮約10%。

2)氨氮。依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),從組成上白石水庫氨氮占總氮含量平均值為2.6%,各斷面處于1.6%～3.5%之間。其中,牤牛河M7、涼水河L1斷面的氨氮含量占比為1.6%和3.5%,這說明庫內(nèi)氮呈現(xiàn)出輕微波動(dòng)特征[7]。結(jié)合大凌河流域2021年水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),其氨氮占總氮含量平均值為12.5%,這表明白石水庫庫內(nèi)氨氮存在明顯變化。

3)有機(jī)氮。由于受測(cè)量方法的限制,以往研究主要是利用無機(jī)氮與總氮的差值來分析有機(jī)氮的含量,但儀器操作和多次測(cè)量誤差使得有機(jī)氮分析誤差較大[8]。無機(jī)氮與總氮的差值處于0.20～0.62mg/L之間時(shí)可以作為有機(jī)氮含量。另外,有機(jī)氮占總氮的平均值為30.0%,各監(jiān)測(cè)斷面處于15.0%～39.5%之間,其中大凌河B19、涼水河L1的有機(jī)氮含量占比為15.0%和39.5%,這表明白石水庫庫區(qū)有機(jī)氮含量也存在較明顯的變化。另外,結(jié)合大凌河流域2021年水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),其有機(jī)氮占總氮含量平均值為26.5%,相比于2020年減小6.8%,降幅較大。

2.3 總氮控制措施

采取可以削減污染物的措施是控制水源區(qū)總氮的主要對(duì)策,故提出水庫水體營(yíng)養(yǎng)鹽凈化處理、庫岸帶生態(tài)緩沖帶建設(shè)、清潔型小流域建設(shè)、工業(yè)點(diǎn)源和城鎮(zhèn)生活污染源治理5個(gè)方面進(jìn)行總氮治理及控制。對(duì)于點(diǎn)源污染主要利用工業(yè)點(diǎn)源治理、鋪設(shè)配套管網(wǎng)、強(qiáng)化污水脫氮工藝、提標(biāo)改造和建設(shè)污水處理廠削減污染負(fù)荷,對(duì)于面源污染主要通過水庫水體營(yíng)養(yǎng)鹽凈化處理、庫岸帶生態(tài)緩沖帶建設(shè)和清潔小流域建設(shè)來削減污染負(fù)荷[9-11]。

2.3.1 營(yíng)養(yǎng)鹽凈化處理

將前置庫建設(shè)在河流入庫口處,利用水生植物絮凝、沉淀、吸附和吸收作用削減入庫總氮含量,降低主庫區(qū)總氮濃度。另外,可以建設(shè)人工植物浮島,以浮床為載體在庫區(qū)水面種植改良的陸生植物或高等水生植物,利用根際微生物的同化吸收作用和植物根部的吸附、吸收作用削減水體中的總氮。

2.3.2 恢復(fù)和建設(shè)庫岸帶植被

通過建設(shè)植被緩沖帶庫岸帶達(dá)到吸收或截留地表徑流總氮的作用,從高向低對(duì)淺水水域及庫岸帶種植濕生、挺水、沉水植物,以多樣豐富的生物群落強(qiáng)化水庫自凈能力及生態(tài)功能,構(gòu)建以草地組控帶、護(hù)坡林地等為骨架的生態(tài)隔離帶,建成于庫周流域景觀尺度相適應(yīng)的徑流總氮多級(jí)組控體系。

2.3.3 清潔型小流域建設(shè)

重點(diǎn)關(guān)注資源化利用、水產(chǎn)養(yǎng)殖與秦楚養(yǎng)殖污染防治、農(nóng)田化肥農(nóng)藥減施、農(nóng)村分散生活污水及生活垃圾處理等領(lǐng)域。

1)農(nóng)業(yè)面源治理:重點(diǎn)關(guān)注水產(chǎn)與禽畜養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)種植方面,通過系統(tǒng)分析面源防治效果、現(xiàn)有技術(shù)措施和實(shí)施情況,對(duì)農(nóng)業(yè)管理部門提出農(nóng)田種植管理建議和減少農(nóng)藥、化肥施用的有關(guān)要求。禽畜養(yǎng)殖污水的高效利用和處理措施有建設(shè)草地和林地隔離帶、生態(tài)溝渠、雨水再利用和集蓄工程等;禽畜養(yǎng)殖廢棄物尋源利用有禽畜分辨資源化及收集儲(chǔ)存設(shè)施、集中式糞污垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站和“一池三改”用戶沼氣等;水產(chǎn)養(yǎng)殖治理措施有漁業(yè)養(yǎng)殖廢水處理、建設(shè)生態(tài)浮島等。

2)農(nóng)村分散生活污水處理:針對(duì)庫區(qū)衛(wèi)生環(huán)境狀況較差且生活水平較落后的現(xiàn)狀,生活污水大多無害化處理的情況,按照因地制宜的原則修建污水處理設(shè)施,實(shí)施無害化處理農(nóng)村生活污水。根據(jù)入庫河流及庫區(qū)周邊居民點(diǎn)分散情況,對(duì)5戶以下居民點(diǎn)和5～60戶自然村落實(shí)施生活污水沼氣池處理、集中收集處理,規(guī)劃措施主要有地埋式一體化處理、無動(dòng)力集中式處理和居民點(diǎn)排水溝渠改造等。

3)農(nóng)村生活垃圾處理:針對(duì)農(nóng)村生活垃圾未進(jìn)行有效處理,不斷增多且大多直接拋棄的現(xiàn)象,農(nóng)村生活垃圾以及“白色污染”日趨嚴(yán)重,生活環(huán)境“臟、亂、差”和垃圾處理設(shè)施建設(shè)滯后的現(xiàn)狀,規(guī)劃農(nóng)村垃圾集中處理站和垃圾堆放池。

2.3.4 工業(yè)點(diǎn)源與城鎮(zhèn)污染源治理

根據(jù)工業(yè)廢水處理和庫區(qū)現(xiàn)有生活污染源現(xiàn)狀,通過強(qiáng)化污水脫氮工藝和提標(biāo)改造現(xiàn)有污水處理廠,加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā),逐步建成運(yùn)行成本低、總氮脫除高效的集成技術(shù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)總氮排放標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高;對(duì)污水處理系統(tǒng)尚未建立的地區(qū)鋪設(shè)配套管網(wǎng),注重污水處理設(shè)施建設(shè),對(duì)工業(yè)廢水和生活污水按照因地制宜的方式進(jìn)行收集處理。

3 結(jié) 論

根據(jù)白石水庫典型斷面近10a監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究分析了總氮濃度時(shí)間變異特征及變化趨勢(shì),并提出水庫水體營(yíng)養(yǎng)鹽凈化處理、庫岸帶生態(tài)緩沖帶建設(shè)、清潔型小流域建設(shè)、工業(yè)點(diǎn)源和城鎮(zhèn)生活污染源治理等總氮防控對(duì)策。結(jié)果顯示,白石水庫中心區(qū)總氮濃度處于0.60～1.03mg/L之間,總體達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn),個(gè)別年份為Ⅳ類。壩前取水口總氮濃度處于0.52～0.95mg/L之間,按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)均達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn),個(gè)別年份接近Ⅲ類水的上限。總體上,白石水庫入庫河流面臨著一定的總氮濃度超標(biāo)問題,這也是白石水庫總氮污染主要來源。