中型水库磷污染成因及污染控制技术方案分析

刘 力，刘蒙泰，陈 浩

(1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381；2.无锡市水利设计研究院有限公司，江苏 无锡 21400)

0引言

磷是湖泊初级生产力的限制性营养元素[1,2]，是湖库发生富营养化的主要原因之一。磷在自然界存在的形态较多，分为溶解性磷和颗粒态磷。仅溶解态磷可被植物及微生物吸收及利用，颗粒态磷主要通过化学沉淀、过滤等措施去除。磷进入湖库后，利用化学药剂、旁路处理等工程措施去除颗粒态磷难度较大，造价高，且易破坏湖库的生态系统，因此工程上通常采用生态工程技术去除溶解态的磷，并在污染物入库前拦截部分颗粒态的磷，以此控制入库磷污染负荷。此外，湖库中磷污染控制要求较高(IV类水质目标≤0.1mg/L，III类水质目标≤0.05mg/L)，达标难度较大。综上所述，磷是湖库污染控制的重中之重。

一般情况下，上游流域用地类型多为林地、草地及农业用地等，因此，面源污染多是我国上游地区湖库污染的主要原因，尤其是农业面源污染。面源污染调查方法众多，但由于流域尺度较大，用地类型复杂及人口分布不均匀，导致面源污染调研难度较大，且数据的准确性、可行度较差。因此入库污染负荷评估分析及污染物总量控制有助于识别污染的主要来源，分析不同污染源的变化趋势及其对水体的影响，并根据总量控制目标，有针对性地制定出减少污染负荷的措施，为湖库环境改善与保护提供决策依据[3]。

目前，面源污染负荷评估的研究报道较多，但基于入库污染负荷，尤其是湖库中TP污染负荷，制定生态控制技术，并对控制技术进行经济性分析的研究比较缺乏。因此本研究以中型水库为例，通过分析流域范围内的用地类型，评估入库TP污染负荷，并确定主要的污染来源。基于不同水质目标下的水库纳污能力及污染物削减量，分别制定污染控制方案，并对不同污染控制方案进行经济性比较，最终推荐优选工艺技术。

1 研究区域概况

该水库位于湖北省西北部，汉江中游地区。入库季节性河流1是汉江季节性支流，河沟全长25.9km。水库流域面积约为27.51km2，总库容1609万m3，其中兴利库容922.7万m3，调洪库容652.3万m3，死库容34万m3。正常蓄水位5.4m。该水库是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合效益的中型水库。

由于周围人类活动的影响，目前水库水质处于劣V类水质，迫切需要对水库进行综合整治。水库近期工程整治目标为地表水IV类水质标准，远期目标为地表水III类水质标准。

表1 水库水质监测结果及地表水环境质量标准对比表 (mg/L)

根据表1水库水质监测结果，监测点2水质COD指标超III类标准1.07倍，超IV类标准0.38倍，其他区域的COD指标均能满足IV类标准，但均不满足III类水质标准。监测点1结果显示TP指标超III类标准9.4倍，超IV类标准4.2倍，其他区域内的TP均超III类水质标准3倍，超IV类标准1倍。由此可知，TP是水库污染的主要指标。

2 研究方法

2.1 污染评价指标体系选择

污染评价指标的选择是污染控制决策的关键，该体系的建立应遵循科学、全面、适用和可操作性等原则。在设计评价指标时，要兼顾污染物削减等环境指标和经济成本指标[3]。根据水库现状污染情况，水库主要污染控制指标为TP。根据相关工程经验，TP污染控制技术较多，且污染物去除要求高、难度大、成本高，尤其是TP进入湖库后，污染控制及去除难度进一步增大，因此针对水库水质进行综合污染分析，选取TP作为评价及污染控制的主要指标具有重要的意义。

2.2 计算模型

2.2.1 输出系数模型

输出系数模型是基于多元线性回归分析的数学模型，是借助污染物输出系数与土地利用等相关数据估算流域输出的面源污染负荷，主要用于评价土地利用和湖泊富营养之间的关系[4，5]。输出系数模型计算模型如下：

式中：L表示营养盐的输出量，kg；Ei为第i种污染源的输出系数,kg·hm-2·a-1或kg·头(只)-1·a-1或kg·人-1·a-1；Ai表示第i种耕地的面积，hm2，或第种畜禽年末存栏数，头(只)，或农村人口数，人。Ii表示第i种污染源营养盐的输入量；P为由降水输入的污染物的数量，本次研究暂不考虑此项因素的影响。

2.2.2 水环境容量计算

TP的水环境容量计算模型采用吉柯奈尔-迪龙模型[6,7]，其计算公式为:

Mn=LSA/1000

式中：Mn为TP纳污能力，kg/a；Ls为单位湖(库)水面积，g/m3.a；A为湖库面积，m2，Ps为湖库中TP的年平均控制浓度，g/m3；R为磷在湖库中的滞留系数，a-1；h为湖库的平均水深，m；Qa为湖库的年出流水量，m3/a；V为湖库的总库容，m3。

3 结果与讨论

3.1 污染源分析及污染控制技术方案

3.1.1 流域划分

利用Arcgis技术，划分水库流域范围的汇水区域(汇水区域划分见图1)。一般流域范围内的入库的径流量与汇水面积呈正比，因此，根据不同汇水区域面积分析流域范围内径流量占入库径流总量的比例，从而确定水库主要的污染来源。

表2 入库沟渠汇水面积及径流量所占比例

根据流域划分结果可以看出，入库河流1是汇入水库的主要河流之一，该排水沟汇水量占入库总径流量的91.8%。

3.1.2 土地利用现状分析

利用Arcgis技术分析流域范围内的用地类型，用于分析不同的污染类型，为后续污染控制决策奠定基础。

表3 水库汇水区域内土地利用情况统计分析表

由表3可见，水库汇水区域内大部分为林地，比例约为50%，其次是耕地(农作物)，所占比例为37.1%。其余用地类型占地比例较小，均<10%。一般林地范围内人类活动较少，污染物流失量较小，可忽略不计。耕地范围内施肥、农业灌溉等因素，存在较大的N、P等营养盐流失的风险。

3.1.3 TP污染负荷计算及结果分析

根据流域内的用地类型及周围环境调查，水库周围的污染来源主要为农业面源、农村固废及农村分散性生活污水、畜禽养殖等。在流域划分、用地类型识别的基础上，根据相关的文献[8]，计算不同污染来源入库污染负荷，如表4所示。

表4 各污染源TP污染负荷计算参数、排放量及贡献率详表

根据计算结果，水库周围TP污染负荷总计为1113.81kg/a，初步核算TP理论污染平均浓度为0.305mg/L，与实测TP污染平均浓度0.307mg/L相近，表明污染负荷计算相对准确。

表3中，TP污染来源主要以农业面源为主，TP年均污染负荷排放量为807kg/a，占总污染负荷排放量的72.53%。其次是畜禽养殖污染，水库周边存在几处养猪场，存栏数为2000～3000头不等，TP年均污染负荷排放量为293.4kg/a，占总污染负荷排放量的26.34%。其余污染源的污染贡献率较小。由此可见，农业面源是水库TP污染的主要来源。

3.2 TP污染控制技术及工程布局

本研究建议农业面源以生态工程技术为主。滨水缓冲带生态工程宜布置于水库周边10～20m的范围内，用以拦截污染物进入水库。人工湿地工程布置于入库河流1进入水库前的河道中，用以净化入库径流量。复合生态浮岛工程布置于入库河道1及河道2的末端，用以拦截及净化污染物。同时复合生态浮岛可布置于水库中，用于入库TP污染控制。

3.3 TP污染总量控制方案及目标可达性分析

根据相关计算的模型，计算水库TP环境容量，并根据不同的水质目标，分析污染物削减量。本研究在畜禽养殖污染控制率为80%的前提下，计算农业面源污染削减量。计算结果如表5所示。

表5 不同水质目标下水库的水环境容量及TP污染物削减量 ( kg/a)

根据计算结果可以看出，III类水质目标条件下，水库允许容纳TP污染物入库量为363.73kg/a，水库入库污染物削减量约为750.08kg/a，削减率约为67.34%，削减要求较高。IV类水质目标条件下的水环境容量较III类水质目标大，允许容纳的污染物较多，相应污染物的削减率较低，约为34.69%。因此不同的水质目标，尤其是TP污染控制目标对水库污染控制工程的布局，工程内容等要求不同，应合理确定水库可达的目标并制定相应的污染控制措施。

不同的生态污染控制工程对污染物的去除效果不同。单立楠[10]指出生态缓冲带对面源污染TP的去除能力为32g/m2。根据工程经验，人工湿地TP污染的去除能力为100～200g/m2[11]，复合生态浮岛TP污染的去除能力为200～300g/m2。不同污染控制技术的规模及经济分析见表6。

根据计算结果，不同工程技术对TP污染累积去除的效果不同，工程设计所需的工程量也不同。生态缓冲带III类水质目标条件下所需的面积最大，约为16105m2，其次是人工湿地，最后是复合浮动浮岛。不同工程措施的单平米的造价不同，其中复合浮动湿地因仿生人工水草等材料的不同，造价不同，一般造价约为800元/m2，相对较高。综合分析，复合浮动湿地的造价高，污染物的去除效率高，所需的工程面积相对较小，因此工程造价适宜。生态缓冲带的造价低，但工程设计所需的面积较大，工程造价相对较高。从工程成本及去除效果考虑，不建议作为主要措施，可根据需要作为辅助措施。综上所述，本工程推荐采用人工湿地工程技术及复合生态浮岛作为农业面源污染控制的主要工程技术。

表6 农业面源污染物去除技术对比及技术经济分析

4 结论

(1)在水库入库河流中，河流1的汇水面积最大，汇水面积占总流域面积的91.8%。河流1也是入库水量最大的河流。在整个汇水区域中，现状林地占50%，比例最大，但林地中的污染负荷流失较小，可忽略不计。其次是耕地，占比为37.1%，耕地是TP入库污染的重要污染来源。

(2)在不同水质目标的前提下，TP的纳污能力不同，污染削减量也不相同。III类水质目标的条件下，TP削减率为67.34%。IV类水质目标条件下，TP削减率为34.69%。

(3)在总量控制的前提下，在兼顾工程目标可达性和成本的前提下，人工湿地工程和复合生态浮岛工程是控制农业面源污染及入库TP目标可达的优选技术。