白石水庫總氮污染負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、發電、養魚等功能的綜合水利樞紐,水質狀況直接關系到阜新市用水安全及引白水源工程的成敗。一直以來,白石水庫水質良好,但依然存在總氮污染問題。根據單因子評價方法,若總氮不參評庫區水質總體可以達到Ⅱ類,若總氮參評僅滿足Ⅲ類水標準。參考白石水庫2011—2020年水質監測資料,該時段主要斷面總氮濃度處于1.0～1.4mg/L之間,說明白石水庫水環境質量主要受總氮濃度指標的限制,總氮濃度較高會增加水體營養鹽含量及富營養化風險水平。近期監測數據表明,白石水庫局部區域呈現出富營養化發展趨勢,個別時段葉綠素a濃度達到500μg/L。水庫蓄水位抬升會在一定程度上增加“水華”發生風險,加劇庫灣和相對封閉水域的富營養化程度[1-3]。因此,研究近10a白石水庫總氮濃度時間變異特征及變化趨勢,可以為水庫重點防治區域劃定及其總氮負荷來源分析提供指導依據。

1 總氮現狀

1.1 庫體總氮分析

流域管理機構對白石水庫設置了水庫中心區B5和壩前取水口B1兩個監測斷面,每月監測1次,監測項目包括氨氮、總磷、總氮、pH值、總硬度、揮發酚、溶解氧和石油類等常規24項指標,水庫中心區B5和壩前取水口B1處的總氮濃度年均變化趨勢如圖1。

(a)水庫中心區B5斷面 (b)壩前取水口B1處

由圖1可知,水庫中心區總氮濃度處于0.60～1.03mg/L之間,總體呈小幅上升趨勢,2015年濃度最低,2016年有所上升,但近2a明顯下降。依據現行標準2011—2020年水庫中心區總體達到Ⅲ類標準,個別年份為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,2014年、2015年濃度最低,2017—2020年逐年遞減趨勢。依據現行標準2011—2020年壩前取水口處均達到Ⅲ類標準,個別年份接近Ⅲ類水的上限。

1.2 入庫河流總氮分析

流域管理機構對白石水庫入庫河流設置了大凌河B19、牤牛河M7和涼水河L10三個監測斷面,通過監測分析及時掌握其污染負荷輸出狀況。每月監測2次,監測項目包括氨氮、總磷、總氮、pH值、總硬度、揮發酚、溶解氧和石油類等常規24項指標,2018—2020年入庫河流監測斷面的總氮濃度年均變化趨勢如圖2所示。

圖2 入庫河流總氮變化趨勢

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,除牤牛河達到Ⅳ類標準外,其它河流均達到Ⅲ類水?？傮w而言,白石水庫入庫河流面臨著一定的總氮濃度超標問題,這也是白石水庫總氮污染主要來源。

2 總氮負荷來源與組成結構

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源,經庫周支流其它污染物匯入白石水庫。水利部門對大凌河、牤牛河和涼水河入庫河流設置了水文站,統計整理2019年逐日流量數據,并利用集流分割法計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,基流總量對總徑流量的貢獻率分別為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年逐月水質監測數據,計算確定入庫河流的面源和電源污染負荷,如表2所示。從表2可以看出,白石水庫總氮負荷來源以大凌河為主,其負荷輸入量所占比例達到86.2%,其次是涼水河,對總氮負荷的貢獻達到11.4%,而牤牛河的貢獻最少為2.4%。

表2 入庫河流總氮污染負荷

對于入庫河流,面源對總氮負荷的貢獻率處于42.1%～72.0%之間,其中大凌河、涼水河面源對總氮負荷的貢獻率均>60%,而牤牛河相對較低?？傮w上,白石水庫總氮負荷量為15.95×103t,其中面源總氮入庫負荷達到9.89×103t,所占比例62.0%,所以庫區總氮變化的主導因素是白石水庫庫區面源污染。

2.2 組成結構

1)亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮。依據監測數據,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%,說明庫內氮呈現出輕微波動特征。根據相關監測資料,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。依據監測數據,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%,這說明庫內氮呈現出輕微波動特征[7]。結合大凌河流域2021年水環境監測數據,其氨氮占總氮含量平均值為12.5%,這表明白石水庫庫內氨氮存在明顯變化。

3)有機氮。由于受測量方法的限制,以往研究主要是利用無機氮與總氮的差值來分析有機氮的含量,但儀器操作和多次測量誤差使得有機氮分析誤差較大[8]。無機氮與總氮的差值處于0.20～0.62mg/L之間時可以作為有機氮含量。另外,有機氮占總氮的平均值為30.0%,各監測斷面處于15.0%～39.5%之間,其中大凌河B19、涼水河L1的有機氮含量占比為15.0%和39.5%,這表明白石水庫庫區有機氮含量也存在較明顯的變化。另外,結合大凌河流域2021年水環境監測數據,其有機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總氮的主要對策,故提出水庫水體營養鹽凈化處理、庫岸帶生態緩沖帶建設、清潔型小流域建設、工業點源和城鎮生活污染源治理5個方面進行總氮治理及控制。對于點源污染主要利用工業點源治理、鋪設配套管網、強化污水脫氮工藝、提標改造和建設污水處理廠削減污染負荷,對于面源污染主要通過水庫水體營養鹽凈化處理、庫岸帶生態緩沖帶建設和清潔小流域建設來削減污染負荷[9-11]。

2.3.1 營養鹽凈化處理

將前置庫建設在河流入庫口處,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,降低主庫區總氮濃度。另外,可以建設人工植物浮島,以浮床為載體在庫區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 恢復和建設庫岸帶植被

通過建設植被緩沖帶庫岸帶達到吸收或截留地表徑流總氮的作用,從高向低對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化水庫自凈能力及生態功能,構建以草地組控帶、護坡林地等為骨架的生態隔離帶,建成于庫周流域景觀尺度相適應的徑流總氮多級組控體系。

2.3.3 清潔型小流域建設

重點關注資源化利用、水產養殖與秦楚養殖污染防治、農田化肥農藥減施、農村分散生活污水及生活垃圾處理等領域。

1)農業面源治理:重點關注水產與禽畜養殖、農業種植方面,通過系統分析面源防治效果、現有技術措施和實施情況,對農業管理部門提出農田種植管理建議和減少農藥、化肥施用的有關要求。禽畜養殖污水的高效利用和處理措施有建設草地和林地隔離帶、生態溝渠、雨水再利用和集蓄工程等;禽畜養殖廢棄物尋源利用有禽畜分辨資源化及收集儲存設施、集中式糞污垃圾轉運站和“一池三改”用戶沼氣等;水產養殖治理措施有漁業養殖廢水處理、建設生態浮島等。

2)農村分散生活污水處理:針對庫區衛生環境狀況較差且生活水平較落后的現狀,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施,實施無害化處理農村生活污水。根據入庫河流及庫區周邊居民點分散情況,對5戶以下居民點和5～60戶自然村落實施生活污水沼氣池處理、集中收集處理,規劃措施主要有地埋式一體化處理、無動力集中式處理和居民點排水溝渠改造等。

3)農村生活垃圾處理:針對農村生活垃圾未進行有效處理,不斷增多且大多直接拋棄的現象,農村生活垃圾以及“白色污染”日趨嚴重,生活環境“臟、亂、差”和垃圾處理設施建設滯后的現狀,規劃農村垃圾集中處理站和垃圾堆放池。

2.3.4 工業點源與城鎮污染源治理

根據工業廢水處理和庫區現有生活污染源現狀,通過強化污水脫氮工藝和提標改造現有污水處理廠,加強關鍵技術研發,逐步建成運行成本低、總氮脫除高效的集成技術系統,實現總氮排放標準的進一步提高;對污水處理系統尚未建立的地區鋪設配套管網,注重污水處理設施建設,對工業廢水和生活污水按照因地制宜的方式進行收集處理。

3 結 論

根據白石水庫典型斷面近10a監測數據,研究分析了總氮濃度時間變異特征及變化趨勢,并提出水庫水體營養鹽凈化處理、庫岸帶生態緩沖帶建設、清潔型小流域建設、工業點源和城鎮生活污染源治理等總氮防控對策。結果顯示,白石水庫中心區總氮濃度處于0.60～1.03mg/L之間,總體達到Ⅲ類標準,個別年份為Ⅳ類。壩前取水口總氮濃度處于0.52～0.95mg/L之間,按現行標準均達到Ⅲ類標準,個別年份接近Ⅲ類水的上限?？傮w上,白石水庫入庫河流面臨著一定的總氮濃度超標問題,這也是白石水庫總氮污染主要來源。