渔洞水库径流区污染负荷入库总量分析[1]

摘　要:通过对渔洞水库径流区面源污染的调查,选定COD、TN、TP和NH3-N四个敏感指标,并进行分析、计算,最终得出渔洞水库全流域入库污染负荷总量COD、TN、TP和NH3-N分别为2573.70t/a、428.22t/a、39.80t/a和142.73t/a。

关键词:渔洞水库;负荷总量;分析

渔洞水库是昭通市昭阳区、鲁甸县两县(区)的重要饮用水源,是昭阳区、鲁甸县两县(区)人民的母亲库。由于水库径流区居住着12万人口,人们为了满足日益增长的物质文化生活的需要,在709km2的流域面积上过度开垦、施肥、养殖,导致渔洞水库水质受到严重污染。

2012年渔洞水库首次出现了中度富营养,全库中度富营养率为3.3%。从入库到库前TN严重超标,超标率达到41.7%。全年TN、TP超标现象严重,整个库区水质呈恶化现象。

本文选用4个敏感指标COD、TN、TP和NH3-N,对渔洞水库径流区展开面源污染调查与其入库总量分析,并与水库Ⅱ类水质目标相结合,用污染物总量与其对应的纳污能力相比较,得出超过水体承载能力的指标,为政府相关部门科学治理渔洞水库水环境提供参考。

1　区域概况

昭通市渔洞水库位于云南省滇东北,昭阳区西北部(见图1),地理坐标介于北纬27°10'56″～27°37'27″和东经103°18'29″～103°35'30″之间。最高处位于铁厂乡滴水村臭水梁子,海拔3111.4m,是居乐河的发源地,最低处为水库水面,海拔1985m。

根据卫星影像判读,径流区水土流失面积为410.46km2,占流域面积的57.89%,主要以中度侵蚀和轻度侵蚀为主。其中,强度侵蚀60.2km2,占全流域总面积的8.49%;中度侵蚀面积218.43km2,占全流域总面积的30.81%;轻度侵蚀面积131.84km2,占全流域总面积的18.59%。强度侵蚀主要集中分布在龙树河流域的龙树乡、水磨镇两个乡镇;中度侵蚀主要分布在新街乡和水磨镇,以及接近水库区域的苏甲乡。据测定每年流入渔洞库区的泥沙高达108万t;径流区多年平均含沙量高达2.88kg/m3,为全市之最,最高时泥沙与水的比例达2：8,属中沙河流。水库纵向为三角洲淤积形态,悬移质中的40%不能被异重流带走,淤积为三角洲尾部。

渔洞水库属金沙江水系横江支流洒渔河,水库地势自西北向东南倾斜,山岭陡峻,河谷深切,水库正常蓄水位位于黄海高程1985m时,水面面积12.9km2,库岸线长132.8km,控制流域面积70912.9km2,流域平均宽度11.94km,平均高程2241m。水库最大水深86m,平均水深40m,总库容3.64亿m3(其中死库容0.53亿m3,调节库容2.87亿m3,调洪库容0.38亿m3)。

渔洞水库径流面积大,集水面积与水库面积的比值(即水库补给系数)为52.25,水库主要靠雨水、河流、区间坡面漫流补给,主要入库河流有拦河、底罗河、龙树河、布初河、瓜寨河、居乐河、新河。

渔洞水库径流区涉及昭阳区、鲁甸县、永善县3个县区,乐居乡、洒渔乡、大山包、大寨子乡、苏甲、新街、龙树、水磨、码口9个乡镇,33个行政村,径流区共有农户27869户,115588人。

径流区流域面积1063531亩,折合709km2,以农业用地和林业用地为主,占总面积的68%,其中农业用地总面积131.87km2,现有林业用地总面积236.8km2。

流域内2010年实有耕地面积198804亩,人均拥有耕地面积1.72亩,其中昭阳区年末实有耕地面积48973亩,鲁甸县年末实有耕地面积141941亩,永善县年末实有耕地面积7890亩。蔬菜播种面积达39709亩,总产量为17782.247t,主要为白菜和圆白菜。粮食作物主要为玉米、马铃薯、大豆、荞子、燕麦等作物。除粮食作物外,当地还生产林产品,其主要为花椒、板栗、核桃。

根据流域综合统计年报,流域内耕地化肥施用量为12054.117t/a,其中,以磷肥和氮肥为主,磷肥施用量为5639.271t/a,占施肥总量的46.8%,其次是氮肥,用量为5617.102t/a,占施肥总量的46.6%。总体而言,流域内化肥施用量较高。

渔洞水库流域畜禽养殖以圈养为主,流域内猪出栏97236头,年末存栏120320头;牛出栏12795头,年末存栏2234头;羊出栏26405只,年末存栏15177只;家禽出栏111540只,年末存栏66426只。从畜禽养殖的分布状况来看,畜禽养殖主要集中在流域内鲁甸县境内。

2　面源污染及负荷总量

根据调查,渔洞水库面源污染主要来自于农村农业面源污染和水土流失,农村农业面源污染主要包括农村生活污水、农村生活垃圾、农村畜禽养殖废物、农田化肥流失、农田固体废弃物污染。

2.1　面源污染

2.1.1　污染物计算公式

(1)农村生活污染物入河量。农村生活污染物入河量W生1为

W生1=W生1pβ2

式中:W生1p为农村生活污染物排放量;β2为农村生活污染物入河系数。

其中,农村生活污染物排放量W生1p为

W生1p=N农α1

式中:N农为农村人口数;α1为农村生活排污系数。

(2)农业面源污染物入河量。农业面源污染物入河量排污系数法计算公式为

W农=W农pβ4γ1

式中:W农p为农田污染物排放量;β4为农田入河系数;γ1为修正系数。

其中,农田污染物排放量W农p为

W农p=Mα3

式中:M为耕地面积;α3为农田排污系数。

(3)畜禽养殖污染物入河量。畜禽养殖污染物入河量W畜禽为

W畜禽=W畜禽pβ5

式中:W畜禽p为畜禽养殖污染物排放量;β5为畜禽养殖污染物入河系数。

其中,畜禽养殖污染物排放量W畜禽p为

W畜禽p=δ1t N畜禽α4+δ2t N畜禽α5

式中:δ1为畜禽个体日产粪量;t为饲养期;N畜禽为饲养数;α4为畜禽粪中污染物平均含量;δ2为畜禽个体日产尿量;α5为畜禽尿中污染物平均含量。

(4)农田固体废弃物入河量。农田固体废弃物产排公式为

式中:W固排表示农田固体废弃物产排量,kg/亩;A为农田生产植物残体的产生量系数;α表示农田生产植物残体产生量的排放系数;bi表示植物残体中某种污染物负荷的排放量占农田生产植物残体产生量的百分比;βi表示植物残体中某种污染物负荷的排放量系数。

2.1.2　污染物计算参数确定

农业农村面源污染物负荷计算,根据云南省污染源普查办公室提供的资料,昭通市农业农村面污染源污染物负荷的计算参数见表1～表4。

2.1.3　农村生活污水

据现场调查在径流区范围内村落生活污水的排放方式主要为倾倒在空地,并且村民以使用旱厕为主,农村厕所内的人畜粪便绝大部分都作为农田肥料施用,在这种状况下,农村生活污水在输送过程中通过蒸发、下渗等过程被土壤消纳、沉淀,累积于土壤,部分污染物随降雨流失,经计算主要污染物排放量分别为:COD 155t/a、TN 15.51t/a、TP 2.32t/a、NH3-N 12.9t/a。

2.1.4　农村生活垃圾

流域内农村生活垃圾主要污染物排放量分别为COD 534.63t/a、TN 26.73t/a、TP 10.7t/a、NH3-N 16.03t/a,各主要污染物排放量比例与生活污水类似。

2.1.5　人禽粪便污染

流域内畜禽养殖以散养为主。经调查,畜禽粪便绝大多数还田,但是管理相对粗放,部分固体废物和大部分尿液排放于环境中随降雨流失,污染排放量约为产生量的5%～10%,畜禽粪尿主要污染物排放量分别为COD 279.19t/a、TN 28.16t/a、TP 5.26t/a、NH3-N 12.16t/a。

2.1.6　农田化肥污染

流域内TN、TP和NH3-N排放量分别为81.11t/a、4.08t/a、48.67t/a。

2.1.7　农田固体废弃物

流域内农田固体废弃物排放量为16.52万t,主要污染物排放量分别为TN 55.06t/a、TP 4.41t/a、NH3-N 33.04t/a。

2.2　负荷总量分析

2.2.1　农村农业

综上所述,流域农村农业面源污水、COD、TN、TP和NH3-N产生总量分别为150.18万t、4591.42t/a、2668.8t/a、972.45t/a和1560.41t/a。对COD产生总量贡献最大的污染源是人畜粪便,占总量的61%,其次是农村生活垃圾和污水,分别占总量的33%、6%;对TN产生总量贡献最大的污染源是农田化肥,占总量的39%,其次是农田固体废弃物、人畜粪便和农村垃圾,分别占总量的11%、3%和3%;对TP产生总量贡献最大的污染源是农田固体废弃物,占总量的91%,其次是人禽粪便和农村垃圾,分别占总量的6%和3%;对NH3-N产生总量贡献最大的污染源是农田固体废弃物,占总量的85%,其次是人禽粪便、农田化肥和农村生活垃圾,分别占总量的8%、3%和3%。

流域农村农业面源污水、COD、TN、TP和NH3-N排放总量分别为88.88万t、968.82t/a、206.57t/a、26.77t/a和122.8t/a。对COD排放总量贡献最大的污染源是农村生活垃圾,占总量的55%,其次是人畜粪便和污水,分别占总量的29%、16%;对TN排放总量贡献最大的污染源是农田化肥,占总量的34%,其次是农田固体废弃物、人畜粪便和农村垃圾,分别占总量的27%、14%和13%;对TP排放总量贡献最大的污染源是农村垃圾,占总量的40%,其次是人禽粪便、农田固体废弃物和农田化肥,分别占总量的20%、16%和15%;对NH3-N排放总量贡献最大的污染源是农田化肥污染,占总量的40%,其次是农田固体废弃物和农村生活垃圾,分别占总量的27%和13%。

2.2.2　水土流失

为准确核算流域因降雨径流产生的陆地水土流失污染负荷,利用GWLF(通用流域污染负荷模型)模型进行流域水土流失污染负荷核算,流域由降雨侵蚀导致的COD、TN、TP、NH3-N污染负荷分别为33.02t/a、241.82t/a、1.84t/a、29.1t/a。

2.2.3　污染负荷产生总量

流域废水、COD、TN、TP和NH3-N产生总量分别为150.18万t/a、6394.98t/a、2932.26t/a、990.90t/a和1605.29t/a。COD产生量由大到小的顺序依次是人禽粪便(44%)、水土流失(28%)、农村垃圾(24%);TN产生量由大到小的顺序依次是农田固体废弃物(44%)、人禽粪便(10%)、水土流失(9%)、农村生活垃圾(3%)、农田化肥(3%);TP产生量由大到小的顺序依次是农田固体废弃物(90%)、人禽粪便(5%)、农村生活垃圾(3%);NH3-N产生量由大到小的顺序依次是农田固体废弃物(82%)、人禽粪便(8%)、农村生活垃圾(3%)、农田化肥(3%)。

2.2.4　污染负荷排放总量

流域废水、COD、TN、TP和NH3-N排放量分别为88.88万t/a、2621.19t/a、454.82t/a、43.31t/a和167.68t/a。COD排放量由大到小的顺序依次是水土流失(65%)、农村生活垃圾(19%)、人禽粪便(10%)、农村生活污水(6%);TN排放量由大到小的顺序依次是水土流失(56%)、农田化肥(17%)、农田固体废弃物(12%)、人禽粪便(3%)、农村生活垃圾(3%);TP排放量由大到小的顺序依次是水土流失(40%)、农村垃圾(24%)、人禽粪便(12%);NH3-N排放量由大到小的顺序依次是农田化肥(28%)、水土流失(27%)、农田固体废弃物(20%)。

2.2.5　污染负荷入库总量

污染源基本分布在水库沿岸,因此流域污染物入库量计算方法为排放量减去过程消减量和工程削减量。全流域入库污染负荷总量COD、TN、TP和NH3-N分别为2573.70t/a、428.22t/a、39.80t/a和142.73t/a。COD入库量主要来自于水土流失(69%)和农村生活垃圾(17%);TN入库量主要来自水土流失(62%)和农田化肥(15%);TP入库量主要来自于水土流失(47%)和农村生活垃圾(21%);NH3-N入库量主要来自于水土流失(31%)和农田化肥(27%)。污染入库比例见图2。

3　小结

综上所述,水土流失污染几乎占流域污染来源的一半以上,其中对COD排放贡献量由大到小的污染源依次是水土流失(65%)、农村生活垃圾(19%)、人禽粪便(10%)、农村生活污水(6%);对TN排放贡献量由大到小的污染源依次是水土流失(56%)、农田化肥(17%)、农田固体废弃物(12%)、人禽粪便(3%)、农村生活垃圾(3%);对TP排放贡献量由大到小的污染源依次是水土流失(40%)、农村垃圾(24%)、人禽粪便(12%);对NH3-N排放贡献量由大到小的污染源依次是农田化肥(28%)、水土流失(27%)、农田固体废弃物(20%)。

近十年来,流域地方财政收入、生产总值、人均纯收入都呈增长的态势,平均增长率在16.79%～37.36%之间,这样的发展速度给水库的水质保护带来巨大的压力,农村农业面源污染日渐突出,对COD入库量的贡献率达到31%,对TN入库量贡献率达到38%,对TP入库量贡献率达到53%,对NH3-N入库量贡献率达到69%。而农田化肥和农村生活垃圾是影响水库TN水质超标的两个重要的污染来源。

参考文献

[1]代堂刚.渔洞水库水质现状及主要污染因子恶化分析[J].云南水利水电,2013,109(2).

[2]云南省水利勘测设计院.渔洞水库工程初步设计[R].云南省水利勘测设计院,1974.

[3]逄勇,陆桂华,等.水环境容量计算理论及应用[M].北京:科学出版社,2010.

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[1]本文发表于《云南水利水电》,2014年第3期。