娄利华

(辽宁省朝阳水文局,辽宁 朝阳 122000)

白石水库是一座兼顾城市供水、灌溉、防洪、发电、养鱼等功能的综合水利枢纽,水质状况直接关系到阜新市用水安全及引白水源工程的成败。一直以来,白石水库水质良好,但依然存在总氮污染问题。根据单因子评价方法,若总氮不参评库区水质总体可以达到Ⅱ类,若总氮参评仅满足Ⅲ类水标准。参考白石水库2011—2020年水质监测资料,该时段主要断面总氮浓度处于1.0～1.4mg/L之间,说明白石水库水环境质量主要受总氮浓度指标的限制,总氮浓度较高会增加水体营养盐含量及富营养化风险水平。近期监测数据表明,白石水库局部区域呈现出富营养化发展趋势,个别时段叶绿素a浓度达到500μg/L。水库蓄水位抬升会在一定程度上增加“水华”发生风险,加剧库湾和相对封闭水域的富营养化程度[1-3]。因此,研究近10a白石水库总氮浓度时间变异特征及变化趋势,可以为水库重点防治区域划定及其总氮负荷来源分析提供指导依据。

1 总氮现状

1.1 库体总氮分析

流域管理机构对白石水库设置了水库中心区B5和坝前取水口B1两个监测断面,每月监测1次,监测项目包括氨氮、总磷、总氮、pH值、总硬度、挥发酚、溶解氧和石油类等常规24项指标,水库中心区B5和坝前取水口B1处的总氮浓度年均变化趋势如图1。

(a)水库中心区B5断面 (b)坝前取水口B1处

由图1可知,水库中心区总氮浓度处于0.60～1.03mg/L之间,总体呈小幅上升趋势,2015年浓度最低,2016年有所上升,但近2a明显下降。依据现行标准2011—2020年水库中心区总体达到Ⅲ类标准,个别年份为Ⅳ类。坝前取水口总氮浓度处于0.52～0.95mg/L之间,总体呈小幅上升趋势,2014年、2015年浓度最低,2017—2020年逐年递减趋势。依据现行标准2011—2020年坝前取水口处均达到Ⅲ类标准,个别年份接近Ⅲ类水的上限。

1.2 入库河流总氮分析

流域管理机构对白石水库入库河流设置了大凌河B19、牤牛河M7和凉水河L10三个监测断面,通过监测分析及时掌握其污染负荷输出状况。每月监测2次,监测项目包括氨氮、总磷、总氮、pH值、总硬度、挥发酚、溶解氧和石油类等常规24项指标,2018—2020年入库河流监测断面的总氮浓度年均变化趋势如图2所示。

图2 入库河流总氮变化趋势

由图2可知,大凌河、牤牛河、凉水河入库河流明显高于水库库体的总氮浓度,除牤牛河达到Ⅳ类标准外,其它河流均达到Ⅲ类水。总体而言,白石水库入库河流面临着一定的总氮浓度超标问题,这也是白石水库总氮污染主要来源。

2 总氮负荷来源与组成结构

2.1 来源解析

通过近10a水污染防治基本清除了白石水库周围点源,经库周支流其它污染物汇入白石水库。水利部门对大凌河、牤牛河和凉水河入库河流设置了水文站,统计整理2019年逐日流量数据,并利用集流分割法计算各入库河流的地表径流量及其河川基流量[4-5],白石水库入库河流基流分割,见表1。结果显示,大凌河、牤牛河、凉水河流域面积之和为43228km2,年均流量之和达到568.2m3/s。大凌河、牤牛河、凉水河的年均河川基流流量为118.52、4.80、14.25m3/s,基流总量对总径流量的贡献率分别为42.4%、57.5%和36.1%。

表1 白石水库入库河流基流分割

采用通量法[6]和大凌河、牤牛河、凉水河2019年逐月水质监测数据,计算确定入库河流的面源和电源污染负荷,如表2所示。从表2可以看出,白石水库总氮负荷来源以大凌河为主,其负荷输入量所占比例达到86.2%,其次是凉水河,对总氮负荷的贡献达到11.4%,而牤牛河的贡献最少为2.4%。

表2 入库河流总氮污染负荷

对于入库河流,面源对总氮负荷的贡献率处于42.1%～72.0%之间,其中大凌河、凉水河面源对总氮负荷的贡献率均>60%,而牤牛河相对较低。总体上,白石水库总氮负荷量为15.95×103t,其中面源总氮入库负荷达到9.89×103t,所占比例62.0%,所以库区总氮变化的主导因素是白石水库库区面源污染。

2.2 组成结构

1)亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。依据监测数据,从组成上白石水库总氮主要为硝酸盐氮,所占比例为65.8%,硝酸盐氮占总氮比例处于58.1%～82.6%。其中,大凌河B19、牤牛河M7断面的硝酸盐含量占比为58.1%和82.6%,说明库内氮呈现出轻微波动特征。根据相关监测资料,白石水库总氮成分以硝酸盐氮为主,并且亚硝酸盐氮占白石水库硝酸盐氮约10%。

2)氨氮。依据监测数据,从组成上白石水库氨氮占总氮含量平均值为2.6%,各断面处于1.6%～3.5%之间。其中,牤牛河M7、凉水河L1断面的氨氮含量占比为1.6%和3.5%,这说明库内氮呈现出轻微波动特征[7]。结合大凌河流域2021年水环境监测数据,其氨氮占总氮含量平均值为12.5%,这表明白石水库库内氨氮存在明显变化。

3)有机氮。由于受测量方法的限制,以往研究主要是利用无机氮与总氮的差值来分析有机氮的含量,但仪器操作和多次测量误差使得有机氮分析误差较大[8]。无机氮与总氮的差值处于0.20～0.62mg/L之间时可以作为有机氮含量。另外,有机氮占总氮的平均值为30.0%,各监测断面处于15.0%～39.5%之间,其中大凌河B19、凉水河L1的有机氮含量占比为15.0%和39.5%,这表明白石水库库区有机氮含量也存在较明显的变化。另外,结合大凌河流域2021年水环境监测数据,其有机氮占总氮含量平均值为26.5%,相比于2020年减小6.8%,降幅较大。

2.3 总氮控制措施

采取可以削减污染物的措施是控制水源区总氮的主要对策,故提出水库水体营养盐净化处理、库岸带生态缓冲带建设、清洁型小流域建设、工业点源和城镇生活污染源治理5个方面进行总氮治理及控制。对于点源污染主要利用工业点源治理、铺设配套管网、强化污水脱氮工艺、提标改造和建设污水处理厂削减污染负荷,对于面源污染主要通过水库水体营养盐净化处理、库岸带生态缓冲带建设和清洁小流域建设来削减污染负荷[9-11]。

2.3.1 营养盐净化处理

将前置库建设在河流入库口处,利用水生植物絮凝、沉淀、吸附和吸收作用削减入库总氮含量,降低主库区总氮浓度。另外,可以建设人工植物浮岛,以浮床为载体在库区水面种植改良的陆生植物或高等水生植物,利用根际微生物的同化吸收作用和植物根部的吸附、吸收作用削减水体中的总氮。

2.3.2 恢复和建设库岸带植被

通过建设植被缓冲带库岸带达到吸收或截留地表径流总氮的作用,从高向低对浅水水域及库岸带种植湿生、挺水、沉水植物,以多样丰富的生物群落强化水库自净能力及生态功能,构建以草地组控带、护坡林地等为骨架的生态隔离带,建成于库周流域景观尺度相适应的径流总氮多级组控体系。

2.3.3 清洁型小流域建设

重点关注资源化利用、水产养殖与秦楚养殖污染防治、农田化肥农药减施、农村分散生活污水及生活垃圾处理等领域。

1)农业面源治理:重点关注水产与禽畜养殖、农业种植方面,通过系统分析面源防治效果、现有技术措施和实施情况,对农业管理部门提出农田种植管理建议和减少农药、化肥施用的有关要求。禽畜养殖污水的高效利用和处理措施有建设草地和林地隔离带、生态沟渠、雨水再利用和集蓄工程等;禽畜养殖废弃物寻源利用有禽畜分辨资源化及收集储存设施、集中式粪污垃圾转运站和“一池三改”用户沼气等;水产养殖治理措施有渔业养殖废水处理、建设生态浮岛等。

2)农村分散生活污水处理:针对库区卫生环境状况较差且生活水平较落后的现状,生活污水大多无害化处理的情况,按照因地制宜的原则修建污水处理设施,实施无害化处理农村生活污水。根据入库河流及库区周边居民点分散情况,对5户以下居民点和5～60户自然村落实施生活污水沼气池处理、集中收集处理,规划措施主要有地埋式一体化处理、无动力集中式处理和居民点排水沟渠改造等。

3)农村生活垃圾处理:针对农村生活垃圾未进行有效处理,不断增多且大多直接抛弃的现象,农村生活垃圾以及“白色污染”日趋严重,生活环境“脏、乱、差”和垃圾处理设施建设滞后的现状,规划农村垃圾集中处理站和垃圾堆放池。

2.3.4 工业点源与城镇污染源治理

根据工业废水处理和库区现有生活污染源现状,通过强化污水脱氮工艺和提标改造现有污水处理厂,加强关键技术研发,逐步建成运行成本低、总氮脱除高效的集成技术系统,实现总氮排放标准的进一步提高;对污水处理系统尚未建立的地区铺设配套管网,注重污水处理设施建设,对工业废水和生活污水按照因地制宜的方式进行收集处理。

3 结 论

根据白石水库典型断面近10a监测数据,研究分析了总氮浓度时间变异特征及变化趋势,并提出水库水体营养盐净化处理、库岸带生态缓冲带建设、清洁型小流域建设、工业点源和城镇生活污染源治理等总氮防控对策。结果显示,白石水库中心区总氮浓度处于0.60～1.03mg/L之间,总体达到Ⅲ类标准,个别年份为Ⅳ类。坝前取水口总氮浓度处于0.52～0.95mg/L之间,按现行标准均达到Ⅲ类标准,个别年份接近Ⅲ类水的上限。总体上,白石水库入库河流面临着一定的总氮浓度超标问题,这也是白石水库总氮污染主要来源。