水库污染来源解析方法研究——以南方某水库为例

Study on Analytical Method of Reservoir Pollution Source: A Case Study of a Reservoir in South-China

摘要: 开展水源地水库的污染来源解析，掌握影响水质的主要污染源，是改善水库水环境和保障饮用水源安全的基础。目前，国内关于水源地水环境污染物源解析的研究相对较少。本文以南方某水库为例开展水库污染来源解析，探索水库污染来源解析方法。研究结果表明，南方某水库NH₃-N、TN、TP主要污染来源是外来引水，贡献占比高达81.9%、95.7%和92%，入库支流、散流入库、大气沉降、底泥释放污染负荷贡献均较小。

Abstract: Analyzing the sources of pollution in reservoir and mastering the main pollution sources that affect water quality, is the basis for improving the reservoir water environment and ensuring the safety of drinking water sources. At present, there are relatively few studies on the source analysis of water environmental pollutants in water sources in China. This paper takes a reservoir in South-China as an example to analyze the source of reservoir pollution and explore the method of reservoir pollution source analysis. The results show that the main pollution sources of NH3-N, TN and TP in the reservoir are external water diversion, with a contribution ratio of 81.9%, 95.7% and 92%. Inflow tributaries, scattered inflows, atmospheric deposition, or sediment release pollution load contribution is small.

1. 引言

水源地水安全是衡量一个国家和地区生活质量和发展水平的重要标志，直接关系到广大人民群众的身体健康和生命安全。我国由于水源地污染而引起的饮用水安全问题非常突出，水源地保护已经引起了党中央、国务院的高度重视，成为关系国计民生的重大问题 [1] 。然而，随着城市化的发展，越来越多的各类营养盐污染源通过不同途径进入水源地，对水库水质造成污染，给水库水安全带来潜在风险。开展水源地水库的污染来源解析的相关研究，掌握影响水质的主要污染源，对于提前采取适宜的控制措施以保护水环境具有重要意义，是改善水库水环境和保障饮用水源安全的基础 [2] [3] 。

目前，国内关于水源地水环境不同类型污染物源解析的研究相对较少 [4] 。为系统梳理水源地水库污染主要来源，本文以南方某水库为例开展水库污染来源解析，分析水库主要污染来源构成，为饮用水源地精准管理提供科学依据，为其它相关研究者提供技术参考。

2. 污染源调查与分析

2.1. 城镇居民生活

水库流域范围绝大部分位于龙岗区，流域范围内有管理人口约35.8万人。根据《2018年深圳市水资源公报》，2018年龙岗区人均居民生活用水量为191.20 L/d，居民生活污水产生量按用水量的0.85进行折算，为162.52 L/人·d。根据第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册，可知深圳市居民生活污水氨氮、总氮和总磷产生系数分别是9.7 g/人·d、13.9 g/人·d和1.16 g/人·d。

经核算，水库流域内的生活废水产生量为2123.6万t/a，氨氮、总氮和总磷全年产生总量分别为1267.5 t/a、1816.3 t/a、151.6 t/a，如表1所示。

2.2. 工业企业分布

根据饮用水水源保护区工业企业调查结果，水库流域保护区内共有工业企业221家，主要分布在二级保护区中北部部分一级支流区域；对于东部和南部广大地区，仅南部零星分布少数工业企业，该区域主要以居民聚集区和林地为主。

Table 1. Status of domestic pollution sources in a reservoir basin in the south

表1. 南方某水库流域内生活污染源状况

根据《国民经济行业分类》(GB/T4754-2011)，这221家工业企业共涉及20个行业大类。该区域内工业企业行业没有明显的某一类行业大规模集中情况，其中数量最多的是电气机械和器材制造业，计算机、通信和其他电子设备制造业和橡胶和塑料制品业，分别占全部企业数量的16.7%、16.7%和14.9%，如表2所示。

Table 2. Statistics of industrial enterprises in reservoir basins

表2. 水库流域工业企业统计表

2.3. 面源污染

水库流域面积为58.98 km²，其中建成区面积较大，约14.74 km²，占整个保护区面积的25.0% (图1)，建成区面源为流域内面源污染最主要来源。此外，水库保护区内菜地面积为1.11 km²，占整个保护区面积的1.9%，主要分布于W河沿线南侧，全部位于二级水源保护区，产生的面源污染物主要通过W河与L河两条支流进入水库。

Figure 1. Distribution of land use in a reservoir basin in the south

图1. 南方某水库流域各类用地占比分布

面源污染负荷为排入支流径流量与对应面源污染物平均浓度的乘积，如公式(1)所示：

$m={10}^{-3}\phi pF{C}_j$ (1)

式中：m为第j种面源污染物的年污染负荷，t/a； $\phi$ 为径流系数；p为年降雨量，mm/a；F为水库流域面积，km²；C_j为第j种面源污染物的评价浓度，mg/L。

面源污染物浓度主要受土地利用类型影响，本研究采用综合EMC作为各水库流域内面源污染物的平均浓度。参考南方相关文献资料 [5] - [10] 研究成果，确定对不同土地利用类型面源污染物浓度计算系数K取值如表3所示。

Table 3. Calculation coefficient of surface source pollutant concentration K

表3. 面源污染物浓度计算系数K取值

各水库流域的面源污染物平均浓度(综合EMC)采用土地利用类型加权平均计算，如公式2所示：

$C_j=\frac{{\displaystyle \sum K_{ij}{A}_i}}{{\displaystyle \sum A_i}}$ (2)

式中：K_ij为用地类型i的第j类污染物浓度计算系数，mg/L；A_i为该水库流域用地类型i的面积，km²；C_j为该水库流域第j类污染物综合EMC，mg/L。

综上，计算得水库流域内面源污染氨氮、总氮和总磷全年产生总量分别为85.41 t/a、266.4 t/a和29.06 t/a，如表4所示。

Table 4. Amount of non-point source pollution in a reservoir basin in the south

表4. 南方某水库流域内面源污染产生量

2.4. 外来水源污染

水库通过饮水工程向东江引水，引水比例高达97%。外来引水的水质对其水质有非常大的影响，最主要的影响体现在TN这一指标上。由图2可以看出，外来引水TN浓度与水库TN平均浓度变化趋势基本一致，且外来引水TN浓度较高，大多数时候超过2 mg/L，使得水库TN浓度也较高。

Figure 2. External diversion and average TN value of a reservoir in the south

图2. 外来引水及南方某水库平均TN值

2.5. 大气沉降

大气沉降也是污染负荷入库的途径之一。水库研究范围处于中国沿海发达城市，近年来随着城市化和工业化的高度发展，化石燃料使用量迅速增长，导致大气污染物沉降的强度、影响范围持续增加 [11] 。本文基于现有相关研究和文献资料 [12] [13] ，确定研究区氮磷干湿沉降通量取值如表5所示。

Table 5. Nitrogen and phosphorus monthly dry and wet deposition flux values

表5. 氮磷月干湿沉降通量取值

2.6. 底泥释放

泥沙淤积在库内沉积了大量的氮、磷等污染物，是水体中潜在的内源性污染源，对水体污染会持续一段相当长的时间 [14] 。底泥中营养盐的释放，主要是由于存在着从沉积物向上覆水的营养盐浓度梯度 [15] 。水库的泥沙淤积物和各类污染物混存，含有大量的氮、磷等污染物，根据测算，其底泥污染物释放通量如表6所示。

Table 6. Release of pollutants from reservoir sediments

表6. 水库底泥污染物释放量

3. 入库污染贡献分析

水库的污染物有五个来源(表7)，一是入库支流，包括S河、W河、L河；二是9.61 km²的集雨区，该区域不属于任一入库支流的流域范围，区域汇水通过散流入库；三是外来引水；四是大气沉降；五是底泥释放。其中，入库支流、散流入库和外来引水通过来水携带负荷入库。

Table 7. Division of a reservoir basin in the south

表7. 南方某水库流域划分

3.1. 来水入库污染负荷

3.1.1. 入库水量计算

散流入库水量通过降雨径流计算获得，外来引水采用实测引水量，支流入库水量根据入库支流是否存在截排工程，分别采用不同方法计算支流入库水量及入库污染负荷。

若存在截排工程，需综合考虑不同降雨情景下，支流上游来水情况及截排能力，分析是否存在溢流，以计算溢流量。入库水量Q按如下公式计算：

$Q\{\begin{array}{cc}{Q}_2+Q_0-Q_1,& Q_2+Q_0>Q_1\\ 0，& Q_2+Q_0\le Q_1\end{array}$ (3)

式中，Q₀为支流旱季水量，Q₁为截排工程的截排水量，Q₂为降雨径流水量，单位均为m³。

3.1.2. 入库污染物浓度计算

2018年3月、5月、8月及10月份分别对入库支流、外来引水进行了采样监测，并对旱季、雨季监测结果分别取均值计算出支流旱季基流、降雨径流、散流、外来引水污染物平均浓度，如表8所示。

Table 8. The amount of water in the reservoir and the average concentration of pollutants in a reservoir in the south

表8. 南方某水库入库水量及污染物平均浓度

3.2. 其它入库污染负荷

根据2.5节计算得水库流域内大气沉降污染氨氮、总氮和总磷全年产生总量分别为6.04 t/a、13.42 t/a和0.18 t/a。根据2.6节计算得水库流域内底泥释放污染氨氮、总氮和总磷全年产生总量分别为20.39 t/a、23.67 t/a和4.16 t/a。

3.3. 入库污染负荷计算结果

根据3.1和3.2节核算2018年水库入库污染负荷总量，结果如表9所示。可以看出，水库NH₃-N、TN、TP污染负荷基本来源于外来引水，占污染物总负荷的比例分别为81.9%、95.7%和92%，其次是入库支流和底泥释放，散流入库和大气沉降污染贡献极小。

Table 9. Reservoir storage pollution load

表9. 水库入库污染负荷

4. 结语

本文选取南方某水源地水库作为研究案例，进行了水源地水库污染来源解析方法研究。

1) 通过对南方某水库进行现场调研，摸清了该水源保护区内的土地利用状况、建成区以及工业污染源、生活污染源、面源污染源情况。

2) 通过对研究区入库支流、散流入库、外来引水、大气沉降、底泥释放开展水质水量监测以及污染负荷核算，解析了南方某水库主要污染来源及构成。

3) 研究结果表明，水库NH₃-N、TN、TP污染负荷主要来源于外来引水，污染负荷贡献比例分别为81.9%、95.7%和92%，入库支流、散流入库、大气沉降、底泥释放污染贡献均较小。

基金项目

深圳市科技计划项目(基础研究/自由探索) (项目号：JCYJ20170307105356548)。

NOTES

^*通讯作者。