基于溪水庫納污能力的分析

代凱鷗，丁堅平，曹興民

(貴州大學資源與環境工程學院，貴陽550003)

1 引言

花溪水庫作為貴陽市的主要飲用水源地之一承擔著防洪、發電、城市供水等重要任務。現在貴陽市的主要水源地中“兩湖一庫”已經納入到專門的管理部門進行管理，水源地保護工作得到了加強。而作為城市的重要水源地花溪水庫，也應該加強其對環境和水資源的保護。

水體納污能力是指在水域使用功能不受破壞的條件下，受納污染物的最大數值［1］。

2 花溪水庫流域概況

2.1 花溪水庫地理位置

花溪水庫原稱小魚梁河水庫，建于20世紀50年代末。水庫位于清水河上游南明河花溪段，距離花溪城市中心區僅3 km，距貴陽市區20 km。水庫上游為松柏山水庫。松柏山水庫至花溪水庫區域跨花溪溪北辦事處、貴筑辦事處、石板鎮、麥坪鄉、湖潮苗族布依族鄉和黨武鄉，另有部分流域在平壩縣和清鎮市境內。

2.2 地質概況

該區地處云貴高原東南部黔中丘原平地區，為溶丘洼地地貌，地勢東高西低，海拔高程1 100～1 240 m，呈低丘垅崗地形。

庫盆以及樞紐區內大面積分布大冶組薄層灰巖及安順組灰巖、白云巖，僅沖溝、洼地及河流階地有厚度不大的第四系地層分布。

2.3 河流水系

花溪水庫壩址以上區間主要有冷飯河和車田河等。

車田河屬長江流域烏江水系清水河一級支流，海拔高程1 314 m。流域經過紅楓湖鎮、湖潮鎮，在花溪街擺攏入花溪水庫。冷飯河發源于平壩縣馬場鎮雞關哨，由西南流向東北。流經湖潮鄉，在上車車田河入車田河。

花溪水庫位于南明河的花溪河段，壩址以上流域面積325 km2，河長38.3 km，集水面積139 km2，多年平均流量6.3 m3/s，多年平均徑流量1.99億m3。

2.4 水文氣象

花溪屬于北亞熱帶，冬春半干燥夏季濕潤型，四季分明，冬暖夏涼。根據花溪氣象站歷年氣象統計資料，多年平均氣溫14.9℃，最冷為1月平均氣溫4.9℃，最熱為7月平均氣溫23.2℃，極端最高氣溫34.7℃，極端最低氣溫－13.0℃。年平均日照時數1 283.7 h，年平均風速2.2 m/s，全年以S風為多。年平均相對濕度82%，平均無霜期288 d，多年平均降雨量1 190.00 mm，多集中于4～9月。

2.5 區域人口概況

松柏山水庫至花溪水庫范圍內主要涉及貴筑辦事處、石板鎮、湖潮苗族布依族鄉、麥坪鄉和黨武鄉，涉及總人口約43 521人，其中農業人口30 044人，占總人口的69%。

2.6 花溪水庫基本概況

花溪水庫大壩等級為三等二級，設計洪水標準為100 a一遇設計，1 000 a一遇校核。水庫庫容系數為0.12，具有季調節性能。壩址控制流域面積325 km2，多年平均徑流量6.3 m3/s，多年平均徑流量1.99億m3，水庫以供水為主，兼有發電、灌溉、養殖等綜合效益［2］。

2.7 庫區污染調查

2.7.1 城鎮生活污水

花溪水庫庫區內城鎮人口為13 477人。花溪水庫庫區城鎮人均生活污水量為100 L/d·人，經估算，花溪水庫庫區城鎮生活污水排放量53.13萬m3。污染物中化學需氧量為246 t/a;氨氮為16 t/a;總氮31 t/a;總磷6 t/a。

2.7.2 農村生活污水

于農村缺乏有效的排水措施，生活污水排放到村落溝渠中，污水下滲而污染物在溝渠中大量累積，在較大的降雨徑流沖刷作用下，這些污染物大多進入河流溝渠系統向受納水體運移。故生活污水中污染物排放系數采用以下數據進行估算:化學需氧量:50 g/d·人，氨氮:3.2 g/d·人，總氮6.4 g/d·人，總磷:1.3 g/d·人。

由此估算花溪水庫庫區農村生活廢水產生量為60.31萬m3，其中化學需氧量為548.30 t/a，氨氮為35.09 t/a，總氮為70.18 t/a，總磷為14.26 t/a。

2.7.3 農業污染源

面源污染主要是花溪水庫庫區周圍的農業生產施用的化肥、農藥等。近年來，花溪水庫的水質基本滿足城市供水要求，但是部分污染物出現超標跡象，主要原因是水庫庫區周圍居民生活污水未經有效處理直接排入河中，河流周邊農田施肥和農藥的大量使用。根據統計，花溪水庫庫區內農用化肥施用總量為7 016 t，其中氮肥2 948 t，磷肥2 363 t，鉀肥428 t，復合肥943 t，農藥使用量61 t。

2.7.4 牲畜糞便

牲畜主要是按照分散式養殖方式進行養殖，據調查估算，2006年花溪水庫庫區牲畜污水排放量為2.54萬m3。排放的污染物中總氮1 202 t，總磷7.74 t，化學需氧量263.9 t，氨氮163.4 t。

3 水庫納污能力

3.1 入庫支流納污能力計算

花溪水庫主要污染物為生活及農業面源污染，主要的污染問題是富營養化，因此確定以總磷和總氮為水庫納污能力計算主要污染指標，且按照Ⅱ類水質標準進行計算。

松柏山水庫至花溪水庫區間流域主要有車田河、冷飯河，根據盡量在平直且沒有支流匯入的河道選取采樣點的原則對流域區間進行采樣點布設如圖1。

圖1 花溪水庫區間采樣檢測點布設圖

入庫支流采用一維模型進行納污能力計算，公式為下:

式中:Cx為流經x距離后的污染物濃度，mg/L;C0為初始斷面的污染物濃度，取污染物的實測值mg/L;x為沿河段的縱向距離即上下監測斷面的距離(按照無萬分之一圖量繪而得)，m;u為設計流量下河道斷面的平均流速(按照設計流量和實測斷面面積確定，設計流量按90%最枯月平均流量確定)，m/s;k為污染物綜合衰減系數，1/s;

其中k值的計算公式:

相應的水域納污能力:

式中:M為納污能力，g/s;Qp為廢污水排放流量(由于現狀廢污水排放流量均在設計條件的河流流量中，因此取0)，m3/s;Q為初始斷面的入流流量，m3/s;Cs為水質目標濃度值，mg/L。

綜上所述，花溪水庫入庫主要支流納污能力見表2。

表2 花溪水庫區間主要支流納污能力計算

3.2 水庫納污能力

結合花溪水庫的主要污染物是磷和氮，采用富營養化模型和湖(庫)非分層模型對水庫納污能力進行計算。

3.2.1 富營養化納污能力計算

由于花溪水庫存在一定的富營養化問題，因此利用富營養化納污能力計算公式對湖(庫)中的氮、磷水域納污能力進行計算。

計算公式采用狄龍模型，為:

式中:P為湖(庫)中氮、磷的平均濃度，g/m3;Lp為年湖(庫)氮、磷單位面積負荷，g/m2·a;β為水力沖刷系數，β=Qa/V，1/a;其中Qa為湖(庫)年出流水量，m3/a;Rp為氮、磷在湖(庫)中的滯留系數，1/a;W出為年出湖(庫)的氮、磷量，t/a;W入為年入湖(庫)的氮、磷量，t/a;其余符號意義同前。

湖(庫)中氮或磷的水域納污能力計算:

式中:MN為氮或磷的水域納污能力，t/a;Ls為單位湖(庫)水面積，氮或磷的水域納污能力，mg/m2·a;A為湖(庫)水面積，m2;hp為湖庫平均水深，m;Qa為湖庫年出流水量，m3/a;Ps為湖(庫)中磷(氮)的年平均控制濃度，以地表水二類標準值作為控制值，g/m3;其余符號意義同前。

2008年9月22日對花溪水庫水深分段進行實地測量，實測水位1 138.12 m，依據圖2花溪水庫壩前平均水位及河底高程中斷面圖以及圖3花溪水庫庫尾至壩前水深變化圖，經計算花溪水庫近10 a的最枯月平均水位為1 128.05 m，在此水位下，水庫平均水深6.25 m。

圖2 花溪水庫壩前平均水位及河底高程縱斷面圖

圖－3 花溪水庫庫尾至壩前水深變化圖

根據公式6及7計算花溪水庫富營養納污能力見表2。

表2 花溪水庫富營養納污能力計算成果表

3.2.2 花溪水庫主要污染削減量

根據上述水庫納污能力計算結果，結合花溪水庫的水質監測資料和水庫在95%保證率情況下的來水，分析確定水庫的污染物削減量，見表3。

表3 水庫削減量計算結果(95%來水情況下) t·a

4 結論及建議

1)現狀條件下區域水資源條件好，但安全性不夠高解決好花溪水庫的水資源問題對貴陽市供水意義重大。

2)花溪水庫的污染主要是面源污染。

區間主要污染源集中于流域內羊艾農場、湖潮鄉政府所在地和石板鎮，目前水庫及支流的污染指標是總氮，從總氮超標看，除水庫區間外，松柏山水庫下總氮超標最大，是水庫流域中總氮的主要來源之一。

3)花溪水庫及其支流納污能力有限，主要污染物總氮的納污能力為零。

根據對主要支流的納污能力分析表明，各主要支流的納污能力有限，以總氮未分析指標時，則納污能力已經為零，總體納污能力受總氮影響，花溪水庫納污能力總氮未49.87 t/a，但目前的入庫量已經遠遠超過此量反映出水庫水質總氮超標，年需削減總氮排放量為233.53t。

綜上所述，對花溪水庫的保護要求有如下建議:

1)加強對流域面源污染的生態綜合治理。

2)調整區域內產業結構，加強流域的節水灌溉建設。

3)加強流域的水資源管理，在庫區及水庫以下河段禁止新建設取水口。

4)加快松柏山水庫的水源保護區的劃定、功能調整和統一調度。

5)加強水環境監測。

［1］王彥紅.水體納污能力計算中各參數的分析與確定［J］.山西水利科技.2007(164):55－57.

［2］周立本.花溪水庫滲漏處理設計與施工［J］.中南水力發電.2002(1):30－33.