清江水布埡水庫水環境容量計算

王 鈧,曹 俊,陳紅兵,盧進登

(湖北大學資源環境學院,湖北武漢 430062)

清江水布埡水庫水環境容量計算

王 鈧,曹 俊,陳紅兵,盧進登

(湖北大學資源環境學院,湖北武漢 430062)

結合清江水布埡庫區水文監測資料,水功能區劃,采用相關的水環境容量計算模型,測算了清江水布埡庫區的理論水環境容量,進而計算了其有效水環境容量,結果表明:清江流域水布埡庫區的理論水環境容量分別為:COD 58782.8t/a,NH3-N 1598.8t/a,,TN 2763.5t/a,TP 1381.8t/a。有效水環境容量分別為:COD 45715.4t/a,NH3-N 1359t/a,TP 2349t/a,TN 1174.5t/a。

水質模型;理論環境容量;有效環境容量;水布埡水庫

清江是長江的一級支流,發源于利川與重慶市交界之齊岳山龍洞溝,流經利川、恩施、宣恩、建始、巴東、長陽,在枝江市注入長江,干流全長423km[1]。水布埡水利樞紐位于湖北省恩施自治州巴東縣長嶺鄉水布埡鎮,壩址上距恩施市 117km,下距隔河巖水利樞紐 92km,距清江河口 153km。庫區涉及恩施州五縣市,即巴東、建始、鶴峰、宣恩、恩施。近幾年來,由于清江水布埡─隔河巖─高壩洲電站梯級開發及支流水壩造成的阻隔,清江庫區水流變緩,水體交換能力變弱,自凈功能下降。加之流域內各類污染的加劇,使得流域水質總體下滑,局部惡化,水環境受到較大威脅。

從環境管理、監測與監督的角度出發,水環境容量是指水體在設計水文條件和規定的環境目標下所能容納的最大污染物量[2]。在實踐中,水環境容量不僅是水環境目標管理的基本依據和環境規劃的主要約束條件,也是污染物總量控制的關鍵技術支持[3]。本次清江流域水布埡庫區水環境容量計算方法是:在確定了主要污染控制指標和相應的功能區劃分后,根據河段水文條件、水力學參數和主要凈化機理等選擇適當的水質模型,模擬水體中污染物的稀釋、擴散、遷移和降解規律,通過模型正向模擬,得到全河段符合不同區劃水域水質目標要求的水環境容量,分析后確定理論水環境容量。在對水布埡庫區水污染現狀調查,主要污染物特征及環境問題分析后,確定水環境容量核算的總量控制指標因子為 COD、NH3-N、TN、TP。

1 數據來源

根據水布埡庫區水環境容量核算的要求,需要相關的水文參數、水質目標等數據。依照水布埡水庫的水力學特征及水庫設計的調度運行資料,對不同條件下水文參數的組合進行選擇。根據《全國水環境容量核定技術指南》上的水質規劃技術規范,選擇 30Q10(近 10a最枯月平均流量)作為設計流量條件,30V10(近 10a最枯月平均庫容)作為庫區段的設計庫容。庫區水質標準按Ⅱ類水質。水布埡庫區水質模型參數基本數據見表 1。

表 1 水布埡庫區水質模型參數基本數據

2 水環境容量計算模型的選擇及參數確定

水布埡水庫蓄水后在原有河道上形成一狹長型的湖泊,從水布埡庫區水質的多年監測結果來看,其水質空間分布比較均勻,完全可以視為一個完全混合反應器,考慮到水布埡庫區的自然形態和水文特征,選定完全均勻混合水質模型來描述湖體的水質狀態變化。

2.1 COD、氨氮模型

假設條件:水量為穩態,出流水質混合均勻。

式中:V(t)——箱體在 t時刻的水量,m3;

dC/dt——箱體水質參數 COD的變化率;

Qin(t)——t時刻湖體的入流水量,m3/a;

Qout(t)——t時刻湖體的出流水量,m3/a;

Cin(t)——t時刻對湖體的 COD、氨氮的入流濃度值,mg/L;

C(t)——t時刻對湖體的 COD、氨氮的出流濃度值,mg/L;

Sc——其他未計入的外部源和漏 (如內源)污染量;

k——COD、氨氮的綜合降解系數。

由此模型推導出的 COD、氨氮環境容量的計算公式如下:

式中:W為湖庫允許的納污量,其他符號意義同上。

2.2 總磷和總氮模型

考慮到數據的可得性,對于較難降解的 TN和TP,采用 Vollenweider模型,假設湖泊 (水庫)水體混合均勻、穩定,其計算公式如下:

式中:W——湖庫水體最大允許納污量 (t/a);

Cs——湖庫水體指定水質標準 (mg/L);

V——湖庫容積 (m3);

A——湖庫面積 (m2);

Q——流出湖庫水的體積 (m3);

R——湖庫水中營養鹽的沉降系數。

2.3 參數確定

在進行環境容量的計算時,參數估值的準確性將直接影響環境容量的計算結果。k、RN、RP等參數受到很多因素的影響。污染物降解系數 k是一個綜合降解系數,一個針對不同計算因子所對應的不同的降解系數,降解系數 k不但與溫度、湖庫的水文條件、溶解氧等因素有關,還與湖泊的污染程度有關。現行的較可靠的確定方法是水團追蹤法,其他方法有實測資料反推法、類比法、經驗估值法、分析借用法。此次計算降解系數的選取采用經驗估值法。考慮到水布埡庫區的污染物主要為有機類污染物,清江平、枯水期的水質狀況較好,經參閱國內同類水庫的研究成果,對溫度進行校正并采取保守取值,COD降解系數取值 0.21(1/d),NH3-N取值 0.12(1/d),同樣方法,進行保守取值,確定水布埡庫區 RN、RP分別為 0.66(1/a)、0.65(1/a)。

3 環境容量計算結果

3.1 理論水環境容量預測結果

在確定了水布埡庫區水環境容量模型和水域功能分區環境質量標準限值后,計算得出水布埡庫區的有效環境容量分別為:COD 58782.8t/a,NH3-N 1598.8t/a,TN 2763.5t/a,TP 1381.8t/a,結果見表2。

3.2 有效水環境容量預測結果

水環境容量是一個相對理論指標,指在滿足水質控制目標的條件下,整個水域所能容納的污染物的能力。河流或水庫的環境容量是以一定設計保證率為基礎的,設計保證率越低,水質目標破壞的可能性也越大,對水質而言就越不安全。而保證率確定過高也會造成對環境容量的浪費,不利于合理利用河流的水環境容量。同時按多年的平均流量計算出的環境容量在年內與年際的變化很大,要全部利用該環境容量也是不可能的。可見,流域有效環境容量的確定是重要而復雜的問題,與河流的流域特性、社會經濟發展水平、水文條件、水資源利用狀況等諸因素有關。因此,實際應用中為簡化起見,通常采取理論環境容量乘以有效系數的方法計算有效環境容量。經研究比較,本次計算中取 0.85作為有效系數計算。清江流域的有效水環境容量預測結果見表 2。

表 2 水布埡庫區有效水環境容量預測結果 (t/a)

4 討論

(1)水環境容量的計算是以水質數學模型為手段,水質數學模型的建立必須進行系統的研究,水質數學模型的參數取值結果直接決定了模型的準確性,決定了容量計算結果的準確性。影響水布埡庫區環境容量計算結果的主要因素有庫區的平均流量、平均庫容。

(2)在不同設計流量下其水環境容量的計算結果不同,用近 10a最枯月平均流量明顯偏小,結果趨于保守。但考慮到水環境、水資源的持續利用,也就是說在最枯時保證水體質量符合目標值,是完全必要的。

(3)水布埡建庫時間不長,庫區相關水文參數還有待進一步完善更新,部分數據的不確定性對環境容量的計算結果有一定影響。

(4)有效環境容量折算系數的選擇主要參考國內同類水庫以及清江流域以往的研究成果,其取值采用經驗估值的方法相對比較簡單且可靠。

[1]恩施州州志,1988.

[2]張永良,洪繼華,夏青,等 .我國水環境容量研究與展望 [J].環境科學研究,1988,1(1).

[3]張永良,劉培哲.水環境容量綜合手冊 [M].北京:清華大學出版社,1991.

[4]中國環境規劃院.全國地表水水環境容量核定技術復核要點[R].2004.

[5]中國環境規劃院.全國水環境容量核定技術指南 [R].2003.

Water Environmental Capacity Calculation of Shuibuya Reservoir in Qingjiang River

WANG Kang,CAO Jun,CHEN Hong-bing,LU Jin-deng
(College of Resource and Environment of Hubei University,Wuhan Hubei 430062 China)

The theoretical water environmental capacity of Shuibuya reservoir in Qingjiang river is calculated with the model based on the routine monitoring data and water functional plan.The results show that the water environmental capacity of each index is COD of 58782.8t/a and NH3-N of 1598.8t/a and TN of 2763.5t/a and TP of 1381.8 t/a respectively.And the available water environmental capacity is COD of 45715.4t/a and NH3-N of 1359t/a and TN of 1174.5t/a and TP of 2349 t/a respectively.

water quality model; theoretical environmental capacity; available environmental capacity;Shuibuya reservoir

X52

A

1673-9655(2010)01-0057-03

2009-07-10