某新建小(1)型水源地水庫水環境評價中水質預測分析

趙建民

(河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州 061000)

1 水資源質量評價

新建小(1)型水源地水庫所在流域水資源相對豐富，但由于水資源時空分布不均，年內分配變化劇烈，同時流域內缺少骨干調蓄工程，已建的水利工程規模較小、標準較低，在5月～8月灌溉高峰期，人畜飲水、農業灌溉供用水矛盾突出，常常出現供水不足的現象，對居民生產生活及農牧業發展造成較大損失，嚴重威脅居民生產生活，迫切需要新建小(1)型規模以上的水庫進行調蓄，擬建小(1)型水庫壩址下游有11個自然村2153戶1.126萬人，現狀情況下該部分居民生產生活用水取自流域內現狀引水樞紐，由于缺乏調蓄設施，供水保證率極低，抗旱壓力較大。擬建小(1)型水庫工程任務是解決下游農村生活供水及周邊農業灌溉供水問題。水庫建成后設計年供水量為290萬m3，可滿足下游村莊生活飲用水和下游灌區灌溉用水，現對該水庫水資源質量進行評價分析，以確保水庫水質滿足農村生活用水和農業灌溉的要求。

2016年9月對該水源地水庫壩址處所取2組水樣進行檢測，根據檢測結果可知本次水樣水質檢測結果按照《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)作評價標準，該水庫水樣所檢測項目分析達到Ⅰ～Ⅲ類水標準，水質為Ⅲ類。水庫的建設任務是“農村水源地供水和農田灌溉供水”，根據《農村水源地飲用水水質標準》的相關規定，水庫現狀水質符合農村人畜飲用水和農灌供水對水質的要求[1]，水庫水質檢測結果見表1。

表1 水庫水質監測結果 單位： mg/L

2 富營養化評價

根據《水利水電建設項目水資源論證導則》條文說明第6.3.2的規定“評價水域存在富營養化問題時，應選擇總磷、總氮、高錳酸鹽等控制參數進行分析[2]，并定量說明富營養化程度”。湖泊水庫富營養化評價采用指數評分(TLlc)定級法。當TLlc≤30時為貧營養；3050時為富營養。根據水庫壩址現狀水質營養狀態評價表(表2)，該水庫2組水樣水質現狀均為輕度富營養。

表2 水庫壩址現狀水質營養狀態評價表

3 規劃水平年水質預測

3.1 縣城污水對該水庫水質的影響

3.1.1 污染源分析

水縣城污水處理廠位于縣城西南方向，占地面積36.11萬畝。至2014年底共完成雨污管網建設32.04 km，2015年新建截污管網6 km，現已完成3.81 km。現狀污水處理量為4700 m3/d，縣城污水收集處理率達到100%。根據《縣城總體規劃修改》(2013-2030)，排水工程規劃采用雨、污分流的排水體制。污水量的計算按給水水量乘污水排放系數確定。規劃區污水量最高日為24000×0.8=19200 m3/d。污水處理廠在縣城西南方向(已建成)，近期日處理規模為1萬m3/d，遠期日處理規模為2萬m3/d。規劃建設中水回收系統，經處理后用于工業生產和綠化澆灌。根據規劃建設，以污水處理廠排放污水為點源，預測污水再生利用工程建成后，污水處理廠按遠期規模(處理量2萬m3/d，排放量1萬m3/d)運行工況下污水處理廠排放口至水庫所在河道壩址斷面的水質分布情況。

3.1.2 污染源負荷

選擇化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)兩個常規水質因子作為河段評價指標[3]，2018年6月13日對污水處理廠排放污水進行監督性監測，監測結果見表3。

3.1.3 計算工況

(1)現狀工況

根據現狀污水排放量及污染物濃度，水庫所在河道干支流現狀水動力及水質情況，計算現狀工況下水庫壩址的水質情況，與實際監測資料進行對比，驗證模型。

(2)預測工況

根據污水處理廠遠期排放量及污染物濃度、河道干支流枯水期水動力及水質情況計算最不利條件下水庫壩址的水質情況。

表3 污水處理廠監測結果表

3.1.4 水質預測數學模型選擇及邊界條件設置

該水庫所在河道干流流量較小，水位較淺，自上游污水處理廠排放口至下游壩址長約38 km左右，沿程各支流匯入，支流流量最大為0.34 m3/s，流域內無水文監測斷面及固定水質監測斷面，考慮到干流和各支流特征，采用縱向一維水質數學模型預測水質情況。

(1)縱向一維水質數學模型

一維水質方程為：

(1)

式中：C為水質濃度，mg/L；Q為流量，m3/s；A為過流斷面面積，m2；SC為單位水體內的水質源/匯項，包括干支流匯入、污染源加入，mg/(L·s)；DL為彌散系數，m2/s；FC為生化反應項。工農業及生活污染源排放對河流水質的影響在模型源項中計入。

水質模型方程為：

(2)

式中：C為水質濃度，mg/L。

(2)水質因子選擇

計算現狀豐水期，預測枯水期(最不利條件)共2個工況條件下污水處理廠排放口至水庫壩址斷面的水質分布。現狀豐水期入流水質采用實測監測成果，枯水期由于沒有實測資料，入流水質采用達標控制水質(Ⅲ類)情景進行預測分析。選擇COD、NH3-N 2個常規水質因子進行預測分析，以水庫壩址斷面作為典型斷面，開展水質達標情況預測分析[4]。

(3)邊界條件設定

①現狀豐水期

入流水質采用現狀濃度值。水庫上游起始斷面、下游壩址斷面及各支流入流斷面水質因子濃度采用水質現狀監測成果，根據豐水期水質監測成果，COD取10.5 mg/L，NH3-N取0.916 mg/L。

污染源水質采用現狀濃度值，污水處理廠排污口按現狀排放量取5900 m3/d，水質因子濃度采用水質現狀監測成果，COD取23 mg/L，NH3-N取0.97 mg/L。

②枯水期預測

入流水質采用達標控制濃度值。即按《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準限值給定，COD取20 mg/L，NH3-N取1 mg/L。

污染源水質采用現狀濃度值。污水處理廠目前執行一級B排放標準，現狀工藝處理排放的COD、NH3-N濃度已達到一級A排放標準，再生水利用工程建成后將提升污水處理工藝，COD、NH3-N排放濃度應優于或等同現狀濃度。污水處理廠排污口按遠期排放量取1萬m3/d，水質因子濃度采用水質現狀監測成果，COD取23 mg/L，NH3-N取0.97 mg/L。

(4)模型參數選取

河道COD和NH3-N降解系數參考《全國水環境容量核定技術指南》的相關說明，基于偏不利的考慮，COD降解系數取0.2 d-1，NH3-N取0.1 d-1。

(5)水質模型預測

采用HEC-RAS一維水動力學及水質模擬軟件計算預測污水處理廠排放口至水庫壩址斷面的水質分布情況[5]。

3.2 水質計算結果分析

3.2.1 現狀豐水期沿程水質計算結果分析

污水處理廠排放口至水庫壩址斷面現狀豐水期的COD、NH3-H濃度沿程分布見圖1和圖2。由圖可見，COD、NH3-H濃度在上游污水處理廠排放口左右突然升高，而后沿程濃度逐漸降低，在有支流匯入的斷面COD、NH3-H濃度由于流量的增大而呈現突降，至水庫壩址斷面COD、NH3-H計算模擬濃度為11.3 mg/L、0.911 mg/L，實測濃度為10.5 mg/L、0.916 mg/L，相對誤差分別為7.6%和0.5%，模擬值與實測值相對誤差均在10%以內，所建立的水質模型是可靠合理的。

圖1 現狀豐水期COD濃度沿程分布圖

圖2 現狀豐水期NH3-H濃度沿程分布圖

3.2.2 枯水期沿程水質預測結果分析

為污水處理廠排放口至水庫壩址斷面預測枯水期的COD、NH3-H濃度沿程分布見圖3和圖4。由圖可見，COD、NH3-H濃度在上游污水處理廠排放口左右突然升高，水質劣于Ⅲ類，而后沿程濃度逐漸降低，在有支流匯入的斷面COD、NH3-H濃度由于流量的增大而呈現突降，極大改善了水質狀況，至水庫壩址斷面COD、NH3-H預測濃度為19.5 mg/L、0.982 mg/L，滿足Ⅲ類水水質要求。平水期和豐水期河流流量增大，流速加快，河流水體更新速度加快，自凈能力增強，河流水質較枯水期更優，滿足Ⅲ類水水質要求。因此，上游污水處理廠再生水利用工程建成，污水處理廠按遠期規模排放污水后，下游水庫壩址斷面水質滿足Ⅲ類水水質要求。

圖3 規劃年枯水期COD濃度沿程分布圖

圖4 規劃年枯水期NH3-H濃度沿程分布圖

4 結論及建議

通過分析計算污水處理廠排放口至水庫壩址斷面現狀豐水期的COD、NH3-H濃度沿程分布情況，并與實測結果進行比對，相對誤差小于10%，驗證了水質模型的可靠性和合理性。利用驗證后的模型預測最不利條件下(枯水期)污水處理廠排放口至水庫壩址斷面的COD、NH3-H濃度沿程分布情況，水庫壩址斷面水質滿足Ⅲ類水水質要求，水質達標。可滿足農村人飲供水和農田灌溉供水要求。水庫后期做好各用水戶污水處理和排放的管理、監督，對水源保護區面源污染采用了相應的控制措施，鼓勵徑流區內農民使用有機肥，以減少由于大量使用化肥帶來的氮、磷入庫量，從而可有效減少河道中氮、磷含量，基本不會改變該水庫壩址處水質狀況。