湯河水庫水體納污能力計算研究

劉勝男

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

1 水庫概況

湯河水庫建于太子河支流湯河干流上，位于本溪、鞍山、遼陽3市之間，地處經E123°21′46.4″、N41°06′41.1″，坐落于遼陽市弓長嶺區湯河鄉境內。該水庫是一座以城市生活、工業供水及防洪為主，兼顧養魚、發電、灌溉等功能的大Ⅱ型樞紐工程，壩型為黏土斜墻壩，最大壩高48.5m，壩長455m，庫區面積44km2，集水面積1228km2，最高水位117.86m，最大庫容7.23×108m3。

湯河水庫位于群山環繞之間，在西湯河與東湯河交匯之處，屬于典型的山谷型水庫，特別是細河、蘭河引水工程建成后，湯河水庫每年向城市生活和工業供水達到230.4×106m3，每年向鞍山和遼陽市供水達到150.8×106m3、80×106m3，向下游區間農業補償用水75.5×106m3。湯河水庫匯集了遼陽東南部的清潔水，庫區水質多年來均呈良好狀態，該水庫作為重要工業用水和飲用水區，水質狀況直接關系著鞍山和遼陽市的居民生活以及經濟社會發展[1-2]。湯河水庫共監測壩前、庫中、東叉中、東叉頭、西叉中、西叉頭6個點位，從而了解庫區流出水質、庫區中心區域水質、庫區東叉中心區域水質、二道河支流入庫后水質、庫區西叉中心區域水質和下達河支流入庫后水質。監測點位分布圖，見圖1。

圖1 監測點位分布圖

2 水體納污能力計算

2.1 計算模型

納污能力是指在環境容量合理利用的情況下，依據環境功能區劃水域能夠承受的最大納污能力，納污能力計算對水庫管理具有重要作用[3]。此外，2012年水管部門明確突出要落實水資源規范管理制度，合理劃定用水率、用水量和水功能區，水體納污能力計算可以為水管部門指標劃定提供數據支持。對于水體納污能力的研究最早開始于上世紀七十年代，經不斷發展逐漸形成一維、二維和多維等相關計算模型[4]。

從垂直和水平兩個方向分析庫水污染濃度，結果顯示水體污染大多數都是均勻混合的，水庫水質分層不明顯，能夠長期維持在均勻混合狀態，因此可以認為庫區水質均勻混合，即水庫CODMn、NH3-N納污能力考慮利用均勻混合模型計算[5-6]。根據水質實測資料，湯河水庫整體呈輕度富營養化趨勢，考慮利用狄龍模型分析TN和TP納污能力，具體如下：

1)均勻混合模型。水庫CODMn、NH3-N納污能力利用均勻的混合模型計算，其表達式如下：

(1)

式中：C(t)為污染物在計算時段t的實際濃度，mg/L；Mn為水域實際納污能力，g/s；m0為水庫污染物實際排放率，g/s，m0=C0QL；Kh為中間變量，1/s，利用Kh=QL/V±K計算確定，K為污染物衰減系數，1/s；V為水文條件下的水庫容積，m3；Cn為水庫現有水質實際濃度，mg/L；C0為出庫水質濃度，mg/L；t為計算時段長，s；QL為具體出庫流量，m3/s。長期處于穩定狀態時，上式又可轉變成以下表達式：

(2)

MN=CsKhV-m0=CsKVQ-m0

(3)

式中：Cs為實際水質濃度，mg/L；Q為入庫流量，m3/s，其他字母含義同上。

2)狄龍模型。考慮利用狄龍模型分析TN和TP納污能力，其表達式如下：

MN=LsA

(4)

式中：MN為氮或磷的月納污能力，g；Ls為單位面積上每個月水庫的氮或磷納污能力，g；A為水庫水域面積，m2。其中，Ls利用公式Ls=PshpQa/[(1-Rp)V]計算確定，Ps為水庫氮或磷月平均濃度，g/m3，hp為水庫平均水深，m，Qa為月出庫水量，m3；Rp為氮或磷的滯留系數；Rp的計算公式為Rp=1-W出/W入，W出、W入為氮或磷的月出、入庫量，t。

2.2 邊界條件計算

1)水文邊界條件。對25%、50%、75%三種保證率下，按枯水月、平水月、豐水月計算各年逐月出入庫流量，一般條件下通過實測資料計算確定各月出入庫流量。不同保證率下的出、入庫流量值，見表1。

表1 不同保證率下的出、入庫流量值 m3/s

從2010-2020年11a期間的各月出庫流量中，選擇不同的特征水位并查出其平均水深、庫容、水域面積等數據，湯河水庫特征水位統計表，見表2。

表2 湯河水庫特征水位統計表

2)水質濃度。由遼寧省水文局提供研究所需水質濃度數據，以各監測點位平均值作為出、入庫水質濃度。

2.3 模型參數

1)綜合衰減系數K。根據相關規范確定水庫CODMn和NH3-N的綜合衰減系數K取值區間為0.0015-0.00201d，考慮水域納污能力計算偏安全的基本要求，并結合入庫水質監測數據和相關研究資料最終確定綜合衰減系數取0.0018/d[7]。

2)水質目標濃度Cs。根據水功能劃分水庫庫區和徑流區，該區域為水源保護區其水質目標濃度為Ⅱ類。因此，按照現有標準可以確定CODMn、TP、TH3-N、TN的上限控制濃度依次為4.000mg/L、0.025mg/L、0.500mg/L和0.500mg/L。

3 結果分析

3.1 水體實際納污能力

根據設定的模型參數和邊界條件，計算不同頻率下水庫功能區的水體納污能力，經單位換算輸出最終計算成果，月納污能力變化趨勢圖，見圖2。由圖2可知，隨月尺度時間變化水庫功能區對4種污染物的納污能力呈動態變化趨勢，進一步計算確定不同頻率下的具體納污能力，年納污能力計算成果，見表3。

(a)CODMn

表3 年納污能力計算成果

3.2 水庫污染物排放情況

入庫時的水質實測濃度取各監測點的濃度平均值，利用表1中的入庫流量計算不同頻率下每年的水質濃度與入庫濃度，年污染物入庫量，見表4。

表4 年污染物入庫量

3.3 水庫納污能力分析

通過對比分析污染入的入庫情況和水庫實際納入能力，可以準確反映水庫污染狀態，經分析在年尺度上水庫出TN以外，其CODMn、NH3-N和TP的納污能力均高于入庫量。為動態反映水庫污染物變化趨勢，有必要分析污染物入庫量與水庫納入能力，50%保證率下的月納污能力與污染物入庫量，見圖3。

從圖3可以看出，4種污染物入庫量汛期(6-10月)高于枯水期，這是由于面源污染對水庫水質造成影響，特別是汛期降雨徑流攜帶農業污染物流入水庫，造成入庫量整體偏高。4種污染物的排入量與其納污能力之間存在對應關系，即隨著污染物入庫量的增加汛期污染物納污能力也不斷增大。NH3-N、CODMn的入庫量與納污能力相比，除四月份比較接近外其實際入庫量均低于納污能力，這表明對于NH3-N、CODMn水庫仍具有一定的承納空間，這2種污染物不屬于湯河水庫的主要污染源[9-13]。從年尺度上無需削減TN量，但在6月、9月和10月易出現TN容量超過水庫納污能力的問題，這就要求控制污染物入庫量，一般以入庫量與納污能力的差值作為削減控制量，水庫TP削減控制量，見表5。

(a)CODMn

表5 水庫TP削減控制量

3.4 對策建議

文章針對水庫水體具體情況提出以下對策建議[8-9]：①鼓勵和引導農民參與生態農業發展，加快水源區生態補償制度的落實以及農業結構的優化調整，適當削減農藥與化肥的施用量；②實行生活垃圾分類堆放，及時收集、處理水庫及其周邊垃圾，盡快實現垃圾的減量化與資源化處理，最大程度地減輕水環境污染；③目前，湯河水庫周邊的林草覆蓋率整體較低，其水源涵養林相對較少且森林分布結構不合理，因此要加強水源保護，保證退耕還林草政策的落實到位；④加強水執法力度確保相關管理政策的落實，及時發現問題并限期整改，對各種違規行為給予相應的處罰。

4 結 論

準確計算納污能力對于水庫運行管理非常重要，直接關系著區域居民生活以及經濟社會發展。因此，通過計算水體納污能力和污染物入庫量，可以為水環境保護方案設計提供一定支持，為科學化、制度化管理水庫奠定堅實基礎。