基于溪水庫納污能力的分析

代凱鷗，丁堅(jiān)平，曹興民

(貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)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(dān)著防洪、發(fā)電、城市供水等重要任務(wù)。現(xiàn)在貴陽市的主要水源地中“兩湖一庫”已經(jīng)納入到專門的管理部門進(jìn)行管理，水源地保護(hù)工作得到了加強(qiáng)。而作為城市的重要水源地花溪水庫，也應(yīng)該加強(qiáng)其對環(huán)境和水資源的保護(hù)。

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(shù)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(jì)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(qū)僅3 km，距貴陽市區(qū)20 km。水庫上游為松柏山水庫。松柏山水庫至花溪水庫區(qū)域跨花溪溪北辦事處、貴筑辦事處、石板鎮(zhèn)、麥坪鄉(xiāng)、湖潮苗族布依族鄉(xiāng)和黨武鄉(xiāng)，另有部分流域在平壩縣和清鎮(zhèn)市境內(nèi)。

2.2 地質(zhì)概況

該區(qū)地處云貴高原東南部黔中丘原平地區(qū)，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(qū)內(nèi)大面積分布大冶組薄層灰?guī)r及安順組灰?guī)r、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(qū)間主要有冷飯河和車田河等。

車田河屬長江流域?yàn)踅登逅右患壷Я?，海拔高? 314 m。流域經(jīng)過紅楓湖鎮(zhèn)、湖潮鎮(zhèn)，在花溪街?jǐn)[攏入花溪水庫。冷飯河發(fā)源于平壩縣馬場鎮(zhèn)雞關(guān)哨，由西南流向東北。流經(jīng)湖潮鄉(xiāng)，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(jù)花溪?dú)庀笳練v年氣象統(tǒng)計(jì)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(shí)數(shù)1 283.7 h，年平均風(fēng)速2.2 m/s，全年以S風(fēng)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(qū)域人口概況

松柏山水庫至花溪水庫范圍內(nèi)主要涉及貴筑辦事處、石板鎮(zhèn)、湖潮苗族布依族鄉(xiāng)、麥坪鄉(xiāng)和黨武鄉(xiāng)，涉及總?cè)丝诩s43 521人，其中農(nóng)業(yè)人口30 044人，占總?cè)丝诘?9%。

2.6 花溪水庫基本概況

花溪水庫大壩等級為三等二級，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇設(shè)計(jì)，1 000 a一遇校核。水庫庫容系數(shù)為0.12，具有季調(diào)節(jié)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(fā)電、灌溉、養(yǎng)殖等綜合效益［2］。

2.7 庫區(qū)污染調(diào)查

2.7.1 城鎮(zhèn)生活污水

花溪水庫庫區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)人口為13 477人?；ㄏ畮鞄靺^(qū)城鎮(zhèn)人均生活污水量為100 L/d·人，經(jīng)估算，花溪水庫庫區(qū)城鎮(zhèn)生活污水排放量53.13萬m3。污染物中化學(xué)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(nóng)村生活污水

于農(nóng)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(jìn)入河流溝渠系統(tǒng)向受納水體運(yùn)移。故生活污水中污染物排放系數(shù)采用以下數(shù)據(jù)進(jìn)行估算:化學(xué)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(qū)農(nóng)村生活廢水產(chǎn)生量為60.31萬m3，其中化學(xué)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(nóng)業(yè)污染源

面源污染主要是花溪水庫庫區(qū)周圍的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施用的化肥、農(nóng)藥等。近年來，花溪水庫的水質(zhì)基本滿足城市供水要求，但是部分污染物出現(xiàn)超標(biāo)跡象，主要原因是水庫庫區(qū)周圍居民生活污水未經(jīng)有效處理直接排入河中，河流周邊農(nóng)田施肥和農(nóng)藥的大量使用。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，花溪水庫庫區(qū)內(nèi)農(nóng)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(fù)合肥943 t，農(nóng)藥使用量61 t。

2.7.4 牲畜糞便

牲畜主要是按照分散式養(yǎng)殖方式進(jìn)行養(yǎng)殖，據(jù)調(diào)查估算，2006年花溪水庫庫區(qū)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(xué)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(jì)算

花溪水庫主要污染物為生活及農(nóng)業(yè)面源污染，主要的污染問題是富營養(yǎng)化，因此確定以總磷和總氮為水庫納污能力計(jì)算主要污染指標(biāo)，且按照Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

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

圖1 花溪水庫區(qū)間采樣檢測點(diǎn)布設(shè)圖

入庫支流采用一維模型進(jìn)行納污能力計(jì)算，公式為下:

式中:Cx為流經(jīng)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(shí)測值mg/L;x為沿河段的縱向距離即上下監(jiān)測斷面的距離(按照無萬分之一圖量繪而得)，m;u為設(shè)計(jì)流量下河道斷面的平均流速(按照設(shè)計(jì)流量和實(shí)測斷面面積確定，設(shè)計(jì)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(shù)，1/s;

其中k值的計(jì)算公式:

相應(yīng)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(xiàn)狀廢污水排放流量均在設(shè)計(jì)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(zhì)目標(biāo)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(qū)間主要支流納污能力計(jì)算

3.2 水庫納污能力

結(jié)合花溪水庫的主要污染物是磷和氮，采用富營養(yǎng)化模型和湖(庫)非分層模型對水庫納污能力進(jìn)行計(jì)算。

3.2.1 富營養(yǎng)化納污能力計(jì)算

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

計(jì)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(fù)荷，g/m2·a;β為水力沖刷系數(shù)，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(shù)，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(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行實(shí)地測量，實(shí)測水位1 138.12 m，依據(jù)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(jīng)計(jì)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(jù)公式6及7計(jì)算花溪水庫富營養(yǎng)納污能力見表2。

表2 花溪水庫富營養(yǎng)納污能力計(jì)算成果表

3.2.2 花溪水庫主要污染削減量

根據(jù)上述水庫納污能力計(jì)算結(jié)果，結(jié)合花溪水庫的水質(zhì)監(jiān)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(jì)算結(jié)果(95%來水情況下) t·a

4 結(jié)論及建議

1)現(xiàn)狀條件下區(qū)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(qū)間主要污染源集中于流域內(nèi)羊艾農(nóng)場、湖潮鄉(xiāng)政府所在地和石板鎮(zhèn)，目前水庫及支流的污染指標(biāo)是總氮，從總氮超標(biāo)看，除水庫區(qū)間外，松柏山水庫下總氮超標(biāo)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(jù)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(biāo)時(shí)，則納污能力已經(jīng)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(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此量反映出水庫水質(zhì)總氮超標(biāo)，年需削減總氮排放量為233.53t。

綜上所述，對花溪水庫的保護(hù)要求有如下建議:

1)加強(qiáng)對流域面源污染的生態(tài)綜合治理。

2)調(diào)整區(qū)域內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)流域的節(jié)水灌溉建設(shè)。

3)加強(qiáng)流域的水資源管理，在庫區(qū)及水庫以下河段禁止新建設(shè)取水口。

4)加快松柏山水庫的水源保護(hù)區(qū)的劃定、功能調(diào)整和統(tǒng)一調(diào)度。

5)加強(qiáng)水環(huán)境監(jiān)測。

［1］王彥紅.水體納污能力計(jì)算中各參數(shù)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(shè)計(jì)與施工［J］.中南水力發(fā)電.2002(1):30－33.