某新建小(1)型水源地水庫水環(huán)境評價中水質(zhì)預(yù)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(zhì)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(nèi)分配變化劇烈，同時流域內(nèi)缺少骨干調(diào)蓄工程，已建的水利工程規(guī)模較小、標(biāo)準(zhǔn)較低，在5月～8月灌溉高峰期，人畜飲水、農(nóng)業(yè)灌溉供用水矛盾突出，常常出現(xiàn)供水不足的現(xiàn)象，對居民生產(chǎn)生活及農(nóng)牧業(yè)發(fā)展造成較大損失，嚴(yán)重威脅居民生產(chǎn)生活，迫切需要新建小(1)型規(guī)模以上的水庫進行調(diào)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(xiàn)狀情況下該部分居民生產(chǎn)生活用水取自流域內(nèi)現(xiàn)狀引水樞紐，由于缺乏調(diào)蓄設(shè)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(wù)是解決下游農(nóng)村生活供水及周邊農(nóng)業(yè)灌溉供水問題。水庫建成后設(shè)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(qū)灌溉用水，現(xiàn)對該水庫水資源質(zhì)量進行評價分析，以確保水庫水質(zhì)滿足農(nóng)村生活用水和農(nóng)業(yè)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(jù)檢測結(jié)果可知本次水樣水質(zhì)檢測結(jié)果按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)作評價標(biāo)準(zhǔn)，該水庫水樣所檢測項目分析達到Ⅰ～Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)為Ⅲ類。水庫的建設(shè)任務(wù)是“農(nóng)村水源地供水和農(nóng)田灌溉供水”，根據(jù)《農(nóng)村水源地飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，水庫現(xiàn)狀水質(zhì)符合農(nóng)村人畜飲用水和農(nóng)灌供水對水質(zhì)的要求[1]，水庫水質(zhì)檢測結(jié)果見表1。

表1 水庫水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果 單位： mg/L

2 富營養(yǎng)化評價

根據(jù)《水利水電建設(shè)項目水資源論證導(dǎo)則》條文說明第6.3.2的規(guī)定“評價水域存在富營養(yǎng)化問題時，應(yīng)選擇總磷、總氮、高錳酸鹽等控制參數(shù)進行分析[2]，并定量說明富營養(yǎng)化程度”。湖泊水庫富營養(yǎng)化評價采用指數(shù)評分(TLlc)定級法。當(dāng)TLlc≤30時為貧營養(yǎng)；3050時為富營養(yǎng)。根據(jù)水庫壩址現(xiàn)狀水質(zhì)營養(yǎng)狀態(tài)評價表(表2)，該水庫2組水樣水質(zhì)現(xiàn)狀均為輕度富營養(yǎng)。

表2 水庫壩址現(xiàn)狀水質(zhì)營養(yǎng)狀態(tài)評價表

3 規(guī)劃水平年水質(zhì)預(yù)測

3.1 縣城污水對該水庫水質(zhì)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(wǎng)建設(shè)32.04 km，2015年新建截污管網(wǎng)6 km，現(xiàn)已完成3.81 km?，F(xiàn)狀污水處理量為4700 m3/d，縣城污水收集處理率達到100%。根據(jù)《縣城總體規(guī)劃修改》(2013-2030)，排水工程規(guī)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(shù)確定。規(guī)劃區(qū)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(guī)模為1萬m3/d，遠期日處理規(guī)模為2萬m3/d。規(guī)劃建設(shè)中水回收系統(tǒng)，經(jīng)處理后用于工業(yè)生產(chǎn)和綠化澆灌。根據(jù)規(guī)劃建設(shè)，以污水處理廠排放污水為點源，預(yù)測污水再生利用工程建成后，污水處理廠按遠期規(guī)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(zhì)分布情況。

3.1.2 污染源負(fù)荷

選擇化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)兩個常規(guī)水質(zhì)因子作為河段評價指標(biāo)[3]，2018年6月13日對污水處理廠排放污水進行監(jiān)督性監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見表3。

3.1.3 計算工況

(1)現(xiàn)狀工況

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

(2)預(yù)測工況

根據(jù)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(zhì)情況計算最不利條件下水庫壩址的水質(zhì)情況。

表3 污水處理廠監(jiān)測結(jié)果表

3.1.4 水質(zhì)預(yù)測數(shù)學(xué)模型選擇及邊界條件設(shè)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(nèi)無水文監(jiān)測斷面及固定水質(zhì)監(jiān)測斷面，考慮到干流和各支流特征，采用縱向一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型預(yù)測水質(zhì)情況。

(1)縱向一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型

一維水質(zhì)方程為：

(1)

式中：C為水質(zhì)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(nèi)的水質(zhì)源/匯項，包括干支流匯入、污染源加入，mg/(L·s)；DL為彌散系數(shù)，m2/s；FC為生化反應(yīng)項。工農(nóng)業(yè)及生活污染源排放對河流水質(zhì)的影響在模型源項中計入。

水質(zhì)模型方程為：

(2)

式中：C為水質(zhì)濃度，mg/L。

(2)水質(zhì)因子選擇

計算現(xiàn)狀豐水期，預(yù)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(zhì)分布?，F(xiàn)狀豐水期入流水質(zhì)采用實測監(jiān)測成果，枯水期由于沒有實測資料，入流水質(zhì)采用達標(biāo)控制水質(zhì)(Ⅲ類)情景進行預(yù)測分析。選擇COD、NH3-N 2個常規(guī)水質(zhì)因子進行預(yù)測分析，以水庫壩址斷面作為典型斷面，開展水質(zhì)達標(biāo)情況預(yù)測分析[4]。

(3)邊界條件設(shè)定

①現(xiàn)狀豐水期

入流水質(zhì)采用現(xiàn)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(zhì)因子濃度采用水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測成果，根據(jù)豐水期水質(zhì)監(jiān)測成果，COD取10.5 mg/L，NH3-N取0.916 mg/L。

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

②枯水期預(yù)測

入流水質(zhì)采用達標(biāo)控制濃度值。即按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值給定，COD取20 mg/L，NH3-N取1 mg/L。

污染源水質(zhì)采用現(xiàn)狀濃度值。污水處理廠目前執(zhí)行一級B排放標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)狀工藝處理排放的COD、NH3-N濃度已達到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)優(yōu)于或等同現(xiàn)狀濃度。污水處理廠排污口按遠期排放量取1萬m3/d，水質(zhì)因子濃度采用水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測成果，COD取23 mg/L，NH3-N取0.97 mg/L。

(4)模型參數(shù)選取

河道COD和NH3-N降解系數(shù)參考《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》的相關(guān)說明，基于偏不利的考慮，COD降解系數(shù)取0.2 d-1，NH3-N取0.1 d-1。

(5)水質(zhì)模型預(yù)測

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

3.2 水質(zhì)計算結(jié)果分析

3.2.1 現(xiàn)狀豐水期沿程水質(zhì)計算結(jié)果分析

污水處理廠排放口至水庫壩址斷面現(xiàn)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(xiàn)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(nèi)，所建立的水質(zhì)模型是可靠合理的。

圖1 現(xiàn)狀豐水期COD濃度沿程分布圖

圖2 現(xiàn)狀豐水期NH3-H濃度沿程分布圖

3.2.2 枯水期沿程水質(zhì)預(yù)測結(jié)果分析

為污水處理廠排放口至水庫壩址斷面預(yù)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(zhì)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(xiàn)突降，極大改善了水質(zhì)狀況，至水庫壩址斷面COD、NH3-H預(yù)測濃度為19.5 mg/L、0.982 mg/L，滿足Ⅲ類水水質(zhì)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(zhì)較枯水期更優(yōu)，滿足Ⅲ類水水質(zhì)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(guī)模排放污水后，下游水庫壩址斷面水質(zhì)滿足Ⅲ類水水質(zhì)要求。

圖3 規(guī)劃年枯水期COD濃度沿程分布圖

圖4 規(guī)劃年枯水期NH3-H濃度沿程分布圖

4 結(jié)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(xiàn)狀豐水期的COD、NH3-H濃度沿程分布情況，并與實測結(jié)果進行比對，相對誤差小于10%，驗證了水質(zhì)模型的可靠性和合理性。利用驗證后的模型預(yù)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(zhì)滿足Ⅲ類水水質(zhì)要求，水質(zhì)達標(biāo)?？蓾M足農(nóng)村人飲供水和農(nóng)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(jiān)督，對水源保護區(qū)面源污染采用了相應(yīng)的控制措施，鼓勵徑流區(qū)內(nèi)農(nóng)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(zhì)狀況。