清江水布埡水庫水環(huán)境容量計算

王 鈧,曹 俊,陳紅兵,盧進登

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖北武漢 430062)

清江水布埡水庫水環(huán)境容量計算

王 鈧,曹 俊,陳紅兵,盧進登

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖北武漢 430062)

結(jié)合清江水布埡庫區(qū)水文監(jiān)測資料,水功能區(qū)劃,采用相關(guān)的水環(huán)境容量計算模型,測算了清江水布埡庫區(qū)的理論水環(huán)境容量,進而計算了其有效水環(huán)境容量,結(jié)果表明:清江流域水布埡庫區(qū)的理論水環(huán)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(huán)境容量分別為:COD 45715.4t/a,NH3-N 1359t/a,TP 2349t/a,TN 1174.5t/a。

水質(zhì)模型;理論環(huán)境容量;有效環(huán)境容量;水布埡水庫

清江是長江的一級支流,發(fā)源于利川與重慶市交界之齊岳山龍洞溝,流經(jīng)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(xiāng)水布埡鎮(zhèn),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(qū)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(fā)及支流水壩造成的阻隔,清江庫區(qū)水流變緩,水體交換能力變?nèi)?自凈功能下降。加之流域內(nèi)各類污染的加劇,使得流域水質(zhì)總體下滑,局部惡化,水環(huán)境受到較大威脅。

從環(huán)境管理、監(jiān)測與監(jiān)督的角度出發(fā),水環(huán)境容量是指水體在設(shè)計水文條件和規(guī)定的環(huán)境目標(biāo)下所能容納的最大污染物量[2]。在實踐中,水環(huán)境容量不僅是水環(huán)境目標(biāo)管理的基本依據(jù)和環(huán)境規(guī)劃的主要約束條件,也是污染物總量控制的關(guān)鍵技術(shù)支持[3]。本次清江流域水布埡庫區(qū)水環(huán)境容量計算方法是:在確定了主要污染控制指標(biāo)和相應(yīng)的功能區(qū)劃分后,根據(jù)河段水文條件、水力學(xué)參數(shù)和主要凈化機理等選擇適當(dāng)?shù)乃|(zhì)模型,模擬水體中污染物的稀釋、擴散、遷移和降解規(guī)律,通過模型正向模擬,得到全河段符合不同區(qū)劃水域水質(zhì)目標(biāo)要求的水環(huán)境容量,分析后確定理論水環(huán)境容量。在對水布埡庫區(qū)水污染現(xiàn)狀調(diào)查,主要污染物特征及環(huán)境問題分析后,確定水環(huán)境容量核算的總量控制指標(biāo)因子為 COD、NH3-N、TN、TP。

1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)水布埡庫區(qū)水環(huán)境容量核算的要求,需要相關(guān)的水文參數(shù)、水質(zhì)目標(biāo)等數(shù)據(jù)。依照水布埡水庫的水力學(xué)特征及水庫設(shè)計的調(diào)度運行資料,對不同條件下水文參數(shù)的組合進行選擇。根據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》上的水質(zhì)規(guī)劃技術(shù)規(guī)范,選擇 30Q10(近 10a最枯月平均流量)作為設(shè)計流量條件,30V10(近 10a最枯月平均庫容)作為庫區(qū)段的設(shè)計庫容。庫區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)按Ⅱ類水質(zhì)。水布埡庫區(qū)水質(zhì)模型參數(shù)基本數(shù)據(jù)見表 1。

表 1 水布埡庫區(qū)水質(zhì)模型參數(shù)基本數(shù)據(jù)

2 水環(huán)境容量計算模型的選擇及參數(shù)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(qū)水質(zhì)的多年監(jiān)測結(jié)果來看,其水質(zhì)空間分布比較均勻,完全可以視為一個完全混合反應(yīng)器,考慮到水布埡庫區(qū)的自然形態(tài)和水文特征,選定完全均勻混合水質(zhì)模型來描述湖體的水質(zhì)狀態(tài)變化。

2.1 COD、氨氮模型

假設(shè)條件:水量為穩(wěn)態(tài),出流水質(zhì)混合均勻。

式中:V(t)——箱體在 t時刻的水量,m3;

dC/dt——箱體水質(zhì)參數(shù) 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(nèi)源)污染量;

k——COD、氨氮的綜合降解系數(shù)。

由此模型推導(dǎo)出的 COD、氨氮環(huán)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(shù)據(jù)的可得性,對于較難降解的 TN和TP,采用 Vollenweider模型,假設(shè)湖泊 (水庫)水體混合均勻、穩(wěn)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(zhì)標(biāo)準(zhǔn) (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(yǎng)鹽的沉降系數(shù)。

2.3 參數(shù)確定

在進行環(huán)境容量的計算時,參數(shù)估值的準(zhǔn)確性將直接影響環(huán)境容量的計算結(jié)果。k、RN、RP等參數(shù)受到很多因素的影響。污染物降解系數(shù) k是一個綜合降解系數(shù),一個針對不同計算因子所對應(yīng)的不同的降解系數(shù),降解系數(shù) k不但與溫度、湖庫的水文條件、溶解氧等因素有關(guān),還與湖泊的污染程度有關(guān)?，F(xiàn)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(jīng)驗估值法、分析借用法。此次計算降解系數(shù)的選取采用經(jīng)驗估值法。考慮到水布埡庫區(qū)的污染物主要為有機類污染物,清江平、枯水期的水質(zhì)狀況較好,經(jīng)參閱國內(nèi)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(shù)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(qū) RN、RP分別為 0.66(1/a)、0.65(1/a)。

3 環(huán)境容量計算結(jié)果

3.1 理論水環(huán)境容量預(yù)測結(jié)果

在確定了水布埡庫區(qū)水環(huán)境容量模型和水域功能分區(qū)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值后,計算得出水布埡庫區(qū)的有效環(huán)境容量分別為:COD 58782.8t/a,NH3-N 1598.8t/a,TN 2763.5t/a,TP 1381.8t/a,結(jié)果見表2。

3.2 有效水環(huán)境容量預(yù)測結(jié)果

水環(huán)境容量是一個相對理論指標(biāo),指在滿足水質(zhì)控制目標(biāo)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(huán)境容量是以一定設(shè)計保證率為基礎(chǔ)的,設(shè)計保證率越低,水質(zhì)目標(biāo)破壞的可能性也越大,對水質(zhì)而言就越不安全。而保證率確定過高也會造成對環(huán)境容量的浪費,不利于合理利用河流的水環(huán)境容量。同時按多年的平均流量計算出的環(huán)境容量在年內(nèi)與年際的變化很大,要全部利用該環(huán)境容量也是不可能的?？梢?流域有效環(huán)境容量的確定是重要而復(fù)雜的問題,與河流的流域特性、社會經(jīng)濟發(fā)展水平、水文條件、水資源利用狀況等諸因素有關(guān)。因此,實際應(yīng)用中為簡化起見,通常采取理論環(huán)境容量乘以有效系數(shù)的方法計算有效環(huán)境容量。經(jīng)研究比較,本次計算中取 0.85作為有效系數(shù)計算。清江流域的有效水環(huán)境容量預(yù)測結(jié)果見表 2。

表 2 水布埡庫區(qū)有效水環(huán)境容量預(yù)測結(jié)果 (t/a)

4 討論

(1)水環(huán)境容量的計算是以水質(zhì)數(shù)學(xué)模型為手段,水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的建立必須進行系統(tǒng)的研究,水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)取值結(jié)果直接決定了模型的準(zhǔn)確性,決定了容量計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。影響水布埡庫區(qū)環(huán)境容量計算結(jié)果的主要因素有庫區(qū)的平均流量、平均庫容。

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

(3)水布埡建庫時間不長,庫區(qū)相關(guān)水文參數(shù)還有待進一步完善更新,部分?jǐn)?shù)據(jù)的不確定性對環(huán)境容量的計算結(jié)果有一定影響。

(4)有效環(huán)境容量折算系數(shù)的選擇主要參考國內(nèi)同類水庫以及清江流域以往的研究成果,其取值采用經(jīng)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(huán)境容量研究與展望 [J].環(huán)境科學(xué)研究,1988,1(1).

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

[4]中國環(huán)境規(guī)劃院.全國地表水水環(huán)境容量核定技術(shù)復(fù)核要點[R].2004.

[5]中國環(huán)境規(guī)劃院.全國水環(huán)境容量核定技術(shù)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