汾河水庫水環(huán)境承載能力研究

劉 娜

（山西省水文水資源勘測局，山西 太原 030001）

1 承載能力概念

目前，我國約有25%的飲用水源地為湖泊或者水庫。然而，隨著氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的不斷排入，水體富營養(yǎng)化已經(jīng)成為湖庫面臨的主要問題之一，嚴重威脅著當?shù)厝罕姷娘嬎踩Ｍㄟ^計算湖庫的承載能力，合理控制氮、磷入庫排放總量，對維護飲水安全、改善水質(zhì)具有十分重要的意義。

承載力是指某一環(huán)境條件下，某種生物個體可存活的最大數(shù)量。水環(huán)境承載能力是承載力概念與水環(huán)境領域的自然結(jié)合。目前，國內(nèi)外學者對水環(huán)境承載能力有不同角度的界定。彭靜等[1]認為，水環(huán)境承載能力是在某一時期、某種狀態(tài)或條件下，某地區(qū)水環(huán)境所能承受的人類活動作用的閾值。郭懷成等[2]認為，水環(huán)境承載能力是指某一地區(qū)、某一時間、某種狀態(tài)下水環(huán)境對經(jīng)濟發(fā)展和生活需求的支持能力。李清龍等[3]認為，水環(huán)境承載力是指在水環(huán)境系統(tǒng)的自我維持、自我調(diào)節(jié)能力正常的情況下，水環(huán)境系統(tǒng)的承納能力及其可維系的社會經(jīng)濟活動強度和具有一定生活水平的人口數(shù)量或最大規(guī)模。崔樹彬[4]認為，水環(huán)境承載能力即水環(huán)境容量。汪恕誠[5]認為，水環(huán)境承載能力是在一定的水域，其水體能夠被繼續(xù)使用并仍能保持良好生態(tài)系統(tǒng)時所能夠容納污水及污染物的最大能力。綜合以上觀點，從水資源管理的角度出發(fā)，筆者認為水環(huán)境承載能力為滿足水域功能要求的同時，在給定的水功能區(qū)水質(zhì)目標值、設計水文條件及排污方式下，水功能區(qū)水體所能容納的最大污染物量。

2 承載能力計算

2.1 汾河水庫概況

汾河水庫位于太原市婁煩縣境內(nèi)的汾河干流上，南北長15km，東西寬5km，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖的大（二）型水利樞紐，水庫控制流域面積5268km2，總庫容7.23億m3，是山西省最大的水庫。水庫在1960年開始為下游汾河灌區(qū)供水，并由汾河灌區(qū)為農(nóng)業(yè)和太鋼、一電廠供水。20世紀90年代后，開始為西山礦務局的古交和太鋼尖山鐵礦供水。2003年11月，引黃入并工程正式建成并向太原市供水后，汾河水庫又成為山西省最大的飲用水源地。水庫建成50年來累計供水135億m3，為太原市、晉中市和呂梁市等地的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做出了巨大貢獻。為加強汾河水庫的保護，《山西省水功能區(qū)劃》將汾河靜樂至汾河水庫段劃分為汾河婁煩靜樂飲用農(nóng)業(yè)用水區(qū)，水功能區(qū)類型為飲用水源區(qū)，水質(zhì)保護目標為Ⅱ類。

汾河水庫主要接納汾河干流、婁煩河以及嵐河來水。近年來，隨著靜樂縣、寧武縣、婁煩縣等縣區(qū)工業(yè)廢水和生活污水排放量的不斷增加，汾河水庫出現(xiàn)了一定程度的富營養(yǎng)化趨勢，20世紀呈中營養(yǎng)，2001年轉(zhuǎn)化為輕度富營養(yǎng)，2004年后雖略有好轉(zhuǎn)但處于中營養(yǎng)與輕度富營養(yǎng)的臨界狀態(tài)，營養(yǎng)狀態(tài)評分值多在45～55分之間，其中總氮貢獻最大，多為60分以上，總磷和高錳酸鹽指數(shù)次之，多在50分以下。因此，從嚴核定汾河水庫氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的水環(huán)境容量，嚴格控制入庫排污總量是防止庫區(qū)水質(zhì)惡化、水體富營養(yǎng)化以及保護飲用水供水安全的重要措施之一。

2.2 計算模型

根據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》，湖泊、水庫中氮或磷的水域納污能力計算可采用狄龍模型，表示為：其中：M為湖庫總氮、總磷的納污能N力，Ps為湖庫中氮或磷的年平均控制濃度，hp為湖庫平均水深，Qa為湖庫年出流水量為氮、磷在湖庫中的滯留系數(shù)，V為湖庫容積，A為湖庫水面積，W出為年出湖庫的氮、磷量，W入為年入湖庫的氮、磷量。

2.3 設計條件確定

從狄龍模型可以看出，水庫容積、年入庫水量、出庫水量、平均水深、年入庫氮、磷量和年出庫氮、磷量等都是計算水庫氮、磷納污能力的主要因子，因此各因子的選擇應具有代表性和一致性。

汾河水庫氮、磷納污能力計算采用90%和75%保證率枯水年平均水位相應的年蓄水量、年入庫水量、出庫水量和平均水深。汾河水庫上游汾河干流、嵐河、婁煩河支流末端入庫水質(zhì)控制目標根據(jù)《山西省水功能區(qū)劃》中確定的水質(zhì)目標確定。其中汾河水庫上游汾河干流末端屬于汾河靜樂婁煩飲用農(nóng)業(yè)用水區(qū)，水質(zhì)保護目標為Ⅱ類，因此汾河干流入庫末端總氮控制濃度取《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中河流Ⅱ類標準限值0.5mg/L，總磷取0.1mg/L；嵐河與婁煩河入庫末端分別屬于嵐河嵐縣農(nóng)業(yè)用水區(qū)和婁煩河婁煩源頭水保護區(qū)，水質(zhì)保護目標均為Ⅲ類，因此入庫末端總氮控制濃度取《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中河流Ⅲ類標準限值1.0mg/L，總磷取0.2mg/L。

根據(jù)水體的流動性和連續(xù)性，出庫總氮、總磷濃度應與水庫控制目標濃度值一致，即《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中湖庫Ⅱ類標準限值，總氮取0.5mg/L，總磷取0.025mg/L。

3 納污能力計算

根據(jù)設計流量和氮、磷控制濃度，90%保證率枯水年平均水位時汾河水庫總氮納污能力即最大允許入庫量為56.9t/a，總磷為10.4t/a，其中汾河干流、嵐河、婁煩河各河流末端總氮最大允許入庫量為4.9～42.1t/a，總磷為0.66～8.42t/a。75%保證率枯水年平均水位時汾河水庫總氮納污能力為82.0t/a，總磷為16.4t/a，各河流末端總氮最大允許入庫量為5.4～52.4t/a，總磷為 1.08～10.48t/a。

不同保證率下汾河干流允許入庫氮、磷總量均最大，占汾河水庫允許入庫總量的63.9%～80.9%；其次是嵐河，允許入庫量占汾河水庫允許入庫總量的12.7%～29.5%；婁煩河最小，允許入庫量僅占汾河水庫允許入庫總量的6%～8%。75%保證率下汾河水庫總氮納污能力較90%保證率下提高了44.1%，總磷納污能力提高了57.7%?？梢姾焖h(huán)境對污染物具有稀釋自凈功能，水庫蓄水量越大，滯留系數(shù)越小，湖庫對污染物的稀釋自凈能力就越大。

根據(jù)山西省水環(huán)境監(jiān)測中心監(jiān)測成果可以估算，2010年汾河水庫總氮入庫量約為450t/a，總磷約為18t/a，分別為90%保證率下允許入庫總量的7.9倍和1.7倍，為避免水體富營養(yǎng)化，嚴格控制汾河水庫上游支流氮、磷入庫量非常必要。

4 結(jié)語

本文采用狄龍模型定量分析了不同保證率下汾河水庫總氮、總磷的水環(huán)境承載能力，通過研究可以得到以下結(jié)論：

第一，滿足汾河水庫水質(zhì)控制目標。汾河水庫在90%保證率枯水年平均水位時汾河水庫總氮水環(huán)境承載能力為56.9t/a，總磷為10.4t/a；75%保證率枯水年平均水位時汾河水庫總氮水環(huán)境承載能力為82.0t/a，總磷為 16.4t/a。

第二，在相同水質(zhì)控制目標下，水環(huán)境承載能力與水環(huán)境的量有很大聯(lián)系。隨著水庫蓄水量、來水量以及出水量的增加，水庫的水環(huán)境承載能力也不同程度的增加。

第三，由于河流和湖庫的總磷水質(zhì)標準值不同，如入庫河流末端水質(zhì)控制目標采用湖庫水質(zhì)類別標準限值，則河流允許入庫污染物總量偏小，不利于汾河水庫污染物入庫總量控制方案的制定；如水庫水質(zhì)控制目標與河流一致，則水庫總磷濃度超標，不利于水源地的水體保護。本文對入庫河流末端水質(zhì)控制目標和水庫水質(zhì)控制目標分別對待，可以更好地解決湖庫與河流標準值不統(tǒng)一的矛盾，且更合理。

[1] 彭靜，李翀.廣義水環(huán)境承載理論與評價方法[M].北京：中國水利水電出版社，2006：80-81.

[2] 郭懷成，徐云麟，洪志明，等.我國新經(jīng)濟開發(fā)區(qū)水環(huán)境規(guī)劃研究[J].環(huán)境科學進展，1994，2（6）:87-89.

[3] 李清龍，王路光，張煥禎，等.水環(huán)境承載力理論研究與展望[J].地理與地理信息科學，2004，2（1）:87-89.

[4] 崔樹彬.論河流水環(huán)境承載能力及其應用[J].水問題論壇，2003，38（1）:32-39.

[5] 汪恕誠.水環(huán)境承載能力分析與調(diào)控 [J].水利發(fā)展研究，2002，1:2-6.