山美水庫流域納污能力計算

郭小斌

（福建省泉州市山美水庫管理處，福建 泉州362000）

1 引言

山美水庫位于福建省泉州市西北部，即南安市九都鎮(zhèn)山美村。水庫處于晉江東溪中游，是一座集供水、灌溉、防洪和發(fā)電等功能為一體的綜合性大（Ⅱ）型水利樞紐工程，總庫容6.55億 m3，調節(jié)庫容4.53億 m3，集水面積1023km2，占東溪流域的53.4%，多年平均徑流量14億m3（4.17億m3為龍門灘跨流域引水）。其中，桃溪和湖洋溪是山美水庫流域內現有的主要入庫河流，肩負著山美水庫上游供水的主要任務，也是污染物匯入水庫的主要源頭。

2 流域水環(huán)境現狀

根據多年山美水庫流域水質監(jiān)測及流域污染情況調查資料顯示，山美水庫流域的污染源主要由工業(yè)、城鎮(zhèn)與農村生活污水、城鎮(zhèn)徑流、農村生活垃圾、畜禽養(yǎng)殖和農田徑流等外源污染源及水庫底泥釋放N污染因子為主的內源污染源構成。以2010年為計算代表年份，經統計匯總，該年份山美水庫流域（桃溪、湖洋溪、山美庫區(qū)）受納周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染物排放量COD為5452t，氨氮為728t，總磷為180t，總氮為1150t。

3 流域納污能力計算

3.1 納污能力概念

水環(huán)境納污能力是指在保持水環(huán)境功能用途的前提下，受納水體所能承受的最大污染物排放量。影響水體納污能力的因素很多，概括起來主要有以下4個方面：水域特征、環(huán)境功能要求、污染物性質、排污方式。

3.2 納污能力計算方法

3.2.1 基于零維水質模型的河流水環(huán)境納污能力計算模型

按照污染物降解機理，水環(huán)境納污能力即水環(huán)境容量可劃分為稀釋容量、自凈容量和輸移容量3部分。在零維狀態(tài)下，可忽略污染物彌散、擴散作用。因此，水體納污能力主要由自凈容量和稀釋容量兩部分組成，其計算公式如下：

式中，W為水環(huán)境容量；Q0、C0為進口斷面的入流流量和水質濃度；CS為該水體的水質目標濃度；V為水體體積；K為水質降解系數。

3.2.2 基于一維水質模型的河流水環(huán)境納污能力計算模型

對寬深比不大的河流，污染物能在較短河段內在斷面上混合均勻，污染物濃度橫向變化不大，可用一維水質模型模擬污染物沿河流縱向的輸移過程。基于一維水質模型的水環(huán)境納污能力計算公式如下：

公式中：W為納污能力（t／a）、u流速（m／s）、CS為水質目標濃度、k為降解系數、x為河長（m）、Q0為上游來水流量（m3／s）、C0為上游來水水質（m3／s）。

3.2.3 排污口概化

計算中，將相近的多個排污口簡化成集中的排污口，排污口概化的重心計算如下：

公式中：X為概化的排污口到功能區(qū)劃下斷面或控制斷面的距離；Qi為第i個排污口的水量；Xi為第i個排污口到功能區(qū)劃下斷面的距離；Ci為第i個排污口的污染物濃度。

3.2.4 不均勻系數求取

由于污染物質很難在水體中達到完全均勻混合，故對于上述公式計算出來的水環(huán)境容量值要進行不均勻系數訂正，一般河流越寬、不均勻系數越?。凰婷娣e越大，不均勻系數越小。根據相關研究成果[1]，一般性河流的不均勻系數取值范圍見表1。

表1 一般性河流的不均勻系數取值范圍

3.2.5 水質降解系數

根據研究區(qū)域情況選擇COD、氨氮、總氮和總磷為控制指標。參考國內外水質降解系數的研究成果和《福建省主要河流典型水域納污能力研究》，并根據區(qū)域的具體情況，確定水體中COD、氨氮、總氮和總磷的降解系數，其中COD降解系數為0.12～0.18／d、氨氮降解系數為0.10～0.15／d、總磷降解系數為0.08～0.13／d、總氮降解系數為0.10～0.15／d。

3.2.6 計算原則

為加強山美水庫水源地保護，山美水庫庫區(qū)水域不進行納污能力計算。對于沒有徑流量的水環(huán)境功能區(qū)或河流，不進行本水域的納污能力計算，但是將該排污河道作為下游功能區(qū)劃水域的支流進行處理，要滿足下游水環(huán)境功能區(qū)劃要求。根據水源地保護管理規(guī)定，在取水口附近應設置保護區(qū)。在本次納污能力計算中，對于保護區(qū)不進行納污能力計算，規(guī)定每個水源地不進行納污能力計算的范圍為上下游1km。水文設計條件取90%保證率的典型年進行計算。為保證桃溪和湖洋溪匯合處的控制斷面滿足水環(huán)境功能要求，桃溪東平～東關段水域不考慮其納污能力。

3.3 設計水文條件確定

根據山美水庫流域內山美水庫、嵩山、錦溪、蓬壺、延清、達中、大卿、天馬、永春、湖洋、黃欄、紫美、洋上、外山、外碧和東關等16個雨量站1973～2008年降雨資料，選取雨量站長序列降雨資料進行統計分析，其中：1991年山美水庫流域的設計保證率為91.89%，綜合考慮其他因素，最終確定1991年的枯水保證率為90%。

3.4 流域水功能區(qū)劃

水功能區(qū)劃按照福建省人民政府確定的分類系統執(zhí)行，分為一級區(qū)劃和二級區(qū)劃。

山美水庫流域一級功能區(qū)劃可劃分為：桃溪永春保留區(qū)（源頭－蓬壺鎮(zhèn)）、桃溪永春開發(fā)利用區(qū)（蓬壺鎮(zhèn)－東平鎮(zhèn)）、桃溪永春緩沖區(qū)（東平鎮(zhèn)－東美）、湖洋溪永春保護區(qū)（源頭－永春第二自來水廠取水口上游1000m－永春第二自來水廠取水口下游100m－山美水庫壩址）。其中桃溪永春保留區(qū)、桃溪永春開發(fā)利用區(qū)、桃溪永春緩沖區(qū)水質現狀為Ⅳ，水質目標為Ⅱ；湖洋溪永春保護區(qū)水質現狀Ⅱ，水質目標為Ⅱ。

二級功能區(qū)劃可劃分為：桃溪永春農業(yè)用水區(qū)（蓬壺鎮(zhèn)－達埔鎮(zhèn)）、桃溪永春飲用水源區(qū)（達埔鎮(zhèn)－永春縣自來水廠上游1000m）、水源地保護區(qū)（永春縣自來水廠上游1000m－永春縣自來水廠下游100m）、桃溪永春工業(yè)用水區(qū)（永春縣自來水廠下游100m－東平鎮(zhèn)）。其中，桃溪永春農業(yè)用水區(qū)、桃溪永春飲用水源區(qū)、桃溪永春工業(yè)用水區(qū)水質現狀為Ⅳ，水質目標為Ⅲ；水源地保護區(qū)水質現狀Ⅲ，水質目標為Ⅱ。

4 計算結果分析

4.1 納污能力計算結果

根據上述納污能力計算方法、設計水文條件和水環(huán)境功能區(qū)劃等條件，計算得到山美水庫流域主要河道的納污能力，計算結果詳見表2。

表2 山美水庫流域主要河道納污能力計算結果

由表1可知，桃溪水體COD、氨氮、總氮和總磷的納污能力分別為1811.89t／年、115.15t／年、120.75t／年和22.70t／年；湖洋溪水體COD、氨氮、總氮和總磷的納污 能 力 分 別 為 768.98t／年、33.75t／年、35.71t／年 和7.19t／年。

4.2 剩余納污能力計算結果

根據桃溪和湖洋溪污染物入河量以及水體納污能力的計算結果，即可計算其水體剩余納污能力。其中，桃溪水體剩余納污能力計算結果：COD為－2802.04（t／年）、氨氮為－521.56（t／年）、總氮為－1009.8（t／年）、總磷為－135.93（t／年）；湖洋溪水體剩余納污能力計算結果：COD為267.53（t／年）、氨氮為－31.84、總氮為－79.63（t／年）、總磷為－8.38（t／年）。

根據剩余納污能力計算結果可以看出，桃溪和湖洋溪沿岸污染物入河量已超過其納污能力，為滿足山美水庫流域水環(huán)境功能要求，必須對流域內污染物排放量進行削減，重點削減桃溪和湖洋溪沿岸以及山美水庫庫區(qū)周圍污染物排放量。

根據流域內污染源特點及流域剩余納污能力，建議采取工程與非工程措施相結合、源頭控制、中間過程控制和末端處理的方法削減污染物入庫污染負荷，即在污染源治理的基礎上，為進一步提高入庫水體水質，進行流域水環(huán)境整治和水體凈化與生態(tài)工程建設，使入庫河流和水庫水質明顯好轉，流域生態(tài)環(huán)境明顯改善，形成良好的生態(tài)系統，提高水源地飲用水保障能力，持續(xù)提高流域總體環(huán)境質量。

[1]姚國金，逄 勇.水環(huán)境容量計算中不均勻系數求解方法的探討[J].人民珠江，2002（2）.

[2]胡鋒平，侯 娟，羅健文，等.贛江南昌段污染負荷及水環(huán)境容量分析[J].環(huán)境科學與技術，2010（12）.

[3]黃真理，李玉粱，李錦秀，等.三峽水庫水環(huán)境容量計算[J].水利學報，2004（3）.

[4]唐海濱，吳振斌，梁 威.水環(huán)境容量及其水質模型研究進展[J].安徽農業(yè)科學，2012（17）.

[5]逄 勇，周 靜，張文佳.江蘇省太湖流域水環(huán)境容量計算研究[C]／／中國環(huán)境科學學會.2009年學術年會論文集（第一卷）.北京：中國環(huán)境出版社，2009.