面向生態(tài)的太子河流域水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控研究

李　偉，李　趨

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院，沈陽 110003)

?

面向生態(tài)的太子河流域水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控研究

李偉，李趨

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院，沈陽 110003)

摘要：基于遼河流域河流生態(tài)需水量估算研究成果，提出了農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水耦合利用的河段水庫群與閘壩聯(lián)合調(diào)度模型，并制定了研究河段水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控方案；調(diào)度方案在研究河段的有效實施，使干流水質(zhì)得到改善，達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；通過分析計算，當(dāng)環(huán)境可利用水量為水4倍時，水質(zhì)改善最為明顯。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)改善；水質(zhì)水量；聯(lián)合調(diào)度；太子河；調(diào)控方案

1研究區(qū)域概況

太子河位于遼河下游以東，全長413 km，流域呈東西方向，面積1.39 萬 km2，其中山地占69%，平原占24.9%，丘陵占6.1%，是典型的山溪型河流。太子河流域降雨量年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在6—9月，約占全年的71.4%，河道平均封凍期約80～100 d。干流上建有觀音閣和葠窩兩座大型水庫，兩座水庫之間河段(觀—葠河段)長約80 km，平均坡降1.26‰，為了保持本溪城市生態(tài)景觀水位，河道上相繼修建了12座攔河閘壩，研究河段如圖1所示。河段上游污染源少，水質(zhì)好，滿足II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，中下游工業(yè)企業(yè)較多，污廢水通過管道或溝渠集中排放，河流污染嚴(yán)重，研究區(qū)域出口監(jiān)測斷面水質(zhì)達(dá)到劣V類。葠窩水庫長期受上游城市污廢水影響，水體只能用于農(nóng)業(yè)灌溉，養(yǎng)殖功能基本喪失。

研究河段水環(huán)境宏觀上受制于流域?qū)用娴乃Y源配置，機(jī)制上受制于觀音閣水庫-葠窩水庫聯(lián)合調(diào)度，微觀上受攔河閘壩控制運(yùn)用方式影響。為充分發(fā)揮水利工程的水量調(diào)控作用，改善中下游河段水質(zhì)，開展面向生態(tài)的流域水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控研究是十分必要的。

圖1研究河段1示意圖

2遼河流域河流生態(tài)需水量估算

在綜合考慮流域水文、地形地貌、植被分布、生態(tài)水文分區(qū)等多項流域特征的基礎(chǔ)上，疊加了污染源分布的影響，研究確定了流域特征分區(qū)與水功能分區(qū)相結(jié)合的生態(tài)需水分區(qū)；提出了適應(yīng)于高度人工調(diào)控，生態(tài)環(huán)境用水及經(jīng)濟(jì)社會用水雙重約束河流的，以水質(zhì)改善為目標(biāo)的河道內(nèi)生態(tài)需水估算方法；給出了全流域17個生態(tài)需水估算分區(qū)各主要斷面逐月河道內(nèi)生態(tài)需水流量結(jié)果。太子河、渾河及遼河干流年生態(tài)需水量分別為7.81 億 m3、5.53 億 m3和6.43 億 m3，流域總生態(tài)需水量為19.77 億 m3。各主要斷面生態(tài)流量占該斷面多年平均流量的10%～25%?？偵鷳B(tài)需水量大于《遼寧省水資源綜合規(guī)劃》中確定的16.56 億 m3，具有實際可調(diào)配性。

3水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控研究

3.1水庫群聯(lián)合調(diào)度研究

在分析觀音閣、葠窩水庫工業(yè)、生活、農(nóng)業(yè)用水，蒸發(fā)、滲漏水量損失，實際調(diào)度過程，水庫區(qū)間排污情況的基礎(chǔ)上，確定水庫區(qū)間環(huán)境可利用水量，制定觀音閣(關(guān)門山、三道河水庫)、葠窩水庫基于水質(zhì)改善的庫群聯(lián)合調(diào)度方案。

觀音閣—葠窩水庫區(qū)間本溪以上河段的污染源少，水質(zhì)相對較好。因此，當(dāng)觀音閣水庫至本溪區(qū)間流域來水量豐沛時，可以為下游河道提供環(huán)境可利用水量。受觀音閣—本溪區(qū)間流域面源污染的影響，觀音閣—本溪區(qū)間來水不能全部作為環(huán)境可利用水量。枯水期河流來水偏少，水環(huán)境質(zhì)量較差，區(qū)間水量滿足自身水質(zhì)要求，不考慮該時期對區(qū)間水量的利用；對于豐水期7—9月份區(qū)間流域水質(zhì)較好，可作為下游河流的環(huán)境利用水量。由于環(huán)境可利用水量難以具體量化，因此分別采用不同的區(qū)間利用率進(jìn)行計算。

對觀音閣—本溪區(qū)間流域豐水期的環(huán)境水量進(jìn)行利用后，下游河段的水環(huán)境質(zhì)量改善比較明顯。當(dāng)區(qū)間水量利用率為20%時，下游水環(huán)境容量的改善程度最為明顯。因此，觀音閣—本溪區(qū)間來水可作為下游河道環(huán)境用水的水量取20%，這樣對水質(zhì)改善的評價也留有一定余地。

通過分析計算，當(dāng)環(huán)境可利用水量為污水4倍時，水質(zhì)改善最為明顯。環(huán)境可利用水量取4倍污水量；觀音閣水庫在滿足防洪安全及各方用水戶用水量的前提下，農(nóng)灌期滿負(fù)荷發(fā)電，提供除區(qū)間以外的環(huán)境可利用水量；關(guān)門山和三道河水庫服從觀音閣水庫的調(diào)度，在觀音閣水庫泄流設(shè)備維護(hù)時提供各方用水。其他時期按自身要求調(diào)度。

水庫群聯(lián)合調(diào)度模擬方案與水庫常規(guī)調(diào)度方案比較：①除冰凍期外，枯水期年平均增加水量1.1×108m3，較同期實際出庫水量2.1×108m3增加了52%。特征污染物COD的平均濃度從30mg/L降至21.3mg/L，降低了29%，改善效果比較顯著；②3、4月份河流開化時期的水質(zhì)從最初的Ⅴ類或劣Ⅴ類水改善至Ⅲ類水，滿足葠窩水庫的水功能區(qū)劃要求。9—11月份的水質(zhì)由Ⅳ～Ⅴ類水改善為Ⅳ類水，雖未滿足水質(zhì)要求，但平均濃度為22.3mg/L，接近于Ⅲ類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)；③觀音閣水庫5—8月份在保證水庫防洪安全前提下，減少出庫水量，并未對水質(zhì)造成較大的影響，COD平均濃度由16.2 mg/L變?yōu)?8.7 mg/L，仍維持在Ⅲ類水質(zhì)。

3.2閘壩聯(lián)合調(diào)度研究

研究河段河道寬而淺，蓄水容量小，在排污集中河段，小堡閘、姚家閘、溪湖閘、彩屯閘、團(tuán)山子閘五閘共同承擔(dān)汛期末攔截部分洪水的功能。根據(jù)水情預(yù)報，在汛末期攔蓄水庫下泄水量(出庫水質(zhì)Ⅱ類)達(dá)到閘壩蓄水容量，多攔蓄的水量用于增加汛后枯水期河道流量。汛后期五閘逐級均勻下泄，其他7座閘壩按照正常的過閘水位流量關(guān)系過流。

汛期末排污集中河段閘壩總計多攔蓄水量約130 萬 m3，使河道汛后枯水期河道日平均流量達(dá)到38 m3/s，較河道原流量增加近40%。經(jīng)過閘壩聯(lián)合調(diào)度方案實施的模擬實驗，葠窩水庫入庫控制斷面枯水期污染物NH3-N平均濃度為3.05 mg/L，降低了11%，其中9-12月為2.89mg/L，降低了 20%，但是仍為劣Ⅴ類水。

由此可見，實施閘壩調(diào)度，通過將汛末期的洪水?dāng)r蓄下來，在枯水期均勻下泄，提高了下游河段的流量；閘壩調(diào)度發(fā)揮了較大的動力作用，水流流速增大，使枯水期部分時段的水質(zhì)得到了改善。但是在3、4月份，河道水位低，水量少，不能夠通過閘壩對有限水量的調(diào)度有效改善污染河段水質(zhì)，河道此時的水質(zhì)狀況是由河道有限的水量與沿河排污口排污量所控制的，要使閘壩調(diào)度發(fā)揮更大的作用，必須將河道上游觀音閣水庫調(diào)度納入總體調(diào)度方案中，利用觀音閣水庫較大的水量調(diào)節(jié)作用增大河道枯水期流量。

3.3水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控

最終確定在保證生活、工業(yè)用水的條件下，最大程度的將興利用水和生態(tài)用水重復(fù)利用，優(yōu)化水庫年內(nèi)水量調(diào)度過程，增加枯水期下泄流量的水庫調(diào)度方案，和汛末期蓄豐補(bǔ)枯的閘壩調(diào)度方案，同時考慮排污口控源的耦合方案，可使河段污染物濃度控制在水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)之內(nèi)。

通過總體方案模擬，觀音閣水庫枯水期平均增加下泄水量約1.1 億 m3，較同期實際出庫水量增加了52%，滿足了各斷面最小生態(tài)流量需求?？菟谌肴惛C水庫NH3-N平均濃度降為1.22mg/L，各水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

4調(diào)度方案實施

調(diào)度組織管理方式如圖2所示

圖2　調(diào)度組織管理流程圖

在控制污染源的前提下，通過水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控方案的實施，研究河段2011年與2006年相比，流量提高29%以上，葠窩水庫入庫斷面白石砬子COD濃度和氨氮濃度下降了22%以上，實現(xiàn)了水質(zhì)改善的效果。

5結(jié)論

流域水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控方案在研究河段的實施，使研究河段水質(zhì)得到明顯改善。研究成果應(yīng)用于遼寧省涉及水行政管理的多個部門，為遼寧省水資源保護(hù)和河流水質(zhì)改善提供了水量保障條件。流域水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控技術(shù)推廣應(yīng)用，在研究流域提前實現(xiàn)了“十二五”期間Ⅳ類水質(zhì)目標(biāo)，為遼河重度污染流域的“摘帽”提供了泄放生態(tài)用水的技術(shù)指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)，并為其他流域水質(zhì)改善提供了經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)：

[1]遼寧省水利廳，遼寧省水資源[M]，沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[2]李國強(qiáng)、張士杰、彭文啟、譚紅武，太子河流域河道內(nèi)生態(tài)需水分區(qū)及估算研究[J]，中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2011,9(1)，9-15.

Study on Water Quality and Water Quantity Joint Regulation of Taizi River Basin Oriented to Ecology

LI Wei and LI Qu

(Liaoning Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Science Research Institute，Shenyang 110003，China)

Abstract：The joint regulation model of reservoir group，gate and dam in the river section，in which agricultural and ecological water used in coupling，was put forth based on the research results of ecological water demand estimation for the rivers in Liaohe river basin，and the joint regulation scheme to research water quality and water quantity of river sections was worked out in the paper.Effective implement of the river sections is researched in the regulation scheme to improve water quality of the main stream，reaching the standard of Ⅳ，through analysis and calculation，it shows that water quality may be improved most markedly when available water quantity is 4 times of polluted water.

Key words：water quality improvement；water quality and water quantity；joint operation；Taizi River；regulation scheme

文章編號：1007-7596(2016)04-0099-03

[收稿日期]2016-01-28

[基金項目]國家水體污染控制與治理科技重大專項“遼河流域水質(zhì)水量優(yōu)化調(diào)配技術(shù)及示范研究(2009ZX07208-010)”課題

中圖分類號：TV213

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

[作者簡介]李偉(1981-)，男，河北玉田人，研究生(工學(xué)博士)，副所長、高級工程師，從水資源及防洪減災(zāi)研究；李趨(1965-)，男，遼寧盤錦人，教授級高級工程師，從事水資源調(diào)度研究工作。