樂至縣蟠龍河水庫泄庫水質(zhì)影響預(yù)測及跟蹤評估研究

郭明昆 鄒俊良 周安瀾 楊長軍 湯冰冰

（1.四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，四川 成都 610064；2.四川省環(huán)科院科技咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610064；3.四川省環(huán)?？萍脊こ逃邢挢?zé)任公司，四川 成都 610041）

1 引言

樂至縣蟠龍河水庫位于瓊江支流蟠龍河上游，1959 年建成，大壩為均質(zhì)土壩，是一座以防洪、灌溉為主，兼發(fā)電、水產(chǎn)等綜合利用的中型水庫。蟠龍河水庫因安全問題被水利部大壩安全管理中心核準(zhǔn)為三類壩，為消除安全隱患，樂至縣計劃將蟠龍河水庫騰空后進行除險加固。蟠龍河水庫下游有蟠龍河元壩子、瓊江跑馬灘、瓊江大安3 個國控斷面，泄庫水質(zhì)必然對下游國控斷面水質(zhì)產(chǎn)生較大影響。本研究擬開展蟠龍河水庫泄水對下游考核斷面水質(zhì)影響的預(yù)測研究，以期為流域的水環(huán)境管理提供技術(shù)參考和決策依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 蟠龍河水庫概況

蟠龍河水庫屬中型水庫，距離樂至縣城40 km，水庫總庫容4 080 萬m3，正常蓄水位庫容2 100 萬m3，死庫容100 萬m3，水庫正常蓄水位332.00 m，水庫死水位317.43 m。蟠龍河水庫多年平均年徑流深為230.0 mm，多年平均枯水期（11 月—次年4 月）徑流深為22.0 mm；水庫多年平均流量1.36 m3/s，多年平均枯水期流量為0.14 m3/s。

2.2 水環(huán)境現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來源

為全面掌握瓊江流域水環(huán)境質(zhì)量狀況及蟠龍河水庫泄庫水質(zhì)對考核斷面水質(zhì)影響，本研究系統(tǒng)收集了蟠龍河水庫、元壩子斷面、跑馬灘斷面、大安斷面的水質(zhì)監(jiān)測資料，同時在蟠龍河水庫入庫口、庫心、庫尾設(shè)置了4 個加密監(jiān)測點，其中，國控斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來自樂至生態(tài)環(huán)境局提供的四川省監(jiān)測站上報國家核定數(shù)據(jù)，監(jiān)測指標(biāo)包括水溫、pH、懸浮物、溶解氧、CODCr、BOD5、CODMn、NH3-N、TN、TP；采樣監(jiān)測點數(shù)據(jù)來自資陽市樂至生態(tài)環(huán)境局提供的第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測項目包括CODCr，CODMn，NH3-N，TP；泄庫跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)來自水質(zhì)自動監(jiān)測站，采用單因子分析法。按照各監(jiān)測斷面水質(zhì)要求，斷面水質(zhì)對照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值進行評價。

2.3 水質(zhì)預(yù)測模型

對污染物擴散輸移預(yù)測的有效方法就是通過水質(zhì)模型進行計算［1］。根據(jù)污染物進入水體后沿垂直、縱向、橫向的輸移和擴散情況，水質(zhì)預(yù)測模型又分為零維、一維、二維、三維模型［2-3］，其中，一維模型是污染物濃度緊隨縱向變化，適用于河流長度遠大于寬度和深度的情況。本研究中的蟠龍河、瓊江計算河段長度遠大于河道寬度，屬于Q＜150 m3/s 的中小型河段，因此，可采用一維水質(zhì)模型模擬蟠龍河水庫下泄后河流水質(zhì)變化情況。

在穩(wěn)態(tài)或標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的情況下，一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型為［2，4-5］：

3 結(jié)果與分析

3.1 各斷面水環(huán)境質(zhì)量狀況評價

3.1.1 蟠龍河水庫及下游國控斷面水環(huán)境質(zhì)量狀況評價

根據(jù)資陽市樂至生態(tài)環(huán)境局提供的2021 年1—9 月的常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)，蟠龍河水庫1—5 月達到Ⅲ類水質(zhì)考核標(biāo)準(zhǔn)，6—9 月水質(zhì)為Ⅳ類，主要超標(biāo)污染物為COD 和CODMn；2021 年1—9 月元壩子斷面達到Ⅲ類水質(zhì)考核標(biāo)準(zhǔn)的月份僅占44.44%，其中4 月、7—9 月均為Ⅳ類，5 月為Ⅴ類，1—9 月COD 平均值為21.33 mg/L，要實現(xiàn)全年水質(zhì)達標(biāo)，元壩子斷面在10—12 月COD 平均濃度需小于16 mg/L，水質(zhì)達標(biāo)壓力較大；跑馬灘斷面6 月和8 月水質(zhì)為Ⅳ類，超標(biāo)因子為COD 和CODMn，其余月份達到Ⅲ類水質(zhì)考核標(biāo)準(zhǔn)，全年達標(biāo)壓力較小；2021 年1—9 月大安斷面有3 個月水質(zhì)未達標(biāo)，超標(biāo)因子為COD，1—9 月COD 平均值為20.13 mg/L，要實現(xiàn)全年水質(zhì)達標(biāo)，大安斷面在10—12 月COD 平均濃度需小于19.6 mg/L，仍存在一定達標(biāo)壓力。2021 年1—9 月蟠龍河水庫及下游國控斷面水環(huán)境質(zhì)量狀況見圖1。

圖1 2021 年1—9 月蟠龍河水庫及下游國控斷面水環(huán)境質(zhì)量狀況

3.1.2 蟠龍河水庫加密監(jiān)測水質(zhì)分析與評價

2021 年8 月21—23 日資陽市樂至生態(tài)環(huán)境局委托第三方檢測公司對入庫壩前、庫心、主壩及泄洪口進行連續(xù)3 d 跟蹤監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，入庫壩前水質(zhì)優(yōu)于庫心、主壩及泄洪口等位置，水庫內(nèi)各點水質(zhì)NH3-N 和TP 中下層濃度均高于表層水體濃度，而水庫內(nèi)各點COD 和CODMn未呈現(xiàn)出明顯差異性，但越靠近水庫下游，表層水體水質(zhì)越優(yōu)于中下層水體，表面輸入的污染物在水庫發(fā)生了沉降或庫內(nèi)底泥在底層水體向上釋放污染物。蟠龍河水庫加密監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 蟠龍河水庫加密監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果mg/L

3.2 水質(zhì)模型預(yù)測及達標(biāo)影響分析

3.2.1 邊界條件

3.2.1.1 水域概化

本研究模型預(yù)測的河流概化主要考慮蟠龍河、跑馬灘水庫及瓊江干流，由于跑馬灘水庫屬于河流型水庫，水庫長12 km、寬120 m，長寬比值為100，在計算污染物擴散時可將其簡化為河段。根據(jù)河段劃分原則及旁側(cè)入流、污染源和常規(guī)監(jiān)測斷面位置，對蟠龍河、瓊江河道進行簡化，如圖2 所示。

圖2 蟠龍河及瓊江河道概化示意

3.2.1.2 控制因子

根據(jù)流域水污染現(xiàn)狀和水污染物總量控制現(xiàn)狀，選擇CODCr，NH3-N 和TP 作為模型預(yù)測的控制因子。

3.2.1.3 設(shè)計水文條件

參考《瓊江流域水體達標(biāo)方案》中瓊江流域多年平均流量條件下各計算單元的流量計算成果及河流水文站統(tǒng)計的多年平均流量數(shù)據(jù)，計算得出流速等參數(shù)。多年平均流量下各計算單元水文條件見表2。

表2 多年平均流量下各計算單元設(shè)計水文條件

根據(jù)樂至縣水務(wù)局提供的泄水方案，蟠龍河水庫將按最大下泄量5.6 m3/s 進行泄水，河道粗糙系數(shù)取0.027，最大下泄流量下各斷面的河流水文特征見表3。

表3 蟠龍河水庫最大下泄流量下各計算單元設(shè)計水文條件

3.2.1.4 水質(zhì)目標(biāo)

瓊江流域主要河流水環(huán)境功能類別為Ⅲ類，根據(jù)“十四五”水環(huán)境考核目標(biāo)，元壩子、跑馬灘、大安3 個國考斷面水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類。

3.2.1.5 不同河段污染物濃度值

（1）在多年平均流量情景下，起始河段蟠龍河水庫C0值取2021 年1—9 月監(jiān)測水質(zhì)濃度的算術(shù)平均值，COD，NH3-N，TP 濃度為20.11，0.24，0.065 mg/L；元壩子、跑馬灘、大安斷面取2021 年1—9 月的四川省環(huán)境監(jiān)測站上報國家的水質(zhì)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，其中，元壩子斷面COD，NH3-N，TP 濃度分別為21.33，0.08，0.09 mg/L，跑馬灘斷面COD，NH3-N，TP濃度分別為17.79，0.05，0.03 mg/L，大安斷面COD，NH3-N，TP 濃度分別為20.13，0.05，0.10 mg/L。（2）在最大下泄流量條件下，起始河段蟠龍河水庫C0值取2021 年8 月21—23 日蟠龍河水庫庫心、主壩、泄洪口等部位水質(zhì)的算術(shù)平均值，COD，NH3-N，TP 濃度分別為24.17，1.55，0.16 mg/L。

3.2.1.6 降解系數(shù)

根據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》和同類型項目相關(guān)研究［6-8］，本研究根據(jù)流速確定的降解系數(shù)取值見表4。

表4 降解系數(shù)相關(guān)研究成果

3.2.2 不同情景下模型預(yù)測結(jié)果

3.2.2.1 多年平均流量條件下外源污染輸入負荷核算

選取多年平均流量條件下的各段水文參數(shù)，起始河段蟠龍河水庫C0值取2021 年1—9 月監(jiān)測水質(zhì)濃度的算術(shù)平均值，采用河流一維模型計算蟠龍河及瓊江干流不同范圍河段水質(zhì)，對計算值與斷面實測濃度的差值考慮為施加到河段內(nèi)的污染負荷。根據(jù)計算，元壩子斷面河段施加的CODCr，NH3-N，TP 污染物分別為236.031，0.000，2.793 kg/d，跑馬灘斷面河段施加的CODCr，NH3-N，TP 污染物分別為10 421.52，23.21，16.27 kg/d，大安斷面河段施加的CODCr，NH3-N，TP 污染物分別為4 355.61，6.32，53.94 kg/d。多年平均流量下各計算單元主要污染物濃度預(yù)測值及外源輸入負荷見表5。

3.2.2.2 蟠龍河水庫最大泄庫流量條件下污染物濃度預(yù)測

選取蟠龍河水庫最大下泄流量條件下的各段水文參數(shù)，起始河段蟠龍河水庫C0采用2021 年8 月21—23 日蟠龍河水庫庫心、主壩、泄洪口等部位水質(zhì)的算術(shù)平均值，采用河流一維模型計算該條件下蟠龍河及瓊江干流不同范圍河段水質(zhì)，考慮各河段施加污染負荷后，元壩子斷面CODCr，NH3-N，TP 的預(yù)測濃度分別為24.12，1.52，0.16 mg/L，跑馬灘斷面CODCr，NH3-N，TP 的預(yù)測濃度分別為18.29，0.68，0.09 mg/L，大安斷面CODCr，NH3-N，TP 的預(yù)測濃度分別為19.26，0.61，0.13 mg/L。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，蟠龍河水庫泄庫期間，元壩子斷面平均水質(zhì)為地表水Ⅳ類，跑馬灘斷面、大安斷面平均水質(zhì)能夠達到地表水Ⅲ類。蟠龍河水庫最大泄庫流量下各單元主要污染物濃度預(yù)測值見表6。

3.2.2.3 跑馬灘及大安斷面達標(biāo)情況下水庫泄庫水質(zhì)控制濃度

選取蟠龍河水庫最大下泄流量條件下的各段水文參數(shù)，采用河流一維模型計算該條件下蟠龍河及瓊江干流不同范圍河段水質(zhì)，經(jīng)計算，當(dāng)蟠龍河水庫泄庫尾水日平均濃度CODCr超過28.67 mg/L，或NH3-N超過2.32 mg/L，或TP 超過0.40 mg/L 時，預(yù)測跑馬灘斷面水質(zhì)不能達標(biāo)，見表7。

表7 蟠龍河水庫最大泄庫流量下跑馬灘斷面不達標(biāo)初始臨界濃度控制值mg/L

當(dāng)蟠龍河水庫泄庫尾水日平均濃度CODCr超過26.45 mg/L，或NH3-N 超過2.56 mg/L，或TP超過0.32 mg/L 時，預(yù)測大安斷面水質(zhì)超標(biāo)，見表8。

表8 蟠龍河水庫最大泄庫流量下大安斷面不達標(biāo)初始臨界濃度控制值mg/L

根據(jù)表1 實測水質(zhì)統(tǒng)計，蟠龍河水庫泄庫期間，元壩子斷面不能達到Ⅲ類水的概率為100%，跑馬灘、大安斷面不能達到Ⅲ類水的概率低于30%。

3.2.2.4 蟠龍河水庫泄庫輸出污染物通量對各斷面水質(zhì)貢獻

根據(jù)擬定的蟠龍河水庫泄水方案，計劃從12 月開始泄水，放水歷時57 d，不考慮庫底清淤等工程額外帶來的污染物量，計算得出蟠龍河水庫污染物的通量為：CODCr507.57 t，NH3-N 32.55 t，TP 3.36 t，蟠龍河水庫泄庫污染物輸送到元壩子斷面的總量為：CODCr496.20 t，NH3-N 32.00 t，TP 3.34 t；跑馬灘斷面的總量為：CODCr351.09 t，NH3-N 25.12 t，TP 2.81 t；輸送到大安斷面的總量為：CODCr298.66 t，NH3-N 22.25 t，TP 2.70 t。由于各情景下河流斷面主要為COD，TP 偶爾超標(biāo)，故計算通量時主要考慮COD 和TP 帶來的影響，蟠龍河水庫泄水帶來的污染物在各個斷面污染物總量的比例分別為：元壩子斷面為70.99%～79.95%，跑馬灘斷面為29.96%～67.00%，大安斷面為24.33%～38.04%。由此可知，蟠龍河水庫泄庫對下游水質(zhì)的影響隨距離的延長而減小，離水庫最近的元壩子斷面受影響最大。蟠龍河水庫泄庫輸出污染物通量對各斷面水質(zhì)貢獻情況見表9。

表9 蟠龍河水庫泄庫輸出污染物通量對各斷面水質(zhì)貢獻情況

3.2.3 水庫泄庫水質(zhì)影響跟蹤評估研究

2022 年3 月7 日至4 月17 日蟠龍河水庫實施了泄庫，本研究開展了泄庫期間元壩子、跑馬灘和大安斷面的水質(zhì)跟蹤評估，采用泄庫期間元壩子、跑馬灘和大安斷面的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，由于在線監(jiān)測站沒有COD 監(jiān)測數(shù)據(jù)，所以采用同為有機污染程度表征的CODMn進行評估，對CODMn，NH3-N，TP 等主要指標(biāo)作趨勢圖，見圖3。元壩子斷面未能達到Ⅲ類水的概率為92.86%，其主要超標(biāo)因子為CODMn和NH3-N；跑馬灘斷面和大安斷面未能達到Ⅲ類水的概率分別為28.57%，11.90%，主要超標(biāo)因子均為CODMn。跟蹤研究表明，泄庫期間實際水質(zhì)變化與預(yù)測概率相符。

圖3 蟠龍河水庫泄庫期間國控斷面水質(zhì)實際情況

4 結(jié)論與建議

（1）在蟠龍河水庫最大下泄流量的條件下，根據(jù)模型預(yù)測元壩子斷面不能達到Ⅲ類水質(zhì)的比例為100%，跑馬灘和大安斷面平均水質(zhì)能夠達到地表水Ⅲ類；當(dāng)蟠龍河水庫泄庫尾水日平均濃度CODCr超過28.67 mg/L，或NH3-N 超過2.32 mg/L，或TP 超過0.40 mg/L 時，預(yù)測跑馬灘斷面水質(zhì)不能達標(biāo)；當(dāng)蟠龍河水庫泄庫尾水日平均濃度CODCr超過26.45 mg/L，或NH3-N 超過2.56 mg/L，或TP 超過0.32 mg/L 時，預(yù)測大安斷面水質(zhì)超標(biāo)，預(yù)測跑馬灘斷面和大安斷面不達標(biāo)的概率低于30%。

（2）預(yù)測蟠龍河水庫泄庫污染物輸送至元壩子斷面的總量為：CODCr496.20 t，NH3-N 32.00 t，TP 3.34 t；跑馬灘斷面的總量為：CODCr351.09 t，NH3-N 25.12 t，TP 2.81 t；輸送到大安斷面的總量為：CODCr298.66 t，NH3-N 22.25 t，TP 2.70 t。因蟠龍河水庫泄水帶來的污染物在各個斷面污染物總量的比例分別為：元壩子斷面為70.99%～79.95%，跑馬灘斷面為29.96%～67.00%，大安斷面為24.33%～38.04%。由此可知，蟠龍河水庫泄庫對下游水質(zhì)的影響隨距離的延長而減小，離水庫最近的元壩子斷面受影響最大。

（3）對蟠龍河水庫泄庫期間3 個國控斷面水質(zhì)的跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，下游元壩子斷面未能達到Ⅲ類水的概率為92.86%，跑馬灘斷面未能達到Ⅲ類水的概率為28.57%，大安斷面未能達到Ⅲ類水的概率為11.90%，泄庫期間實際水質(zhì)變化與預(yù)測結(jié)果相符。

（4）建議根據(jù)環(huán)境監(jiān)測考核要求在蟠龍河水庫上游設(shè)置臨時替代斷面，作為施工期間及蓄水恢復(fù)期元壩子斷面的替代考核斷面；建議在施工期間及蓄水恢復(fù)期通過加強上游預(yù)警監(jiān)測及瓊江流域水庫協(xié)同放水調(diào)度來降低跑馬灘斷面、大安斷面水質(zhì)超標(biāo)的概率；建議加強泄庫后蓄水恢復(fù)區(qū)水生態(tài)環(huán)境影響研究。