汤河水库水体纳污能力计算研究

刘胜男

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

1 水库概况

汤河水库建于太子河支流汤河干流上，位于本溪、鞍山、辽阳3市之间，地处经E123°21′46.4″、N41°06′41.1″，坐落于辽阳市弓长岭区汤河乡境内。该水库是一座以城市生活、工业供水及防洪为主，兼顾养鱼、发电、灌溉等功能的大Ⅱ型枢纽工程，坝型为黏土斜墙坝，最大坝高48.5m，坝长455m，库区面积44km2，集水面积1228km2，最高水位117.86m，最大库容7.23×108m3。

汤河水库位于群山环绕之间，在西汤河与东汤河交汇之处，属于典型的山谷型水库，特别是细河、兰河引水工程建成后，汤河水库每年向城市生活和工业供水达到230.4×106m3，每年向鞍山和辽阳市供水达到150.8×106m3、80×106m3，向下游区间农业补偿用水75.5×106m3。汤河水库汇集了辽阳东南部的清洁水，库区水质多年来均呈良好状态，该水库作为重要工业用水和饮用水区，水质状况直接关系着鞍山和辽阳市的居民生活以及经济社会发展[1-2]。汤河水库共监测坝前、库中、东叉中、东叉头、西叉中、西叉头6个点位，从而了解库区流出水质、库区中心区域水质、库区东叉中心区域水质、二道河支流入库后水质、库区西叉中心区域水质和下达河支流入库后水质。监测点位分布图，见图1。

图1 监测点位分布图

2 水体纳污能力计算

2.1 计算模型

纳污能力是指在环境容量合理利用的情况下，依据环境功能区划水域能够承受的最大纳污能力，纳污能力计算对水库管理具有重要作用[3]。此外，2012年水管部门明确突出要落实水资源规范管理制度，合理划定用水率、用水量和水功能区，水体纳污能力计算可以为水管部门指标划定提供数据支持。对于水体纳污能力的研究最早开始于上世纪七十年代，经不断发展逐渐形成一维、二维和多维等相关计算模型[4]。

从垂直和水平两个方向分析库水污染浓度，结果显示水体污染大多数都是均匀混合的，水库水质分层不明显，能够长期维持在均匀混合状态，因此可以认为库区水质均匀混合，即水库CODMn、NH3-N纳污能力考虑利用均匀混合模型计算[5-6]。根据水质实测资料，汤河水库整体呈轻度富营养化趋势，考虑利用狄龙模型分析TN和TP纳污能力，具体如下：

1)均匀混合模型。水库CODMn、NH3-N纳污能力利用均匀的混合模型计算，其表达式如下：

(1)

式中：C(t)为污染物在计算时段t的实际浓度，mg/L；Mn为水域实际纳污能力，g/s；m0为水库污染物实际排放率，g/s，m0=C0QL；Kh为中间变量，1/s，利用Kh=QL/V±K计算确定，K为污染物衰减系数，1/s；V为水文条件下的水库容积，m3；Cn为水库现有水质实际浓度，mg/L；C0为出库水质浓度，mg/L；t为计算时段长，s；QL为具体出库流量，m3/s。长期处于稳定状态时，上式又可转变成以下表达式：

(2)

MN=CsKhV-m0=CsKVQ-m0

(3)

式中：Cs为实际水质浓度，mg/L；Q为入库流量，m3/s，其他字母含义同上。

2)狄龙模型。考虑利用狄龙模型分析TN和TP纳污能力，其表达式如下：

MN=LsA

(4)

式中：MN为氮或磷的月纳污能力，g；Ls为单位面积上每个月水库的氮或磷纳污能力，g；A为水库水域面积，m2。其中，Ls利用公式Ls=PshpQa/[(1-Rp)V]计算确定，Ps为水库氮或磷月平均浓度，g/m3，hp为水库平均水深，m，Qa为月出库水量，m3；Rp为氮或磷的滞留系数；Rp的计算公式为Rp=1-W出/W入，W出、W入为氮或磷的月出、入库量，t。

2.2 边界条件计算

1)水文边界条件。对25%、50%、75%三种保证率下，按枯水月、平水月、丰水月计算各年逐月出入库流量，一般条件下通过实测资料计算确定各月出入库流量。不同保证率下的出、入库流量值，见表1。

表1 不同保证率下的出、入库流量值 m3/s

从2010-2020年11a期间的各月出库流量中，选择不同的特征水位并查出其平均水深、库容、水域面积等数据，汤河水库特征水位统计表，见表2。

表2 汤河水库特征水位统计表

2)水质浓度。由辽宁省水文局提供研究所需水质浓度数据，以各监测点位平均值作为出、入库水质浓度。

2.3 模型参数

1)综合衰减系数K。根据相关规范确定水库CODMn和NH3-N的综合衰减系数K取值区间为0.0015-0.00201d，考虑水域纳污能力计算偏安全的基本要求，并结合入库水质监测数据和相关研究资料最终确定综合衰减系数取0.0018/d[7]。

2)水质目标浓度Cs。根据水功能划分水库库区和径流区，该区域为水源保护区其水质目标浓度为Ⅱ类。因此，按照现有标准可以确定CODMn、TP、TH3-N、TN的上限控制浓度依次为4.000mg/L、0.025mg/L、0.500mg/L和0.500mg/L。

3 结果分析

3.1 水体实际纳污能力

根据设定的模型参数和边界条件，计算不同频率下水库功能区的水体纳污能力，经单位换算输出最终计算成果，月纳污能力变化趋势图，见图2。由图2可知，随月尺度时间变化水库功能区对4种污染物的纳污能力呈动态变化趋势，进一步计算确定不同频率下的具体纳污能力，年纳污能力计算成果，见表3。

(a)CODMn

表3 年纳污能力计算成果

3.2 水库污染物排放情况

入库时的水质实测浓度取各监测点的浓度平均值，利用表1中的入库流量计算不同频率下每年的水质浓度与入库浓度，年污染物入库量，见表4。

表4 年污染物入库量

3.3 水库纳污能力分析

通过对比分析污染入的入库情况和水库实际纳入能力，可以准确反映水库污染状态，经分析在年尺度上水库出TN以外，其CODMn、NH3-N和TP的纳污能力均高于入库量。为动态反映水库污染物变化趋势，有必要分析污染物入库量与水库纳入能力，50%保证率下的月纳污能力与污染物入库量，见图3。

从图3可以看出，4种污染物入库量汛期(6-10月)高于枯水期，这是由于面源污染对水库水质造成影响，特别是汛期降雨径流携带农业污染物流入水库，造成入库量整体偏高。4种污染物的排入量与其纳污能力之间存在对应关系，即随着污染物入库量的增加汛期污染物纳污能力也不断增大。NH3-N、CODMn的入库量与纳污能力相比，除四月份比较接近外其实际入库量均低于纳污能力，这表明对于NH3-N、CODMn水库仍具有一定的承纳空间，这2种污染物不属于汤河水库的主要污染源[9-13]。从年尺度上无需削减TN量，但在6月、9月和10月易出现TN容量超过水库纳污能力的问题，这就要求控制污染物入库量，一般以入库量与纳污能力的差值作为削减控制量，水库TP削减控制量，见表5。

(a)CODMn

表5 水库TP削减控制量

3.4 对策建议

文章针对水库水体具体情况提出以下对策建议[8-9]：①鼓励和引导农民参与生态农业发展，加快水源区生态补偿制度的落实以及农业结构的优化调整，适当削减农药与化肥的施用量；②实行生活垃圾分类堆放，及时收集、处理水库及其周边垃圾，尽快实现垃圾的减量化与资源化处理，最大程度地减轻水环境污染；③目前，汤河水库周边的林草覆盖率整体较低，其水源涵养林相对较少且森林分布结构不合理，因此要加强水源保护，保证退耕还林草政策的落实到位；④加强水执法力度确保相关管理政策的落实，及时发现问题并限期整改，对各种违规行为给予相应的处罚。

4 结 论

准确计算纳污能力对于水库运行管理非常重要，直接关系着区域居民生活以及经济社会发展。因此，通过计算水体纳污能力和污染物入库量，可以为水环境保护方案设计提供一定支持，为科学化、制度化管理水库奠定坚实基础。