清江水布垭水库水环境容量计算

王 钪,曹 俊,陈红兵,卢进登

(湖北大学资源环境学院,湖北武汉 430062)

清江水布垭水库水环境容量计算

王 钪,曹 俊,陈红兵,卢进登

(湖北大学资源环境学院,湖北武汉 430062)

结合清江水布垭库区水文监测资料,水功能区划,采用相关的水环境容量计算模型,测算了清江水布垭库区的理论水环境容量,进而计算了其有效水环境容量,结果表明:清江流域水布垭库区的理论水环境容量分别为:COD 58782.8t/a,NH3-N 1598.8t/a,,TN 2763.5t/a,TP 1381.8t/a。有效水环境容量分别为:COD 45715.4t/a,NH3-N 1359t/a,TP 2349t/a,TN 1174.5t/a。

水质模型;理论环境容量;有效环境容量;水布垭水库

清江是长江的一级支流,发源于利川与重庆市交界之齐岳山龙洞沟,流经利川、恩施、宣恩、建始、巴东、长阳,在枝江市注入长江,干流全长423km[1]。水布垭水利枢纽位于湖北省恩施自治州巴东县长岭乡水布垭镇,坝址上距恩施市 117km,下距隔河岩水利枢纽 92km,距清江河口 153km。库区涉及恩施州五县市,即巴东、建始、鹤峰、宣恩、恩施。近几年来,由于清江水布垭─隔河岩─高坝洲电站梯级开发及支流水坝造成的阻隔,清江库区水流变缓,水体交换能力变弱,自净功能下降。加之流域内各类污染的加剧,使得流域水质总体下滑,局部恶化,水环境受到较大威胁。

从环境管理、监测与监督的角度出发,水环境容量是指水体在设计水文条件和规定的环境目标下所能容纳的最大污染物量[2]。在实践中,水环境容量不仅是水环境目标管理的基本依据和环境规划的主要约束条件,也是污染物总量控制的关键技术支持[3]。本次清江流域水布垭库区水环境容量计算方法是:在确定了主要污染控制指标和相应的功能区划分后,根据河段水文条件、水力学参数和主要净化机理等选择适当的水质模型,模拟水体中污染物的稀释、扩散、迁移和降解规律,通过模型正向模拟,得到全河段符合不同区划水域水质目标要求的水环境容量,分析后确定理论水环境容量。在对水布垭库区水污染现状调查,主要污染物特征及环境问题分析后,确定水环境容量核算的总量控制指标因子为 COD、NH3-N、TN、TP。

1 数据来源

根据水布垭库区水环境容量核算的要求,需要相关的水文参数、水质目标等数据。依照水布垭水库的水力学特征及水库设计的调度运行资料,对不同条件下水文参数的组合进行选择。根据《全国水环境容量核定技术指南》上的水质规划技术规范,选择 30Q10(近 10a最枯月平均流量)作为设计流量条件,30V10(近 10a最枯月平均库容)作为库区段的设计库容。库区水质标准按Ⅱ类水质。水布垭库区水质模型参数基本数据见表 1。

表 1 水布垭库区水质模型参数基本数据

2 水环境容量计算模型的选择及参数确定

水布垭水库蓄水后在原有河道上形成一狭长型的湖泊,从水布垭库区水质的多年监测结果来看,其水质空间分布比较均匀,完全可以视为一个完全混合反应器,考虑到水布垭库区的自然形态和水文特征,选定完全均匀混合水质模型来描述湖体的水质状态变化。

2.1 COD、氨氮模型

假设条件:水量为稳态,出流水质混合均匀。

式中:V(t)——箱体在 t时刻的水量,m3;

dC/dt——箱体水质参数 COD的变化率;

Qin(t)——t时刻湖体的入流水量,m3/a;

Qout(t)——t时刻湖体的出流水量,m3/a;

Cin(t)——t时刻对湖体的 COD、氨氮的入流浓度值,mg/L;

C(t)——t时刻对湖体的 COD、氨氮的出流浓度值,mg/L;

Sc——其他未计入的外部源和漏 (如内源)污染量;

k——COD、氨氮的综合降解系数。

由此模型推导出的 COD、氨氮环境容量的计算公式如下:

式中:W为湖库允许的纳污量,其他符号意义同上。

2.2 总磷和总氮模型

考虑到数据的可得性,对于较难降解的 TN和TP,采用 Vollenweider模型,假设湖泊 (水库)水体混合均匀、稳定,其计算公式如下:

式中:W——湖库水体最大允许纳污量 (t/a);

Cs——湖库水体指定水质标准 (mg/L);

V——湖库容积 (m3);

A——湖库面积 (m2);

Q——流出湖库水的体积 (m3);

R——湖库水中营养盐的沉降系数。

2.3 参数确定

在进行环境容量的计算时,参数估值的准确性将直接影响环境容量的计算结果。k、RN、RP等参数受到很多因素的影响。污染物降解系数 k是一个综合降解系数,一个针对不同计算因子所对应的不同的降解系数,降解系数 k不但与温度、湖库的水文条件、溶解氧等因素有关,还与湖泊的污染程度有关。现行的较可靠的确定方法是水团追踪法,其他方法有实测资料反推法、类比法、经验估值法、分析借用法。此次计算降解系数的选取采用经验估值法。考虑到水布垭库区的污染物主要为有机类污染物,清江平、枯水期的水质状况较好,经参阅国内同类水库的研究成果,对温度进行校正并采取保守取值,COD降解系数取值 0.21(1/d),NH3-N取值 0.12(1/d),同样方法,进行保守取值,确定水布垭库区 RN、RP分别为 0.66(1/a)、0.65(1/a)。

3 环境容量计算结果

3.1 理论水环境容量预测结果

在确定了水布垭库区水环境容量模型和水域功能分区环境质量标准限值后,计算得出水布垭库区的有效环境容量分别为:COD 58782.8t/a,NH3-N 1598.8t/a,TN 2763.5t/a,TP 1381.8t/a,结果见表2。

3.2 有效水环境容量预测结果

水环境容量是一个相对理论指标,指在满足水质控制目标的条件下,整个水域所能容纳的污染物的能力。河流或水库的环境容量是以一定设计保证率为基础的,设计保证率越低,水质目标破坏的可能性也越大,对水质而言就越不安全。而保证率确定过高也会造成对环境容量的浪费,不利于合理利用河流的水环境容量。同时按多年的平均流量计算出的环境容量在年内与年际的变化很大,要全部利用该环境容量也是不可能的。可见,流域有效环境容量的确定是重要而复杂的问题,与河流的流域特性、社会经济发展水平、水文条件、水资源利用状况等诸因素有关。因此,实际应用中为简化起见,通常采取理论环境容量乘以有效系数的方法计算有效环境容量。经研究比较,本次计算中取 0.85作为有效系数计算。清江流域的有效水环境容量预测结果见表 2。

表 2 水布垭库区有效水环境容量预测结果 (t/a)

4 讨论

(1)水环境容量的计算是以水质数学模型为手段,水质数学模型的建立必须进行系统的研究,水质数学模型的参数取值结果直接决定了模型的准确性,决定了容量计算结果的准确性。影响水布垭库区环境容量计算结果的主要因素有库区的平均流量、平均库容。

(2)在不同设计流量下其水环境容量的计算结果不同,用近 10a最枯月平均流量明显偏小,结果趋于保守。但考虑到水环境、水资源的持续利用,也就是说在最枯时保证水体质量符合目标值,是完全必要的。

(3)水布垭建库时间不长,库区相关水文参数还有待进一步完善更新,部分数据的不确定性对环境容量的计算结果有一定影响。

(4)有效环境容量折算系数的选择主要参考国内同类水库以及清江流域以往的研究成果,其取值采用经验估值的方法相对比较简单且可靠。

[1]恩施州州志,1988.

[2]张永良,洪继华,夏青,等 .我国水环境容量研究与展望 [J].环境科学研究,1988,1(1).

[3]张永良,刘培哲.水环境容量综合手册 [M].北京:清华大学出版社,1991.

[4]中国环境规划院.全国地表水水环境容量核定技术复核要点[R].2004.

[5]中国环境规划院.全国水环境容量核定技术指南 [R].2003.

Water Environmental Capacity Calculation of Shuibuya Reservoir in Qingjiang River

WANG Kang,CAO Jun,CHEN Hong-bing,LU Jin-deng
(College of Resource and Environment of Hubei University,Wuhan Hubei 430062 China)

The theoretical water environmental capacity of Shuibuya reservoir in Qingjiang river is calculated with the model based on the routine monitoring data and water functional plan.The results show that the water environmental capacity of each index is COD of 58782.8t/a and NH3-N of 1598.8t/a and TN of 2763.5t/a and TP of 1381.8 t/a respectively.And the available water environmental capacity is COD of 45715.4t/a and NH3-N of 1359t/a and TN of 1174.5t/a and TP of 2349 t/a respectively.

water quality model; theoretical environmental capacity; available environmental capacity;Shuibuya reservoir

X52

A

1673-9655(2010)01-0057-03

2009-07-10