汾河水库水环境承载能力研究

刘 娜

（山西省水文水资源勘测局，山西 太原 030001）

1 承载能力概念

目前，我国约有25%的饮用水源地为湖泊或者水库。然而，随着氮磷等营养物质的不断排入，水体富营养化已经成为湖库面临的主要问题之一，严重威胁着当地群众的饮水安全。通过计算湖库的承载能力，合理控制氮、磷入库排放总量，对维护饮水安全、改善水质具有十分重要的意义。

承载力是指某一环境条件下，某种生物个体可存活的最大数量。水环境承载能力是承载力概念与水环境领域的自然结合。目前，国内外学者对水环境承载能力有不同角度的界定。彭静等[1]认为，水环境承载能力是在某一时期、某种状态或条件下，某地区水环境所能承受的人类活动作用的阈值。郭怀成等[2]认为，水环境承载能力是指某一地区、某一时间、某种状态下水环境对经济发展和生活需求的支持能力。李清龙等[3]认为，水环境承载力是指在水环境系统的自我维持、自我调节能力正常的情况下，水环境系统的承纳能力及其可维系的社会经济活动强度和具有一定生活水平的人口数量或最大规模。崔树彬[4]认为，水环境承载能力即水环境容量。汪恕诚[5]认为，水环境承载能力是在一定的水域，其水体能够被继续使用并仍能保持良好生态系统时所能够容纳污水及污染物的最大能力。综合以上观点，从水资源管理的角度出发，笔者认为水环境承载能力为满足水域功能要求的同时，在给定的水功能区水质目标值、设计水文条件及排污方式下，水功能区水体所能容纳的最大污染物量。

2 承载能力计算

2.1 汾河水库概况

汾河水库位于太原市娄烦县境内的汾河干流上，南北长15km，东西宽5km，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾发电、养殖的大（二）型水利枢纽，水库控制流域面积5268km2，总库容7.23亿m3，是山西省最大的水库。水库在1960年开始为下游汾河灌区供水，并由汾河灌区为农业和太钢、一电厂供水。20世纪90年代后，开始为西山矿务局的古交和太钢尖山铁矿供水。2003年11月，引黄入并工程正式建成并向太原市供水后，汾河水库又成为山西省最大的饮用水源地。水库建成50年来累计供水135亿m3，为太原市、晋中市和吕梁市等地的工农业生产做出了巨大贡献。为加强汾河水库的保护，《山西省水功能区划》将汾河静乐至汾河水库段划分为汾河娄烦静乐饮用农业用水区，水功能区类型为饮用水源区，水质保护目标为Ⅱ类。

汾河水库主要接纳汾河干流、娄烦河以及岚河来水。近年来，随着静乐县、宁武县、娄烦县等县区工业废水和生活污水排放量的不断增加，汾河水库出现了一定程度的富营养化趋势，20世纪呈中营养，2001年转化为轻度富营养，2004年后虽略有好转但处于中营养与轻度富营养的临界状态，营养状态评分值多在45～55分之间，其中总氮贡献最大，多为60分以上，总磷和高锰酸盐指数次之，多在50分以下。因此，从严核定汾河水库氮磷营养物质的水环境容量，严格控制入库排污总量是防止库区水质恶化、水体富营养化以及保护饮用水供水安全的重要措施之一。

2.2 计算模型

根据《水域纳污能力计算规程》，湖泊、水库中氮或磷的水域纳污能力计算可采用狄龙模型，表示为：其中：M为湖库总氮、总磷的纳污能N力，Ps为湖库中氮或磷的年平均控制浓度，hp为湖库平均水深，Qa为湖库年出流水量为氮、磷在湖库中的滞留系数，V为湖库容积，A为湖库水面积，W出为年出湖库的氮、磷量，W入为年入湖库的氮、磷量。

2.3 设计条件确定

从狄龙模型可以看出，水库容积、年入库水量、出库水量、平均水深、年入库氮、磷量和年出库氮、磷量等都是计算水库氮、磷纳污能力的主要因子，因此各因子的选择应具有代表性和一致性。

汾河水库氮、磷纳污能力计算采用90%和75%保证率枯水年平均水位相应的年蓄水量、年入库水量、出库水量和平均水深。汾河水库上游汾河干流、岚河、娄烦河支流末端入库水质控制目标根据《山西省水功能区划》中确定的水质目标确定。其中汾河水库上游汾河干流末端属于汾河静乐娄烦饮用农业用水区，水质保护目标为Ⅱ类，因此汾河干流入库末端总氮控制浓度取《地表水环境质量标准》中河流Ⅱ类标准限值0.5mg/L，总磷取0.1mg/L；岚河与娄烦河入库末端分别属于岚河岚县农业用水区和娄烦河娄烦源头水保护区，水质保护目标均为Ⅲ类，因此入库末端总氮控制浓度取《地表水环境质量标准》中河流Ⅲ类标准限值1.0mg/L，总磷取0.2mg/L。

根据水体的流动性和连续性，出库总氮、总磷浓度应与水库控制目标浓度值一致，即《地表水环境质量标准》中湖库Ⅱ类标准限值，总氮取0.5mg/L，总磷取0.025mg/L。

3 纳污能力计算

根据设计流量和氮、磷控制浓度，90%保证率枯水年平均水位时汾河水库总氮纳污能力即最大允许入库量为56.9t/a，总磷为10.4t/a，其中汾河干流、岚河、娄烦河各河流末端总氮最大允许入库量为4.9～42.1t/a，总磷为0.66～8.42t/a。75%保证率枯水年平均水位时汾河水库总氮纳污能力为82.0t/a，总磷为16.4t/a，各河流末端总氮最大允许入库量为5.4～52.4t/a，总磷为 1.08～10.48t/a。

不同保证率下汾河干流允许入库氮、磷总量均最大，占汾河水库允许入库总量的63.9%～80.9%；其次是岚河，允许入库量占汾河水库允许入库总量的12.7%～29.5%；娄烦河最小，允许入库量仅占汾河水库允许入库总量的6%～8%。75%保证率下汾河水库总氮纳污能力较90%保证率下提高了44.1%，总磷纳污能力提高了57.7%。可见湖库水环境对污染物具有稀释自净功能，水库蓄水量越大，滞留系数越小，湖库对污染物的稀释自净能力就越大。

根据山西省水环境监测中心监测成果可以估算，2010年汾河水库总氮入库量约为450t/a，总磷约为18t/a，分别为90%保证率下允许入库总量的7.9倍和1.7倍，为避免水体富营养化，严格控制汾河水库上游支流氮、磷入库量非常必要。

4 结语

本文采用狄龙模型定量分析了不同保证率下汾河水库总氮、总磷的水环境承载能力，通过研究可以得到以下结论：

第一，满足汾河水库水质控制目标。汾河水库在90%保证率枯水年平均水位时汾河水库总氮水环境承载能力为56.9t/a，总磷为10.4t/a；75%保证率枯水年平均水位时汾河水库总氮水环境承载能力为82.0t/a，总磷为 16.4t/a。

第二，在相同水质控制目标下，水环境承载能力与水环境的量有很大联系。随着水库蓄水量、来水量以及出水量的增加，水库的水环境承载能力也不同程度的增加。

第三，由于河流和湖库的总磷水质标准值不同，如入库河流末端水质控制目标采用湖库水质类别标准限值，则河流允许入库污染物总量偏小，不利于汾河水库污染物入库总量控制方案的制定；如水库水质控制目标与河流一致，则水库总磷浓度超标，不利于水源地的水体保护。本文对入库河流末端水质控制目标和水库水质控制目标分别对待，可以更好地解决湖库与河流标准值不统一的矛盾，且更合理。

[1] 彭静，李翀.广义水环境承载理论与评价方法[M].北京：中国水利水电出版社，2006：80-81.

[2] 郭怀成，徐云麟，洪志明，等.我国新经济开发区水环境规划研究[J].环境科学进展，1994，2（6）:87-89.

[3] 李清龙，王路光，张焕祯，等.水环境承载力理论研究与展望[J].地理与地理信息科学，2004，2（1）:87-89.

[4] 崔树彬.论河流水环境承载能力及其应用[J].水问题论坛，2003，38（1）:32-39.

[5] 汪恕诚.水环境承载能力分析与调控 [J].水利发展研究，2002，1:2-6.