山美水库流域纳污能力计算

郭小斌

（福建省泉州市山美水库管理处，福建 泉州362000）

1 引言

山美水库位于福建省泉州市西北部，即南安市九都镇山美村。水库处于晋江东溪中游，是一座集供水、灌溉、防洪和发电等功能为一体的综合性大（Ⅱ）型水利枢纽工程，总库容6.55亿 m3，调节库容4.53亿 m3，集水面积1023km2，占东溪流域的53.4%，多年平均径流量14亿m3（4.17亿m3为龙门滩跨流域引水）。其中，桃溪和湖洋溪是山美水库流域内现有的主要入库河流，肩负着山美水库上游供水的主要任务，也是污染物汇入水库的主要源头。

2 流域水环境现状

根据多年山美水库流域水质监测及流域污染情况调查资料显示，山美水库流域的污染源主要由工业、城镇与农村生活污水、城镇径流、农村生活垃圾、畜禽养殖和农田径流等外源污染源及水库底泥释放N污染因子为主的内源污染源构成。以2010年为计算代表年份，经统计汇总，该年份山美水库流域（桃溪、湖洋溪、山美库区）受纳周边乡镇污染物排放量COD为5452t，氨氮为728t，总磷为180t，总氮为1150t。

3 流域纳污能力计算

3.1 纳污能力概念

水环境纳污能力是指在保持水环境功能用途的前提下，受纳水体所能承受的最大污染物排放量。影响水体纳污能力的因素很多，概括起来主要有以下4个方面：水域特征、环境功能要求、污染物性质、排污方式。

3.2 纳污能力计算方法

3.2.1 基于零维水质模型的河流水环境纳污能力计算模型

按照污染物降解机理，水环境纳污能力即水环境容量可划分为稀释容量、自净容量和输移容量3部分。在零维状态下，可忽略污染物弥散、扩散作用。因此，水体纳污能力主要由自净容量和稀释容量两部分组成，其计算公式如下：

式中，W为水环境容量；Q0、C0为进口断面的入流流量和水质浓度；CS为该水体的水质目标浓度；V为水体体积；K为水质降解系数。

3.2.2 基于一维水质模型的河流水环境纳污能力计算模型

对宽深比不大的河流，污染物能在较短河段内在断面上混合均匀，污染物浓度横向变化不大，可用一维水质模型模拟污染物沿河流纵向的输移过程。基于一维水质模型的水环境纳污能力计算公式如下：

公式中：W为纳污能力（t／a）、u流速（m／s）、CS为水质目标浓度、k为降解系数、x为河长（m）、Q0为上游来水流量（m3／s）、C0为上游来水水质（m3／s）。

3.2.3 排污口概化

计算中，将相近的多个排污口简化成集中的排污口，排污口概化的重心计算如下：

公式中：X为概化的排污口到功能区划下断面或控制断面的距离；Qi为第i个排污口的水量；Xi为第i个排污口到功能区划下断面的距离；Ci为第i个排污口的污染物浓度。

3.2.4 不均匀系数求取

由于污染物质很难在水体中达到完全均匀混合，故对于上述公式计算出来的水环境容量值要进行不均匀系数订正，一般河流越宽、不均匀系数越小；水面面积越大，不均匀系数越小。根据相关研究成果[1]，一般性河流的不均匀系数取值范围见表1。

表1 一般性河流的不均匀系数取值范围

3.2.5 水质降解系数

根据研究区域情况选择COD、氨氮、总氮和总磷为控制指标。参考国内外水质降解系数的研究成果和《福建省主要河流典型水域纳污能力研究》，并根据区域的具体情况，确定水体中COD、氨氮、总氮和总磷的降解系数，其中COD降解系数为0.12～0.18／d、氨氮降解系数为0.10～0.15／d、总磷降解系数为0.08～0.13／d、总氮降解系数为0.10～0.15／d。

3.2.6 计算原则

为加强山美水库水源地保护，山美水库库区水域不进行纳污能力计算。对于没有径流量的水环境功能区或河流，不进行本水域的纳污能力计算，但是将该排污河道作为下游功能区划水域的支流进行处理，要满足下游水环境功能区划要求。根据水源地保护管理规定，在取水口附近应设置保护区。在本次纳污能力计算中，对于保护区不进行纳污能力计算，规定每个水源地不进行纳污能力计算的范围为上下游1km。水文设计条件取90%保证率的典型年进行计算。为保证桃溪和湖洋溪汇合处的控制断面满足水环境功能要求，桃溪东平～东关段水域不考虑其纳污能力。

3.3 设计水文条件确定

根据山美水库流域内山美水库、嵩山、锦溪、蓬壶、延清、达中、大卿、天马、永春、湖洋、黄栏、紫美、洋上、外山、外碧和东关等16个雨量站1973～2008年降雨资料，选取雨量站长序列降雨资料进行统计分析，其中：1991年山美水库流域的设计保证率为91.89%，综合考虑其他因素，最终确定1991年的枯水保证率为90%。

3.4 流域水功能区划

水功能区划按照福建省人民政府确定的分类系统执行，分为一级区划和二级区划。

山美水库流域一级功能区划可划分为：桃溪永春保留区（源头－蓬壶镇）、桃溪永春开发利用区（蓬壶镇－东平镇）、桃溪永春缓冲区（东平镇－东美）、湖洋溪永春保护区（源头－永春第二自来水厂取水口上游1000m－永春第二自来水厂取水口下游100m－山美水库坝址）。其中桃溪永春保留区、桃溪永春开发利用区、桃溪永春缓冲区水质现状为Ⅳ，水质目标为Ⅱ；湖洋溪永春保护区水质现状Ⅱ，水质目标为Ⅱ。

二级功能区划可划分为：桃溪永春农业用水区（蓬壶镇－达埔镇）、桃溪永春饮用水源区（达埔镇－永春县自来水厂上游1000m）、水源地保护区（永春县自来水厂上游1000m－永春县自来水厂下游100m）、桃溪永春工业用水区（永春县自来水厂下游100m－东平镇）。其中，桃溪永春农业用水区、桃溪永春饮用水源区、桃溪永春工业用水区水质现状为Ⅳ，水质目标为Ⅲ；水源地保护区水质现状Ⅲ，水质目标为Ⅱ。

4 计算结果分析

4.1 纳污能力计算结果

根据上述纳污能力计算方法、设计水文条件和水环境功能区划等条件，计算得到山美水库流域主要河道的纳污能力，计算结果详见表2。

表2 山美水库流域主要河道纳污能力计算结果

由表1可知，桃溪水体COD、氨氮、总氮和总磷的纳污能力分别为1811.89t／年、115.15t／年、120.75t／年和22.70t／年；湖洋溪水体COD、氨氮、总氮和总磷的纳污 能 力 分 别 为 768.98t／年、33.75t／年、35.71t／年 和7.19t／年。

4.2 剩余纳污能力计算结果

根据桃溪和湖洋溪污染物入河量以及水体纳污能力的计算结果，即可计算其水体剩余纳污能力。其中，桃溪水体剩余纳污能力计算结果：COD为－2802.04（t／年）、氨氮为－521.56（t／年）、总氮为－1009.8（t／年）、总磷为－135.93（t／年）；湖洋溪水体剩余纳污能力计算结果：COD为267.53（t／年）、氨氮为－31.84、总氮为－79.63（t／年）、总磷为－8.38（t／年）。

根据剩余纳污能力计算结果可以看出，桃溪和湖洋溪沿岸污染物入河量已超过其纳污能力，为满足山美水库流域水环境功能要求，必须对流域内污染物排放量进行削减，重点削减桃溪和湖洋溪沿岸以及山美水库库区周围污染物排放量。

根据流域内污染源特点及流域剩余纳污能力，建议采取工程与非工程措施相结合、源头控制、中间过程控制和末端处理的方法削减污染物入库污染负荷，即在污染源治理的基础上，为进一步提高入库水体水质，进行流域水环境整治和水体净化与生态工程建设，使入库河流和水库水质明显好转，流域生态环境明显改善，形成良好的生态系统，提高水源地饮用水保障能力，持续提高流域总体环境质量。

[1]姚国金，逄 勇.水环境容量计算中不均匀系数求解方法的探讨[J].人民珠江，2002（2）.

[2]胡锋平，侯 娟，罗健文，等.赣江南昌段污染负荷及水环境容量分析[J].环境科学与技术，2010（12）.

[3]黄真理，李玉粱，李锦秀，等.三峡水库水环境容量计算[J].水利学报，2004（3）.

[4]唐海滨，吴振斌，梁 威.水环境容量及其水质模型研究进展[J].安徽农业科学，2012（17）.

[5]逄 勇，周 静，张文佳.江苏省太湖流域水环境容量计算研究[C]／／中国环境科学学会.2009年学术年会论文集（第一卷）.北京：中国环境出版社，2009.