北方地区前置库规模确定方法的研究——以洋河水库流域为例

陈　平，傅长锋，及晓光，于京要

(1.天津大学建筑工程学院暨港口与海洋工程教育部重点实验室，天津 300072；2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250)

近年来，随着水库流域(水源地)内人口的不断增加，农牧业的迅速发展，以及村社城镇化脚步的加快，流域内人均排污量以及各种农牧业污染物的排放量也不断增加，大量农药、化肥、牲畜粪便、垃圾、工矿业污染物等进入库区，致使水库水质不断恶化，水体富营养化现象日趋严重，甚至出现水华爆发等现象，严重影响水库供水安全[1-4]。

前置库技术作为一种新型生态污水净化处理工艺，抑制主库中藻类过渡繁殖，减缓富营养化进程，改善水质[5]。国内外关于前置库的研究很多，主要集中在前置库对水质净化效果及模型计算等方面[6-9]。而对于前置库容积规模确定方法的研究甚少。目前，在前置库设计过程中，如何确定前置库库容设计规模，使入库径流中的污染物能被有效去除，获得污水处理与资源化的最佳效益，是持续有效改进前置库去污效果的一种技术。因此，前置库容积的确定对流域水环境治理至关重要。

为了克服现有技术中前置库库容规模确定的困难，以及前置库的净化功能与河流的行洪功能存在的矛盾。本论文根据我国北方干旱半干旱地区年降水量特点，流域内非点源污染物主要由每年汛期头场暴雨洪水携带进入河道系统，由于降雨初期，雨水溶解了空气中的大量酸性气体、汽车尾气、工厂废气等污染性气体，又由于冲刷沥青油毡屋面、沥青混凝土道路、农业用地、畜禽养殖场等，使得头场洪水中含有大量的有机物、病原体、重金属、油脂、悬浮固体等污染物质，因此头场洪水的污染程度较高，通常超过了普通的污水的污染程度[10]。在分析流域污染物总量控制技术的基础上，通过流域内第一场洪水的计算，而完成对前置库规模的确定[11,12]。

1　研究区概况

洋河水库位于秦皇岛市抚宁区大湾子村北，1959年10月兴建，1961年8月建成并投入使用，总库容3.86 亿m3，是一座以防洪为主，兼顾城市供水、灌溉及发电等综合利用任务的大(Ⅱ)型水利枢纽工程。洋河水库流域呈从东北向西南走向的不规则狭长矩形区域，东西长约42.7 km，南北宽约37.7 km，流域覆盖面积755 km2。洋河流域地势东北高西南低，洋河境内较大支流主要有东洋河、西洋河、迷雾河和麻姑营河。

洋河流域属暖温带半湿润大陆性季风型气候，冬寒夏热，四季分明，早晚温差大，极端最高气温39.9 ℃，极端最低气温-24 ℃。洋河流域年平均气温10.2 ℃。全年小于4 ℃约124 d；4 ℃以上至平均气温约48 d，分布于10月下旬至11月中上旬，以及3月下旬至4月上旬；大于平均气温约193 d，其中超过20 ℃的约92 d。封冻期自12月中旬至翌年2月底，长约80 d，冻土层深度0.8～1.2 m。流域位于燕山迎风山区，多年平均降水量750 mm，水量比较充沛，洋河水库以上多年平均径流量1.69 亿m3。全年降水量约80%集中于汛期6-9 月，较大暴雨多出现在7、8月份。

2　研究方法

2.1　数据收集

数据资料主要从洋河水库流域内相关部门收集，主要包括当地气象站、水文站和雨量站历年实测资料，统计部门的社会经济和发展等相关资料等。洋河水库流域的气象数据主要来源于洋河水库水文站、抚宁气象站的1970年到2015年的实测资料。

2.2　计算方法

设计洪水计算方法与流域内的水文资料情况有关，对于有实测资料地区通过流量资料计算设计洪水，在缺乏实测洪水流量资料的情况下，采用暴雨资料推算设计洪水的计算方法。

(1)

(2)

(3)

采用皮尔逊-Ⅲ型曲线进行适线调整统计参数，根据上下游、干支流和邻近流域已有成果进行合理性检查，通过对洪峰和时段洪量系列进行频率分析计算，得到第一场洪水的各频率设计洪峰和时段洪量成果；设计洪水过程线采用放大典型洪水过程线的方法推求，典型洪水过程线选择时需考虑反映洪水特性、对工程运用较不利的洪水，放大典型洪水过程线时，可根据工程和流域的洪水特性选择同频率放大法或同倍比放大法。

(2)无实测资料计算设计洪水方法。对于无实测地区，使用地区暴雨图集(水文手册)进行设计暴雨的计算，设计面雨量通常有直接法和间接法两种，如采用泰森多边形等方法，当流域面积较小(一般不大于50 km2)，可采用设计点雨量替代设计面暴雨量；根据上述设计暴雨成果，采用地区水文手册方法(包括经验公式、推理公式、瞬时单位线等)计算设计洪水。

3　结果与分析

3.1　洋河水库汛期入库头场洪水

根据洋河水库水文站实测1963-2015年入库实测资料，包括历年水库水文要素摘录表、逐日平均水位表和逐日平均流量表等资料，采用水量平衡法，依据洋河水库实测下泄流量及水库蓄水量的变化反推入库洪水对洋河水库历年入库头场洪水过程进行分析，洋河水库入库头场洪水洪峰洪量系列成果见图1。采用矩法估算参数初值，采用P-Ⅲ型曲线进行适线，对洋河水库入库头场洪水洪峰洪量系列进行频率分析计算，各频率设计洪峰洪量见表1。洋河水库入库头场洪水的洪峰均值为125 m3/s、洪量均值为400 万m3。

图1　洋河水库头场洪水洪峰和洪量(1963-2014年)Fig.1 The flood peak and flood volume of the first flood for YangHe reservoir

表1　洋河水库入库头场洪水的洪峰和洪量成果表Tab.1 The result table for the flood peak and flood volume of the first flood for YangHe reservoir

3.2　各个支流入库头场洪水

洋河水库共有4条支流直接入库，鉴于各支流河道均无入库水文测站，选用水文比拟法计算入库支流河道汛期头场洪水洪峰。根据洋河水库不同代表年入库洪量地区组成分析，东洋河占比45%，西洋河占比38%，迷雾河占比9%，麻河占比8%，根据上述比例将该水库各标准头场洪水入库洪量分配到各入库支流河道中。各入库河道头场洪水成果如表2示。

表2　各个河道头场洪水计算成果表Tab.2 The result table for the first flood of each tributary

4条入库河流头场洪水过程线采用同频率放大法。典型洪水过程线是放大的基础，从实测洪水资料中选择典型时，同时应考虑下列条件：①选择峰高量大的洪水过程线，其洪水特征接近于设计条件下的稀遇洪水情况；②要求洪水过程线具有一定的代表性，即它的发生季节、地区组成、洪峰次数、峰量关系等能代表本流域上大洪水的特性。选取2012年洋河水库汛期入库头场洪水过程作为典型。

3.3　前置库规模确定

前置库的主要作用是对上游河道原水进行预处理，净化每年流域内非点源污染物。经分析选择常遇高频(2～5年一遇)的汛期头场洪水水量确定前置库规模，选择稀遇低频洪水水量较大，工程量和投资不经济。

根据2～5年一遇头场洪水调节计算成果，结合实测洋河水库入库支流河道入库口地形条件，在洋河水库永久征地线范围内，考虑土石方挖填平衡不增加弃土弃渣占地等原则，经分析论证前置库容积以能够容纳3年一遇头场雨洪量确定。从表2可以看出，东洋河的头场雨洪量为169 万m3，前置库容积为169 万m3；西洋河的头场雨洪量为144 万m3，前置库容积为144 万m3；迷雾河的头场雨洪量为34 万m3，前置库容积为34 万m3；麻河的头场雨洪量为29 万m3，前置库的容积为29 万m3。

4　结果与讨论

前置库的净化功能与河流的行洪能力往往矛盾，因此如何将二者高效、和谐地结合起来是需要解决的一个热点问题。本论文根据我国北方干旱半干旱地区年降水量特点，流域内非点源污染物主要由每年的年内第一场暴雨产生的洪水携带进入河道系统，在分析流域污染物总量控制技术的基础上，通过流域内第一场洪水的计算，而完成对前置库规模的确定。

以洋河水库流域为例，根据流域各支流入库口地形条件，充分利用河口地形条件加大湿地面积，确保河道污水通过前置库生态湿地净化后再排入水库。选取2012年洋河水库入库头场洪水过程线作为典型。经计算水库前置库以能够容纳3年一遇头场雨洪量为原则。东洋河的头场雨洪量为169 万m3，前置库容积为169 万m3；西洋河的头场雨洪量为144 万m3，前置库容积为144 万m3；迷雾河的头场雨洪量为34 万m3，前置库容积为34 万m3；麻河的头场雨洪量为29 万m3，前置库的容积为29 万m3。

洋河水库4条支流入库口各设置一个前置库生态系统，通过调节来水在前置库区的滞留时间，使径流污水中的泥沙和吸附在泥沙上的污染物质在前置库沉降。利用前置库生态系统，吸收去除水体和底泥中的污染物，使水体得到净化，经前置库湿地净化后的水体再排入水库。有效减少水源地污染物的入库总量，获得污水处理与资源化的最佳效益。

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