基于水质评价下禾叉坑水库水功能区净污方案优化分析研究

张家松

(江门市科禹水利规划设计咨询有限公司，广东 江门 529000)

1 概 述

河道、水库等集水区域水质状态是水利功能完全发挥的重要保障，也体现了地区水环境生态体系的健康状态[1-2]，研究集水区净污方案，有助于提升对水库等水功能区水处理技术水平[3-4]，进而从源头保障水质健康。李尧等[5]、汤虹等[6]、王天金等[7]采用水质监测手段，对集水区内水质进行监测分析，获得不同影响因素下水质特征参数演变特征，从而为水质处理提供基础依据。刘佳嘉等[8]、卢亚峰等[9]、热汗古丽·依米提[10]利用监测预警与模拟分析平台，研究水功能区在长期运营过程中水质状态，及时预判水质倾向富营养化前兆，为水质净化处理提供判断参考。水质模型是研究水动力学重要理论，基于水动力学理论设计不同净污方案[10-12]，可较高效获得不同状态下净污方案对水质影响特征，从而评价方案的利弊性，为水质净化处理方案设计提供佐证。本文根据禾叉坑水库水功能区现状，设计3种不同净污方案，研究各净污方案下水质特征参数与富营养化特征，为该水功能区净水处理提供参考。

2 水功能区净污方案分析

2.1 工程概况

禾叉坑水库位于开平市，是该地区重要灌溉、防洪、排涝、发电及供水的重要水利枢纽工程，设计死库容为6×104m3，流域内共有大中小型水闸20余座。其中，设计过闸流量最大为120 m3/s，位于禾叉坑水库东侧，地区年径流量为202×104m3，闸顶高程为105.6 m，采用多孔式泄流设计，单孔净宽为2.2 m，采用弧型钢闸门作为过闸控制设施，闸门后设置有支臂式压杆支撑系统，有效降低禾叉坑水库上游水力冲刷作用，设计防洪标准为50年一遇，其与水库东西侧干堤组成禾叉坑水库防洪枢纽。水库溢洪道设置在南侧，坝顶高程为108.6m，设置有宽尾墩与阶梯式溢流面，每个尾墩厚度为1.2m，采用锚索支护结构，保障溢流段进水口处水工结构静动力稳定性；另一方面，可有效降低水能，共有26级阶梯，每级阶梯宽度为12.6 mm，监测数据表明阶梯式溢流坝面最大紊动能可达3.6 m2/s2，有效减能消冲，减轻下游消力池消能压力，池内设置有多个消能坎，每个坎高为0.6～0.8 m，坝面与池内掺空气腔长度适宜，有助于气液二相流分布，有利于溢流水工建筑物安全稳定运营。防洪干堤是重要防洪枢纽，堤内设置有多个防渗墙与防浪墙，特别是在溢流段及泄洪段，有效降低堤坝受动水压力影响[13]，监测表明堤坝内渗透坡降最大不超过0.26，静水压强不超过150 kPa，防渗效果及渗流活动均处于较佳状态，禾叉坑水库所在位置见图1。禾叉坑水库作为开平市重要水资源供应站，其乃是一级水功能区，以饮用水为主导，另外每年向工业用水供应超过300×104m3，上游河流有集水面积超过215 km2的址山河，平均坡降3.35‰，是水库重要集水来源。鉴于禾叉坑水库枢纽工程水利设施众多，工作运营稳定性均较佳，且该集水面作为重要水功能区，针对其污染源开展有效净污，对提升禾叉坑水库水功能区在开平市整个水资源开发区的作用性具有重要意义。

图1 禾叉坑水库所在位置卫星图

2.2 净污方案分析

根据现场调查情况，禾叉坑水库面源污染主要是速生桉种植，结合Google卫星图粗略量算得到，禾叉坑水库集雨面积内目前速生桉树种植面积约46.667 hm2。而禾叉坑水库点源污染主要为水库库区内的畜禽养殖且水库库区担负养殖。根据现场调查，虽然禾叉坑水库已清拆部分养殖场，但现状水库库区内仍有畜禽养殖场1家，养殖肉鹅，养殖规模约为2 000只，养殖废水直排进入水库。针对禾叉坑水库水功能区点源与面源污染现状，结合水功能区净污处理的需求性与成本，共设计3种净污方案：①控源净污：从点源、面源污染着手，控制养殖场规模，减少桉树种植量30%，并建立污水处理厂，禁止相关工业污染水流入水功能区，计划净污成本2 000万元。②湿地净水技术：建立活水流动区，以活水与污水糅合净化，降低水质中污染量，同样建立污水处理厂，总计划成本为1 850万元。③生态修复净污：构建水生态体系，逐步形成多样化生物系统，降低人类活动对水质影响，以生态链净化水质，总净污成本需2 100万元[14-15]。本文拟对以上3种方案开展水功能区净污效果评价，以水质特征及富营养化作为评价体系，从而确定最优净污方案。

3 水质特征参数评价分析

基于对不同净污方案分析，利用SWMM水质模型开展水质特征评价[16-17]，在禾叉坑水库平面上分别布设S1-S8共8个水质参数计算点，各特征点断面间距为300 m，特征点所在位置断面见图2。

图2 水质监测点分布图

3.1 净污后水质特征

基于对不同净污方案后现状年的水质特征计算，以水质中典型3个化学污染物参数作为评价依据，获得禾叉坑水库8个水质计算断面上污染物参数分布特征，见图3。从图3中可知，3个方案的净污效果在各断面上化学污染物的分布具有差异性，1#、2#净污方案的TP浓度演化具有相似性，但区别点主要在于TP浓度量值；随监测断面距离增大，1#、2#方案中水库TP浓度为先减后增变化，均以S4断面上浓度为最低，分别为0.028、0.11 mg/L，2#方案中断面S6、S8处的TP浓度较浓度最低值增长91.4%、182.7%，在该两净污方案中TP浓度在S1-S4断面上，TP浓度平均降幅为50.9%、26.8%；而在断面S4与S8上TP浓度平均增幅分别为97.6%、29.9%，特别是在S8断面上，TP浓度达最大，该两方案中TP浓度最低、最高幅度变化分别可达9.4倍和1.8倍。与前两方案有所差异的是，3#方案在水库各断面上TP浓度均为最高，且随监测断面距离增大，TP浓度持续为递增，平均增幅为5.4%，表明3#方案净污后水质效果弱于1#、2#方案。

3个方案中各断面上的氨氮含量变化特征基本一致，随监测断面持续增长，在S6断面出现小幅回落，1#-3#方案中断面S6处达到氨氮峰值含量，分别为1.64、1.45和2.06 mg/L，而在断面S8上氨氮含量较前者分别减少11.2%、6.8%和11.3%，在断面S1至S6上，3个净污方案中氨氮含量的平均增幅可达19.1%、17.5%和12.5%，特别以1#方案净污后的水质氨氮含量变化影响敏感度为最大。从氨氮含量的变化可知，各净污方案对水质净化效果均较佳，1#、2#方案中各断面上氨氮含量差幅分布为4.6%～22.8%，而3#方案与2#方案差异可达31.1%～72.9%，以1#、2#方案为最优。

COD含量是评价水质状态的重要化学污染物参数，根据3个净污方案水质净化效果，计算获得各断面上COD含量分布特征。从图3(c)可看出，1#、3#方案中各断面上的COD含量随断面为先增后减变化，以水库中心断面S4、S5为含量最高，此两方案中COD峰值含量分别可达7.79、9.4 mg/L，而在该中心断面前特征断面S1-S5或S4上，1#、3#方案中COD含量的平均增幅可达52%、38.9%，特别是在特征断面S4至S8上为递减态势，平均降幅为19.1%、11.1%，COD含量最低为1#断面。2#方案各断面上COD含量持续递增，仅在断面S7上稍有回落，整体COD含量水平分布较大，达6.4～13.88 mg/L，而1#、3#方案中COD含量较前者分别具有差幅39.2%～70.4%、27.2%～56.4%，以1#方案中COD含量分布显著最低。从COD含量影响水质状态可知，经水质净化后，1#、3#净污方案水质属于较优状态，净污效果较佳。

图3 各断面水质化学特征参数变化特征

3.2 多年水质演化特征

由于禾叉坑水库水功能区净污后，其很长时间将作为地区重要水资源供应区，保障规划年水资源水质状态，是净污方案有效性的重要评价参考。基于规划年水资源配置，并引入水质特征参数综合系数Q，该系数计算方法如下：

Q=E1*E2*E3

(1)

式中：E1、E2、E3分别为水质TP分布、氨氮含量、COD含量特征系数。

本文计算获得8个监测断面上在规划年2025、2030年综合系数变化特征，见图4。

图4 水质评价参数Q在各断面上变化关系

从图4中可看出，两规划年中1#-3#方案中水质综合评价系数Q在各断面上均为递减态势，规划年2025年，1#方案中S1断面上水质评价系数为5.43，而在S3、S5、S8断面上水质评价系数Q较前者分别减少23.9%、32.3%和35.4%，平均各断面上水质评价系数降低5.9%，而在2#、3#方案中评价系数Q平均降幅分别为4%、4.4%，即在水资源规划年中，1#净污方案产生的水质净化效果显著强于2#、3#方案。当规划年为2030年时，1#-3#方案中评价系数Q平均降幅分别为17.5%、6.2%和6.6%，其中1#方案在两规划年中均具有较低降幅，水质净化效果影响“延伸”性较长。各方案中水质评价系数较规划年2025年均有所降低，但以2#、3#方案中评价系数Q降幅最小，分别为32.7%～42.5%、26.5%～37.6%，1#净污方案中水质评价系数在各断面上降幅分布可达47.6%～80.3%，表明虽经多年运营，但1#方案对水质净化影响效果较远，有助于长期稳定水功能区水质状态。

4 水质富营养化特征评价

水质富营养化是污水的重要体现，研究水质富营养化特征有助于评判各净污方案净水效果。依据模型计算与营养状态指数计算(式(2))，获得禾叉坑水库水功能区各断面上水质营养状态参数，见图5。

图5 水质营养化参数变化关系

(2)

式中：EI为营养状态指数；En为评价项目赋分值，包括有水质COD含量项目、溶解氧项目、植物分布量项目及微生物分布等项目；N为评价项目个数。

从图5中可知，规划年2025年中1#-3#方案中水质营养状态指数在各断面上均为U形曲线，以水功能区中间断面S4-S6上营养状态指数较低，富营养化较弱，而在功能区两侧均有较高的营养状态指数，具有显著富营养化。1#方案在2025年营养状态指数分布为30.23～34.87，而2#、3#方案中各断面上的营养状态指数较前者分别增长12.8%～15.2%、20.2%～25.3%，这也印证了1#方案对水质富营养化进程的抑制作用。在规划年2030年1#-3#方案中水质营养状态指数在各断面变化趋势上仍为U形曲线，但量值相比2025年有所提升，特别是2#、3#方案中水功能区断面上营养状态指数增长最大可达38.7%、39.8%；而1#方案较2#、3#方案各断面营养状态指数均有显著降低，幅度平均分布在14.6%、20.7%。从水质营养状态指数计算结果可知，1#净污方案不仅有利于控制水质污染，对规划年水质富营养化抑制作用亦较强，且综合成本相比其他方案适中，故本文认为1#控源净污方案为最佳。

5 结 论

1) 1#、2#方案中水库TP浓度均以S4断面为最低，两方案中TP浓度最低、最高幅度变化分别可达9.4倍、1.8倍，3#方案水库TP浓度最高；1#-3#方案氨氮含量的平均增幅可达19.1%、17.5%和12.5%，1#-2#、3#-2#方案断面上氨氮含量差幅分布为4.6%～22.8%、31.1%～72.9%；1#方案中COD含量分布最低，2#方案各断面上COD含量递增，分布达6.4～13.88 mg/L。

2) 规划年2025年1#-3#方案中水质综合评价系数Q在各断面上均为递减，各方案中评价系数Q平均降幅分别为5.9%、4%和4.4%；规划年2030年水质评价系数较2025年有所降低，1#-3#方案降幅分别可达47.6%～80.3%、32.7%～42.5%和26.5%～37.6%。

3) 水质营养状态指数在各断面上均为U形曲线，以中间断面S4-S6上营养状态指数较低；规划年2030年相比2025年营养状态指数增长，2#、3#方案中最大增幅可达38.7%、39.8%，1#方案营养状态指数较2#、3#方案的平均降幅分别为14.6%、20.7%。

4) 综合水质特征与营养化特征，1#控源净污方案有助于水功能区水质净化，且影响水质较长远，为最优设计方案。