人工湖库对地表水环境容量的影响研究——以南充市西充县九龙潭水库为例

翟庆伟,赵文艳,许小芳,杨 霞,郑 颖

(四川省生态环境科学研究院，成都 610041)

引 言

流域水环境容量是环境容量的重要组成部分，是容量总量控制技术体系的核心内容。随着工业化进程加速，我国水环境污染日趋严重，其根本原因是排放至水体的污染物量大于水环境容量，超出了水体自净能力[1～3]。中国水环境管理体系从浓度控制、目标总量控制逐步转变为容量总量控制，以满足流域水环境质量目标管理与水环境功能区纳污红线管理要求。水环境容量在环境工程领域通常被定义为在不影响水资源正常用途的情况下，水体所能容纳污染物的量或自身调节净化并保持生态平衡的能力。应用研究中水环境容量是指特定研究区域或流域内，在给定的水质目标和设计水量、水文条件下，水体所能容纳污染物的最大量，又称为纳污能力。通常包括水体对污染物的稀释容量、水体对污染物的迁移容量及水体对污染物的净化容量三部分构成。

上世纪60年代，日本为改善水和大气环境质量状况，首次提出污染物排放总量控制问题，国内外针对总量控制问题相继开展了大量研究[4～6]，研究内容集中于水环境容量核算及分配方面，主要包括排污总量核算[7-8]、水环境模拟与预测[9-10]、总量分配指标筛选[11]、分配原则及方法优化[12-13]等。其中，针对水环境容量核算，除采用传统的零维、一维水质模型外[5,14]，资产水资源估算水环境容量[15-16]及地理信息模型方法核算水环境容量[17～19]等方法也多用于水环境容量研究。

1 研究概况与方法

1.1 研究概况

1.1.1 区域概况

研究区位于南充市西充县晋城区境内，水库位于西充县城至南充方向2.5km处的晋城镇五村龙门桥，离国道212线约150m，坝址地理坐标为东经105°55′04″，北纬30°59′15″。研究区位于川中盆地的浅丘地区，地处嘉陵江、涪江的脊骨地带，属中丘地区，境内地势略呈斗笠形，西北高、东南低，由西北向东南缓倾，山脉呈南北走向，地形为丘陵地状、属沟谷纵横的浅丘地貌。研究区内河流属嘉陵江水系，大多都是源短水缺，河流平缓，西充县内水资源总量90 437万m3，径流量28 603万m3/年，河流径流量小，水资源匮乏，城区无大的河流经过。九龙潭水库是升钟水库灌区西南分干渠上的一座中型囤蓄水库，其主要功能任务为供水和灌溉。九龙潭水库2011年开工建设，2015年完工并试蓄水，2017年初作为西充县县城及多扶镇饮用水水源地。水库建成前后，研究区水文形势发生变化，水环境控制单元及水质功能区发生改变。本文基于以上背景，通过现场调查及资料分析，根据西充县九龙潭水库成库前后的水文、水质及污染源分布状况，研究水环境容量变化情况具体典型意义。

1.1.2 污染源概况

研究区污染源主要包括生活污染源(包括城镇生活污染与农村生活污染)、农业污染源(包括农田径流污染与养殖业污染)和乡镇径流污染源。研究区内无工业企业，因此不存在工业污染源和矿山径流污染源。

1.2 水环境核算方法

1.2.1 控制单元划分

水库建成前，研究区域划分为2个控制单元。(1)西南分干渠控制单元：主要功能为农业灌溉并兼顾饮用水供给功能，地表水环境执行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ级标准。因干渠建于近山脊处，本研究不考虑汇水影响，水环境容量只考虑河流本身水环境容量。(2)共兴斗渠控制单元：九龙潭水库成库前所在河流为共兴斗渠，地表水环境执行Ⅲ级标准。水域范围与成库后水库区域基本一致，以保证成库前后研究区来水边界、库周污染负荷等条件相同。见图中上图。

图 成库前后控制单元划分Fig. Control unit division before and after storage

水库建成后，研究区域划分为2个控制单元。(1)西南分干渠控制单元：水域范围与成库前西南分干渠水域范围相同，主要功能及地表水环境执行标准不变。(2)九龙潭水库控制单元：作为南充市应急备用水源，主要功能为供给饮水和灌溉，根据集中式生活饮用水地表水环境要求，应执行Ⅱ级标准。见图中下图。

1.2.2 水环境容量核算模型

1.2.2.1 河流水环境容量模型

本研究中西南分干渠来水为动态河流，故进行水环境容量计算时采用动态水环境容量模型进行计算。根据西南分干渠的水流特点，选择一维水环境容量模型进行水环境容量的计算，其计算公式如下：

Wi=86.4Qi(Csi-C0i)+0.001KiViCsi

(1)

式中，Wi为第i河段剩余水环境容量，kg/d；Qi为第i河段设计流量，m3/s；CSi为第i河段所处功能区水质目标值，mg/L；C0i为第i河段上方河段当前水质，mg/L；Ki为第i河段污染物降解系数，1/d；Vi为第i河段设计水体体积，m3。

1.2.2.2 湖库水环境容量模型

由于九龙潭水库属于中小型水库，故采用湖库均匀混合模型计算COD及氨氮容量，其计算公式如下：

Wc=31.54(QCs+KCsV/86400)

(2)

式中，Wc为水环境容量，t/a；Q为平衡时流入与流出湖库的流量，m3/s；Cs为流入湖库的水量中水质组分浓度，mg/L；C为湖泊中水质组分浓度，mg/L；

K是一级反应速率常数，1/d。

当流入和流出湖库的水量平衡时，小型湖库的水环境容量按下式计算：

W=(Cs-C0)V

(3)

式中，W为小型湖库水环境容量，kg/d，CS为研究湖库所处功能区水质目标值，mg/L；C0为湖库指标当前水质，mg/L；V为湖库正常水位下设计水体体积，m3。

污染物平均浓度按下式计算：

(4)

式中：Kh为中间变量，1/s；Ch为湖库现状污染物浓度，mg/L；m0为湖库入流污染物排放速率，g/s；V为设计水文条件下的湖库容积，m3；QL为湖库出流量，m3/s；t为计算时段长，s；C(t)为计算时段t内额污染物浓度，mg/L；其余符号意义同前。

1.2.2.3 参数选择

根据2013年中国环科院编制的《成都市水环境容量测算及总量分配研究》(中国环境科学研究院，2013)，通过类比法确定岷江及沱江流域综合衰减系数K的值如表1所示。

表1 流域降解系数确定值Tab.1 Determinated value of watershed degradation coefficient (1/d)

对于九龙潭水库流域，采用类比法，选取沱江流域的综合衰减系数K经验值进行水环境容量计算。

2 结果与分析

2.1 水环境容量计算

根据河流水环境容量核算模型结果得出，在成库前后，西南分干渠的COD水环境容量分别为1 721.24t/a和1 737.49t/a；氨氮水环境容量分别为553.68t/a和561.14t/a。成库前后水环境容量变化差异不大。

成库前共兴斗渠控制单元水质较差，COD和NH3-N均不能达到Ⅲ类标准限值，不具备水环境容量。成库后，九龙潭水库作为饮用水水源地，水质较好，虽然水质要求由原河流Ⅲ类提升为湖库Ⅱ类，但水库中COD、NH3-N等指标基本满足Ⅱ类标准限值要求，具备水环境容量。根据湖库水环境容量核算模型结果得出，COD水环境容量为27.925t/a，氨氮水环境容量为4.3395t/a。

2.2 污染源变化

乡镇生活废水排放量主要受人口增长影响，乡镇径流污染源主要与乡镇面积有关，成库前后区域内人口和行政区划面积差异不大，因此污染源变化不大。成库前后区域内农田面积基本无变化，农业生产结构及化肥农药强度均未发生较大改变，因此农田径流污染源未发生较大变化。水库建成后，多扶河区域(即水库库址处)附近农户被迁出，成库后农村生活污染源较成库前农村生活污染源减少。成库前，研究区内的一户集中养殖企业，因其被划归到九龙潭备用水源二级保护区后被依法取缔。因此，成库后研究区域内的农村生活污染源及养殖业污染源较成库前减少。总体来看，研究区在水库建成后主要污染源较水库建成前减少。

2.3 水质变化

成库前西南分干渠的水质状况较好，COD、氨氮等指标满足Ⅲ类标准限值要求。如表2所示，成库后西南分干渠的各项水质指标均满足Ⅲ类标准限值要求。西南分干渠在成库前后水质状况未发生较大变化，水质指标均达标。

表2 西南分干渠各断面污染物监测平均值*Tab.2 Monitoring average value of pollutants in each section of southwest branch channel (mg/L)

共兴斗渠水质状况较差，如表3所示，COD、BOD5、NH3-N均有不同程度的超标，不能满足Ⅲ类标准限值要求。水库建成后，水环境容量有所增加，九龙潭水库水质较好，如表4所示，COD、NH3-N、TP等指标基本满足Ⅱ类标准限值要求，但依然存在部分污染物超标的情况。

表3 共兴斗渠监测断面污染物监测值*Tab.3 Monitoring value of pollutants in monitoring section of Gongxing Dou channel (mg/L)

表4 2020年九龙潭水库污染物监测月均值*Tab.4 Monthly mean monitoring value of pollutants in Jiulongtan Reservoir in 2020 (mg/L)

3 结 论

3.1 本研究中，水库建设对上游河流控制单元地表水环境容量影响较小。水库区域，成库前，库址所在沟渠水质较差，不具备水环境容量；成库后，水库水质功能区变化，水质较好，具备一定的水环境容量。总体来说，整个研究区地表水环境容量有所增加。

3.2 人工湖库的建设对区域污染源变化存在一定影响。以研究区为例，因水库建设，区域内存在一定量农户搬迁，农村生活污染源随之减少；水库区域被划为备用水源保护区，研究区内集中养殖企业依法取缔，养殖业污染源减少。

3.3 人工湖库建设对区域水质存在一定影响。以研究区为例，水库建成后，区域内污染源排放减少，同时水库作为饮用水水源地，水质要求提升。水库建成前库址所在沟渠水质较差，成库后，水库水质较好，污染物指标基本达到Ⅱ类标准限值。