基于溪水库纳污能力的分析

代凯鸥，丁坚平，曹兴民

(贵州大学资源与环境工程学院，贵阳550003)

1 引言

花溪水库作为贵阳市的主要饮用水源地之一承担着防洪、发电、城市供水等重要任务。现在贵阳市的主要水源地中“两湖一库”已经纳入到专门的管理部门进行管理，水源地保护工作得到了加强。而作为城市的重要水源地花溪水库，也应该加强其对环境和水资源的保护。

水体纳污能力是指在水域使用功能不受破坏的条件下，受纳污染物的最大数值［1］。

2 花溪水库流域概况

2.1 花溪水库地理位置

花溪水库原称小鱼梁河水库，建于20世纪50年代末。水库位于清水河上游南明河花溪段，距离花溪城市中心区仅3 km，距贵阳市区20 km。水库上游为松柏山水库。松柏山水库至花溪水库区域跨花溪溪北办事处、贵筑办事处、石板镇、麦坪乡、湖潮苗族布依族乡和党武乡，另有部分流域在平坝县和清镇市境内。

2.2 地质概况

该区地处云贵高原东南部黔中丘原平地区，为溶丘洼地地貌，地势东高西低，海拔高程1 100～1 240 m，呈低丘垅岗地形。

库盆以及枢纽区内大面积分布大冶组薄层灰岩及安顺组灰岩、白云岩，仅冲沟、洼地及河流阶地有厚度不大的第四系地层分布。

2.3 河流水系

花溪水库坝址以上区间主要有冷饭河和车田河等。

车田河属长江流域乌江水系清水河一级支流，海拔高程1 314 m。流域经过红枫湖镇、湖潮镇，在花溪街摆拢入花溪水库。冷饭河发源于平坝县马场镇鸡关哨，由西南流向东北。流经湖潮乡，在上车车田河入车田河。

花溪水库位于南明河的花溪河段，坝址以上流域面积325 km2，河长38.3 km，集水面积139 km2，多年平均流量6.3 m3/s，多年平均径流量1.99亿m3。

2.4 水文气象

花溪属于北亚热带，冬春半干燥夏季湿润型，四季分明，冬暖夏凉。根据花溪气象站历年气象统计资料，多年平均气温14.9℃，最冷为1月平均气温4.9℃，最热为7月平均气温23.2℃，极端最高气温34.7℃，极端最低气温－13.0℃。年平均日照时数1 283.7 h，年平均风速2.2 m/s，全年以S风为多。年平均相对湿度82%，平均无霜期288 d，多年平均降雨量1 190.00 mm，多集中于4～9月。

2.5 区域人口概况

松柏山水库至花溪水库范围内主要涉及贵筑办事处、石板镇、湖潮苗族布依族乡、麦坪乡和党武乡，涉及总人口约43 521人，其中农业人口30 044人，占总人口的69%。

2.6 花溪水库基本概况

花溪水库大坝等级为三等二级，设计洪水标准为100 a一遇设计，1 000 a一遇校核。水库库容系数为0.12，具有季调节性能。坝址控制流域面积325 km2，多年平均径流量6.3 m3/s，多年平均径流量1.99亿m3，水库以供水为主，兼有发电、灌溉、养殖等综合效益［2］。

2.7 库区污染调查

2.7.1 城镇生活污水

花溪水库库区内城镇人口为13 477人。花溪水库库区城镇人均生活污水量为100 L/d·人，经估算，花溪水库库区城镇生活污水排放量53.13万m3。污染物中化学需氧量为246 t/a;氨氮为16 t/a;总氮31 t/a;总磷6 t/a。

2.7.2 农村生活污水

于农村缺乏有效的排水措施，生活污水排放到村落沟渠中，污水下渗而污染物在沟渠中大量累积，在较大的降雨径流冲刷作用下，这些污染物大多进入河流沟渠系统向受纳水体运移。故生活污水中污染物排放系数采用以下数据进行估算:化学需氧量:50 g/d·人，氨氮:3.2 g/d·人，总氮6.4 g/d·人，总磷:1.3 g/d·人。

由此估算花溪水库库区农村生活废水产生量为60.31万m3，其中化学需氧量为548.30 t/a，氨氮为35.09 t/a，总氮为70.18 t/a，总磷为14.26 t/a。

2.7.3 农业污染源

面源污染主要是花溪水库库区周围的农业生产施用的化肥、农药等。近年来，花溪水库的水质基本满足城市供水要求，但是部分污染物出现超标迹象，主要原因是水库库区周围居民生活污水未经有效处理直接排入河中，河流周边农田施肥和农药的大量使用。根据统计，花溪水库库区内农用化肥施用总量为7 016 t，其中氮肥2 948 t，磷肥2 363 t，钾肥428 t，复合肥943 t，农药使用量61 t。

2.7.4 牲畜粪便

牲畜主要是按照分散式养殖方式进行养殖，据调查估算，2006年花溪水库库区牲畜污水排放量为2.54万m3。排放的污染物中总氮1 202 t，总磷7.74 t，化学需氧量263.9 t，氨氮163.4 t。

3 水库纳污能力

3.1 入库支流纳污能力计算

花溪水库主要污染物为生活及农业面源污染，主要的污染问题是富营养化，因此确定以总磷和总氮为水库纳污能力计算主要污染指标，且按照Ⅱ类水质标准进行计算。

松柏山水库至花溪水库区间流域主要有车田河、冷饭河，根据尽量在平直且没有支流汇入的河道选取采样点的原则对流域区间进行采样点布设如图1。

图1 花溪水库区间采样检测点布设图

入库支流采用一维模型进行纳污能力计算，公式为下:

式中:Cx为流经x距离后的污染物浓度，mg/L;C0为初始断面的污染物浓度，取污染物的实测值mg/L;x为沿河段的纵向距离即上下监测断面的距离(按照无万分之一图量绘而得)，m;u为设计流量下河道断面的平均流速(按照设计流量和实测断面面积确定，设计流量按90%最枯月平均流量确定)，m/s;k为污染物综合衰减系数，1/s;

其中k值的计算公式:

相应的水域纳污能力:

式中:M为纳污能力，g/s;Qp为废污水排放流量(由于现状废污水排放流量均在设计条件的河流流量中，因此取0)，m3/s;Q为初始断面的入流流量，m3/s;Cs为水质目标浓度值，mg/L。

综上所述，花溪水库入库主要支流纳污能力见表2。

表2 花溪水库区间主要支流纳污能力计算

3.2 水库纳污能力

结合花溪水库的主要污染物是磷和氮，采用富营养化模型和湖(库)非分层模型对水库纳污能力进行计算。

3.2.1 富营养化纳污能力计算

由于花溪水库存在一定的富营养化问题，因此利用富营养化纳污能力计算公式对湖(库)中的氮、磷水域纳污能力进行计算。

计算公式采用狄龙模型，为:

式中:P为湖(库)中氮、磷的平均浓度，g/m3;Lp为年湖(库)氮、磷单位面积负荷，g/m2·a;β为水力冲刷系数，β=Qa/V，1/a;其中Qa为湖(库)年出流水量，m3/a;Rp为氮、磷在湖(库)中的滞留系数，1/a;W出为年出湖(库)的氮、磷量，t/a;W入为年入湖(库)的氮、磷量，t/a;其余符号意义同前。

湖(库)中氮或磷的水域纳污能力计算:

式中:MN为氮或磷的水域纳污能力，t/a;Ls为单位湖(库)水面积，氮或磷的水域纳污能力，mg/m2·a;A为湖(库)水面积，m2;hp为湖库平均水深，m;Qa为湖库年出流水量，m3/a;Ps为湖(库)中磷(氮)的年平均控制浓度，以地表水二类标准值作为控制值，g/m3;其余符号意义同前。

2008年9月22日对花溪水库水深分段进行实地测量，实测水位1 138.12 m，依据图2花溪水库坝前平均水位及河底高程中断面图以及图3花溪水库库尾至坝前水深变化图，经计算花溪水库近10 a的最枯月平均水位为1 128.05 m，在此水位下，水库平均水深6.25 m。

图2 花溪水库坝前平均水位及河底高程纵断面图

图－3 花溪水库库尾至坝前水深变化图

根据公式6及7计算花溪水库富营养纳污能力见表2。

表2 花溪水库富营养纳污能力计算成果表

3.2.2 花溪水库主要污染削减量

根据上述水库纳污能力计算结果，结合花溪水库的水质监测资料和水库在95%保证率情况下的来水，分析确定水库的污染物削减量，见表3。

表3 水库削减量计算结果(95%来水情况下) t·a

4 结论及建议

1)现状条件下区域水资源条件好，但安全性不够高解决好花溪水库的水资源问题对贵阳市供水意义重大。

2)花溪水库的污染主要是面源污染。

区间主要污染源集中于流域内羊艾农场、湖潮乡政府所在地和石板镇，目前水库及支流的污染指标是总氮，从总氮超标看，除水库区间外，松柏山水库下总氮超标最大，是水库流域中总氮的主要来源之一。

3)花溪水库及其支流纳污能力有限，主要污染物总氮的纳污能力为零。

根据对主要支流的纳污能力分析表明，各主要支流的纳污能力有限，以总氮未分析指标时，则纳污能力已经为零，总体纳污能力受总氮影响，花溪水库纳污能力总氮未49.87 t/a，但目前的入库量已经远远超过此量反映出水库水质总氮超标，年需削减总氮排放量为233.53t。

综上所述，对花溪水库的保护要求有如下建议:

1)加强对流域面源污染的生态综合治理。

2)调整区域内产业结构，加强流域的节水灌溉建设。

3)加强流域的水资源管理，在库区及水库以下河段禁止新建设取水口。

4)加快松柏山水库的水源保护区的划定、功能调整和统一调度。

5)加强水环境监测。

［1］王彦红.水体纳污能力计算中各参数的分析与确定［J］.山西水利科技.2007(164):55－57.

［2］周立本.花溪水库渗漏处理设计与施工［J］.中南水力发电.2002(1):30－33.