面向生态的太子河流域水质水量联合调控研究

李　伟，李　趋

(辽宁省水利水电科学研究院，沈阳 110003)



面向生态的太子河流域水质水量联合调控研究

李伟，李趋

(辽宁省水利水电科学研究院，沈阳 110003)

摘要：基于辽河流域河流生态需水量估算研究成果，提出了农业和生态用水耦合利用的河段水库群与闸坝联合调度模型，并制定了研究河段水质水量联合调控方案；调度方案在研究河段的有效实施，使干流水质得到改善，达到Ⅳ类水质标准；通过分析计算，当环境可利用水量为水4倍时，水质改善最为明显。

关键词：水质改善；水质水量；联合调度；太子河；调控方案

1研究区域概况

太子河位于辽河下游以东，全长413 km，流域呈东西方向，面积1.39 万 km2，其中山地占69%，平原占24.9%，丘陵占6.1%，是典型的山溪型河流。太子河流域降雨量年内分配极不均匀，主要集中在6—9月，约占全年的71.4%，河道平均封冻期约80～100 d。干流上建有观音阁和葠窝两座大型水库，两座水库之间河段(观—葠河段)长约80 km，平均坡降1.26‰，为了保持本溪城市生态景观水位，河道上相继修建了12座拦河闸坝，研究河段如图1所示。河段上游污染源少，水质好，满足II类水质标准，中下游工业企业较多，污废水通过管道或沟渠集中排放，河流污染严重，研究区域出口监测断面水质达到劣V类。葠窝水库长期受上游城市污废水影响，水体只能用于农业灌溉，养殖功能基本丧失。

研究河段水环境宏观上受制于流域层面的水资源配置，机制上受制于观音阁水库-葠窝水库联合调度，微观上受拦河闸坝控制运用方式影响。为充分发挥水利工程的水量调控作用，改善中下游河段水质，开展面向生态的流域水质水量联合调控研究是十分必要的。

图1研究河段1示意图

2辽河流域河流生态需水量估算

在综合考虑流域水文、地形地貌、植被分布、生态水文分区等多项流域特征的基础上，叠加了污染源分布的影响，研究确定了流域特征分区与水功能分区相结合的生态需水分区；提出了适应于高度人工调控，生态环境用水及经济社会用水双重约束河流的，以水质改善为目标的河道内生态需水估算方法；给出了全流域17个生态需水估算分区各主要断面逐月河道内生态需水流量结果。太子河、浑河及辽河干流年生态需水量分别为7.81 亿 m3、5.53 亿 m3和6.43 亿 m3，流域总生态需水量为19.77 亿 m3。各主要断面生态流量占该断面多年平均流量的10%～25%。总生态需水量大于《辽宁省水资源综合规划》中确定的16.56 亿 m3，具有实际可调配性。

3水质水量联合调控研究

3.1水库群联合调度研究

在分析观音阁、葠窝水库工业、生活、农业用水，蒸发、渗漏水量损失，实际调度过程，水库区间排污情况的基础上，确定水库区间环境可利用水量，制定观音阁(关门山、三道河水库)、葠窝水库基于水质改善的库群联合调度方案。

观音阁—葠窝水库区间本溪以上河段的污染源少，水质相对较好。因此，当观音阁水库至本溪区间流域来水量丰沛时，可以为下游河道提供环境可利用水量。受观音阁—本溪区间流域面源污染的影响，观音阁—本溪区间来水不能全部作为环境可利用水量。枯水期河流来水偏少，水环境质量较差，区间水量满足自身水质要求，不考虑该时期对区间水量的利用；对于丰水期7—9月份区间流域水质较好，可作为下游河流的环境利用水量。由于环境可利用水量难以具体量化，因此分别采用不同的区间利用率进行计算。

对观音阁—本溪区间流域丰水期的环境水量进行利用后，下游河段的水环境质量改善比较明显。当区间水量利用率为20%时，下游水环境容量的改善程度最为明显。因此，观音阁—本溪区间来水可作为下游河道环境用水的水量取20%，这样对水质改善的评价也留有一定余地。

通过分析计算，当环境可利用水量为污水4倍时，水质改善最为明显。环境可利用水量取4倍污水量；观音阁水库在满足防洪安全及各方用水户用水量的前提下，农灌期满负荷发电，提供除区间以外的环境可利用水量；关门山和三道河水库服从观音阁水库的调度，在观音阁水库泄流设备维护时提供各方用水。其他时期按自身要求调度。

水库群联合调度模拟方案与水库常规调度方案比较：①除冰冻期外，枯水期年平均增加水量1.1×108m3，较同期实际出库水量2.1×108m3增加了52%。特征污染物COD的平均浓度从30mg/L降至21.3mg/L，降低了29%，改善效果比较显著；②3、4月份河流开化时期的水质从最初的Ⅴ类或劣Ⅴ类水改善至Ⅲ类水，满足葠窝水库的水功能区划要求。9—11月份的水质由Ⅳ～Ⅴ类水改善为Ⅳ类水，虽未满足水质要求，但平均浓度为22.3mg/L，接近于Ⅲ类水质的标准；③观音阁水库5—8月份在保证水库防洪安全前提下，减少出库水量，并未对水质造成较大的影响，COD平均浓度由16.2 mg/L变为18.7 mg/L，仍维持在Ⅲ类水质。

3.2闸坝联合调度研究

研究河段河道宽而浅，蓄水容量小，在排污集中河段，小堡闸、姚家闸、溪湖闸、彩屯闸、团山子闸五闸共同承担汛期末拦截部分洪水的功能。根据水情预报，在汛末期拦蓄水库下泄水量(出库水质Ⅱ类)达到闸坝蓄水容量，多拦蓄的水量用于增加汛后枯水期河道流量。汛后期五闸逐级均匀下泄，其他7座闸坝按照正常的过闸水位流量关系过流。

汛期末排污集中河段闸坝总计多拦蓄水量约130 万 m3，使河道汛后枯水期河道日平均流量达到38 m3/s，较河道原流量增加近40%。经过闸坝联合调度方案实施的模拟实验，葠窝水库入库控制断面枯水期污染物NH3-N平均浓度为3.05 mg/L，降低了11%，其中9-12月为2.89mg/L，降低了 20%，但是仍为劣Ⅴ类水。

由此可见，实施闸坝调度，通过将汛末期的洪水拦蓄下来，在枯水期均匀下泄，提高了下游河段的流量；闸坝调度发挥了较大的动力作用，水流流速增大，使枯水期部分时段的水质得到了改善。但是在3、4月份，河道水位低，水量少，不能够通过闸坝对有限水量的调度有效改善污染河段水质，河道此时的水质状况是由河道有限的水量与沿河排污口排污量所控制的，要使闸坝调度发挥更大的作用，必须将河道上游观音阁水库调度纳入总体调度方案中，利用观音阁水库较大的水量调节作用增大河道枯水期流量。

3.3水质水量联合调控

最终确定在保证生活、工业用水的条件下，最大程度的将兴利用水和生态用水重复利用，优化水库年内水量调度过程，增加枯水期下泄流量的水库调度方案，和汛末期蓄丰补枯的闸坝调度方案，同时考虑排污口控源的耦合方案，可使河段污染物浓度控制在水功能区的水质目标之内。

通过总体方案模拟，观音阁水库枯水期平均增加下泄水量约1.1 亿 m3，较同期实际出库水量增加了52%，满足了各断面最小生态流量需求。枯水期入葠窝水库NH3-N平均浓度降为1.22mg/L，各水功能区水质达标。

4调度方案实施

调度组织管理方式如图2所示

图2　调度组织管理流程图

在控制污染源的前提下，通过水质水量联合调控方案的实施，研究河段2011年与2006年相比，流量提高29%以上，葠窝水库入库断面白石砬子COD浓度和氨氮浓度下降了22%以上，实现了水质改善的效果。

5结论

流域水质水量联合调控方案在研究河段的实施，使研究河段水质得到明显改善。研究成果应用于辽宁省涉及水行政管理的多个部门，为辽宁省水资源保护和河流水质改善提供了水量保障条件。流域水质水量联合调控技术推广应用，在研究流域提前实现了“十二五”期间Ⅳ类水质目标，为辽河重度污染流域的“摘帽”提供了泄放生态用水的技术指导和科学依据，并为其他流域水质改善提供了经验。

参考文献：

[1]辽宁省水利厅，辽宁省水资源[M]，沈阳：辽宁科学技术出版社，2006.

[2]李国强、张士杰、彭文启、谭红武，太子河流域河道内生态需水分区及估算研究[J]，中国水利水电科学研究院学报，2011,9(1)，9-15.

Study on Water Quality and Water Quantity Joint Regulation of Taizi River Basin Oriented to Ecology

LI Wei and LI Qu

(Liaoning Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Science Research Institute，Shenyang 110003，China)

Abstract：The joint regulation model of reservoir group，gate and dam in the river section，in which agricultural and ecological water used in coupling，was put forth based on the research results of ecological water demand estimation for the rivers in Liaohe river basin，and the joint regulation scheme to research water quality and water quantity of river sections was worked out in the paper.Effective implement of the river sections is researched in the regulation scheme to improve water quality of the main stream，reaching the standard of Ⅳ，through analysis and calculation，it shows that water quality may be improved most markedly when available water quantity is 4 times of polluted water.

Key words：water quality improvement；water quality and water quantity；joint operation；Taizi River；regulation scheme

文章编号：1007-7596(2016)04-0099-03

[收稿日期]2016-01-28

[基金项目]国家水体污染控制与治理科技重大专项“辽河流域水质水量优化调配技术及示范研究(2009ZX07208-010)”课题

中图分类号：TV213

文献标识码：B

[作者简介]李伟(1981-)，男，河北玉田人，研究生(工学博士)，副所长、高级工程师，从水资源及防洪减灾研究；李趋(1965-)，男，辽宁盘锦人，教授级高级工程师，从事水资源调度研究工作。