某新建小(1)型水源地水库水环境评价中水质预测分析
2021-07-15赵建民
赵建民
(河北省沧州水文水资源勘测局，河北 沧州 061000)
1 水资源质量评价
新建小(1)型水源地水库所在流域水资源相对丰富，但由于水资源时空分布不均，年内分配变化剧烈，同时流域内缺少骨干调蓄工程，已建的水利工程规模较小、标准较低，在5月～8月灌溉高峰期，人畜饮水、农业灌溉供用水矛盾突出，常常出现供水不足的现象，对居民生产生活及农牧业发展造成较大损失，严重威胁居民生产生活，迫切需要新建小(1)型规模以上的水库进行调蓄，拟建小(1)型水库坝址下游有11个自然村2153户1.126万人，现状情况下该部分居民生产生活用水取自流域内现状引水枢纽，由于缺乏调蓄设施，供水保证率极低，抗旱压力较大。拟建小(1)型水库工程任务是解决下游农村生活供水及周边农业灌溉供水问题。水库建成后设计年供水量为290万m3，可满足下游村庄生活饮用水和下游灌区灌溉用水，现对该水库水资源质量进行评价分析，以确保水库水质满足农村生活用水和农业灌溉的要求。
2016年9月对该水源地水库坝址处所取2组水样进行检测，根据检测结果可知本次水样水质检测结果按照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)作评价标准，该水库水样所检测项目分析达到Ⅰ～Ⅲ类水标准，水质为Ⅲ类。水库的建设任务是“农村水源地供水和农田灌溉供水”，根据《农村水源地饮用水水质标准》的相关规定，水库现状水质符合农村人畜饮用水和农灌供水对水质的要求[1]，水库水质检测结果见表1。
表1 水库水质监测结果 单位： mg/L
2 富营养化评价
根据《水利水电建设项目水资源论证导则》条文说明第6.3.2的规定“评价水域存在富营养化问题时，应选择总磷、总氮、高锰酸盐等控制参数进行分析[2]，并定量说明富营养化程度”。湖泊水库富营养化评价采用指数评分(TLlc)定级法。当TLlc≤30时为贫营养；30
表2 水库坝址现状水质营养状态评价表
3 规划水平年水质预测
3.1 县城污水对该水库水质的影响
3.1.1 污染源分析
水县城污水处理厂位于县城西南方向，占地面积36.11万亩。至2014年底共完成雨污管网建设32.04 km，2015年新建截污管网6 km，现已完成3.81 km。现状污水处理量为4700 m3/d，县城污水收集处理率达到100%。根据《县城总体规划修改》(2013-2030)，排水工程规划采用雨、污分流的排水体制。污水量的计算按给水水量乘污水排放系数确定。规划区污水量最高日为24000×0.8=19200 m3/d。污水处理厂在县城西南方向(已建成)，近期日处理规模为1万m3/d，远期日处理规模为2万m3/d。规划建设中水回收系统，经处理后用于工业生产和绿化浇灌。根据规划建设，以污水处理厂排放污水为点源，预测污水再生利用工程建成后，污水处理厂按远期规模(处理量2万m3/d，排放量1万m3/d)运行工况下污水处理厂排放口至水库所在河道坝址断面的水质分布情况。
3.1.2 污染源负荷
选择化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)两个常规水质因子作为河段评价指标[3]，2018年6月13日对污水处理厂排放污水进行监督性监测，监测结果见表3。
3.1.3 计算工况
(1)现状工况
根据现状污水排放量及污染物浓度，水库所在河道干支流现状水动力及水质情况，计算现状工况下水库坝址的水质情况，与实际监测资料进行对比，验证模型。
(2)预测工况
根据污水处理厂远期排放量及污染物浓度、河道干支流枯水期水动力及水质情况计算最不利条件下水库坝址的水质情况。
表3 污水处理厂监测结果表
3.1.4 水质预测数学模型选择及边界条件设置
该水库所在河道干流流量较小，水位较浅，自上游污水处理厂排放口至下游坝址长约38 km左右，沿程各支流汇入，支流流量最大为0.34 m3/s，流域内无水文监测断面及固定水质监测断面，考虑到干流和各支流特征，采用纵向一维水质数学模型预测水质情况。
(1)纵向一维水质数学模型
一维水质方程为：
(1)
式中：C为水质浓度，mg/L；Q为流量，m3/s；A为过流断面面积，m2；SC为单位水体内的水质源/汇项，包括干支流汇入、污染源加入，mg/(L·s)；DL为弥散系数，m2/s；FC为生化反应项。工农业及生活污染源排放对河流水质的影响在模型源项中计入。
水质模型方程为：
(2)
式中：C为水质浓度，mg/L。
(2)水质因子选择
计算现状丰水期，预测枯水期(最不利条件)共2个工况条件下污水处理厂排放口至水库坝址断面的水质分布。现状丰水期入流水质采用实测监测成果，枯水期由于没有实测资料，入流水质采用达标控制水质(Ⅲ类)情景进行预测分析。选择COD、NH3-N 2个常规水质因子进行预测分析，以水库坝址断面作为典型断面，开展水质达标情况预测分析[4]。
(3)边界条件设定
①现状丰水期
入流水质采用现状浓度值。水库上游起始断面、下游坝址断面及各支流入流断面水质因子浓度采用水质现状监测成果，根据丰水期水质监测成果，COD取10.5 mg/L，NH3-N取0.916 mg/L。
污染源水质采用现状浓度值，污水处理厂排污口按现状排放量取5900 m3/d，水质因子浓度采用水质现状监测成果，COD取23 mg/L，NH3-N取0.97 mg/L。
②枯水期预测
入流水质采用达标控制浓度值。即按《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准限值给定，COD取20 mg/L，NH3-N取1 mg/L。
污染源水质采用现状浓度值。污水处理厂目前执行一级B排放标准，现状工艺处理排放的COD、NH3-N浓度已达到一级A排放标准，再生水利用工程建成后将提升污水处理工艺，COD、NH3-N排放浓度应优于或等同现状浓度。污水处理厂排污口按远期排放量取1万m3/d，水质因子浓度采用水质现状监测成果，COD取23 mg/L，NH3-N取0.97 mg/L。
(4)模型参数选取
河道COD和NH3-N降解系数参考《全国水环境容量核定技术指南》的相关说明，基于偏不利的考虑，COD降解系数取0.2 d-1，NH3-N取0.1 d-1。
(5)水质模型预测
采用HEC-RAS一维水动力学及水质模拟软件计算预测污水处理厂排放口至水库坝址断面的水质分布情况[5]。
3.2 水质计算结果分析
3.2.1 现状丰水期沿程水质计算结果分析
污水处理厂排放口至水库坝址断面现状丰水期的COD、NH3-H浓度沿程分布见图1和图2。由图可见，COD、NH3-H浓度在上游污水处理厂排放口左右突然升高，而后沿程浓度逐渐降低，在有支流汇入的断面COD、NH3-H浓度由于流量的增大而呈现突降，至水库坝址断面COD、NH3-H计算模拟浓度为11.3 mg/L、0.911 mg/L，实测浓度为10.5 mg/L、0.916 mg/L，相对误差分别为7.6%和0.5%，模拟值与实测值相对误差均在10%以内，所建立的水质模型是可靠合理的。
图1 现状丰水期COD浓度沿程分布图
图2 现状丰水期NH3-H浓度沿程分布图
3.2.2 枯水期沿程水质预测结果分析
为污水处理厂排放口至水库坝址断面预测枯水期的COD、NH3-H浓度沿程分布见图3和图4。由图可见，COD、NH3-H浓度在上游污水处理厂排放口左右突然升高，水质劣于Ⅲ类，而后沿程浓度逐渐降低，在有支流汇入的断面COD、NH3-H浓度由于流量的增大而呈现突降，极大改善了水质状况，至水库坝址断面COD、NH3-H预测浓度为19.5 mg/L、0.982 mg/L，满足Ⅲ类水水质要求。平水期和丰水期河流流量增大，流速加快，河流水体更新速度加快，自净能力增强，河流水质较枯水期更优，满足Ⅲ类水水质要求。因此，上游污水处理厂再生水利用工程建成，污水处理厂按远期规模排放污水后，下游水库坝址断面水质满足Ⅲ类水水质要求。
图3 规划年枯水期COD浓度沿程分布图
图4 规划年枯水期NH3-H浓度沿程分布图
4 结论及建议
通过分析计算污水处理厂排放口至水库坝址断面现状丰水期的COD、NH3-H浓度沿程分布情况，并与实测结果进行比对，相对误差小于10%，验证了水质模型的可靠性和合理性。利用验证后的模型预测最不利条件下(枯水期)污水处理厂排放口至水库坝址断面的COD、NH3-H浓度沿程分布情况，水库坝址断面水质满足Ⅲ类水水质要求，水质达标。可满足农村人饮供水和农田灌溉供水要求。水库后期做好各用水户污水处理和排放的管理、监督，对水源保护区面源污染采用了相应的控制措施，鼓励径流区内农民使用有机肥，以减少由于大量使用化肥带来的氮、磷入库量，从而可有效减少河道中氮、磷含量，基本不会改变该水库坝址处水质状况。
