乐至县蟠龙河水库泄库水质影响预测及跟踪评估研究

郭明昆 邹俊良 周安澜 杨长军 汤冰冰

（1.四川省生态环境科学研究院，四川 成都 610064；2.四川省环科院科技咨询有限责任公司，四川 成都 610064；3.四川省环保科技工程有限责任公司，四川 成都 610041）

1 引言

乐至县蟠龙河水库位于琼江支流蟠龙河上游，1959 年建成，大坝为均质土坝，是一座以防洪、灌溉为主，兼发电、水产等综合利用的中型水库。蟠龙河水库因安全问题被水利部大坝安全管理中心核准为三类坝，为消除安全隐患，乐至县计划将蟠龙河水库腾空后进行除险加固。蟠龙河水库下游有蟠龙河元坝子、琼江跑马滩、琼江大安3 个国控断面，泄库水质必然对下游国控断面水质产生较大影响。本研究拟开展蟠龙河水库泄水对下游考核断面水质影响的预测研究，以期为流域的水环境管理提供技术参考和决策依据。

2 数据来源与方法

2.1 蟠龙河水库概况

蟠龙河水库属中型水库，距离乐至县城40 km，水库总库容4 080 万m3，正常蓄水位库容2 100 万m3，死库容100 万m3，水库正常蓄水位332.00 m，水库死水位317.43 m。蟠龙河水库多年平均年径流深为230.0 mm，多年平均枯水期（11 月—次年4 月）径流深为22.0 mm；水库多年平均流量1.36 m3/s，多年平均枯水期流量为0.14 m3/s。

2.2 水环境现状数据来源

为全面掌握琼江流域水环境质量状况及蟠龙河水库泄库水质对考核断面水质影响，本研究系统收集了蟠龙河水库、元坝子断面、跑马滩断面、大安断面的水质监测资料，同时在蟠龙河水库入库口、库心、库尾设置了4 个加密监测点，其中，国控断面水质监测数据来自乐至生态环境局提供的四川省监测站上报国家核定数据，监测指标包括水温、pH、悬浮物、溶解氧、CODCr、BOD5、CODMn、NH3-N、TN、TP；采样监测点数据来自资阳市乐至生态环境局提供的第三方监测数据，监测项目包括CODCr，CODMn，NH3-N，TP；泄库跟踪监测数据来自水质自动监测站，采用单因子分析法。按照各监测断面水质要求，断面水质对照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准限值进行评价。

2.3 水质预测模型

对污染物扩散输移预测的有效方法就是通过水质模型进行计算［1］。根据污染物进入水体后沿垂直、纵向、横向的输移和扩散情况，水质预测模型又分为零维、一维、二维、三维模型［2-3］，其中，一维模型是污染物浓度紧随纵向变化，适用于河流长度远大于宽度和深度的情况。本研究中的蟠龙河、琼江计算河段长度远大于河道宽度，属于Q＜150 m3/s 的中小型河段，因此，可采用一维水质模型模拟蟠龙河水库下泄后河流水质变化情况。

在稳态或标准态的情况下，一维水质数学模型为［2，4-5］：

3 结果与分析

3.1 各断面水环境质量状况评价

3.1.1 蟠龙河水库及下游国控断面水环境质量状况评价

根据资阳市乐至生态环境局提供的2021 年1—9 月的常规监测数据，蟠龙河水库1—5 月达到Ⅲ类水质考核标准，6—9 月水质为Ⅳ类，主要超标污染物为COD 和CODMn；2021 年1—9 月元坝子断面达到Ⅲ类水质考核标准的月份仅占44.44%，其中4 月、7—9 月均为Ⅳ类，5 月为Ⅴ类，1—9 月COD 平均值为21.33 mg/L，要实现全年水质达标，元坝子断面在10—12 月COD 平均浓度需小于16 mg/L，水质达标压力较大；跑马滩断面6 月和8 月水质为Ⅳ类，超标因子为COD 和CODMn，其余月份达到Ⅲ类水质考核标准，全年达标压力较小；2021 年1—9 月大安断面有3 个月水质未达标，超标因子为COD，1—9 月COD 平均值为20.13 mg/L，要实现全年水质达标，大安断面在10—12 月COD 平均浓度需小于19.6 mg/L，仍存在一定达标压力。2021 年1—9 月蟠龙河水库及下游国控断面水环境质量状况见图1。

图1 2021 年1—9 月蟠龙河水库及下游国控断面水环境质量状况

3.1.2 蟠龙河水库加密监测水质分析与评价

2021 年8 月21—23 日资阳市乐至生态环境局委托第三方检测公司对入库坝前、库心、主坝及泄洪口进行连续3 d 跟踪监测，根据监测结果，入库坝前水质优于库心、主坝及泄洪口等位置，水库内各点水质NH3-N 和TP 中下层浓度均高于表层水体浓度，而水库内各点COD 和CODMn未呈现出明显差异性，但越靠近水库下游，表层水体水质越优于中下层水体，表面输入的污染物在水库发生了沉降或库内底泥在底层水体向上释放污染物。蟠龙河水库加密监测统计结果见表1。

表1 蟠龙河水库加密监测统计结果mg/L

3.2 水质模型预测及达标影响分析

3.2.1 边界条件

3.2.1.1 水域概化

本研究模型预测的河流概化主要考虑蟠龙河、跑马滩水库及琼江干流，由于跑马滩水库属于河流型水库，水库长12 km、宽120 m，长宽比值为100，在计算污染物扩散时可将其简化为河段。根据河段划分原则及旁侧入流、污染源和常规监测断面位置，对蟠龙河、琼江河道进行简化，如图2 所示。

图2 蟠龙河及琼江河道概化示意

3.2.1.2 控制因子

根据流域水污染现状和水污染物总量控制现状，选择CODCr，NH3-N 和TP 作为模型预测的控制因子。

3.2.1.3 设计水文条件

参考《琼江流域水体达标方案》中琼江流域多年平均流量条件下各计算单元的流量计算成果及河流水文站统计的多年平均流量数据，计算得出流速等参数。多年平均流量下各计算单元水文条件见表2。

表2 多年平均流量下各计算单元设计水文条件

根据乐至县水务局提供的泄水方案，蟠龙河水库将按最大下泄量5.6 m3/s 进行泄水，河道粗糙系数取0.027，最大下泄流量下各断面的河流水文特征见表3。

表3 蟠龙河水库最大下泄流量下各计算单元设计水文条件

3.2.1.4 水质目标

琼江流域主要河流水环境功能类别为Ⅲ类，根据“十四五”水环境考核目标，元坝子、跑马滩、大安3 个国考断面水质目标为Ⅲ类。

3.2.1.5 不同河段污染物浓度值

（1）在多年平均流量情景下，起始河段蟠龙河水库C0值取2021 年1—9 月监测水质浓度的算术平均值，COD，NH3-N，TP 浓度为20.11，0.24，0.065 mg/L；元坝子、跑马滩、大安断面取2021 年1—9 月的四川省环境监测站上报国家的水质数据的算术平均值，其中，元坝子断面COD，NH3-N，TP 浓度分别为21.33，0.08，0.09 mg/L，跑马滩断面COD，NH3-N，TP浓度分别为17.79，0.05，0.03 mg/L，大安断面COD，NH3-N，TP 浓度分别为20.13，0.05，0.10 mg/L。（2）在最大下泄流量条件下，起始河段蟠龙河水库C0值取2021 年8 月21—23 日蟠龙河水库库心、主坝、泄洪口等部位水质的算术平均值，COD，NH3-N，TP 浓度分别为24.17，1.55，0.16 mg/L。

3.2.1.6 降解系数

根据《全国水环境容量核定技术指南》和同类型项目相关研究［6-8］，本研究根据流速确定的降解系数取值见表4。

表4 降解系数相关研究成果

3.2.2 不同情景下模型预测结果

3.2.2.1 多年平均流量条件下外源污染输入负荷核算

选取多年平均流量条件下的各段水文参数，起始河段蟠龙河水库C0值取2021 年1—9 月监测水质浓度的算术平均值，采用河流一维模型计算蟠龙河及琼江干流不同范围河段水质，对计算值与断面实测浓度的差值考虑为施加到河段内的污染负荷。根据计算，元坝子断面河段施加的CODCr，NH3-N，TP 污染物分别为236.031，0.000，2.793 kg/d，跑马滩断面河段施加的CODCr，NH3-N，TP 污染物分别为10 421.52，23.21，16.27 kg/d，大安断面河段施加的CODCr，NH3-N，TP 污染物分别为4 355.61，6.32，53.94 kg/d。多年平均流量下各计算单元主要污染物浓度预测值及外源输入负荷见表5。

3.2.2.2 蟠龙河水库最大泄库流量条件下污染物浓度预测

选取蟠龙河水库最大下泄流量条件下的各段水文参数，起始河段蟠龙河水库C0采用2021 年8 月21—23 日蟠龙河水库库心、主坝、泄洪口等部位水质的算术平均值，采用河流一维模型计算该条件下蟠龙河及琼江干流不同范围河段水质，考虑各河段施加污染负荷后，元坝子断面CODCr，NH3-N，TP 的预测浓度分别为24.12，1.52，0.16 mg/L，跑马滩断面CODCr，NH3-N，TP 的预测浓度分别为18.29，0.68，0.09 mg/L，大安断面CODCr，NH3-N，TP 的预测浓度分别为19.26，0.61，0.13 mg/L。根据预测结果，蟠龙河水库泄库期间，元坝子断面平均水质为地表水Ⅳ类，跑马滩断面、大安断面平均水质能够达到地表水Ⅲ类。蟠龙河水库最大泄库流量下各单元主要污染物浓度预测值见表6。

3.2.2.3 跑马滩及大安断面达标情况下水库泄库水质控制浓度

选取蟠龙河水库最大下泄流量条件下的各段水文参数，采用河流一维模型计算该条件下蟠龙河及琼江干流不同范围河段水质，经计算，当蟠龙河水库泄库尾水日平均浓度CODCr超过28.67 mg/L，或NH3-N超过2.32 mg/L，或TP 超过0.40 mg/L 时，预测跑马滩断面水质不能达标，见表7。

表7 蟠龙河水库最大泄库流量下跑马滩断面不达标初始临界浓度控制值mg/L

当蟠龙河水库泄库尾水日平均浓度CODCr超过26.45 mg/L，或NH3-N 超过2.56 mg/L，或TP超过0.32 mg/L 时，预测大安断面水质超标，见表8。

表8 蟠龙河水库最大泄库流量下大安断面不达标初始临界浓度控制值mg/L

根据表1 实测水质统计，蟠龙河水库泄库期间，元坝子断面不能达到Ⅲ类水的概率为100%，跑马滩、大安断面不能达到Ⅲ类水的概率低于30%。

3.2.2.4 蟠龙河水库泄库输出污染物通量对各断面水质贡献

根据拟定的蟠龙河水库泄水方案，计划从12 月开始泄水，放水历时57 d，不考虑库底清淤等工程额外带来的污染物量，计算得出蟠龙河水库污染物的通量为：CODCr507.57 t，NH3-N 32.55 t，TP 3.36 t，蟠龙河水库泄库污染物输送到元坝子断面的总量为：CODCr496.20 t，NH3-N 32.00 t，TP 3.34 t；跑马滩断面的总量为：CODCr351.09 t，NH3-N 25.12 t，TP 2.81 t；输送到大安断面的总量为：CODCr298.66 t，NH3-N 22.25 t，TP 2.70 t。由于各情景下河流断面主要为COD，TP 偶尔超标，故计算通量时主要考虑COD 和TP 带来的影响，蟠龙河水库泄水带来的污染物在各个断面污染物总量的比例分别为：元坝子断面为70.99%～79.95%，跑马滩断面为29.96%～67.00%，大安断面为24.33%～38.04%。由此可知，蟠龙河水库泄库对下游水质的影响随距离的延长而减小，离水库最近的元坝子断面受影响最大。蟠龙河水库泄库输出污染物通量对各断面水质贡献情况见表9。

表9 蟠龙河水库泄库输出污染物通量对各断面水质贡献情况

3.2.3 水库泄库水质影响跟踪评估研究

2022 年3 月7 日至4 月17 日蟠龙河水库实施了泄库，本研究开展了泄库期间元坝子、跑马滩和大安断面的水质跟踪评估，采用泄库期间元坝子、跑马滩和大安断面的在线监测数据，由于在线监测站没有COD 监测数据，所以采用同为有机污染程度表征的CODMn进行评估，对CODMn，NH3-N，TP 等主要指标作趋势图，见图3。元坝子断面未能达到Ⅲ类水的概率为92.86%，其主要超标因子为CODMn和NH3-N；跑马滩断面和大安断面未能达到Ⅲ类水的概率分别为28.57%，11.90%，主要超标因子均为CODMn。跟踪研究表明，泄库期间实际水质变化与预测概率相符。

图3 蟠龙河水库泄库期间国控断面水质实际情况

4 结论与建议

（1）在蟠龙河水库最大下泄流量的条件下，根据模型预测元坝子断面不能达到Ⅲ类水质的比例为100%，跑马滩和大安断面平均水质能够达到地表水Ⅲ类；当蟠龙河水库泄库尾水日平均浓度CODCr超过28.67 mg/L，或NH3-N 超过2.32 mg/L，或TP 超过0.40 mg/L 时，预测跑马滩断面水质不能达标；当蟠龙河水库泄库尾水日平均浓度CODCr超过26.45 mg/L，或NH3-N 超过2.56 mg/L，或TP 超过0.32 mg/L 时，预测大安断面水质超标，预测跑马滩断面和大安断面不达标的概率低于30%。

（2）预测蟠龙河水库泄库污染物输送至元坝子断面的总量为：CODCr496.20 t，NH3-N 32.00 t，TP 3.34 t；跑马滩断面的总量为：CODCr351.09 t，NH3-N 25.12 t，TP 2.81 t；输送到大安断面的总量为：CODCr298.66 t，NH3-N 22.25 t，TP 2.70 t。因蟠龙河水库泄水带来的污染物在各个断面污染物总量的比例分别为：元坝子断面为70.99%～79.95%，跑马滩断面为29.96%～67.00%，大安断面为24.33%～38.04%。由此可知，蟠龙河水库泄库对下游水质的影响随距离的延长而减小，离水库最近的元坝子断面受影响最大。

（3）对蟠龙河水库泄库期间3 个国控断面水质的跟踪研究发现，下游元坝子断面未能达到Ⅲ类水的概率为92.86%，跑马滩断面未能达到Ⅲ类水的概率为28.57%，大安断面未能达到Ⅲ类水的概率为11.90%，泄库期间实际水质变化与预测结果相符。

（4）建议根据环境监测考核要求在蟠龙河水库上游设置临时替代断面，作为施工期间及蓄水恢复期元坝子断面的替代考核断面；建议在施工期间及蓄水恢复期通过加强上游预警监测及琼江流域水库协同放水调度来降低跑马滩断面、大安断面水质超标的概率；建议加强泄库后蓄水恢复区水生态环境影响研究。