水庫水環境容量管理論文

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環境容量是環境科學的一個基本理論問題，也是環境管理中的一個重要的實際應用問題。在實踐中，環境容量是環境目標管理的基本依據，是環境規劃的主要約束條件，也是污染物總量控制的關鍵技術支持[1,2]。從環境管理、監測與監督的角度出發，水環境容量是指水體在設計水文條件和規定的環境目標下所能容納的最大污染物量[4,3]。

由于長江流量大，水流、地形十分復雜，加上三峽工程修建后水文情勢發生較大變化。三峽工程建成后，對庫區水質的影響一直是公眾十分關心的問題。由于過去在這方面缺乏深入、全面的研究，對水環境容量的影響一直是眾說紛紜。因此，在制定三峽庫區的水污染防治規劃時，往往缺乏完整的水環境容量科學依據。至今為止，尚未對三峽工程建成前、后水環境容量展開深入的研究[4,5]。計算三峽水庫水環境容量，已成為三峽水庫水污染控制、水環境管理與規劃過程中迫切需要解決的關鍵性問題。本文以三峽水庫已經開展的一系列水環境保護研究成果為基礎，根據庫區水體水功能區劃和水質保護目標，擬定水環境容量計算設計方案，研究三峽水庫水環境容量及其沿江分配，為有效控制水體污染，促進三峽庫區水環境與社會經濟的協調發展提供科學合理的依據。

1三峽庫區水環境狀況

1.1庫區江段污染源現狀

1998年，庫區各類污染源進入長江的CODCr81.9萬t，BOD515.1萬t，NH3-N1.6萬t，TN13.9萬t，TP0.9萬t，Oil462t，Φ-OH(酚)112t，TCu3.5t，TCr3.8t。調查研究表明：影響三峽水庫水質的主要因素依次為干支流入庫污染負荷、三個重點城市(重慶主城區、涪陵區和萬州區)排污負荷量。這些主要因素的控制，對庫區水質改善起關鍵作用[6]。

多年污染情況調查資料顯示，庫區江段主要污染物為CODCr,NH3-H等。三峽庫區污染源主要是城市生活污染源、工業污染源和農田徑流[7]。由于庫區江段的社會經濟在空間上形成以重慶主城區、涪陵區、萬州區以及沿江縣城為中心的密集型發展態勢，因而也形成了以沿江城鎮為中心的污染源集中排放區域。1998年庫區工業及城市污水CODCr的年排放量為16.69萬t，其中重慶主城區排污量約占庫區江段排污總量的65%，涪陵區和萬州區分別占排污總量的10％和6.4％，只有18.6％的污染源來自庫區江段的其余城鎮。

1.2庫區江段水質狀況庫區污染物排放總量，與長江徑流量相比較而言較小，因而江段總體水質良好。多年常規水質監測資料統計結果顯示，庫區江段主要水質指標的斷面平均濃度一般低于地表水Ⅱ類標準濃度，僅在排污集中的重慶主城區、涪陵區和萬州區的個別斷面水質綜合評價出現Ⅲ類，在一些大的城市排污口附近，已經出現明顯的岸邊污染帶，局部區域水質污染嚴重，出現了超Ⅳ類、甚至超Ⅴ類的水體，主要污染指標為CODMn、NH3-N等。

由此可見，盡管三峽庫區總體水質良好，但是局部區域水質不容樂觀。

1.3三峽庫區水污染治理狀況

1997～1999年國家計委主持編制了《長江上游水污染整治規劃》，規劃范圍從重慶市巫山縣到四川省宜賓市的長江干流以及嘉陵江、沱江、烏江等主要支流下游地區，規劃總面積12.47萬km2。規劃的重點地區是重慶主城區、萬州、涪陵、瀘州、宜賓、自貢、內江等城市。2001年由國家環保總局主持編制了《三峽庫區及其上游水污染防治規劃(2001～2010年)》，規劃范圍包括三峽庫區和重慶主城區20個區縣市、影響區42個區縣市、上游地區38個地市的214個區縣。規劃總面積79萬km2。《三峽庫區及其上游水污染防治規劃(2001～2010年)》與《長江上游水污染整治規劃》相比，規劃范圍擴大，三峽庫區部分工程項目規劃進度提前。規劃存在的主要問題之一是污染物控制或消減方案與水質保護目標之間沒有輸入響應定量關系，缺乏總量控制的技術支撐。另外，即使從行政管理角度提出了污染物總量(如COD)控制指標，但沒有把總量分配到江段或污染源上。因此，規劃在水環境容量問題上科學依據不夠充分，更沒有考慮建庫后水環境容量的變化問題[7]。

從2002年開始，國家和地方投入巨資，正在按照規劃全面展開三峽庫區及長江上游水污染的治理工

2三峽水庫水環境容量計算條件確定

環境容量的定義，是指水體在一定的規劃設計條件下的最大允許納污量，其大小隨規劃設計目標的變化而變化，反映了特定水體水質保護目標與污染物排放量之間的動態輸入響應關系。因此，為了計算水環境容量，首先必須確定規劃設計條件，包括水功能區劃和水質保護目標、設計水文條件、排污口位置、控制污染物指標和上游來水水質狀況等條件。

作者提出：針對長江的水污染特點，水環境容量計算須分為總體環境容量和岸邊環境容量。總體環境容量是以一維水質模型計算的斷面平均濃度控制的水環境容量；岸邊環境容量是二維水質模型計算的岸邊排污混合區控制情況的水環境容量。

本文以1998年專題調查的庫區污染源和水質狀況代表三峽水庫現狀水質，2010年為水質規劃設計年。用庫區干流朱沱斷面、嘉陵江北碚斷面和烏江的武隆斷面作為三峽水庫上游入庫控制斷面。總體環境容量研究范圍包括長江干流和兩條重要支流嘉陵江和烏江(匯入流量占庫區支流總流量93％的兩條重要支流)，其中，庫區干流從重慶上游的朱沱到三斗坪，全長約730km；嘉陵江從北碚至長江匯流口，全長約60km；烏江從武隆至長江匯流口，全長約68km；庫區內其他江段內的支流將以源匯方式考慮其對水庫水流水質影響。在總體環境容量計算結果的基礎上，岸邊環境容量研究重慶主城區、涪陵城區和萬州城區3個重點城市江段。

水環境容量計算的水質控制指標確定為COD/{Mn/}和NH3N。

2.1水環境容量的計算原則、設計水文條件及水質控制指標

2.1.1計算原則

(1)水庫總體水質保持Ⅱ類。經國家批準的《長江三峽水利樞紐環境影響報告書》中明確指出：水庫建成以后總體水質①應滿足Ⅱ類水標準。考慮三峽水庫的水質現狀以及水體主要功能需求和社會經濟發展程度，庫區重點城市江段(如重慶主城區、涪陵城區和萬州城區)允許局部水域存在Ⅲ類水體。

(2)建庫后水質狀況不能比現狀差。據1998年以前的監測調查，三峽庫區干流江段現狀水質良好，主要污染物控制指標CODMn和NH3-N的斷面平均濃度基本上都低于Ⅱ類水質標準濃度。為能繼續保持水質良好，作者提出：三峽水庫建成以后庫區水質狀況既要滿足功能區確定的水質類別要求，又不能比現狀水質差。現狀水質以1998年斷面平均濃度值為基準。三峽水庫入庫主要水質指標COD、NH3-N均優于Ⅱ類水質標準，因此，計算時上游入庫水質按維持現狀條件設計。

(3)庫區江段CODCr排放總量不能超過38萬t/年，NH3-N不能超過2.96萬t/年。國務院對《長江上游水污染整治規劃》的批復意見②為“到2010年，長江上游干流四川省與重慶市交界斷面和三峽庫區總體水質基本達到國家地表水環境質量Ⅱ類水質標準；長江干流城市江段和主要支流水質要符合國家地表水環境質量Ⅲ類水標準；規劃區城市生活污水、工業廢水的化學需氧量(COD)允許排放量，重慶市和四川省分別控制在38萬t和23萬t以內。”因此，三峽庫區江段CODCr排放總量應控制在38萬t/年以內，并以此作為庫區水環境容量計算的依據。假定以1998年庫區各江段現狀排污量為基礎進行庫區總量分配，按照等比例分配原則分配2010年三峽庫區沿江CODCr允許最大排放量。國務院文件中只提出了CODCr排放總量控制目標，沒有NH3-N。三峽庫區點源污染負荷主要來自城市生活污水，城市生活污水性質相對比較穩定，而且通常NH3-N與CODCr之間存在一定的比例關系。根據三峽庫區1998年實測污染負荷中NH3-N與CODCr的比例以及沿程分布，按照CODCr排放總量控制目標對NH3-N進行同比例控制，折算出三峽庫區沿江2010年NH3-N允許最大排放量為2.96萬t，見表1。

2.1.2設計水文條件

水文條件是決定水環境容量的最重要因素之一，尤其是三峽庫區水文條件年內和年際間變化很大。設計水文條件的確定，反映了水質保護目標的安全系數。根據國內、外水質規劃計算規范、結合三峽庫區江段水文水質特性，從偏于安全考慮，采用90％保證率連續7d最小流量作為水環境容量計算的設計水文條件，簡稱7Q10。同時，為了比較三峽水庫建成前、后庫區環境容量變化，三斗坪水位分別取為相應于7Q10設計流量下的天然河道水位為658m(代表天然河道狀況)以及三峽水庫建成以后的運行調度水位1686m和三峽水庫正常蓄水位175m。

2.1.3水質控制指標

水環境容量計算的水質控制指標為CODMn和NH3-N。在三峽水庫水功能區劃的工作基礎上，圍繞三峽水庫水環境容量計算所需的計算條件，對庫區總體水質（①“總體水質”是一個正式文件使用、具有三峽特色但內涵模糊的概念，對三峽庫區“總體水質”理解各不相同，缺乏公認、明確的定義。本文中的“總體水質”是指以斷面水質平均濃度來評價的水質狀況，“總體水質”對應“總體環境容量”。實際上“岸邊水質”對工農業和人民生活更為有用。三峽庫區沿岸有二十多個大、中、小城市，即使污水達標排放，也存在一定范圍的污染混合區。在用“總體水質”概念來反映三峽水庫宏觀水質狀況的同時，還需要有“岸邊水質”的概念。對大江大河來說，“總體水質”不超標,并不意味著“岸邊水質”不超標。“岸邊水質”對應“岸邊環境容量”。②中華人民共和國國務院9號文件“國務院關于長江上游水污染整治規劃的批復”，1999年1月25日。）和城鎮江段岸邊水質，提出了更具體的水質保護目標。

（1）總體水質保護目標。按照三峽水庫水域功能區劃和容量方案擬定原則的要求，三峽水庫總體水質按地表水水質標準Ⅱ類水控制，允許庫區3個重點城區江段下游一定范圍內岸邊水域按水質標準Ⅲ類水控制，在滿足功能區類別控制的同時，各斷面的控制濃度以現狀水質(1998年)為基準，作為總體環境容量的水質目標的控制條件。三峽水庫水環境容量的水質保護目標與斷面濃度控制見表2。

（2）岸邊水域水質保護目標。岸邊環境容量主要是針對岸邊排污混合區的控制而言的。排污混合區在環境管理中定義為認可的污水排放口附近的允許超標區。

排污混合區允許范圍的規定，涉及水環境的功能區劃、水流條件及排污條件等諸多因素。從國內外的有關資料來看[8]，一般都是采用平面面積及其最大長度和寬度來確定。有的也以相對比值來表示：例如面積為水域表面積或河流橫斷面的百分比；寬度為河寬的百分比；流量為河流流量的百分比等。另外還有一些采用定性或半定量的限定來確定排污混合區的范圍。R.L.Doneker和G.H.Jirka[9]介紹了排污混合區的概念、定義及美國一些州對于混合區范圍的限定，提出了混合區可用長度、橫斷面面積或水體體積來定義。對于河流，美國大部分州規定混合區范圍不超過河流斷面或體積的1/4，有的確定為1/5，在Virginia州僅定義了混合區的長度，在夏季與冬季混合區的長度分別小于平均河寬的1/10或1/5。我國對海域及河口地區的污染混合區允許范圍也有規定，但對河流中污染混合區允許范圍，目前還沒有統一的規定和標準，缺乏可以廣泛應用的定量數據，甚至還難以提供準確的定量計算方法。

按照收集的大量實測資料分析，長江干流上較大的污染混合區范圍，其長度一般都在100～500m之間、寬度在40～200m以內。建庫后的污染混合區的控制標準可以選擇長度、寬度、面積3個參數以及3個參數的組合方案。具體組合方案，必須通過水質模型的反運算，將三峽庫區一些主要排污口分別按混合區長度、寬度和面積控制，分別計算不同控制條件下污染物的最大允許排放量，來確定合理的污染混合區允許范圍。

(3)排污口位置。三峽水庫建成以后，大量城鎮將要搬遷，排污口位置初步按照庫區城鎮1998年現狀位置和規劃設計位置兩種分布方案考慮，以排污口現狀排污量作為水環境容量計算的分配權重，按照污染負荷等比例分配原則將庫區水環境容量分配到各排污口。

2.2水環境容量計算方案

綜合以上多種影響因素，最后確定的三峽水庫水環境容量計算方案見表3。通過對總體環境容量進行多方案計算分析，提出三峽庫區在實際運用中的總體環境容量，在此基礎上，計算庫區岸邊環境容量。

3三峽庫區水環境容量計算

3.1總體環境容量計算

3.1.1計算模型

針對三峽水庫總體水流水質運動特點，開發研制一維非恒定水流水質數學模型，模擬水庫建成前、后的水流水質運動規律。模型充分考慮了三峽水庫建成前、后水流條件巨大變化對庫區水流水質運動特性的影響，水流水質主要模型參數通過實測資料建立了與水流條件相關的經驗關系式，既提高了模型計算精度，又提高模型預測能力[14]。三峽庫區豐水期和枯水期兩個代表性時段長河段水流水質觀測結果[10~13]，驗證了一維水流水質數學模型具有較高的模擬預測精度，可以作為三峽庫區總體環境容量計算的工具。

3.1.2總體環境容量計算

將7Q10設計流量作為三峽入庫流量，三斗坪水位分別取658m、1686m和175m，模擬計算庫區水流狀況，分別代表三峽水庫建成前、后的3種代表性水流狀況。將水庫上游3個入庫斷面控制濃度作為水庫背景水質，設計排污口位置和現狀排污量所占比例作為水環境容量分配權重，利用一維水流水質數學模型計算三峽水庫在設計水質保護目標下最大允許納污量。計算得到不同方案下三峽水庫總體環境容量和沿江段的分配見表4。

3.1.3計算結果分析

采用一維水流水質數學模型計算的三峽水庫建庫前、后的總體水環境容量，模擬結果表明：

(1)三峽水庫建成前，在7Q10設計流量條件下和現狀污染源位置不變情況下，模擬計算的庫區江段CODCr指標的沿程濃度可滿足水域功能區規定的水質目標要求，NH3-N指標在庫區干流和烏江江段滿足水質保護目標要求，但重慶主城區嘉陵江江段NH3N需削減30％負荷量后，才能達到功能區所規定的水質目標；(2)三峽水庫建成以后，隨著水位抬高，水流減緩，污染物在庫區滯留時間的延長，污染物自凈降解總量將比建庫前增大，因而水庫建成以后總體環境容量較建庫前略有增大。從水質偏于安全和實際管理應用角度出發，可選擇三峽庫區運行水位1686m和規劃排污口條件下計算得到的總體水環境容量，即在設計條件下三峽水庫建成以后的總體水環境容量值為CODCr2220萬t/年和NH3-N1。66萬t/年。

3.2岸邊環境容量計算

3.2.1計算模型

以重慶主城區、涪陵區和萬州區江段為重點，針對三峽庫區不同江段排污口和匯流口混合區特點，分別開發研制平面二維k-ε模型和水平分層的三維紊流模型。平面二維k-ε模型用于模擬計算水深比較淺的重慶江段排污口附近混合區范圍，水平分層的三維紊流模型用于水庫建成以后水深比較大的涪陵和萬州段排污口附近混合區范圍。模型在邊界處理和參數選取上進行了深入研究，能夠模擬復雜邊界、自由水面、岸邊排放等大范圍的混合區發展變化。大量實測資料驗證結果表明，建立的兩類數學模型均具有較高的模擬精度，能夠精細模擬預測排污口附近的復雜水流特點和污染混合區范圍[15~25]。

3.2.2局部江段岸邊環境容量計算

岸邊環境容量是在單個排污口混合區計算的基礎上進行的。通過選擇三峽庫區代表性排污口，計算單個排污口的混合區范圍，根據混合區水質保護目標，反推單個排污口最大允許污染負荷排放量。并利用下式計算得到整個江段岸邊污染物最大允許排放量，即局部江段岸邊環境容量：江段岸邊環境容量/江段控制長度=∑排污口最大允許負荷量/∑混合區長度。

3.2.3計算結果分析

（1）在擬定的水質控制目標下，隨著庫水位升高，除少數排污口外，多數排污口的最大允許排污負荷量減少，各江段的岸邊環境容量也隨之減少；（2）按現狀生活污水排放的CODCr和NH3-N的負荷計算，控制三峽庫區污染混合區的水質參數是NH3-N，進行污水處理時，應優先考慮對NH3-N的處理；(3)利用二維和水平三維模型，針對重慶主城區、涪陵城區和萬州城區3個重點城市江段的污染混合區，考慮多種不同的污染混合區控制方案組合進行大量計算，長度按照100m、200m、300m，寬度按照河寬1/10以及面積相同等進行組合計算，最終結果表明：單個污染混合區按照長度100m控制較為恰當。在此基礎上，江段污染混合區長度按照總長度1／10、1／15、1／30進行組合計算，結果表明江段混合區控制在總長度1／30較為恰當。因此，污染混合區的控制指標為混合區長度。推薦三峽水庫污染混合區控制標準為：單個污染混合區控制長度采用100m，江段污染混合區控制長度采用江段總長度的1／30；（4）在同樣混合區水質控制目標下，岸邊環境容量隨庫區水位抬高而呈減小的趨勢。因此從水質偏于安全考慮，建議將175m水位下用長度控制的岸邊水環境容量作為3個重點城區江段的水環境控制容量。見表5。

3.3水環境容量綜合方案

從以上總體和岸邊環境容量計算結果來看，對于總體環境容量，和建庫前相比，長壽江段以下的總體管理環境容量是增加的，而且壩前水位168.6m和175m的環境容量基本相同。對于3個重點城區岸邊環境容量，在限定的排污混合區控制標準下，污染負荷的最大允許排放量，必須進行削減。從水質偏于安全考慮，建議建庫后三峽水庫的3個重點城區城鎮江段水環境容量按照175m水位岸邊環境容量控制，其他江段則按175m水位總體環境容量控制，得出三峽水庫水環境容量綜合方案(見表6)。由表6可見，三峽水庫建庫后水環境容量綜合方案為CODCr16.08萬t/年、NH3-N0.90萬t/年。

4結語

通過本文工作，有以下主要結論：(1)分析了三峽庫區的污染狀況，提出了三峽水庫環境容量的計算原則、設計水文條件和水質保護目標。(2)以CODCr、NH3-N為污染物控制指標，計算了三峽水庫建庫前后的總體環境容量和岸邊環境容量，推薦了三峽水庫水環境容量綜合方案。結果表明：三峽工程建成后，庫區總體環境容量增加，岸邊環境容量減少。(3)三峽水庫建成以后，為了保護好庫區水質，建議對三峽庫區污染負荷按照總體環境容量進行控制的基礎上，對重點城市江段采用岸邊環境容量進行控制。(4)污染混合區的控制指標為混合區長度。推薦三峽水庫污染混合區控制標準為：單個污染混合區控制長度采用100m，江段污染混合區控制長度采用江段總長度的1/30。

在水環境容量研究方面還有一些工作需要進一步開展，如重慶主城區嘉陵江段和涪陵城區烏江段岸邊環境容量的計算；水環境容量分配原則的完善；允許排污負荷從河段再分配到每個污染源或排污口等。近幾年的監測表明，庫區江段的TP(總磷)已逐漸成為主要污染物質。三峽水庫是否出現富營養化，也引起有關部門和公眾的關注。泥沙對污染物的吸附和解吸的影響較大，汛期清渾水樣的監測指標差別顯著。因此，在今后的水環境研究中還應考慮TP和泥沙的影響等問題。

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WaterenvironmentalcapacityforthereservoirofThreeGorgesProject

HUANGZhenli1,LIYuliang2,LIJinxiu3,CHENYongcan2

(1ExecutiveOfficeoftheStateCouncilThreeGorgesProjectConstructionCommittee,Beijing100038,China;2TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;3ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038，China)

Abstract：ThepollutionsituationofthereservoirinThreeGorgesProjectisanalyzedandthedesignphilosophy,designhydrologicconditionandthetargetofwaterqualityprotectionforthecalculationofwaterenvironmentalcapacityofthereservoirareproposed.The1-Dflowwaterqualitymodel,2-Ddepthaveragedk-εmodeland3-Dmultilayerturbulentmodelareappliedtocalculatethemacroenvironmentalcapacityandbank′senvironmentalcapacityofCODMnandNH3-NaswellasitsassignmentsalongthereservoirbeforeandafterthecompletionoftheProject.Onthebasisofcomparisonamongseveraldesignschemesforthebank′senvironmentalcapacity,theacceptablecriteriaforthepollutionmixingzoneandthecomprehensiveschemeofwaterenvironmentalcapacityforthereservoirarerecommended.