引溫濟潮工程受水區(qū)水環(huán)境容量研究

引溫濟潮工程受水區(qū)水環(huán)境容量研究

朝白河在北京的發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位，是順德新城的主要生態(tài)屏障和水環(huán)境的重要支柱。目前,潮白河嚴(yán)峻的水資源形勢已成為制約區(qū)域乃至北京市經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展的瓶頸。南水北調(diào)進(jìn)京之前或之后,流域水資源短缺形勢無法得到根本解決?；谏鲜霰尘?為恢復(fù)潮白河生態(tài)用水,改善奧運場館周邊及順義新城水環(huán)境,市政府批準(zhǔn)實施了“順義新城溫榆河水資源利用工程”(以下簡稱“引溫濟潮”工程)。項目以保障工程受水體城北減河和潮白河(向陽閘—河南村橡膠壩段)水質(zhì)安全和生態(tài)安全為最終目標(biāo)。水環(huán)境容量是制定污染物總量削減方案的重要依據(jù),是衡量河流、湖庫能否正常發(fā)揮水體功能的重要指標(biāo)。水環(huán)境容量不但受環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、水體自然背景值、徑流過程及總量的影響,還受河流(湖庫)形態(tài)、水力特征、水生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能及污染物性質(zhì)等因素的影響,影響因子間相互作用過程及遷移、轉(zhuǎn)化、自凈與降解機理十分復(fù)雜。針對工程引水水質(zhì)和受水體的水力條件,通過現(xiàn)場調(diào)查、監(jiān)測,利用水質(zhì)模型對工程受水區(qū)進(jìn)行模擬計算水體環(huán)境容量,從而為實現(xiàn)“引溫濟潮”工程受水區(qū)水體功能正常發(fā)揮的最終目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)保證。1“引溫濟潮”工程潮白河為北京市第二大河流,正常年份水量豐沛。隨著城市供水量加大,沿河水源地數(shù)量增加,河道徑流量逐年減少。潮白河西南行至大韓辛莊村北入順義境內(nèi),以南北向貫穿順義區(qū)中部,于南莊頭村南流出順義境界。城北減河為自小中河上段分洪至潮白河的排洪河道,起自小中河海洪閘上游,在潮白河向陽閘下通過減河閘進(jìn)入潮白河作為順義城區(qū)內(nèi)主要河道,位置和作用將愈加重要。但因連續(xù)干旱,向陽閘至河南村橡膠壩河段自1999年開始至今一直斷流,河道內(nèi)僅有少量蓄水,雜草密集叢生;城北減河也基本沒有來水。根據(jù)《潮白河順義牛欄山橋至河南村壩段整治工程初步設(shè)計報告》,向陽閘至河南村橡膠壩河段長約7.3km,經(jīng)過整治后,河道寬度大部分在(200～400)m之間,河道縱坡為1/3000。城北減河全長4.0km,整治后河道局部放寬,以增加水面。現(xiàn)狀河道主槽寬度(62.9～138.5)m,糙率為0.025,河底縱坡0.00017。“引溫濟潮”工程的實施正是為解決順義城區(qū)段河道生態(tài)環(huán)境用水問題。該工程設(shè)計流量2.5m3/s,年設(shè)計引水量(3500～3800)萬m3,在潮白河7km、城北減河4km河段,形成約300萬m2水面。根據(jù)相關(guān)研究,初步估計向陽閘至河南村橡膠壩年庫區(qū)滲漏量(550～1250)萬m3;年蒸發(fā)量約為(300～500)萬m3左右;潮白河已斷流多年,河床地下含水層達(dá)到飽和需水量(90～870)萬m3;庫區(qū)蓄水庫容730萬m3,因此,維持庫區(qū)滿庫蓄水總需水量(1670～3350)萬m3。2景觀閘壩—水環(huán)境容量計算模型確定工程受水區(qū)屬于典型的北方季節(jié)性河流,河流主要徑流量發(fā)生在汛期(6—9月),枯水期徑流量較小或斷流。同時,城北減河河段上建有1座橡膠壩、1座攔河閘,即減河閘;潮白河城區(qū)段則通過上游的向陽閘和下游的河南村橡膠壩控制河道流量。閘壩的建設(shè)在攔蓄地表水、補充地下水的同時,改變了天然河道的水流特性,使閘壩間的部分水體形成小型水庫。結(jié)合受水區(qū)存在河道攔河閘和湖庫不同水力特性水體的現(xiàn)狀,組合運用不同水質(zhì)模型分段計算水環(huán)境容量。2.1河段環(huán)境容量計算結(jié)果研究區(qū)內(nèi)城北減河屬于中小河流,結(jié)合工程受水區(qū)基本水文特征,依據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》,各種污染物可以由一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型進(jìn)行描述。當(dāng)河道下游斷面水質(zhì)目標(biāo)為Cs時,由此可知Cx=CS,則城北減河從首義閘至減河閘全段水體環(huán)境容量計算方程為:式中:W為河流水環(huán)境容量,g/s;CS為水功能控制斷面水質(zhì)目標(biāo)值,mg/L;Q為計算河段上游設(shè)計來水流量,m3/s;C0為污染物背景濃度,mg/L;q為計算河段接納的污廢水總量,m3/s;K為污染物自凈系數(shù),L/d;x為排污斷面距下游功能敏感斷面的距離,km;u為計算河段的平均流速,m/s。同時由于研究河段的市政管網(wǎng)截污作用,因此城北減河段可認(rèn)為沒有接納外來點源污水,即q為零,而將“引溫濟潮”工程來水視作上游設(shè)計來水量。2.2湖庫斷面分析研究區(qū)內(nèi)的減河閘以下,至橡膠壩之間潮白河段來水后平均水深約2m,由于閘壩的控制作用,水質(zhì)基本處于穩(wěn)定緩流狀態(tài),完全可以將其作為一個均勻混合的湖庫水體進(jìn)行分析,而以四號橋監(jiān)測斷面作為入湖斷面。依據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》,當(dāng)河南村橡膠壩現(xiàn)狀污染物濃度滿足水功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo),可降解有機物環(huán)境容量計算方程為:式中:V為設(shè)計水文條件下的湖庫蓄水量,m3;Q為進(jìn)入湖庫的入流量,m3/s;其他符號同前。該方法同時考慮了潮白河段水體的稀釋和自凈作用。3通過確定水生區(qū)域的背景值和水質(zhì)目標(biāo)3.1影響區(qū)河段水質(zhì)的因素作為研究區(qū)河流上游來水的水質(zhì)條件的衡量指標(biāo),背景斷面污染物的濃度對水環(huán)境容量有很大影響。河流上游來水的水質(zhì),是影響研究區(qū)河段水質(zhì)的重要因素。然而,由于順義城區(qū)人類開發(fā)歷史悠久,各種水體都嚴(yán)重地受到人類活動的污染,城北減河最初也是為分洪而人工開挖建設(shè)的河道,截至2006年底,潮白河向陽閘以下干流基本無水,主要支流已無徑流,因此這樣的水體已無本底值可言,只能把上游來水的污染物濃度作為水環(huán)境容量計算的背景值,也即是“引溫濟潮”工程來水水質(zhì)。3.2地表水功能區(qū)劃根據(jù)《21世紀(jì)初期(2001—2005年)首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃》北京市水環(huán)境治理與水源保護(hù)規(guī)劃和《北京市水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/307-2005)規(guī)定,潮白河干流及部分支流地表水功能區(qū)劃(見表1)屬于Ⅳ類,根據(jù)《中華人民共和國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002),可以確定相應(yīng)功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)值,見表1所示。根據(jù)受水區(qū)水質(zhì)有機污染較嚴(yán)重,確定水污染物總量控制的主要污染因子:CODCr和氨氮。4設(shè)計水文條件和模型參數(shù)4.1潮白河水量計算水文條件是決定水環(huán)境容量的最重要因素之一,水功能區(qū)納污能力計算的水文設(shè)計條件,以計算斷面的設(shè)計水量或蓄水量表示,河流用設(shè)計流量,湖庫采用設(shè)計蓄水量。研究在充分分析潮白河水質(zhì)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,根據(jù)潮白河引水工程實際水文情況,確定計算流量選取工程來水的設(shè)計流量。該工程設(shè)計流量2.5m3/s,根據(jù)現(xiàn)場實測,城北減河段平均流量為1.53m3/s,四號橋斷面平均流量為1.13m3/s,城北減河段可蓄水約40萬m3。4.2kcodcr和knh3-n工程受水區(qū)各污染物綜合衰減系數(shù)的確定,主要采用2001年《北京市水資源保護(hù)規(guī)劃》和2003年《海河流域水資源保護(hù)規(guī)劃》成果,即北京市KCODCr=0.1L/d、KNH3-N=0.05L/d。5水質(zhì)污染物總量根據(jù)相應(yīng)河段的特點,選擇適合的計算模型,按照分段的原則計算城北減河和潮白河水環(huán)境容量,同時進(jìn)行單位換算后結(jié)果見表2。由表2計算結(jié)果可以看出,城北減河段CODCr和NH3-N的現(xiàn)狀水體環(huán)境容量分別為680.36t/a和57.66t/a;潮白河段CODCr和NH3-N的現(xiàn)狀水體環(huán)境容量分別為7240.80t/a和224.65t/a。在設(shè)計條件下,由于完全滿足工程設(shè)計流量,因而各段水體中CODCr和NH3-N的環(huán)境容量也相應(yīng)有所變化,其中影響較大的是潮白河。潮白河在設(shè)計條件下CODCr的納污能力將相應(yīng)減少,而NH3-N相應(yīng)增大。究其原因,本研究中作為湖庫計算的潮白河段,現(xiàn)狀情況下基本可視作緩流水體,而按照設(shè)計條件該段仍具有一定的流速,因此水功能區(qū)納污能力計算應(yīng)按河道類型。根據(jù)現(xiàn)狀水體環(huán)境容量與設(shè)計條件下達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)所要求的主要污染物最大納污量,按照Ⅳ類水體功能要求,結(jié)合水環(huán)境容量計算結(jié)果,可確定工程如果按照設(shè)計條件下水體納污能力的變化情況,詳見表3。結(jié)果表明,當(dāng)采用Ⅳ類水域標(biāo)準(zhǔn)限值計算時,在設(shè)計條件下,城北減河段CODCr變化量為負(fù)值(-76.76t/a),潮白河的為正值,負(fù)值表明還有剩余容量。即潮白河段的CODCr削減量為379.09t/a,而城北減河段現(xiàn)狀條件下的CODCr納污能力還可提高76.76t/a。因此為確保研究區(qū)水體水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類水體功能分區(qū)要求,需要對潮白河段進(jìn)行CODCr的削減和控制;同時,作為上游來水的城北減河段雖有剩余容量,但為保障工程受水區(qū)整體水質(zhì)安全,也必須采取相同控制措施。同理可知,工程受水區(qū)各段水體中氨氮計算結(jié)果表明存在剩余容量,也就是氨氮指標(biāo)能達(dá)到相應(yīng)的水體功能要求,這與現(xiàn)場各斷面實際監(jiān)測情況一致。6控制污染的控制措施基于選取的化學(xué)需氧量和氨氮2個水質(zhì)因子,對“引溫濟潮”工程受水區(qū)的水環(huán)境容量進(jìn)行了分析。對比現(xiàn)狀與設(shè)計條件,工程受水區(qū)潮白河段化學(xué)需氧量嚴(yán)重超出河段的水環(huán)境容量。造成水質(zhì)超標(biāo)主要是由于:工程來水水質(zhì)濃度較高,河道自凈能力弱和受水區(qū)控制范圍內(nèi)面源