引溫濟潮工程受水區水環境容量研究

朝白河在北京的發展中具有重要的戰略地位，是順德新城的主要生態屏障和水環境的重要支柱。目前,潮白河嚴峻的水資源形勢已成為制約區域乃至北京市經濟社會協調發展的瓶頸。南水北調進京之前或之后,流域水資源短缺形勢無法得到根本解決。基于上述背景,為恢復潮白河生態用水,改善奧運場館周邊及順義新城水環境,市政府批準實施了“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)水質安全和生態安全為最終目標。水環境容量是制定污染物總量削減方案的重要依據,是衡量河流、湖庫能否正常發揮水體功能的重要指標。水環境容量不但受環境質量標準、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、水力特征、水生態結構與功能及污染物性質等因素的影響,影響因子間相互作用過程及遷移、轉化、自凈與降解機理十分復雜。針對工程引水水質和受水體的水力條件,通過現場調查、監測,利用水質模型對工程受水區進行模擬計算水體環境容量,從而為實現“引溫濟潮”工程受水區水體功能正常發揮的最終目標提供科學依據和技術保證。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,以南北向貫穿順義區中部,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入潮白河作為順義城區內主要河道,位置和作用將愈加重要。但因連續干旱,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《潮白河順義牛欄山橋至河南村壩段整治工程初步設計報告》,向陽閘至河南村橡膠壩河段長約7.3km,經過整治后,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段河道生態環境用水問題。該工程設計流量2.5m3/s,年設計引水量(3500～3800)萬m3,在潮白河7km、城北減河4km河段,形成約300萬m2水面。根據相關研究,初步估計向陽閘至河南村橡膠壩年庫區滲漏量(550～1250)萬m3;年蒸發量約為(300～500)萬m3左右;潮白河已斷流多年,河床地下含水層達到飽和需水量(90～870)萬m3;庫區蓄水庫容730萬m3,因此,維持庫區滿庫蓄水總需水量(1670～3350)萬m3。2景觀閘壩—水環境容量計算模型確定工程受水區屬于典型的北方季節性河流,河流主要徑流量發生在汛期(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。結合受水區存在河道攔河閘和湖庫不同水力特性水體的現狀,組合運用不同水質模型分段計算水環境容量。2.1河段環境容量計算結果研究區內城北減河屬于中小河流,結合工程受水區基本水文特征,依據《水域納污能力計算規程》,各種污染物可以由一維穩態水質模型進行描述。當河道下游斷面水質目標為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境容量計算方程為:式中:W為河流水環境容量,g/s;CS為水功能控制斷面水質目標值,mg/L;Q為計算河段上游設計來水流量,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,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截污作用,因此城北減河段可認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計來水量。2.2湖庫斷面分析研究區內的減河閘以下,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,水質基本處于穩定緩流狀態,完全可以將其作為一個均勻混合的湖庫水體進行分析,而以四號橋監測斷面作為入湖斷面。依據《水域納污能力計算規程》,當河南村橡膠壩現狀污染物濃度滿足水功能區劃水質目標,可降解有機物環境容量計算方程為:式中:V為設計水文條件下的湖庫蓄水量,m3;Q為進入湖庫的入流量,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通過確定水生區域的背景值和水質目標3.1影響區河段水質的因素作為研究區河流上游來水的水質條件的衡量指標,背景斷面污染物的濃度對水環境容量有很大影響。河流上游來水的水質,是影響研究區河段水質的重要因素。然而,由于順義城區人類開發歷史悠久,各種水體都嚴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境容量計算的背景值,也即是“引溫濟潮”工程來水水質。3.2地表水功能區劃根據《21世紀初期(2001—2005年)首都水資源可持續利用規劃》北京市水環境治理與水源保護規劃和《北京市水污染物排放標準》(DB11/307-2005)規定,潮白河干流及部分支流地表水功能區劃(見表1)屬于Ⅳ類,根據《中華人民共和國地表水環境質量標準》(GB3838-2002),可以確定相應功能區的水質目標值,見表1所示。根據受水區水質有機污染較嚴重,確定水污染物總量控制的主要污染因子:CODCr和氨氮。4設計水文條件和模型參數4.1潮白河水量計算水文條件是決定水環境容量的最重要因素之一,水功能區納污能力計算的水文設計條件,以計算斷面的設計水量或蓄水量表示,河流用設計流量,湖庫采用設計蓄水量。研究在充分分析潮白河水質變化規律的基礎上,根據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計流量。該工程設計流量2.5m3/s,根據現場實測,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工程受水區各污染物綜合衰減系數的確定,主要采用2001年《北京市水資源保護規劃》和2003年《海河流域水資源保護規劃》成果,即北京市KCODCr=0.1L/d、KNH3-N=0.05L/d。5水質污染物總量根據相應河段的特點,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境容量,同時進行單位換算后結果見表2。由表2計算結果可以看出,城北減河段CODCr和NH3-N的現狀水體環境容量分別為680.36t/a和57.66t/a;潮白河段CODCr和NH3-N的現狀水體環境容量分別為7240.80t/a和224.65t/a。在設計條件下,由于完全滿足工程設計流量,因而各段水體中CODCr和NH3-N的環境容量也相應有所變化,其中影響較大的是潮白河。潮白河在設計條件下CODCr的納污能力將相應減少,而NH3-N相應增大。究其原因,本研究中作為湖庫計算的潮白河段,現狀情況下基本可視作緩流水體,而按照設計條件該段仍具有一定的流速,因此水功能區納污能力計算應按河道類型。根據現狀水體環境容量與設計條件下達到水質目標所要求的主要污染物最大納污量,按照Ⅳ類水體功能要求,結合水環境容量計算結果,可確定工程如果按照設計條件下水體納污能力的變化情況,詳見表3。結果表明,當采用Ⅳ類水域標準限值計算時,在設計條件下,城北減河段CODCr變化量為負值(-76.76t/a),潮白河的為正值,負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。因此為確保研究區水體水質達到Ⅳ類水體功能分區要求,需要對潮白河段進行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整體水質安全,也必須采取相同控制措施。同理可知,工程受水區各段水體中氨氮計算結果表明存在剩余容量,也就是氨氮指標能達到相應的水體功能要求,這與現場各斷面實際監測情況一致。6控制污染的控制措施基于選取的化學需氧量和氨氮2個水質因子,對“引溫濟潮”工程受水區的水環境容量進行了分析。對比現狀與設計條件,工程受水區潮白河段化學需氧量嚴重超出河段的水環境容量。造成水質超標主要是由于:工程來水水質濃度較高,河道自凈能力弱和受水區控制范圍內面源