水文条件设计有限，基于水功能区的纳污能力计算方法及应用

《规程》从偏安全角度考虑,设计水文条件一般取90%保证率最枯月平均流量(水量)或近10年最枯月平均流量(水量),计算得到的纳污能力为较小的定值。河流、湖泊等水体的水文过程是动态变化的,这种动态变化特征至少在年、月的尺度上是明显的,而一些受水利工程调度控制的河段、湖(库),在周、日甚至是小时的尺度上,水文过程都呈现显著的动态变化,这就决定了水体的纳污能力必然是一个变数。

1.河流纳污能力计算设计水文条件的局限性

受气候、下垫面等因素影响,我国南北方水文特征差异较大。南方地区河流水系发达,具有水量丰富、汛期长、含沙量小、无结冰期等水文特征。北方地区河流相对较少,水量总体上较南方地区小,汛期相对于南方地区较短;含沙量总体较南方地区大;有结冰期,某些河流上还有凌汛现象。

在南方地区,对长江、西南诸河等水量丰沛的大型水域,按照最枯月90%保证率(以下简称Q90)设计流量计算水域纳污能力问题不大,因为这些大型水域径污比很大,即使是Q90设计流量,基本也能有效稀释和降解污染物,从偏安全角度出发计算纳污能力对于严格保护重要水体的水资源是合适的。但对水量较小且季节变化大的南方小型河流,Q90设计流量可能接近于0。例如,1970—2014年长江金水流域某河流最枯月平均流量系列中(表3.1),有11年的最枯月平均流量为0,采用P-Ⅲ型曲线排频计算得到Q90设计流量仅为0.15m3/s,不足年平均流量的1/60。在这种情况下,以Q90设计流量作为设计水文条件,显然将导致纳污能力计算结果偏小甚至为0。

表3.1　金水流域某河流1970—2014年各年最枯月平均流量　单位:m3/s

在北方地区,河流水量较小、含沙量较大,径流量年内分配极不均匀,基于历史水文资料得到的Q90设计流量很可能接近于0。此外,北方寒区河流枯水期冰盖的形成使河道水力现象发生改变,引起水流阻力增加,从而导致河道过流能力大幅下降,部分最枯月份经常出现断流现象,冰封期河面全部冻结,部分河流常出现“连底冻”现象。此时若按Q90确定纳污能力计算的设计流量显得过于苛刻,与流域沿线城市社会经济发展不协调。

另外,无论南方还是北方的河流,汛期流量均较大,面源污染负荷量也大,水域实际纳污能力也相应增加。图3.3是基于攀枝花水文站典型年逐月平均流量计算的攀枝花河段两个水功能区的纳污能力过程,汛期(6—10月)化学需氧量、氨氮纳污能力分别是非汛期(11月至翌年5月)的2.5倍和4.0倍,如果按Q90设计流量计算的纳污能力则相差更大。因此,从河流丰枯水期对污染物的容纳能力来说,按照Q90设计流量计算得到的纳污能力定值进行管控不能满足污染物合理排放的需求。

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图3.3　金沙江攀枝花河段水功能区化学需氧量、氨氮逐月纳污能力

对受水利工程控制的河流,水利工程调度使下游河段水文情势在年、月或日内变化幅度很大,河流自然的水文节律不复存在。目前Q90法一般依据长系列实测流量数据,而长系列最枯月实测流量仅代表了不同来水频率下枯水期流量的历史情况,并不能代表现状情况。例如,2014年嘉陵江亭子口电站投产运行后,由于其具备年调节能力,坝下枯水期月均流量最大增幅达25%,丰水期月均流量最大减幅近30%,径流过程的坦化使得现状枯水流量值发生较大变化,如果仍以历史情况下Q90设计流量作为设计水文条件显然不合适。攀枝花金沙电站建成后,日调峰运行使得坝下流量在一日内急剧变化,枯水期典型日小时流量在480～1397m3/s之间变化,最大小时变幅近500m3/s,水文情势日内的剧烈变化必然造成纳污容量的显著变化。因此,对于水利工程控制的河流,基于Q90设计流量计算的纳污能力定值不能满足污染物排放总量动态管理的需要,需要考虑水利工程调度对纳污能力的动态影响。

2.湖(库)纳污能力计算设计水文条件的局限性

《规程》规定湖(库)应采用近10年最低月平均水位或90%保证率最枯月平均水位相应的蓄水量作为计算纳污能力的设计水文条件。采用近10年最低月平均水位相应的蓄水量作为设计水文条件有一定的枯水代表性,但在计算区域遭遇连续丰水年或枯水年的情况下,这种代表性就会大打折扣。基于Q90法确定的设计水量,对只有单一支流汇入的天然湖泊而言是适用的,而对于具有多条支流汇入的大型湖泊,由于不同支流水文丰枯节律不完全一致,简单的选择某条支流或各个支流均采用Q90法则显得不够严谨。

对于受人为调度干扰频繁的水库而言,Q90法由于忽略了水库使用功能对蓄水量的影响,其局限性暴露无遗。水库具有防洪、供水、发电、航运或综合利用功能,为达到兴利或防洪的目的,水库通过改变运行水位使蓄水量不断发生变化,而计算得到的Q90设计水量反映的是上游来水的丰枯规律,既不能代表水库实际蓄水量的枯水特性,也没有考虑区间来水量的多少和水库运行对库区水域流动形态的影响。

对于以工业、生活供水为主要功能的水库,由于取水过程比较均匀,水库蓄水量变化基本与上游来水变化规律保持一致。但对具有较强调节能力的防洪、发电、灌溉供水水库而言,水库功能的运用对蓄水量年内过程的改变显著:防洪调度往往在洪水入库前加大水库的下泄流量,腾出部分库容用于后期防洪;发电调度根据上游来水量与电站保证出力、预想出力的关系,通过不断改变水库运行水位以达到最大发电效益;灌溉调度一般是在灌溉期集中取水或在非灌溉期提前放水充蓄,造成水库一年内某个时段蓄水量明显减少。

实际上,水库一般兼有多种使用功能,运行过程中需要进行综合调度,加上上下游不同调节性能水库联合调度的影响,水库蓄水量的变化过程更为复杂。例如,金沙江乌东德电站开发任务以发电为主,兼顾防洪,水库7月按防洪限制水位运行;8月初水库开始蓄水,8月底水库蓄水至正常蓄水位;9月以后尽量维持高水位方式运行,水库水位逐步削落,翌年6月底削落至防洪限制水位或死水位。受水库发电、防洪调度的影响,基本上6—7月水库水位最低,此时蓄水量仅为28.4亿～34.5亿m3,但由于下泄流量大致使水流速度较快;而在12月至翌年2月的枯水期,当不蓄出力不小于保证出力时,水库维持在正常蓄水位运行,蓄水量可达58.6亿m3,比6—7月丰水期蓄水量增加了1倍左右,但库区水流速度较慢。因此,若单纯以Q90设计水量作为计算库区纳污能力的水文条件必然造成计算结果失真。

综上所述,采用Q90设计流量计算的纳污能力与实际情况有一定差异,从地域范围来看,对北方河流略显严苛;从纳污能力的天然属性来看,不能反映水域纳污能力的动态变化,不利于社会经济发展与水资源管理和保护的协调平衡;从人工干预程度来看,不能反映人为调度的影响。实际工作中,应根据计算水域类型、地理位置、水文情势动态变化特征、水域保护重要程度、经济发展需求等因素,选取合适的设计流量或径流过程开展动态纳污能力计算。