基于水功能区的水文条件设计发展

在当今全球环境变化的大背景下,受气候、植被等自然环境变化以及水利水电工程建设、水资源开发利用等人类活动影响,河流、湖泊等水体水文过程的动态变化日益凸显,在年、月、日甚至是小时尺度上,水文过程都呈现显著的动态变化。鉴于此,以固定的流量(水量)作为计算水域纳污能力的设计水文条件已不适应新时期环境变化、水资源保护研究的需求。

如前所述,我国南、北方河流的差异较大,采用Q90法确定纳污能力计算的设计流量对北方以及南方一些小型河流并不适合,尤其是北方一些河流采用Q90法计算的纳污能力偏小,不利于开展合理的污染物排放控制管理,也在一定程度上制约了社会经济发展。另外,随着水利水电工程建设、水资源开发利用等人类活动干扰的增强,流域内水循环过程已经或将要发生显著变化,按照Q90法计算的纳污能力定值忽略了水文情势变化对纳污能力的动态影响,不能满足污染物排放动态管理的需要。针对上述问题,相关管理部门、科研机构与广大学者开展了研究工作,试图寻找克服纳污能力设计水文条件局限性的办法。例如,在北方河流纳污能力研究中,张建军等(2006)在分析黄河流域纳污能力计算技术难点时,提出确定黄河流域纳污能力设计流量应充分考虑黄河河道生态环境功能;吴东芳等(2008)核定松花江流域纳污能力过程中,采用了45年(1956—2000)系列枯水期(12月至翌年3月)75%保证率流量作为设计流量;刘德文等(2006)在海河流域纳污能力与限制排污总量研究中也提出了这一观点。水利部2013年发布的《水资源保护规划编制规程》(SL 613—2013)指出,对于北方冰封河流或者季节性河流可根据实际情况,选择不同水期(如丰水期、平水期、枯水期)或者其他保证率(如75%等)的水量条件作为设计水文条件。在动态纳污能力研究方面,史晓新等通过分析湖泊纳污能力的动态特征,以化学需氧量、总氮、总磷为计算指标,采用二维模型模拟了太湖逐月纳污能力变化;汪妮等根据灞河上游来水情况,选定P=90%、P=75%、P=50%这3种设计水文条件,采用一维模型分析计算干流年际、年内纳污能力变化等。

针对目前水域纳污能力计算设计水文条件,忽略水库使用功能对蓄水量的影响,不能代表水库实际蓄水量枯水特性的问题,研究者采用原型监测手段分析水库调度运行对库区水质的影响,从而探讨确定库区纳污能力计算设计水文条件的方法。例如,徐燕对新疆博斯腾湖1985—1993年低水位运行中水质监测结果进行了评价,发现博斯腾湖低水位运行期水质超标;朱广伟对江苏省天目湖水库除险加固施工期间低水位运行对水库水质的影响进行了监测,结果表明水库长期低水位运行导致水库对外源营养盐输入的缓冲能力减弱,尤其是氮,低水位运行期间的水质恶化风险大。大量研究表明,水库低水位运行一方面水流流速变大,水流对污染物的扩散输移能力增强;另一方面,水体体积减小,污染物在库内的滞留时间缩短,降解量减小,总体上,在上游污染负荷不变的情况下,水库降低水位运行后库区水质会变差。(www.xing528.com)

因此,从偏安全角度考虑,确定水库总体纳污能力计算设计水文条件时,应取水库运行水位相对较低时的蓄水量。具体来讲,若从最不利工况出发,可取水库低水位运行下限值对应的蓄水量作为纳污能力计算的设计水文条件,对于具有季节调节能力以上的水库,其“触底”(接近死水位)的可能性不大,一般以防洪限制水位作为低水位运行的下限;对于调节能力较弱的水库,其“触底”的可能性较大,一般以死水位作为低水位的下限。若考虑水库长期运行影响,选取有典型代表性的最枯蓄水量特征值,可依据水库水位-库容特征曲线,计算整理得到水库各年份最枯蓄水量(以月或旬为时间单位)数据序列,然后对计算得到的最枯蓄水量序列进行频率分析,将得到的典型枯水频率(如P=90%、P=75%)蓄水量作为纳污能力计算的设计水文条件。而在确定水库局部(岸边)纳污能力计算设计水文条件时,则应综合考虑枯水期上游来水量、区间来水量、水库运行和下泄水量的组合,取相应库区水功能区流速最小的坝前设计水位对应的蓄水量作为纳污能力计算的设计水文条件。

总体来说,上述关于河流动态纳污能力、水库纳污能力设计水文条件等方面的研究在一定程度上拓展了水域纳污能力的发展方向,增加了水域纳污能力计算的可操作性与实用性。但从理论上说,无论是增加不同保证率设计流量的计算方案,或是模拟一个连续水文年的纳污能力变化过程,还是选取典型最枯蓄水量作为水库纳污能力计算的设计水文条件,都不能准确反映自然和人类活动共同作用下水文过程动态变化对水域纳污能力的随机、持续影响,即纳污能力的动态特征不能完全体现出来。今后的研究与实际工作中,为获得更准确的水域动态纳污能力过程,应从影响水文过程动态变化的气候、下垫面、人类活动等因素出发,积极开展“气象—水文—水动力—水质及纳污能力”的耦合研究,在此基础上提出适用于年、月、日、小时等各种时间尺度的水域动态纳污能力数值计算方法。