三峡水库水环境容量计算
摘要：本文分析了三峡库区的污染状况，提出了三峡水库环境容量的原则、设计水文条件和水质保护目标。利用建立的三峡水库一维水流水质数学模型、库区排污口混合区平面二维和水平分层的三维紊流模型，计算了三峡水库建库前后CODMn 和NH3-N 总体环境和岸边环境容量及其沿江分配。根据岸边环境容量计算结果，提出了三峡水库污染混合区的控制标准。同时，推荐了三峡水库水环境容量的综合方案。
关键词：三峡水库 水质模型 污染混合区 水环境容量
环境容量是环境的一个基本理论问题，也是环境管理中的一个重要的实际应用问题。在实践中，环境容量是环境目标管理的基本依据，是环境规划的主要约束条件，也是污染物总量控制的关键技术支持[1,2]。从环境管理、监测与监督的角度出发，水环境容量是指水体在设计水文条件和规定的环境目标下所能容纳的最大污染物量[4,3]。
由于长江流量大，水流、地形十分复杂，加上三峡工程修建后水文情势发生较大变化。三峡工程建成后，对库区水质的影响一直是公众十分关心的问题。由于过去在这方面缺乏深入、全面的研究，对水环境容量的影响一直是众说纷纭。因此，在制定三峡库区的水污染防治规划时，往往缺乏完整的水环境容量科学依据。至今为止，尚未对三峡工程建成前、后水环境容量展开深入的研究[4,5]。计算三峡水库水环境容量，已成为三峡水库水污染控制、水环境管理与规划过程中迫切需要解决的关键性问题。本文以三峡水库已经开展的一系列水环境保护研究成果为基础，根据库区水体水功能区划和水质保护目标，拟定水环境容量计算设计方案，研究三峡水库水环境容量及其沿江分配，为有效控制水体污染，促进三峡库区水环境与社会的协调提供科学合理的依据。
1 三峡库区水环境状况
1.1 库区江段污染源现状
1998 年，库区各类污染源进入长江的CODCr 81.9 万t ，BOD515.1 万t ，NH3-N1.6 万t ，TN13.9 万t ，TP 0.9 万t ，Oil 462t ，Φ-OH(酚)112t ，TCu 3.5 t ，TCr3.8t 。调查研究表明：影响三峡水库水质的主要因素依次为干支流入库污染负荷、三个重点城市(重庆主城区、涪陵区和万州区)排污负荷量。这些主要因素的控制，对库区水质改善起关键作用[6]。
多年污染情况调查资料显示，库区江段主要污染物为CODCr,NH3-H 等。三峡库区污染源主要是城市生活污染源、污染源和径流[7]。由于库区江段的社会经济在空间上形成以重庆主城区、涪陵区、万州区以及沿江县城为中心的密集型发展态势，因而也形成了以沿江城镇为中心的污染源集中排放区域。1998年库区工业及城市污水CODCr 的年排放量为16.69 万t ，其中重庆主城区排污量约占库区江段排污总量的65%，涪陵区和万州区分别占排污总量的10 ％和6.4 ％，只有18.6 ％的污染源来自库区江段的其余城镇。
1.2 库区江段水质状况 库区污染物排放总量，与长江径流量相比较而言较小，因而江段总体水质良好。多年常规水质监测资料统计结果显示，库区江段主要水质指标的断面平均浓度一般低于地表水Ⅱ类标准浓度，仅在排污集中的重庆主城区、涪陵区和万州区的个别断面水质综合评价出现Ⅲ类，在一些大的城市排污口附近，已经出现明显的岸边污染带，局部区域水质污染严重，出现了超Ⅳ类、甚至超Ⅴ类的水体，主要污染指标为CODMn 、NH3-N 等。
由此可见，尽管三峡库区总体水质良好，但是局部区域水质不容乐观。
1.3 三峡库区水污染治理状况
1997 ～1999 年国家计委主持编制了《长江上游水污染整治规划》，规划范围从重庆市巫山县到四川省宜宾市的长江干流以及嘉陵江、沱江、乌江等主要支流下游地区，规划总面积12.47 万km2。规划的重点地区是重庆主城区、万州、涪陵、泸州、宜宾、自贡、内江等城市。2001 年由国家环保总局主持编制了《三峡库区及其上游水污染防治规划(2001 ～2010 年)》，规划范围包括三峡库区和重庆主城区20 个区县市、影响区42 个区县市、上游地区38 个地市的214 个区县。规划总面积79 万km2。《三峡库区及其上游水污染防治规划(2001 ～2010 年)》与《长江上游水污染整治规划》相比，规划范围扩大，三峡库区部分工程项目规划进度提前。规划存在的主要问题之一是污染物控制或消减方案与水质保护目标之间没有输入响应定量关系，缺乏总量控制的技术支撑。另外，即使从行政管理角度提出了污染物总量(如COD)控制指标，但没有把总量分配到江段或污染源上。因此，规划在水环境容量问题上科学依据不够充分，更没有考虑建库后水环境容量的变化问题[7]。
从2002 年开始，国家和地方投入巨资，正在按照规划全面展开三峡库区及长江上游水污染的治理工
2 三峡水库水环境容量计算条件确定
环境容量的定义，是指水体在一定的规划设计条件下的最大允许纳污量，其大小随规划设计目标的变化而变化，反映了特定水体水质保护目标与污染物排放量之间的动态输入响应关系。因此，为了计算水环境容量，首先必须确定规划设计条件，包括水功能区划和水质保护目标、设计水文条件、排污口位置、控制污染物指标和上游来水水质状况等条件。
作者提出：针对长江的水污染特点，水环境容量计算须分为总体环境容量和岸边环境容量。总体环境容量是以一维水质模型计算的断面平均浓度控制的水环境容量；岸边环境容量是二维水质模型计算的岸边排污混合区控制情况的水环境容量。
本文以1998 年调查的库区污染源和水质状况代表三峡水库现状水质，2010 年为水质规划设计年。用库区干流朱沱断面、嘉陵江北碚断面和乌江的武隆断面作为三峡水库上游入库控制断面。总体环境容量研究范围包括长江干流和两条重要支流嘉陵江和乌江(汇入流量占库区支流总流量93 ％的两条重要支流)，其中，库区干流从重庆上游的朱沱到三斗坪，全长约730km ；嘉陵江从北碚至长江汇流口，全长约60km ；乌江从武隆至长江汇流口，全长约68km ；库区内其他江段内的支流将以源汇方式考虑其对水库水流水质影响。在总体环境容量计算结果的基础上，岸边环境容量研究重庆主城区、涪陵城区和万州城区3 个重点城市江段。
水环境容量计算的水质控制指标确定为COD / {Mn / }和NH3 N 。
2.1 水环境容量的计算原则、设计水文条件及水质控制指标
2.1.1 计算原则
(1)水库总体水质保持Ⅱ类。经国家批准的《长江三峡枢纽环境影响报告书》中明确指出：水库建成以后总体水质①应满足Ⅱ类水标准。考虑三峡水库的水质现状以及水体主要功能需求和社会经济发展程度，库区重点城市江段(如重庆主城区、涪陵城区和万州城区)允许局部水域存在Ⅲ类水体。
(2)建库后水质状况不能比现状差。据1998 年以前的监测调查，三峡库区干流江段现状水质良好，主要污染物控制指标CODMn 和NH3-N 的断面平均浓度基本上都低于Ⅱ类水质标准浓度。为能继续保持水质良好，作者提出：三峡水库建成以后库区水质状况既要满足功能区确定的水质类别要求，又不能比现状水质差。现状水质以1998 年断面平均浓度值为基准。三峡水库入库主要水质指标COD 、NH3-N 均优于Ⅱ类水质标准，因此，计算时上游入库水质按维持现状条件设计。
(3)库区江段CODCr 排放总量不能超过38 万t/年，NH3-N 不能超过2.96 万t/年。国务院对《长江上游水污染整治规划》的批复意见②为“到2010 年，长江上游干流四川省与重庆市交界断面和三峡库区总体水质基本达到国家地表水环境质量Ⅱ类水质标准；长江干流城市江段和主要支流水质要符合国家地表水环境质量Ⅲ类水标准；规划区城市生活污水、工业废水的化学需氧量(COD)允许排放量，重庆市和四川省分别控制在38 万t 和23 万t 以内。”因此，三峡库区江段CODCr 排放总量应控制在38 万t/年以内，并以此作为库区水环境容量计算的依据。假定以1998 年库区各江段现状排污量为基础进行库区总量分配，按照等比例分配原则分配2010 年三峡库区沿江CODCr 允许最大排放量。国务院文件中只提出了CODCr 排放总量控制目标，没有NH3-N 。三峡库区点源污染负荷主要来自城市生活污水，城市生活污水性质相对比较稳定，而且通常NH3-N 与CODCr 之间存在一定的比例关系。根据三峡库区1998 年实测污染负荷中NH3-N 与CODCr 的比例以及沿程分布，按照CODCr 排放总量控制目标对NH3-N 进行同比例控制，折算出三峡库区沿江2010 年NH3-N 允许最大排放量为2.96 万t ，见表1 。
2.1.2 设计水文条件
水文条件是决定水环境容量的最重要因素之一，尤其是三峡库区水文条件年内和年际间变化很大。设计水文条件的确定，反映了水质保护目标的安全系数。根据国内、外水质规划计算规范、结合三峡库区江段水文水质特性，从偏于安全考虑，采用90 ％保证率连续7d 最小流量作为水环境容量计算的设计水文条件，简称7Q10 。同时，为了比较三峡水库建成前、后库区环境容量变化，三斗坪水位分别取为相应于7Q10 设计流量下的天然河道水位为65 8m(代表天然河道状况)以及三峡水库建成以后的运行调度水位168 6m 和三峡水库正常蓄水位175m 。
2.1.3 水质控制指标
水环境容量计算的水质控制指标为CODMn 和NH3-N 。在三峡水库水功能区划的工作基础上，围绕三峡水库水环境容量计算所需的计算条件，对库区总体水质（①“总体水质”是一个正式文件使用、具有三峡特色但内涵模糊的概念，对三峡库区“总体水质”理解各不相同，缺乏公认、明确的定义。本文中的“总体水质”是指以断面水质平均浓度来评价的水质状况，“总体水质”对应“总体环境容量”。实际上“岸边水质”对工农业和人民生活更为有用。三峡库区沿岸有二十多个大、中、小城市，即使污水达标排放，也存在一定范围的污染混合区。在用“总体水质”概念来反映三峡水库宏观水质状况的同时，还需要有“岸边水质”的概念。 对大江大河来说，“总体水质”不超标,并不意味着“岸边水质”不超标。“岸边水质”对应“岸边环境容量”。②中华人民共和国国务院9 号文件“国务院关于长江上游水污染整治规划的批复”，1999 年1 月25 日。）和城镇江段岸边水质，提出了更具体的水质保护目标。
（1 ）总体水质保护目标。按照三峡水库水域功能区划和容量方案拟定原则的要求，三峡水库总体水质按地表水水质标准Ⅱ类水控制，允许库区3 个重点城区江段下游一定范围内岸边水域按水质标准Ⅲ类水控制，在满足功能区类别控制的同时，各断面的控制浓度以现状水质(1998 年)为基准，作为总体环境容量的水质目标的控制条件。三峡水库水环境容量的水质保护目标与断面浓度控制见表2 。
（2 ）岸边水域水质保护目标。岸边环境容量主要是针对岸边排污混合区的控制而言的。排污混合区在环境管理中定义为认可的污水排放口附近的允许超标区。
排污混合区允许范围的规定，涉及水环境的功能区划、水流条件及排污条件等诸多因素。从国内外的有关资料来看[8]，一般都是采用平面面积及其最大长度和宽度来确定。有的也以相对比值来表示：例如面积为水域表面积或河流横断面的百分比；宽度为河宽的百分比；流量为河流流量的百分比等。另外还有一些采用定性或半定量的限定来确定排污混合区的范围。R.L.Doneker 和G. H. J irka [9]介绍了排污混合区的概念、定义及美国一些州对于混合区范围的限定，提出了混合区可用长度、横断面面积或水体体积来定义。对于河流，美国大部分州规定混合区范围不超过河流断面或体积的1/4 ，有的确定为1/5 ，在Virginia 州仅定义了混合区的长度，在夏季与冬季混合区的长度分别小于平均河宽的1/10 或1/5 。我国对海域及河口地区的污染混合区允许范围也有规定，但对河流中污染混合区允许范围，目前还没有统一的规定和标准，缺乏可以广泛应用的定量数据，甚至还难以提供准确的定量计算方法。
按照收集的大量实测资料分析，长江干流上较大的污染混合区范围，其长度一般都在100 ～500m 之间、宽度在40 ～200m 以内。建库后的污染混合区的控制标准可以选择长度、宽度、面积3 个参数以及3 个参数的组合方案。具体组合方案，必须通过水质模型的反运算，将三峡库区一些主要排污口分别按混合区长度、宽度和面积控制，分别计算不同控制条件下污染物的最大允许排放量，来确定合理的污染混合区允许范围。
(3)排污口位置。三峡水库建成以后，大量城镇将要搬迁，排污口位置初步按照库区城镇1998 年现状位置和规划设计位置两种分布方案考虑，以排污口现状排污量作为水环境容量计算的分配权重，按照污染负荷等比例分配原则将库区水环境容量分配到各排污口。
2.2 水环境容量计算方案
综合以上多种影响因素，最后确定的三峡水库水环境容量计算方案见表3 。通过对总体环境容量进行多方案计算分析，提出三峡库区在实际运用中的总体环境容量，在此基础上，计算库区岸边环境容量。
3 三峡库区水环境容量3.1 总体环境容量计算
3.1.1 计算模型
针对三峡水库总体水流水质运动特点，开发研制一维非恒定水流水质数学模型，模拟水库建成前、后的水流水质运动。模型充分考虑了三峡水库建成前、后水流条件巨大变化对库区水流水质运动特性的影响，水流水质主要模型参数通过实测资料建立了与水流条件相关的经验关系式，既提高了模型计算精度，又提高模型预测能力[14]。三峡库区丰水期和枯水期两个代表性时段长河段水流水质观测结果[10~13]，验证了一维水流水质数学模型具有较高的模拟预测精度，可以作为三峡库区总体环境容量计算的工具。
3.1.2 总体环境容量计算
将7Q10 设计流量作为三峡入库流量，三斗坪水位分别取65 8m 、168 6m 和175m ，模拟计算库区水流状况，分别代表三峡水库建成前、后的3 种代表性水流状况。将水库上游3 个入库断面控制浓度作为水库背景水质，设计排污口位置和现状排污量所占比例作为水环境容量分配权重，利用一维水流水质数学模型计算三峡水库在设计水质保护目标下最大允许纳污量。计算得到不同方案下三峡水库总体环境容量和沿江段的分配见表4 。
3.1.3 计算结果分析
采用一维水流水质数学模型计算的三峡水库建库前、后的总体水环境容量，模拟结果表明：
(1)三峡水库建成前，在7Q10 设计流量条件下和现状污染源位置不变情况下，模拟计算的库区江段CODCr 指标的沿程浓度可满足水域功能区规定的水质目标要求，NH3-N 指标在库区干流和乌江江段满足水质保护目标要求，但重庆主城区嘉陵江江段NH3 N 需削减30 ％负荷量后，才能达到功能区所规定的水质目标；(2)三峡水库建成以后，随着水位抬高，水流减缓，污染物在库区滞留时间的延长，污染物自净降解总量将比建库前增大，因而水库建成以后总体环境容量较建库前略有增大。从水质偏于安全和实际管理应用角度出发，可选择三峡库区运行水位168 6m 和规划排污口条件下计算得到的总体水环境容量，即在设计条件下三峡水库建成以后的总体水环境容量值为CODCr22 20 万t/年和NH3-N 1 。66 万t/年。
3.2 岸边环境容量计算
3.2.1 计算模型
以重庆主城区、涪陵区和万州区江段为重点，针对三峡库区不同江段排污口和汇流口混合区特点，分别开发研制平面二维k-ε模型和水平分层的三维紊流模型。平面二维k-ε模型用于模拟计算水深比较浅的重庆江段排污口附近混合区范围，水平分层的三维紊流模型用于水库建成以后水深比较大的涪陵和万州段排污口附近混合区范围。模型在边界处理和参数选取上进行了深入研究，能够模拟复杂边界、自由水面、岸边排放等大范围的混合区变化。大量实测资料验证结果表明，建立的两类数学模型均具有较高的模拟精度，能够精细模拟预测排污口附近的复杂水流特点和污染混合区范围[15~25]。
3.2.2 局部江段岸边环境容量计算
岸边环境容量是在单个排污口混合区计算的基础上进行的。通过选择三峡库区代表性排污口，计算单个排污口的混合区范围，根据混合区水质保护目标，反推单个排污口最大允许污染负荷排放量。并利用下式计算得到整个江段岸边污染物最大允许排放量，即局部江段岸边环境容量：江段岸边环境容量/江段控制长度=∑排污口最大允许负荷量/∑混合区长度。
3.2.3 计算结果分析
（1 ）在拟定的水质控制目标下，随着库水位升高，除少数排污口外，多数排污口的最大允许排污负荷量减少，各江段的岸边环境容量也随之减少；（2 ）按现状生活污水排放的CODCr 和NH3-N 的负荷计算，控制三峡库区污染混合区的水质参数是NH3-N ，进行污水处理时，应优先考虑对NH3-N的处理；(3) 利用二维和水平三维模型，针对重庆主城区、涪陵城区和万州城区3 个重点城市江段的污染混合区，考虑多种不同的污染混合区控制方案组合进行大量计算，长度按照100m 、200m 、300m ，宽度按照河宽1/10 以及面积相同等进行组合计算，最终结果表明：单个污染混合区按照长度100m 控制较为恰当。在此基础上，江段污染混合区长度按照总长度1 ／10 、1 ／15 、1 ／30 进行组合计算，结果表明江段混合区控制在总长度1 ／30 较为恰当。因此，污染混合区的控制指标为混合区长度。推荐三峡水库污染混合区控制标准为：单个污染混合区控制长度采用100m ，江段污染混合区控制长度采用江段总长度的1 ／30 ；（4 ）在同样混合区水质控制目标下，岸边环境容量随库区水位抬高而呈减小的趋势。因此从水质偏于安全考虑，建议将175m 水位下用长度控制的岸边水环境容量作为3 个重点城区江段的水环境控制容量。见表5 。
3.3 水环境容量综合方案
从以上总体和岸边环境容量计算结果来看，对于总体环境容量，和建库前相比，长寿江段以下的总体管理环境容量是增加的，而且坝前水位168.6m 和175m 的环境容量基本相同。对于3 个重点城区岸边环境容量，在限定的排污混合区控制标准下，污染负荷的最大允许排放量，必须进行削减。从水质偏于安全考虑，建议建库后三峡水库的3 个重点城区城镇江段水环境容量按照175m 水位岸边环境容量控制，其他江段则按175m 水位总体环境容量控制，得出三峡水库水环境容量综合方案(见表6)。由表6 可见，三峡水库建库后水环境容量综合方案为CODCr 16.08 万t/年、NH3-N0.90 万t/年。
4 结 语
通过本文工作，有以下主要结论：(1)分析了三峡库区的污染状况，提出了三峡水库环境容量的计算原则、设计水文条件和水质保护目标。(2)以CODCr 、NH3-N 为污染物控制指标，计算了三峡水库建库前后的总体环境容量和岸边环境容量，推荐了三峡水库水环境容量综合方案。结果表明：三峡工程建成后，库区总体环境容量增加，岸边环境容量减少。(3)三峡水库建成以后，为了保护好库区水质，建议对三峡库区污染负荷按照总体环境容量进行控制的基础上，对重点城市江段采用岸边环境容量进行控制。(4)污染混合区的控制指标为混合区长度。推荐三峡水库污染混合区控制标准为：单个污染混合区控制长度采用100m ，江段污染混合区控制长度采用江段总长度的1/30 。
在水环境容量研究方面还有一些工作需要进一步开展，如重庆主城区嘉陵江段和涪陵城区乌江段岸边环境容量的计算；水环境容量分配原则的完善；允许排污负荷从河段再分配到每个污染源或排污口等。近几年的监测表明，库区江段的TP(总磷)已逐渐成为主要污染物质。三峡水库是否出现富营养化，也引起有关部门和公众的关注。泥沙对污染物的吸附和解吸的影响较大，汛期清浑水样的监测指标差别显著。因此，在今后的水环境研究中还应考虑TP 和泥沙的影响等问题。
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Water environmental capacity for the reservoir of Three Gorges Project
Abstract ：The pollution situation of the reservoir in Three Gorges Project is analyzed and the design philosophy, design hydrologic condition and the target of water quality protection for the calculation of water environmental capacity of the reservoir are proposed. The 1-D flow water quality model,2-D depth averaged k-ε model and 3-D multi layer turbulent model are applied to calculate the macro environmental capacity and bank ′s environmental capacity of CODMn and NH3-N as well as its assignments along the reservoir before and after the completion of the Project. On the basis of comparison among several design schemes for the bank ′s environmental capacity, the acceptable criteria for the pollution mixing zone and the comprehensive scheme of water environmental capacity for the reservoir are recommended.
Key words ：reservoir of the Three Gorges Project; water quality model; pollution mixing zone; water environmental capacity .