口 袁弘任

　　三峡水库于2003年6月蓄水至135m蓄水位，到2006年10月蓄水位将达156m，2009年蓄水至175m。水库蓄水后，水深增加，流速减缓，水库近岸水域纳污能力减小，部分支流库湾受回水顶托影响，营养物质富集，成为易出现富营养化的敏感水域。蓄水后水文情势的变化是影响水库水质的主要矛盾，而水文情势变化对水质的影响是通过水库纳污能力的改变反映出来的，因此需要对三峡水库纳污能力进行探讨。

　　一、研究范围、对象及方法

　　1.水质状况

　　三峡水库的污染源主要有点源、面源和流动源。2002年库区直排三峡水库的城市污废水总量达4.61亿t，其中化学需氧量13.31万t，氨氮8118t。点源排放的污染物对库区主要城市江段的近岸水域影响严重，在重庆市主城区、长寿、涪陵、万州等江段近岸水域形成明显的岸边污染带。

　　库区面源污染主要来自农田、城市地表径流，面源污染负荷约占水库总污染负荷的60%～70%，其中总磷为73%-81%，总氮为～90%以上，是水库的主要污染源，对水库总体水质、库湾水质和水体富营养化影响显著。

　　船舶流动污染在库区重要港口水域造成较为明显的石油类污染问题，随着航运的发展，船舶流动污染是库区水质重要的潜在污染源。

　　根据1996-2001年度三峡库区铜灌驿、寸滩、清溪场、沱口、管渡口等5个国控断面的水质监测资料，干流断面水质指标基本在Ⅱ、Ⅲ类标准内，水库总体水质良好。2003年蓄水后，高锰酸盐指数、总磷受蓄水过程影响较为明显，产生一定幅度的波动，其余水质指标未发生明显变化。

　　2.水功能区纳污能力

　　一般说来，水域纳污能力，是指在一定水域功能对水质的要求能够得到满足，水域功能不受破坏的条件下，水体所能受纳污染物的最大数量。

　　点污染多是岸边排放，主要影响水库岸边水质，取用水也主要在岸边，而水功能区纳污能力正是针对岸边水域计算的，水功能区宽度是根据污水影响范围来确定的。因此，三峡水库的纳污能力宜采用水功能区方法计算。按水功能区划成果，以已划分的水功能区为基本单元，分别计算各个水功能区的纳污能力，各个水功能区纳污能力之和即为所在江段和水库的纳污能力。

　　由于不同水功能区功能对水质的要求不同，功能区的水质现状和功能区水质保护的要求不相同，水功能区纳污能力确定的方法也不同。确定水功能区纳污能力方法分为两类：一类是保护区、保留区和部分水质较好、用水矛盾不突出的缓冲区，其水质目标原则上是维持现状水质，将功能区的现状污染物人河量定为功能区的纳污能力。另一类是所有的开发利用区和需要改善水质的保护区、保留区和缓冲区，其纳污能力均需要根据各水功能区的设计水文条件和水质目标，选择适当的水质模型进行计算得到。

　　3.纳污能力分析范围、对象及指标

　　三峡库区水域纳污能力的分析范围为上自重庆市江津市，下至湖北省秭归县三斗坪坝址的整个水库，分别考虑不同蓄水位方案水库回水区的纳污能力，即175m蓄水位方案水库回水区为全库，涉及15个县(区)。156m、135m蓄水位方案水库回水至重庆市涪陵区，即涪陵区至坝址为水库，涉及9个县(区)，重庆市江津市至涪陵区为河道，涉及6个县(区)。

　　三峡库区水域纳污能力分析主要针对点污染源。

　　三峡水库为河道型水库，干流纳污能力按河道类型计算。根据三峡水库水质现状和水污染的特点，结合全国水资源综合规划的要求，纳污能力计算控制指标确定为化学需氧量(COD)、氨氮(NH₃-N)。

　　4.水功能区划及区划宽度

　　湖北省、重庆市人民政府分别批准实施的《湖北省水功能区划》《重庆市水功能区划》，在三峡库区水域共划分了11个一级水功能区，区划河长为1068km，其中开发利用区6个、河长538km；保留区5个，河长530km。

　　在开发利用区中划有41个二级功能区，其中饮用水源区16个，区划河长240km；工业用水区8个，区划河长82km；景观娱乐用水区7个，区划河长115km；排污控制区2个，区划河长5km；过渡区8个，区划河长96km。

　　三峡水库蓄水后，水面宽700～1700m，平均宽度约1100m。水功能区宽度主要根据污染带宽度、岸边水域状况、岸边排污可能影响的水域等综合确定。由于污染带的宽度受位置、负荷量、水文条件等因素的影响，水功能区纳污能力计算采用的控制宽度为建库前、后有关研究成果的综合分析，污染影响宽度随水库蓄水位升高增加，一般为30-50m。

　　二、技术路线

　　1.基本思路

　　要准确计算水功能区纳污能力，确定设计水量和水质模型是技术关键。设计水量应综合考虑入库流量、区间来水量、水库下泄水量和水库水位，按水功能区流速最小确定岸边流量；计算功能区纳污能力的水质模型，开发利用区采用二维水质模型解析解，保留区采用一维水质模型解析解，模型参数估值应符合实际。为检验成果的合理性，除与已有的相关成果进行比较外，主要应从对污染物削减量可达性分析来衡量功能区纳污能力计算成果的可操作性。

　　2.设计水量拟定

　　(1)设计水量拟定的原则
　　设计水量拟定应按照国家颁布实施的有关标准和规定，利用已有的长系列水文资料，结合全国水资源综合规划的要求进行。三峡水库设计水量，主要受水库调度影响。三峡水库正常运行期，按照满足防洪、发电、航运和排沙的综合要求，水库调度运行为175—145—155m：即每年5月底以前水库水位不低于155m；6月10日水库水位降低到145m；汛期6～9月，水库一般维持145m蓄水位运行；汛末10月初，水库开始蓄水到175m。

　　据此，三峡水库设计水量的确定方法因不同蓄水位调度方案而不同：

　　水库蓄水前和135m蓄水位方案。蓄水前为自然河道，水功能区纳污能力的大小主要取决于上游来水水量的影响。水库按135m蓄水位方案调度运行时，不具有调蓄能力，水体纳污能力的大小主要取决于入库水量的影响。设计水量采用《制定地方水污染物排放标准的技术原则与方法(GB3839-83)》中所规定的方法，确定90%保证率的最枯月平均流量为设计流量。按此成果控制进入水功能区的点源污染物总量，对功能区的水质目标而言是偏安全的。

　　175m蓄水位方案。水库按175m蓄水位方案调度运行时，汛期按防洪调度的要求运行，枯水期按发电、航运的要求运行，具有较强的调蓄能力，水库调度汛期一般采取来泄相当的方式，非汛期来泄水过程与天然情况有较大差别，对库区不同断面的水文条件影响较大。因此，设计水量的确定应综合考虑天然来水、区间来水量、水库蓄水位及下泄水量对库区水文条件的影响，以水功能区控制断面的流速最小确定设计水量。

　　(2)设计水量确定
　　关于上游及库区主要控制断面设计水量：根据三峡水库入库控制寸滩水文站长系列水文资料和涪陵、万州、云阳、奉节和宜昌建站以来水文资料，计算确定90%保证率最枯月平均流量为设计水量。

　　关于区间设计水量：根据乌江入库控制武隆水文站长系列水文资料，计算确定90%保证率最枯月流量为区间设计水量。

　　关于水库坝前设计水位及设计下泄流量：三峡水库不同蓄水位运行水库水位变化与下泄流量不同，根据长系列水文资料的水库调度运行方案，在分析不同典型水文年175m蓄水位运行的调度成果基础上，综合考虑不同典型水文年枯水期上游来量、区间来水量、水库运行较高水位和下泄水量的组合。

　　关于岸边流速、流量：有实测流速资料时，根据实测垂线平均流速求得左、右岸河宽对应的流量。无实测资料时，利用“能坡流量测验模型”，以设计水量和相应断面流速为控制条件，估算左、右岸不同河宽对应起点距处的垂线平均流速。

　　3.纳污能力计算方法

　　与功能区水质目标和水体稀释自净规律有关的因素，如水体自然背景值、水量及水量随时间的变化、水体的物理、化学、生物学及水力学特性，以及排污点的位置和方式等均能影响水功能区纳污能力。水质模型是这些因素相互关系的数学表达式。因此，水功能区纳污能力可以通过水质数学模型进行计算求得。

　　(1)模型选择
　　水域流态是选择水质模型的基本依据。三峡水库为河道型水库，蓄水后仍具有一定的流速，因此水功能区纳污能力计算应按河道类型，选择河流水质模型。根据不同水功能区的污染特点，开发利用区和保留区分别选用不同的河流水质模型。

　　①开发利用区选用的模型

　　三峡水库所有的开发利用区都位于库区城镇江段，开发利用区各二级功能区纳污能力采用二维水质水量模型解析解计算。

　　二维对流扩散方程

　　开发利用区纳污能力计算公式为：

　　式中：[m]为水功能区纳污能力，t/月；C_s为水功能区水质目标，mg/L；C_o为背景浓度，mg/L；k为污染物综合衰减系数，L/s；u为设计流量水功能区平均流速，m/s；h为设计流量水功能区平均水深，m；Ez为横向扩散系数，m²/s；L为计算水功能区长度，m。

　　②保留区选用的模型

　　保留区纳污能力采用一维水质模型计算。鉴于三峡水库按不同蓄水位运行时，受水库回水影响水域的水文条件发生了较大的改变，影响区内水体流速都不同程度地变小，岸边纳污能力减弱，为了保持水库水质不低于现状水平，对于库区保留区城市江段的纳污能力计算，综合考虑现状水质和不同保留区受水库回水影响的程度进行相应计算。

　　一维对流推移方程

　　保留区纳污能力计算公式为：

式中：Q_r为水功能区设计水量，m³/S；其他符号意义同前式。

　　(2)参数估值
　　①初始断面背景浓度(C_o)确定

　　三峡水库水体背景值浓度是直接决定纳污能力大小的关键因素，水功能区初始断面背景浓度是根据实际情况，参照主要控制断面2000-2002年枯水期平均值确定，见表1。

表1　三峡水库各开发利用区背景浓度　　单位：mg/L

　　②综合衰减系数(k)确定

　　综合衰减系数反映了有机污染物在水体作用下降解速度，与河流的水文条件，如流量、流速、河宽、水深、泥沙含量等因素有关。在蓄水前库区代表性河段实测资料反推的基础上，与国内外其他河流实测情况进行类比，确定三峡库区各开发利用区不同蓄水位污染物的综合衰减系数取值范围，见表2。

表2　三峡水库不同蓄水位污染物的综合衰减系数　　单位：L/s

　　③横向扩散系数(Ez)确定

　　河流的横向扩散系数受河流的自然特征影响，与河流的水深、河道的弯曲性、河岸的规则程度及水流的摆动幅度密切相关。一般来说河道弯曲系数越大，越利于污染物的混合，横向扩散系数也越大；河道越不规则，污染物混合越快，横向扩散系数也越大。

　　根据建坝前后对横向扩散系数的有关研究和试验成果，建坝前Xz为0.3～0.5m²/s；建坝后Ez为0.15m²/s；嘉陵江Ez为0.63m²/s。确定不同蓄水位污染物横向扩散系数，其中顺直河段较小，弯曲河段较大，见表3。

表3　三峡水库不同蓄水位污染物的横向扩散系数　　单位：m²/s

　　(3)参数敏感性分析
　　综合衰减系数k值敏感性分析，嘉陵江重庆开发利用区在175m蓄水位方案、COD综合衰减系数取0.04L/s时，纳污能力为37.7t/月；综合衰减系数取0.06L/s时，纳污能力为45.8t/月；取0.08L/s时，纳污能力为49.4t/月。相对综合衰减系数增加一倍时，纳污能力增加31%。

　　横向扩散系数Ez敏感性分析，嘉陵江开发利用区在175m蓄水位方案、氨氮横向扩散系数取0.15m²/s时，纳污能力为42.03t/月；横向扩散系数取0.3m²/s时，纳污能力为59.43t/月。相对横向扩散系数增加一倍时，纳污能力增加41%。

　　三、结论与体会

　　1.结论

　　三峡水库135m蓄水位方案纳污能力：COD为13090.8t/月，NH₃-N为1082.8t/月，其中开发利用区的纳污能力COD为11736.8t/月，NH₃-N为996.2t/月；保留区的纳污能力COD为1354.0t/月，NH₃-N为86.6t/月。

　　三峡水库156m蓄水位方案纳污能力：COD为12796.8t/月，NH₃-N为1052.7t/月，其中开发利用区的纳污能力COD为11501.2t/月，NH₃-N为969.8t/月；保留区的纳污能力COD为1295.6t/月，NH₃-N为82.9t/月。

　　三峡水库175m蓄水位方案纳污能力：COD为7357.9t/月，NH₃-N为590.2t/月，其中开发利用区的纳污能力COD为6123.5t/月，NH₃-N为511.3t/月；保留区的纳污能力COD为1234.4t/月，NH₃-N为78.9t/月。

　　2.体会

　　(1)水功能区纳污能力是水资源保护管理的科学依据
　　为了有效保护三峡水库水体水质，应根据三峡水库不同蓄水位方案的水功能区纳污能力和污染物现状入河量，结合库区经济社会发展水平和近期水污染治理的实际能力及《三峡库区及其上游水污染防治规划》的实施情况，提出三峡库区水域不同蓄水位限制排污总量意见。通过限制排污意见的实施，实现三峡水库水资源保护的总体目标——建库后水质状况应好于现状水质。

　　按照水功能区计算纳污能力是科学的、合理的、具有很强的可操作性，同时其结果对水资源保护管理具有实际意义。

　　(2)设计水量拟定要尽快制定相应的标准和规范
　　目前我国还没有设计水量设计标准、规范可循，只能借用《制定地方水污染物排放标准的技术原则与方法(GB3839-83)》中所规定的方法，按90%保证率的最枯月平均流量为设计流量。这是一个很小的设计流量，计算的水功能区纳污能力偏小，按此成果控制进入水功能区的点源污染物总量，对功能区的水质目标而言是偏安全的。但是，这么小的流量在年内和年际出现的概率也很小，计算的纳污能力在很多地区的大多数时间是很难实现的，尤其是北方。如何既能有效保护水资源，又能更合理地利用水资源的纳污能力，应当加强这方面的研究。年内可以按照不同水期分别确定不同的设计水量，计算相应的纳污能力，将这种偏安全的纳污能力作为基准纳污能力，管理起来更加灵活，操作上更符合实际。为了规范功能区纳污能力，应尽快制定相应的标准和规范。

　　(3)水质模型的选择应简单实用
　　选择模型时要考虑的是，模型的结构应能反映污染物在功能区水体中的运动变化和影响因素。在开发利用区选用二维水质模型就是因为污染物的运动特征是形成岸边污染带，影响污染物浓度变化的因素主要有综合衰减系数和横向扩散系数。在水质模型基本能反映污染物变化规律的前提下，还要综合考虑实际资料数据的多少，能不能支持模型的运算。模型不是越复杂越好，复杂模型有大量的参数需要进行估值，有的参数灵敏度还很高，估值误差对计算结果影响很大。因此，只要能反映污染物迁移变化，符合水体的实际，选用简单实用的水质模型就行。

　　(4)加强管理确保功能区水质目标实现
　　为了有效保护功能区水质，在准确计算其纳污能力并据此提出限制排污总量意见的同时，为了实现限排意见管理目标，应该在加强管理上下功夫。

　　(5)加强支流库湾富营养化及纳污能力计算问题研究
　　三峡水库蓄水前，部分支流的水质状况就比较差，营养物质含量较高。根据2000年12月对库区12条主要支流的水质监测资料，总磷是影响支流水质的主要因素。如果总磷不参与评价，各支流水质为Ⅱ、Ⅲ类；总磷参加评价，则4条支流水质为Ⅳ类，香溪河为V类。又据2003年4月对库区8条支流水质进行的营养状态指标评价，除两条支流为中营养状态，其余支流均为富营养状态。

　　水库蓄水后，由于支流库湾枯水期的来水量小，加上水库回水的顶托影响，在支流回水区的末端，形成水流缓慢，局部水域相对静止的库湾，类似于湖泊型水库，更有利于氮、磷等营养物质的积累，其水质问题主要表现为富营养化。富营养状态的水体易发生“水华”，需要特别关注。建议加强对支流库湾水域纳污能力的研究，同时采取相应措施控制总磷、总氮的排入量。　■

(作者为水利部长江水利委员会教授级高级工程师)
责任编辑 党维勤