陳　平，傅長鋒，及曉光，于京要

(1.天津大學建筑工程學院暨港口與海洋工程教育部重點實驗室，天津 300072；2.河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250)

近年來，隨著水庫流域(水源地)內(nèi)人口的不斷增加，農(nóng)牧業(yè)的迅速發(fā)展，以及村社城鎮(zhèn)化腳步的加快，流域內(nèi)人均排污量以及各種農(nóng)牧業(yè)污染物的排放量也不斷增加，大量農(nóng)藥、化肥、牲畜糞便、垃圾、工礦業(yè)污染物等進入庫區(qū)，致使水庫水質(zhì)不斷惡化，水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象日趨嚴重，甚至出現(xiàn)水華爆發(fā)等現(xiàn)象，嚴重影響水庫供水安全[1-4]。

前置庫技術(shù)作為一種新型生態(tài)污水凈化處理工藝，抑制主庫中藻類過渡繁殖，減緩富營養(yǎng)化進程，改善水質(zhì)[5]。國內(nèi)外關(guān)于前置庫的研究很多，主要集中在前置庫對水質(zhì)凈化效果及模型計算等方面[6-9]。而對于前置庫容積規(guī)模確定方法的研究甚少。目前，在前置庫設(shè)計過程中，如何確定前置庫庫容設(shè)計規(guī)模，使入庫徑流中的污染物能被有效去除，獲得污水處理與資源化的最佳效益，是持續(xù)有效改進前置庫去污效果的一種技術(shù)。因此，前置庫容積的確定對流域水環(huán)境治理至關(guān)重要。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中前置庫庫容規(guī)模確定的困難，以及前置庫的凈化功能與河流的行洪功能存在的矛盾。本論文根據(jù)我國北方干旱半干旱地區(qū)年降水量特點，流域內(nèi)非點源污染物主要由每年汛期頭場暴雨洪水攜帶進入河道系統(tǒng)，由于降雨初期，雨水溶解了空氣中的大量酸性氣體、汽車尾氣、工廠廢氣等污染性氣體，又由于沖刷瀝青油氈屋面、瀝青混凝土道路、農(nóng)業(yè)用地、畜禽養(yǎng)殖場等，使得頭場洪水中含有大量的有機物、病原體、重金屬、油脂、懸浮固體等污染物質(zhì)，因此頭場洪水的污染程度較高，通常超過了普通的污水的污染程度[10]。在分析流域污染物總量控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過流域內(nèi)第一場洪水的計算，而完成對前置庫規(guī)模的確定[11,12]。

1　研究區(qū)概況

洋河水庫位于秦皇島市撫寧區(qū)大灣子村北，1959年10月興建，1961年8月建成并投入使用，總庫容3.86 億m3，是一座以防洪為主，兼顧城市供水、灌溉及發(fā)電等綜合利用任務(wù)的大(Ⅱ)型水利樞紐工程。洋河水庫流域呈從東北向西南走向的不規(guī)則狹長矩形區(qū)域，東西長約42.7 km，南北寬約37.7 km，流域覆蓋面積755 km2。洋河流域地勢東北高西南低，洋河境內(nèi)較大支流主要有東洋河、西洋河、迷霧河和麻姑營河。

洋河流域?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L型氣候，冬寒夏熱，四季分明，早晚溫差大，極端最高氣溫39.9 ℃，極端最低氣溫-24 ℃。洋河流域年平均氣溫10.2 ℃。全年小于4 ℃約124 d；4 ℃以上至平均氣溫約48 d，分布于10月下旬至11月中上旬，以及3月下旬至4月上旬；大于平均氣溫約193 d，其中超過20 ℃的約92 d。封凍期自12月中旬至翌年2月底，長約80 d，凍土層深度0.8～1.2 m。流域位于燕山迎風山區(qū)，多年平均降水量750 mm，水量比較充沛，洋河水庫以上多年平均徑流量1.69 億m3。全年降水量約80%集中于汛期6-9 月，較大暴雨多出現(xiàn)在7、8月份。

2　研究方法

2.1　數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)資料主要從洋河水庫流域內(nèi)相關(guān)部門收集，主要包括當?shù)貧庀笳尽⑺恼竞陀炅空練v年實測資料，統(tǒng)計部門的社會經(jīng)濟和發(fā)展等相關(guān)資料等。洋河水庫流域的氣象數(shù)據(jù)主要來源于洋河水庫水文站、撫寧氣象站的1970年到2015年的實測資料。

2.2　計算方法

設(shè)計洪水計算方法與流域內(nèi)的水文資料情況有關(guān)，對于有實測資料地區(qū)通過流量資料計算設(shè)計洪水，在缺乏實測洪水流量資料的情況下，采用暴雨資料推算設(shè)計洪水的計算方法。

(1)

(2)

(3)

采用皮爾遜-Ⅲ型曲線進行適線調(diào)整統(tǒng)計參數(shù)，根據(jù)上下游、干支流和鄰近流域已有成果進行合理性檢查，通過對洪峰和時段洪量系列進行頻率分析計算，得到第一場洪水的各頻率設(shè)計洪峰和時段洪量成果；設(shè)計洪水過程線采用放大典型洪水過程線的方法推求，典型洪水過程線選擇時需考慮反映洪水特性、對工程運用較不利的洪水，放大典型洪水過程線時，可根據(jù)工程和流域的洪水特性選擇同頻率放大法或同倍比放大法。

(2)無實測資料計算設(shè)計洪水方法。對于無實測地區(qū)，使用地區(qū)暴雨圖集(水文手冊)進行設(shè)計暴雨的計算，設(shè)計面雨量通常有直接法和間接法兩種，如采用泰森多邊形等方法，當流域面積較小(一般不大于50 km2)，可采用設(shè)計點雨量替代設(shè)計面暴雨量；根據(jù)上述設(shè)計暴雨成果，采用地區(qū)水文手冊方法(包括經(jīng)驗公式、推理公式、瞬時單位線等)計算設(shè)計洪水。

3　結(jié)果與分析

3.1　洋河水庫汛期入庫頭場洪水

根據(jù)洋河水庫水文站實測1963-2015年入庫實測資料，包括歷年水庫水文要素摘錄表、逐日平均水位表和逐日平均流量表等資料，采用水量平衡法，依據(jù)洋河水庫實測下泄流量及水庫蓄水量的變化反推入庫洪水對洋河水庫歷年入庫頭場洪水過程進行分析，洋河水庫入庫頭場洪水洪峰洪量系列成果見圖1。采用矩法估算參數(shù)初值，采用P-Ⅲ型曲線進行適線，對洋河水庫入庫頭場洪水洪峰洪量系列進行頻率分析計算，各頻率設(shè)計洪峰洪量見表1。洋河水庫入庫頭場洪水的洪峰均值為125 m3/s、洪量均值為400 萬m3。

圖1　洋河水庫頭場洪水洪峰和洪量(1963-2014年)Fig.1 The flood peak and flood volume of the first flood for YangHe reservoir

表1　洋河水庫入庫頭場洪水的洪峰和洪量成果表Tab.1 The result table for the flood peak and flood volume of the first flood for YangHe reservoir

3.2　各個支流入庫頭場洪水

洋河水庫共有4條支流直接入庫，鑒于各支流河道均無入庫水文測站，選用水文比擬法計算入庫支流河道汛期頭場洪水洪峰。根據(jù)洋河水庫不同代表年入庫洪量地區(qū)組成分析，東洋河占比45%，西洋河占比38%，迷霧河占比9%，麻河占比8%，根據(jù)上述比例將該水庫各標準頭場洪水入庫洪量分配到各入庫支流河道中。各入庫河道頭場洪水成果如表2示。

表2　各個河道頭場洪水計算成果表Tab.2 The result table for the first flood of each tributary

4條入庫河流頭場洪水過程線采用同頻率放大法。典型洪水過程線是放大的基礎(chǔ)，從實測洪水資料中選擇典型時，同時應(yīng)考慮下列條件：①選擇峰高量大的洪水過程線，其洪水特征接近于設(shè)計條件下的稀遇洪水情況；②要求洪水過程線具有一定的代表性，即它的發(fā)生季節(jié)、地區(qū)組成、洪峰次數(shù)、峰量關(guān)系等能代表本流域上大洪水的特性。選取2012年洋河水庫汛期入庫頭場洪水過程作為典型。

3.3　前置庫規(guī)模確定

前置庫的主要作用是對上游河道原水進行預處理，凈化每年流域內(nèi)非點源污染物。經(jīng)分析選擇常遇高頻(2～5年一遇)的汛期頭場洪水水量確定前置庫規(guī)模，選擇稀遇低頻洪水水量較大，工程量和投資不經(jīng)濟。

根據(jù)2～5年一遇頭場洪水調(diào)節(jié)計算成果，結(jié)合實測洋河水庫入庫支流河道入庫口地形條件，在洋河水庫永久征地線范圍內(nèi)，考慮土石方挖填平衡不增加棄土棄渣占地等原則，經(jīng)分析論證前置庫容積以能夠容納3年一遇頭場雨洪量確定。從表2可以看出，東洋河的頭場雨洪量為169 萬m3，前置庫容積為169 萬m3；西洋河的頭場雨洪量為144 萬m3，前置庫容積為144 萬m3；迷霧河的頭場雨洪量為34 萬m3，前置庫容積為34 萬m3；麻河的頭場雨洪量為29 萬m3，前置庫的容積為29 萬m3。

4　結(jié)果與討論

前置庫的凈化功能與河流的行洪能力往往矛盾，因此如何將二者高效、和諧地結(jié)合起來是需要解決的一個熱點問題。本論文根據(jù)我國北方干旱半干旱地區(qū)年降水量特點，流域內(nèi)非點源污染物主要由每年的年內(nèi)第一場暴雨產(chǎn)生的洪水攜帶進入河道系統(tǒng)，在分析流域污染物總量控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過流域內(nèi)第一場洪水的計算，而完成對前置庫規(guī)模的確定。

以洋河水庫流域為例，根據(jù)流域各支流入庫口地形條件，充分利用河口地形條件加大濕地面積，確保河道污水通過前置庫生態(tài)濕地凈化后再排入水庫。選取2012年洋河水庫入庫頭場洪水過程線作為典型。經(jīng)計算水庫前置庫以能夠容納3年一遇頭場雨洪量為原則。東洋河的頭場雨洪量為169 萬m3，前置庫容積為169 萬m3；西洋河的頭場雨洪量為144 萬m3，前置庫容積為144 萬m3；迷霧河的頭場雨洪量為34 萬m3，前置庫容積為34 萬m3；麻河的頭場雨洪量為29 萬m3，前置庫的容積為29 萬m3。

洋河水庫4條支流入庫口各設(shè)置一個前置庫生態(tài)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)來水在前置庫區(qū)的滯留時間，使徑流污水中的泥沙和吸附在泥沙上的污染物質(zhì)在前置庫沉降。利用前置庫生態(tài)系統(tǒng)，吸收去除水體和底泥中的污染物，使水體得到凈化，經(jīng)前置庫濕地凈化后的水體再排入水庫。有效減少水源地污染物的入庫總量，獲得污水處理與資源化的最佳效益。

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