东昌湖引水量与水质平衡分析

东昌湖引水量与水质平衡分析

东昌湖位于山东省城市交通市西南部，环绕古城，总面积4.2公里。黄河（通过谭庄水库）被用作水源，全年不断变化。东昌湖是长江以北最大的人工湖泊,湖底比较平坦,水深为2～3m。它是一个集景观旅游、工业用水(聊城热电公司发电用水)、水产养殖及水上运动为一体的多功能湖泊。随着聊城地区旅游业的发展,对东昌湖的水量和水质状况提出更高的要求,谭庄水库是为保证东昌湖和聊城热电公司发电用水而建设的。它位于聊城市东昌府区李海务镇谭庄村,引蓄黄河水,其总库容为813万m3,兴利库容661万m3。为了在合理利用水资源的前提下,满足东昌湖生态和服务功能所需的适宜水量、良好水质并保证聊城热电公司正常运行,需推求不同典型年谭庄水库向东昌湖各月引水量,以便为科学决策提供有力的依据。1引入的水量和水质东昌湖的输入水量包括降雨径流、湖面降水和谭庄水库的引入水量,输出水量包括蒸发、渗漏和聊城热电公司发电取水量,东昌湖的水量组成如图1所示。谭庄水库引入的水量一方面供给聊城热电公司发电用水(每年约500万m3),另一方面还要保证东昌湖的水量和水质满足其功能要求,合理确定这部分水量可达到东昌湖生态系统良性循环和聊城热电公司正常运行的目标。东昌湖生态系统良性循环的最主要的指标就是东昌湖的蓄水量应在下限值与上限值范围内变化;水质需要同时考虑东昌湖旅游功能对水质的要求和聊城热电公司取水口对水质的要求。聊城热电公司正常运行的表征是用水量和用水水质达到要求。2东昌湖引水规划模型2.1降雨径流入流量所含污染物bod的浓度取计算时间尺度为月,以污染物BOD为例,东昌湖不容纳点源排污,具有图2所示的水量与水质平衡关系。图2中,QPRi、CPRi分别为第i月东昌湖的降雨径流入流量与其所含污染物BOD的浓度;QPLi、CPLi分别为第i月东昌湖的湖面降水与其所含污染物BOD的浓度;QIi、CIi分别为第i月东昌湖从谭庄水库的引水量与其所含污染物BOD的浓度;QEi、CEi分别为第i月东昌湖的蒸发量与其所含污染物BOD的浓度;QLi、CLi分别为第i月东昌湖的渗漏量与其所含污染物BOD的浓度;QTi、CTi分别为第i月聊城热电公司从东昌湖取用的水量与其所含污染物BOD的浓度。Q的单位为m3,C的单位为mg/L。(1)东昌湖第i月所水气量vΔVi=QΡRi+QΡLi+QΙi-QEi-QLi-QΤi(1)ΔVi=QPRi+QPLi+QIi−QEi−QLi−QTi(1)式中:ΔV为东昌湖第i月的蓄水变化量,m3;其他符号意义同上。(2)污染物质bod的降解依据污染物质运动过程中源与汇的变化和物质守恒原理,东昌湖的水质模型为:ΔCi=QΡRiCΡRi+QΡLiCΡLi+QΙiCΙiVi-(QEiCEi+QLiCLi+QΤiCΤi+ΔViCΤiVi+ΚCΤi)(2)式中:K为东昌湖污染物质BOD的降解系数;Vi为第i月东昌湖的平均蓄水量,m3;CTi为第i月聊城热电公司取水口所含污染物质BOD的浓度。此处假定CLi=CTi,CEi=0。文中取计算时间尺度为月,在一个月内可近似认为水质变化是稳定的。令上式中ΔCi=0,即水质不变,只与输入输出物质及边界条件有关,则有:CΤi=QΡRiCΡRi+QΡLiCΡLi+QΙiCΙiQLi+QΤi+ΔVi+ΚVi(3)式(3)建立了东昌湖的水量与水质耦合模型。2.2水质控制方程根据对东昌湖生态系统良性循环和聊城热电公司正常运行状态和表征的分析,可建立以下控制目标方程:(1)东昌湖水量控制方程:Vl≤Vi≤Vu(4)式中:Vu,Vl分别为东昌湖蓄水量的上限值及下限值。(2)东昌湖水质浓度控制方程:CΤi≤Csl(5)式中:Csl为东昌湖水质标准。(3)聊城热电公司取水口水质浓度控制方程:CΤi≤Cst(6)式中:Cst为聊城热电公司取水口水质标准。2.3最小引水量的确定综上所述,由污染物BOD决定的东昌湖第i月的引水量计算模型为:QΙi≥QΡLiCΡLi-(QΡLi-QEi+ΚVi)CsminCsmin-CΙi(7)式中:Csmin=min(Csl,Cst)。由式(7)可见,第i月东昌湖的最小引水量主要与该月的水深(蓄水量)、水质标准、不同的年型及谭庄水库的水质等有关。对每种制约东昌湖水质的污染物,均可利用该模型计算出不同年型各月最小引水量,为了使东昌湖生态系统良性循环,每月取各污染物对应的最小引水量中的最大值即为所求的该月东昌湖的最小引水量。3水质污染物浓度本文以COD和BOD两种污染物为例,推求东昌湖多年平均各月最小引水量。东昌湖的平均水深取为2.5m,Csmin取IV类水对应的污染物浓度,谭庄水库水质(CIi)为Ⅱ-Ⅲ类。由于缺乏湖面降水中所含污染物COD和BOD的实测资料,结合东昌湖的实际,暂取CPLCOD=15mg/L,CPLBOD=3mg/L。由水量水质同步观测数据率定得KCOD=0.008/d,KBOD=0.010/d。3.1引水量的年度分布当水深h=2.5m时,V=1050万m3。谭庄水库水质(CIi)为Ⅱ类时,东昌湖多年平均各月最小引水量计算结果见表1和图3。由表1和图3分析可知,COD决定的各月引水量都大于BOD决定的各月引水量,因此,水深为2.5m,谭庄水库水质(CIi)为Ⅱ类时,东昌湖多年平均最小引水量(各月及全年)是由污染物COD决定的,而且全年的引水量为623.1万m3。年内各月引水量中6月份最大(为136.1万m3),1月份最小(为7.6万m3),最大值与最小值的比为17.9,说明引水量的年内变化很大。将东昌湖多年平均条件下各月引水量与水面蒸发量比较可知,各月引水量的大小主要取决于该月的蒸发量。3.2各月引水量的季节变化当水深h=2.5m时,V=1050万m3。谭庄水库水质(CIi)为Ⅲ类时,东昌湖多年平均各月最小引水量计算结果见表2和图4。由表2和图4分析可知,COD决定的各月引水量都大于BOD决定的各月引水量,因此,水深为2.5m,谭庄水库水质(CIi)为ⅢI类时,东昌湖多年平均最小引水量(各月及全年)是由污染物COD决定的,而且全年的引水量为934.7万m3。年内各月引水量中也是6月份最大(为204.2万m3),1月份最小(为11.4万m3),最大值与最小值的比为17.9,说明引水量的年内变化很大。将各月引水量与水面蒸发量比较可知,各月引水量的大小也是主要取决于该月的蒸发量。4各月最小引水量的确定(1)由于进入东昌湖的降雨径流较小,而且欠缺面源污染的监测数据,故本文在计算中略去QPRiCPRi项,因此计算结果偏小。(2)本文以COD和BOD两种污染物为例,计算了东昌湖的引水量,各月最小引水量与该月的水深(蓄水量)、水质标准、不同的年型及谭庄水库的水质等因素有关。谭庄水库的水质状况对引水量的影响较大,水质为III类时的引水量为Ⅱ类时的引水量的1.5倍。年内各月引水量