田志靜，馮民權，南 朝

（1.西安理工大學 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，西安710048；2.機械工業(yè)勘察設計研究院，西安710043）

0 引 言

水庫水深大，蓄水多，經(jīng)濟效益明顯，具有重大的社會影響。但是，水庫在發(fā)揮巨大經(jīng)濟效益的同時，一定程度上也改變了自然河流的屬性，有可能帶來一系列的環(huán)境問題［1－3］。水庫蓄水以后，水深及水面積都有大幅度的增加，水流變緩，將根本上改變原來水流的性質，水利水電工程對河道徑流的調節(jié)，將使庫區(qū)及壩址下游河段的水文情勢發(fā)生顯著變化，對水質造成影響。因此，在充分調查現(xiàn)有污染源及水文條件的基礎上，對水庫運行后水質影響進行了預測。為了解水質變化，采取一系列措施對水質進行預測，根據(jù)預測結果對水庫進行控制。在這些措施中數(shù)值模擬方法則在近年來得到了越來越廣泛的應用，根據(jù)不同需要水質模型［4－6］可以分為零維、一維、二維和三維，雖然二維的河流模型是常見的，但在典型情況下，水庫往往被當作一維來處理，同時沿垂直方向有梯度。許多數(shù)值模型具有一維，二維和三維模擬模型，王哲等［7］用MIKE21對湖泊水質進行預測分析，為湖泊設計和管理提供科學依據(jù)；孫文章等［8］采用WASP子程序EUTRO模塊對東昌湖各湖區(qū)特定時段的水質進行了模擬，模擬值與實測值相對誤差較小，變化趨勢基本一致。本文根據(jù)MIKE21，EUTRO模型對水質進行預測，研究水庫建成后的水質情況。

1 模型理論

1.1 MIKE21模型

MIKE21主要是二維模型，有水質、水溫和水動力模塊，本文主要對水質指標COD和TP進行模擬預測，模型方程為：

式中c為水質指標濃度；x，y為坐標；t為時間；u，v分別為x，y方向的流速；Ex，Ey分別為河流縱向和垂向擴散系數(shù)，m2／s；k1為降解系數(shù)；S為源匯項，本文中只考慮無關聯(lián)的5個源匯項，包括進口3個源項和出口2個匯項。

1.2 EUTRO模型

EUTRO模塊是WASP7提供的子系統(tǒng)，用來模擬傳統(tǒng)水質問題，包括BOD、COD、DO、P、N等，本文主要對COD、TP進行模擬與預測。模型方程為：

式中u，v為橫向和縱向流速，m／s；c為水質指標濃度，mg／L；Ex，Ey分別為河流縱向和垂向擴散系數(shù)，m2／s；SL為點源負荷，本文中有3個源2個匯，g／（m3·d），模型與MIKE21中的源匯一致；SB為邊界負荷，包括上游、下游、底部和大氣環(huán)境，g／（m3·d）；SK為動力轉換項，g／（m3·d），在本文中水庫為新建，水質與天然河流水質接近，為簡便預測不考慮SB和SK，設為0。

2 設計條件的確定

2.1 水文保證率選取

本次研究根據(jù)2004年坪上庫區(qū)干流代表性斷面南莊斷面水質監(jiān)測資料，分別選取50%，75%水文頻率年，徑流量分別為6.13m3／s，4.44m3／s，平均流速分別為0.268m／s，0.246m／s。用MIKE21模型模擬兩個頻率年的水質狀況，用EUTRO模型模擬50%頻率年的水質狀況。監(jiān)測值代表本次入庫斷面水質，水庫入庫濃度采用山西省忻州市環(huán)境監(jiān)測站2004年常規(guī)監(jiān)測報告，經(jīng)南莊斷面和濟勝橋斷面的水質監(jiān)測資料判斷庫尾斷面（19＃斷面）濃度值，即入庫COD濃度為25.0 mg／L，入庫TP濃度為0.12mg／L。MIKE生成的庫區(qū)地形圖見圖1。

2.2 參數(shù)確定

由于沒有頻率年相對應的實測污染物濃度資料，所以本次研究根據(jù)現(xiàn)狀頻率年所計算出的各斷面流速值來推斷其對應的降解系數(shù)k值，根據(jù)以下經(jīng)驗公式進行確定：

式中u為設計流量下的河段平均流速，m／s。

得出50%，75%水文頻率年的降解系數(shù)分別為0.2d－1，0.189d－1。

圖1 庫區(qū)地形圖Fig.1 Topographic map of reservoir area

本文采用經(jīng)驗公式計算擴散系數(shù)

式中h為水庫平均水深，m；v＊為摩阻流速v＊＝是重力加速度；I是水力能坡。

得出橫向擴散系數(shù)為1，垂向擴散系數(shù)為0.2。

3 水質預測及結果

3.1 MIKE21水質預測

輸入邊界條件和相關參數(shù)，模型參數(shù)見表1，得到坪上水庫建庫后50%、70%頻率年的COD、TP濃度模擬值，見圖2至圖5。

表1 模型主要參數(shù)Table 1 Main parameters of model

由圖2和圖3可見，在一定時間內，起始COD濃度很大，經(jīng)過水體自凈作用和蒸發(fā)作用，COD濃度逐漸降低。水庫建成后，水體在庫內存儲一定的時間，充分進行消減作用，使COD濃度降低，到出庫時，水質得到明顯改善，COD濃度也降到可容納的最低值，達到IV級排放標準 （IV類水質COD標準值為30mg／L）。由圖4和圖5可見，水庫建成后，入庫水體隨水流的自凈作用和稀釋作用，TP濃度逐漸降低，出庫時TP濃度達到中富營養(yǎng)化，但較建庫前水質得到改善。

3.2 EUTRO模型水質預測

將坪上水庫庫區(qū)劃分為19個分區(qū)，輸入數(shù)據(jù)，得到50%頻率年與輸入的監(jiān)測數(shù)據(jù)對應的模擬值，圖6和圖7分別為COD、TP的模擬值。

根據(jù)水質預測值，結合EUTRO模型得出的其它各項預測指標，對照地面水環(huán)境質量標準（GB 3838－2002），可知，在水庫蓄水后，各斷面水質均可達到Ⅳ類或以上水質，這說明在維持現(xiàn)有污染負荷不變的情況下，蓄水后庫區(qū)水質不會發(fā)生惡化。

在水庫富營養(yǎng)化評價過程中，把總磷作為評價的主要因子，磷營養(yǎng)元素指標評價標準常采用水利部《城市供水水庫水質調查評價》中 “水庫富營養(yǎng)化狀況的磷含量指標”所確定的標準進行評價 （表2）。

表2 水庫富營養(yǎng)化狀況P含量指標Table 2 The P content index of reservoir eutrophication

由于TP的模擬值達到0.06mg／L，處于中－富營養(yǎng)化的狀況，而且考慮到坪上水庫屬于深水水庫，因此一般容易發(fā)生富營養(yǎng)化。當然水庫是否能發(fā)生富營養(yǎng)化，與入庫污染負荷有很大關系，隨著上游經(jīng)濟發(fā)展，工礦企業(yè)污水排放沒有嚴格控制，污水排放量增加，會對入庫水質產生一定影響。當上游污染負荷增加到一定程度后，入庫水質較現(xiàn)狀會有所降低。由于水庫壩址以上有3條較大支流即云中河、牧馬河和清水河匯入滹沱河，根據(jù)調查資料3條支流的排污企業(yè)較多，將直接影響滹沱河干流水質和入庫水質，如果對這些企業(yè)不能有效的管理，污水進入水庫，水庫極易發(fā)生富營養(yǎng)化。因此，水庫管理部門，要加強宣傳教育，正確地引導當?shù)剞r民科學合理地施用化肥，同時對水庫周圍加強水土保持治理工作，并嚴格控制工礦企業(yè)污水直接排入河道中。

3.3 水質計算結果比較分析

對COD，TP兩種水質模型模擬結果進行比較，見圖8和圖9。

圖8 坪上水庫COD兩種預測結果對比圖Fig.8 The COD predictive contrast figure of Pingshang Reservoir

圖9 坪上水庫TP兩種預測結果對比圖Fig.9 The TP predictive contrast figure of Pingshang Reservoir

由圖8、圖9可見，對于COD，TP濃度的兩種預測結果趨勢一致，說明由于水庫庫容較大，水體滯留時間較長，水庫對COD和TP的消減作用較強。出庫水質較入庫水質有明顯改善。不同的是在水庫前段和后段時COD濃度值有所差別，但COD的出庫濃度都可達到IV類水質標準，水庫COD的環(huán)境容量較大。在整個水庫中，兩種方法對TP濃度的預測值比較接近，沒有大變化，說明水庫對TP的環(huán)境容量較穩(wěn)定，以達到中富營養(yǎng)化標準。

4 結 論

1）由預測結果可知COD濃度都比建庫前略有改善，COD的出庫濃度可達到IV類水質標準。庫區(qū)TP濃度已達到中富營養(yǎng)化標準，極易受上游來水水質影響發(fā)生富營養(yǎng)化。

2）隨著上游經(jīng)濟發(fā)展，工礦企業(yè)污水排放沒有嚴格控制，會對入庫水質產生一定影響。當上游污染負荷增加到一定程度后，入庫水質較現(xiàn)狀有所降低，入庫水質 （COD）有可能不能滿足地表水Ⅳ類水質標準。

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