陳黎明，李褆來

(南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029)

我國山區(qū)河流的特點(diǎn)為落差大、水量充沛，適于多級電站開發(fā)。梯級電站的開發(fā)改變了河道徑流的年內(nèi)分配，水流條件將發(fā)生巨大變化，水質(zhì)狀況也會(huì)發(fā)生變化。國內(nèi)外很多學(xué)者［1-6］對水庫水質(zhì)開展了研究。如，黃國如等［7］根據(jù)官廳水庫狹長、水淺及其水文、水力、水質(zhì)遷移擴(kuò)散等特點(diǎn)與河流相似的事實(shí)，采用一維數(shù)學(xué)模型對官廳水庫的水質(zhì)進(jìn)行模擬;李錦秀等［8］對三峽河道型水庫水質(zhì)采用整體一維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了模擬研究。筆者開展梯級電站建設(shè)對水質(zhì)影響的研究，對梯級電站建設(shè)前后的水庫水質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究水體污染物輸運(yùn)情況，旨在為更好地保護(hù)水庫水質(zhì)提供依據(jù)。

1 研究方法

為了研究梯級電站建設(shè)對干流水質(zhì)的影響，采用一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型和一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型將干流、大壩及其主要支流連接起來，進(jìn)行總體模擬。

1.1 一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的率定

以西部某CJ江為例。CJ江河道長759 km，共建5級電站(圖1)。目前已建有梯級二、三電站和梯級五電站，至2020年將分別建成梯級一和梯級四電站。對該梯級電站所在河段建立一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型和一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算范圍包括5個(gè)梯級電站，從上游A1水文站起，至下游A5水文站止，共71個(gè)計(jì)算斷面。模型驗(yàn)證資料選取2002年梯級一電站和梯級四電站已經(jīng)建成情況下的A2水文站和A4水文站的全年水位、流量實(shí)測資料。上游邊界給定2002年1—12月A1水文站的實(shí)測流量資料，下游邊界為A5水文站斷面處給定的自然水面比降。梯級二電站和梯級三電站作為內(nèi)部邊界條件，給定電站的運(yùn)行水位。

圖1 CJ江梯級電站概化

采用一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型對A2和A4兩個(gè)水文站2002年全年的水位和流量進(jìn)行研究。模型計(jì)算時(shí)間步長為3600 s，模型中糙率n的取值為:當(dāng)河道比較直且河床植被較少時(shí)，n=0.020～0.040;當(dāng)河床多有石頭時(shí)，n=0.035～0.050。從驗(yàn)證結(jié)果可知，無論是變化趨勢還是變化幅度，計(jì)算得到的A2水文站和A4水文站的水位和流量數(shù)據(jù)與實(shí)測結(jié)果基本一致，A2水文站的流量計(jì)算值與實(shí)測值全年平均誤差約12.2%，水位計(jì)算值與實(shí)測值誤差的平均值為0.06m;A4水文站的流量計(jì)算值與實(shí)測值全年平均誤差約24.1%，水位計(jì)算值與實(shí)測值誤差的平均值為0.06m。限于篇幅，這里只給出A4水文站水位和流量的驗(yàn)證結(jié)果(圖2)。梯級二和梯級三水電站已經(jīng)運(yùn)行，計(jì)算其所在河段的河道水面線，結(jié)果見圖3。

圖2 2002年A4水文站流量和水位的驗(yàn)證

圖3 2002年CJ江梯級二、三水電站河道水面線

1.2 一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算范圍與一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的計(jì)算范圍相同。模型選取2002年3月(枯水期)、8月或9月(豐水期)、11月(平水期)3次的水質(zhì)監(jiān)測資料作為驗(yàn)證值。

一維水質(zhì)模型驗(yàn)證的主要水質(zhì)參數(shù)及其值為:DO的大氣復(fù)氧系數(shù)0.15 d-1(建庫后為0.075 d-1)，BOD5的降解系數(shù)0.05 d-1，NH3-N的降解系數(shù)0.1 d-1，NO3--N之間的轉(zhuǎn)化系數(shù)0.5 d-1，TP的降解系數(shù) 0.0005 d-1［8-9］。

限于篇幅，這里只給出A4水文站水質(zhì)驗(yàn)證結(jié)果(圖4)。從驗(yàn)證結(jié)果可以看出，計(jì)算時(shí)間內(nèi)，DO的質(zhì)量濃度在秋冬季節(jié)略高，春夏季略低。各監(jiān)測斷面DO質(zhì)量濃度的計(jì)算值與實(shí)測值在枯水期3月的平均相對誤差為6.4%，豐水期8月平均相對誤差為5.3%，平水期11月的平均相對誤差為5.9%;豐水期8月份BOD5質(zhì)量濃度的計(jì)算值與實(shí)測值的平均相對誤差為8.7%;NH3-N質(zhì)量濃度的計(jì)算值與實(shí)測值的誤差在平水期相對較小，在豐水期與枯水期則相對較大;NO3--N質(zhì)量濃度計(jì)算值與實(shí)測值的平均相對誤差在豐水期8月與平水期11月分別為9.7%和21.4%;TP質(zhì)量濃度總體趨勢基本一致。一維水質(zhì)模型基本上能夠反映DO、BOD5、NH3-N、NO3--N以及TP等水質(zhì)指標(biāo)的變化過程。

2 研究結(jié)果

對梯級一和梯級四兩個(gè)大型水庫工程建設(shè)前后的庫區(qū)以及下游干流河道的水質(zhì)變化情況進(jìn)行研究分析。在典型平水年條件下，采用一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型對預(yù)測年2020年5個(gè)梯級電站同時(shí)運(yùn)行時(shí)CJ江干流的水質(zhì)變化情況進(jìn)行預(yù)測。

一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的上邊界條件DO質(zhì)量濃度按2002年現(xiàn)狀監(jiān)測結(jié)果給定，BOD5、NH3-N、TP的質(zhì)量濃度在2002年水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果的基礎(chǔ)上考慮污染負(fù)荷的增加，參考CJ江流域規(guī)劃的污染負(fù)荷增長比率，按2020年污染物排放量增加1.5倍計(jì)。

圖4 2002年A4水文站水質(zhì)驗(yàn)證結(jié)果

表1 2020年與建庫前各壩址處DO質(zhì)量濃度的比較 mg/L

圖5 2020年建庫前后梯級一、二壩址處DO質(zhì)量濃度的比較

圖6 2020年建庫前后梯級三、四壩址處DO質(zhì)量濃度的比較

圖7 2020年建庫前后梯級五壩址處、A5斷面處DO質(zhì)量濃度的比較

表1和圖5～7給出了2020年建庫后(5個(gè)梯級電站全部運(yùn)行)各壩址處逐月DO質(zhì)量濃度的預(yù)測值與建庫前(梯級二、三、五電站運(yùn)行，梯級一、四兩個(gè)大型水庫未建)實(shí)測值的對比。

建庫后，隨著有機(jī)污染物自凈降解量的增大，有機(jī)污染物、NH3-N等自凈降解過程中DO的消耗量也將增大;另外水庫蓄水以后，大氣復(fù)氧能力隨水位抬高而減弱。在這兩方面因素的綜合作用下，各梯級電站水庫蓄水后壩址處的平均DO質(zhì)量濃度將較建庫前略有下降，但下降幅度較小，下降幅度最大的出現(xiàn)在梯級三庫區(qū)，下降幅度最大值為0.69mg/L。

由于各梯級電站運(yùn)行時(shí)水的流量較大，庫區(qū)換水周期較短，因此庫區(qū)DO垂向分布梯度不大，同時(shí)上游梯級電站的下泄水是壩前水體的中層或上層水，一般不會(huì)出現(xiàn)下泄水DO質(zhì)量濃度降低的情況。一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型預(yù)測結(jié)果表明，在2020年5個(gè)梯級電站聯(lián)合運(yùn)行后，梯級水庫及河道沿程的DO質(zhì)量濃度均在7.0～10.0mg/L之間，均達(dá)Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

這里只給出A5斷面處的BOD5、NH3-N、TP等水質(zhì)指標(biāo)建庫前后的比較結(jié)果。表2和圖8(a)給出了2020年建庫后A5斷面處逐月BOD5質(zhì)量濃度的預(yù)測值與建庫前的比較情況。

各梯級電站上游來水中的BOD5質(zhì)量濃度普遍較低，基本都在2 mg/L以下，故庫區(qū)建成后BOD5質(zhì)量濃度也較低。雖然各梯級電站入庫支流的BOD5質(zhì)量濃度相對較高，但水庫建成以后，水體體積增加，水環(huán)境容量增大，對于具有自凈降解能力的有機(jī)污染物質(zhì)而言，由于水庫建成以后全庫平均流速比建庫前減小，污染物質(zhì)在庫區(qū)滯留時(shí)間將延長，污染物質(zhì)在庫區(qū)的自凈降解總量將比建庫前增大，因而，各梯級電站壩址處的平均BOD5質(zhì)量濃度呈下降的趨勢。

梯級一壩址處BOD5質(zhì)量濃度的年平均值由1.37mg/L降低為0.86mg/L，梯級二壩址處BOD5質(zhì)量濃度的年平均值由1.14 mg/L降低為0.76 mg/L，梯級三壩址處BOD5質(zhì)量濃度的年平均值由1.10mg/L降低為0.78 mg/L，梯級四壩址處BOD5質(zhì)量濃度的年平均值由1.15 mg/L降低為0.69 mg/L，梯級五壩址處BOD5質(zhì)量濃度的年平均值由0.80 mg/L降低為0.55 mg/L，A5斷面處BOD5質(zhì)量濃度的年平均值由1.02 mg/L降低為0.77 mg/L，達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，均滿足水功能區(qū)劃的要求。

表2 2020年與建庫前A5斷面處BOD5、NH3-N、TP質(zhì)量濃度的比較 mg/L

圖8 2020年建庫前后A5斷面處BOD5、NH3-N、TP質(zhì)量濃度比較

表2和圖8(b)給出了2020年建庫前后A5斷面處逐月NH3-N質(zhì)量濃度的比較情況。

總體而言，豐水期6—10月各壩址處的NH3-N質(zhì)量濃度變化不大，這主要是因?yàn)樨S水期支流的NH3-N質(zhì)量濃度較高，水庫下泄流量較建庫前小，干流NH3-N質(zhì)量濃度受支流影響較大，因此建庫后豐水期NH3-N質(zhì)量濃度變化較小;雖然枯水期1—2月支流的NH3-N質(zhì)量濃度較高，但由于建庫后下泄流量增大，再加上水庫的自凈作用，因此各壩址處NH3-N質(zhì)量濃度下降較大。

梯級一壩址處NH3-N質(zhì)量濃度的年平均值由0.142mg/L降低為0.109mg/L，梯級二壩址處NH3-N質(zhì)量濃度的年平均值由0.124 mg/L降低為0.097 mg/L，梯級三壩址處NH3-N質(zhì)量濃度的年平均值由0.113mg/L降低為0.088 mg/L，梯級四壩址處NH3-N質(zhì)量濃度的年平均值由0.141 mg/L降低為0.086 mg/L，梯級五壩址處NH3-N質(zhì)量濃度的年平均值由0.102mg/L降低為0.068mg/L，A5斷面處NH3-N質(zhì)量濃度的年平均值由0.132mg/L降低為0.099mg/L?？梢?，各壩址處NH3-N質(zhì)量濃度均小于0.5 mg/L，達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可滿足水功能區(qū)劃的要求。

表2和圖8(c)給出了2020年建庫后A5斷面處逐月TP質(zhì)量濃度的比較情況?？梢钥闯?，梯級四庫區(qū)以下河道，豐水期支流的TP質(zhì)量濃度較高，6—7月水庫下泄流量較建庫前小，污染物滯留時(shí)間較長，再加之入庫污染負(fù)荷較大，各壩址及A5斷面處的TP質(zhì)量濃度略高于建庫前水平。梯級四電站壩址處的TP質(zhì)量濃度6月份由0.121 mg/L增加為0.141mg/L，7月份由0.176mg/L增加為0.202mg/L;梯級五電站壩址處的TP質(zhì)量濃度6月份由0.118 mg/L增加為0.132 mg/L，7月份由0.174 mg/L增加為0.201mg/L;A5斷面處的TP質(zhì)量濃度6月份由0.125mg/L增加為0.140 mg/L，7月份由0.175 mg/L增加為0.199 mg/L?？菟?—2月則相反，水庫下泄流量較大，對下游水體有一定的稀釋作用，梯級電站各壩址及A5斷面處的TP質(zhì)量濃度則低于建庫前水平。但是由于水庫的TP質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)要高于河流的TP質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)，而建庫后2020年各梯級電站庫區(qū)TP質(zhì)量濃度基本在0.1 mg/L左右，超過水庫Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。2020年A5斷面處TP質(zhì)量濃度的年平均值預(yù)測為0.118mg/L，達(dá)到河流Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

a．各梯級電站水庫蓄水后各壩址處平均DO質(zhì)量濃度將較建庫前略有下降，下降最大值為0.69 mg/L;梯級水庫及河道沿程的DO質(zhì)量濃度值均在7.0～10.0 mg/L之間，水體的DO質(zhì)量濃度達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

b．對于具有自凈降解能力的有機(jī)污染物質(zhì)BOD5以及NH3-N而言，庫區(qū)斷面其平均質(zhì)量濃度呈下降趨勢，2020年各梯級壩址以及A5斷面處均可達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

c．對于TP這類難降解物質(zhì)而言，建庫前后其質(zhì)量濃度變化較小。豐水期TP質(zhì)量濃度略高于建庫前水平;枯水期1—2月則相反，TP質(zhì)量濃度低于建庫前水平。但由于建庫后TP質(zhì)量濃度的水庫標(biāo)準(zhǔn)要高于河流標(biāo)準(zhǔn)，因此建庫后2020年各梯級電站庫區(qū)TP質(zhì)量濃度基本在0.1 mg/L左右，超過水庫Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。2020年A5斷面處TP質(zhì)量濃度的年平均值為0.118 mg/L，達(dá)到河流Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

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