邢慧芳

(浙江省文成縣水利局,浙江 文成　325300)

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濟下水庫庫區(qū)水質模擬與富營養(yǎng)化分析

邢慧芳

(浙江省文成縣水利局,浙江 文成325300)

摘要：基于SMS綜合系統(tǒng)水質分析軟件，建立了水庫水質分析數(shù)學模型.隨后對濟下水庫庫區(qū)的總氮、總磷濃度分布情況進行數(shù)值研究.并基于總氮、總磷濃度對庫區(qū)進行富營養(yǎng)化分析，結論為應該將入庫TP濃度控制在0.1 mg/L以下，將入庫TN濃度控制在1 mg/L以下；并認為庫區(qū)從中營養(yǎng)狀態(tài)向輕度富營養(yǎng)狀態(tài)轉變.

關鍵詞：濟下水庫；水質分析；富營養(yǎng)化；污染過程

0引言

自1960年起，學者們開始致力于水庫水質的數(shù)值研究，經(jīng)過50多年的發(fā)展，水質分析模型已經(jīng)逐漸完善，研究過程中出現(xiàn)了許多成果，極大的推進了庫區(qū)水環(huán)境管理現(xiàn)代化[1].水質分析模型可作為水庫綜合管理的參考，在水庫環(huán)境保護領域起著重要作用.總氮(TN)、總磷(TP)是水質分析需要測量的重要指標.縱觀國內外研究進展，美國、加拿大、英國等國對庫區(qū)水質的數(shù)值研究處于先進水平.1975年加拿大科學家Vollenweider提出了全球第一個水庫水質模型，為水庫湖泊的富營養(yǎng)化研究奠定了理論基礎[2].隨后，學者們先后提出了Kirchner Dillon模型、維納恩湖LEEDS模型、Hwqnow模型、SMS模型、卡拉烏舍夫模型、華盛頓湖模型、EFDC模型等[3].本文基于SMS水質分析軟件，研究了庫區(qū)總氮、總磷濃度分布情況.并基于總氮、總磷濃度對庫區(qū)進行富營養(yǎng)化分析.希望對今后的水庫富營養(yǎng)化研究提供理論指導.

1工程概況

濟下水庫位于文成縣黃坦鎮(zhèn)濟下村，在飛云江支流黃坦坑上游，距離黃坦鎮(zhèn)所在地約2.4 km.壩址以上集雨面積14.62 km2，主流長度6.37 km.大壩最大壩高20 m，壩型為土石混合壩，水庫總庫容62.36萬m3，正常庫容55.52萬m3，屬小(2)型水庫.濟下水庫是一座以發(fā)電為主并結合灌溉的綜合水庫，水系補給來源以地表徑流和大氣降水為主.水庫灌溉農田面積約140 ha，發(fā)電裝機容量600 kW，保衛(wèi)下游村莊200余人的防洪安全.

大壩為土石混合壩，壩頂總長65 m，高程288.0 m.壩底基礎高程268.0 m，壩底寬度49.6 m.大壩迎水坡下部1 ∶2.43，上部1 ∶2.10，背水坡1 ∶1.0.壩頂上部設置C15混凝土防浪墻，墻頂高程289.20 m.壩體砌石料為花崗巖，砌塊石長度0.8～1.2 m，塊石短邊面不小于40 cm×40 cm，孔隙率35%.反濾層設置三層，第一層用5～7 cm卵石，第二層用2～5 cm卵石，第三層用粗砂，反濾層底部厚度1.8 m，頂部0.6 m.防滲斜墻采用當?shù)貛靺^(qū)內粘壤土，底厚24.25 m，頂寬1.5 m，每層鋪土厚20～25 cm.

水庫溢洪道為開敞式正槽、側槽混合式溢洪道，位于大壩左岸.溢流堰頂高程285.64 m，長度53.0 m，其中正槽長度11.05 m，側槽長度41.95 m，堰型為折線型實用堰，為鋼筋混凝土結構.溢洪道為山體開挖而成，為梯形斷面，寬度約12 m，底坡約10%.引水隧洞位于左岸山體，洞長53 m，矩形斷面型式，尺寸2 m×2 m，由于地形限制，在庫內進水口處沿山坡坡腳向庫區(qū)延伸45 m為漿砌石拱涵，斷面1.2 m×1.8 m，進口采用2扇400 mm×600 mm鑄鐵平板閘門啟閉.

2庫區(qū)水質分析模型

對于庫區(qū)水質的數(shù)值分析而言，選擇一個能夠描述庫區(qū)水質特征、準確反映污染特性的數(shù)學模型十分重要.模型的選擇依賴于需要解決的問題種類、目標函數(shù)、現(xiàn)有水質信息等.濟下水庫是一個中小型水庫，密度分層不明顯，污染物在水平長度混合的時間較長，因此建立了平面二維水質分析模型，利用SMS水質分析軟件進行數(shù)值模擬.SMS綜合水庫水質分析模型由美國楊百翰大學開發(fā)，其包括：一維模型、二維模型、三維水動力模型以及有限差分模型[4].該軟件可用于計算水庫水位、水質變化、污染物濃度、水流速度等參數(shù)[5].通過大量是試驗驗證，SMS軟件計算出的水質數(shù)據(jù)較為可靠.整個模型由連續(xù)性方程、兩個運動方程和守恒方程組成.

其連續(xù)性方程為：

(1)

其中：h—水深；u—x方向的速度；

v—y方向的速度；t—時間.

X方向運動方程為：

2hωvsinφ=0

(2)

Y方向運動方程為：

2hωusinφ=0

(3)

污染物守恒方程：

(4)

其中：ρ—水的密度，kg/m3；

ρa—水的密度，kg/m3；

E—渦粘系數(shù)，無量綱；

ψ—風速與x軸夾角，°；

z—水庫底部的高程，m；

w—當?shù)仫L速，m/s；φ—當?shù)鼐暥龋悖?/p>

ω—地球自轉角速度，rad/s；

n—糙率系數(shù)，無量綱；

g—重力加速度，m/s2；

C—水庫中污染物的濃度，mg/L；

D—擴散系數(shù)，m2/s；

k—有機物降解系數(shù)，d-1；S—漏與源.

本文通過對SMS軟件中的水質分析模型，對濟下水庫的水質情況進行研究，得到了較為理想的結果.

3數(shù)值模擬結果分析與評估

基于濟下水庫的GPS測量資料，首先利用SMS軟件建立了邊界概化圖，并選擇Build Polygons模塊對概化模型進行網(wǎng)格劃分.劃分方式為：自動生成二維網(wǎng)格，并根據(jù)濟下水庫的實際地形設置相應的高程.本次建模將整個濟下水庫劃分為1430個單元.

3.1TP模擬結果

庫區(qū)水質數(shù)值模擬在庫區(qū)二維流場模擬的基礎上進行，選擇入庫流量分別為1 m3/s、2 m3/s、5 m3/s、10 m3/s，同時設計了4種不同TP入庫濃度，合計7種工況.各工況的流量、TP濃度情況(見表1).

表1　各工況的流量、TP濃度情況

從整個庫區(qū)的數(shù)值模擬來看，隨著入庫TP濃度的升高，水庫出現(xiàn)了由入庫口向東北出庫口延伸的污染區(qū)域，此區(qū)域明顯的分為3部分，其水質分別為超V類、V類和IV類.圖1給出了相同入庫流量、不同TP入庫濃度下試驗斷面TP濃度分布情況.

由圖1可知，當左岸距離小于12.47 km時，4種工況下的TP濃度基本保持不變.但由于污染物在庫區(qū)中部的停留時間小于其它區(qū)域，導致主流區(qū)TP濃度略有升高.當左岸距離為14.38 km時，除2-1工況的TP濃度下降到0.037 mg/L外，其余工況的TP濃度均有不同程度的升高.此時，4種工況的TP濃度依次是：0.037 mg/L、0.06 mg/L、0.103 mg/L、0.125 mg/L.圖2給出了相同TP入庫濃度、不同入庫流量下試驗斷面TP濃度分布情況.

圖2中的4種工況TP濃度曲線趨勢與圖1類似，當左岸距離為14.38km時，4種工況的TP濃度依次是：0.045 mg/L、0.06 mg/L、0.08 mg/L、0.089 mg/L.2—4工況的TP入庫濃度是2—1的5倍，流經(jīng)試驗斷面時，2—4工況的TP濃度是2—1的3.35倍.4—2工況入庫流量為2—2工況的5倍，而4—2工況TP濃度是2—2的1.48倍.由此可知，入庫TP濃度對庫區(qū)水質影響大于入庫流量，原則上應該將入庫TP濃度控制在0.1 mg/L以下.

圖1　入庫濃度不同情況下庫區(qū)TP濃度分布

圖2　入庫流量不同情況下庫區(qū)TP濃度分布

3.2TN模擬結果

庫區(qū)TN水質數(shù)值模擬過程與TP類似，選擇入庫流量分別為1 m3/s、2 m3/s、5 m3/s、10 m3/s，同時設計了4種不同TN入庫濃度，合計7種工況.各工況的流量、TN濃度情況見表2.此次研究的試驗斷面位于TP試驗斷面的北部，最大寬度為3.38 km.

表2　各工況的流量、TN濃度情況

從分析結果看，TN濃度分布規(guī)律與TP分布規(guī)律完全一致，污染區(qū)域也分為3部分，其水質情況與TP污染區(qū)域相同.圖3給出了相同入庫流量、不同TN入庫濃度下試驗斷面TN濃度分布情況.

TN入庫濃度越大，試驗斷面上的TN濃度越大，此規(guī)律在左岸距離大于2.07 km時才能體現(xiàn).TN濃度變化曲線與TP曲線不同，除3—4工況的TN濃度上升到1.67 mg/L外，其余工況的TN濃度均有不同程度下降.分析其原因，可能是由于該試驗斷面中間流速大，兩端流速小導致的.整個斷面上的TN濃度均滿足III類水質，說明污染區(qū)并未到達該斷面.此時，4種工況的TN濃度依次是：0.87 mg/L、0.98 mg/L、1.06 mg/L、1.67 mg/L.圖4給出了相同TN入庫濃度、不同入庫流量下試驗斷面TN濃度分布情況.

圖3　入庫濃度不同時下庫區(qū)TN濃度分布

圖4　入庫流量不同時下庫區(qū)TN濃度分布

入庫TN濃度相同時，入庫流量越大，TN濃度越高，此規(guī)律出現(xiàn)在左岸距離大于2.07 km的測點.4種工況的TN濃度依次是：0.89 mg/L、0.95 mg/L、1.08 mg/L、1.26 mg/L.TN入庫濃度變?yōu)樵瓉淼?倍時，試驗斷面TN濃度是原來的1.92倍；入庫流量變?yōu)樵瓉淼?倍，試驗斷面TN濃度是原來的1.2倍.由此可知，入庫TN濃度對庫區(qū)水質影響大于入庫流量，因此應該將入庫TN濃度控制在1 mg/L以下.

4庫區(qū)富營養(yǎng)化研究

庫區(qū)的富營養(yǎng)化研究方法主要有：特征法、評價法、營養(yǎng)指數(shù)法、參數(shù)法等.本文主要利用營養(yǎng)指數(shù)法對濟下水庫進行富營養(yǎng)化研究.營養(yǎng)指數(shù)法將單一評價因子擴展為多個，評估結果更加準確.基于前文的研究，評價因子選擇：TP、TN、葉綠素、透明度、高錳酸鉀指數(shù).

其中：Wj—第j種參數(shù)的權重；rij—相關系數(shù)；

TLI(j)—第j種參數(shù)的營養(yǎng)指數(shù)；

m—評價指標個數(shù).

根據(jù)濟下水庫2014年1月和10月兩次監(jiān)測結果，首先對其進行數(shù)值計算，隨后利用綜合營養(yǎng)指數(shù)法進行富營養(yǎng)化評價.由于1月份的測點較少，因此僅對部分測點進行了評價.評價結果(見圖5).

圖5　庫區(qū)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)曲線

由圖5可知，1月份庫區(qū)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)平均值為48.7，10月份為52.9.從營養(yǎng)區(qū)域劃分情況看：1月份的中營養(yǎng)區(qū)占61.5%，輕度富營養(yǎng)區(qū)占38.5%；10月份的中度營養(yǎng)區(qū)占13.7%，輕度富營養(yǎng)區(qū)占86.3%.可見，2014年庫區(qū)從中營養(yǎng)狀態(tài)向輕度富營養(yǎng)狀態(tài)轉變，針對此現(xiàn)象的出現(xiàn)，建議相關部門采取整治污染企業(yè)，增加人工濕地，攔截污染源等措施.

5結論

水質分析模型可作為水庫綜合管理的參考，在水

庫環(huán)境保護領域起著重要作用.基于SMS水質分析軟件，研究了庫區(qū)總氮、總磷濃度分布情況.并基于總氮、總磷濃度對庫區(qū)進行富營養(yǎng)化分析.研究表明：

(1)應該將入庫TP濃度控制在0.1 mg/L以下；

(2)應該將入庫TN濃度控制在1 mg/L以下；

(3)庫區(qū)從中營養(yǎng)狀態(tài)向輕度富營養(yǎng)狀態(tài)轉變.

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Numerical Simulation of Reservoir Water Quality and Eutrophication Analysis

XING Hui-fang

(Wencheng Water Conservancy Bureau, Wencheng 325300, China)

Abstract:Water quality analysis can provide scientific basis for reservoir water environment management. It also plays an important role in the field of water environment protection and ecological evaluation. The mathematical model for reservoir water quality analysis is established based on SMS synthesis system. And the total nitrogen, total phosphorus concentration distributions are numerically studied, therefore, the analysis on reservoir eutrophication is conducted, keeping the TP concentration in storage below 0.1 mg/L, while the TN concentration below 1 mg/L. The results provide theoretical reference to the research on reservoir eutrophication in the future.

Key words:Jixia Reservoir; water quality analysis; eutrophication; pollution process

收稿日期：2016-01-21

作者簡介：邢慧芳(1975-)，女，浙江文成人，工程師，研究方向：水利水電工程.

中圖分類號：X524

文獻標志碼：A

文章編號：1008-536X(2016)04-0064-04