陳 焰，胡 林，黃 宏，馮 健

(1.上海海洋大學(xué)海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，上海 201306； 2.重慶市開(kāi)縣水利局，重慶 405400； 3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

三峽漢豐湖調(diào)節(jié)壩的建立改變了調(diào)節(jié)壩上游的水文特性，原來(lái)的小江河道變成了現(xiàn)在的漢豐湖，水體從原來(lái)的河流型轉(zhuǎn)變成了湖泊型。城市的土地開(kāi)發(fā)利用、人口集中都給漢豐湖的水生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)了一定的影響。近年來(lái)由于南河、東河營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入[1]，漢豐湖水體呈現(xiàn)不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化，引起了國(guó)內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注，但研究多限于水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的時(shí)空分布[1-2]及浮游植物群落、底棲動(dòng)物與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系[3-4]等方面，關(guān)于漢豐湖調(diào)節(jié)壩的調(diào)度方式對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化控制的研究鮮有報(bào)道。

MIKE21水動(dòng)力模型因其友好的操作界面、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以及能夠處理復(fù)雜的邊界等特點(diǎn)在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。張虎等[5]利用MIKE21FM模型建立了巢湖二維水動(dòng)力水質(zhì)模型，模擬了引江濟(jì)巢菜子湖和白蕩湖方案對(duì)巢湖水質(zhì)的改善效果；余成等[6]應(yīng)用MIKE21軟件模擬武漢東湖引水工程4種引水工況下TN、TP的濃度分布情況；王哲等[7]應(yīng)用MIKE21軟件模擬了金倉(cāng)湖流場(chǎng)并對(duì)金倉(cāng)湖水質(zhì)變化規(guī)律進(jìn)行了預(yù)測(cè)與分析[8]。已有研究表明，大流量有利于降低水體中污染物濃度[9]，增大流速可以抑制藻細(xì)胞生長(zhǎng)，延緩水華發(fā)生[10]，因此，本文依托 “三峽庫(kù)區(qū)小江漢豐湖流域水環(huán)境綜合防治與示范課題”，利用MIKE 21水動(dòng)力模型模擬不同下泄流量對(duì)漢豐湖水動(dòng)力條件和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度分布的影響，確定防止?jié)h豐湖水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的水量調(diào)度方案，以期為漢豐湖調(diào)節(jié)壩的管理提供一定的理論支撐。

1 流域概況及研究方法

1.1 流域概況

漢豐湖是為減小三峽水庫(kù)蓄水造成的55 km2消落區(qū)對(duì)開(kāi)州生態(tài)環(huán)境的不良影響而建的，也是攔河而形成的三峽庫(kù)區(qū)最大的庫(kù)中湖。漢豐湖位于開(kāi)州城區(qū)東河與南河交匯處，范圍東起烏楊橋水位調(diào)節(jié)壩，西至南河大邱壩，南以新城防護(hù)堤高程180 m為界，北到老縣城所在的漢豐壩—烏楊壩一線。漢豐湖庫(kù)區(qū)周長(zhǎng)為36.4 km，湖泊東西跨度為12.51 km，南北跨度為5.86 km，西段狹窄，東段開(kāi)闊，呈“Y”字形沿縣城東西延展，蓄水量8 000萬(wàn)m3，常年水面面積為14.8 km2，多年平均徑流量約為24億m3，其中，37%來(lái)自于東河，28%來(lái)自于桃溪河，28%來(lái)自于南河，7%來(lái)自于其他，是我國(guó)西部?jī)?nèi)陸最大的城市人工湖。圖1為漢豐湖及調(diào)節(jié)壩的位置示意圖。

圖1 漢豐湖及調(diào)節(jié)壩位置示意圖

1.2 模型控制方程

MIKE21是丹麥水利研究所開(kāi)發(fā)的模擬水動(dòng)力以及各種水質(zhì)變化的軟件，主要應(yīng)用于河口、海洋、湖泊以及大型流域。本研究選擇MIKE21水動(dòng)力模塊和對(duì)流擴(kuò)散模塊對(duì)漢豐湖水量調(diào)度進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.2.1 水動(dòng)力控制方程

MIKE21二維水動(dòng)力控制方程為Navier-Stokes方程：

(1)

(2)

(3)

f=2Ωsinφ

(4)

1.2.2 對(duì)流擴(kuò)散方程

對(duì)流擴(kuò)散方程式為

(5)

其中

S=Qs(Cs-C)

式中：C為復(fù)合濃度(常量)；h為水深；Dx，Dy為x、y方向上的擴(kuò)散系數(shù)；F為線性衰減系數(shù)；Qs為源匯項(xiàng)流量；Cs為源匯項(xiàng)處物質(zhì)的濃度。

1.2.3 計(jì)算方法

以湖泊水動(dòng)力學(xué)的理論方法為基礎(chǔ)，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，建立漢豐湖二維水動(dòng)力水質(zhì)模型，通過(guò)求解模型的連續(xù)方程、動(dòng)量方程以及污染物的遷移擴(kuò)散方程，得到漢豐湖水體運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)以及營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度分布，分析不同的調(diào)水方案對(duì)漢豐湖水質(zhì)影響，確定能夠改善漢豐湖水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況的水量調(diào)度方案。

2 二維漢豐湖水質(zhì)模型構(gòu)建

2.1 模擬區(qū)域地形

漢豐湖入湖支流主要有南河、桃溪河、頭道河、東河，出流為澎溪河(小江)。利用Arcgis將漢豐湖邊界矢量化，生成.xyz文件，然后導(dǎo)入MIKE21水動(dòng)力模型生成漢豐湖邊界，即為陸地邊界，再用網(wǎng)格生成器生成非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格即可得到模擬區(qū)域的計(jì)算網(wǎng)格(圖2(a))。模型計(jì)算網(wǎng)格6 563個(gè)，節(jié)點(diǎn)為6 434個(gè)，導(dǎo)入2014年水深數(shù)據(jù)，采用自然單元法中的自然鄰接點(diǎn)插值方法進(jìn)行插值得到漢豐湖水下地形(圖2(b))。

(a) 計(jì)算網(wǎng)格

(b) 水下地形

2.2 模型率定

利用MIKE21水動(dòng)力模塊和對(duì)流擴(kuò)散模塊模擬漢豐湖水動(dòng)力變化和營(yíng)養(yǎng)鹽的遷移擴(kuò)散，采用2014年水位、流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)生成水位、流量、水質(zhì)序列文件，將其作為模型需要的邊界條件，其中南河、桃溪河、頭道河以及東河都用流量邊界，烏揚(yáng)大壩處采用水位邊界，并設(shè)定湖泊參數(shù)和初始條件，模擬時(shí)間為2014年1—12月。選取漢豐湖東南河交匯處每月1次的監(jiān)測(cè)流速對(duì)比同一時(shí)間模型計(jì)算流速，平均誤差為0.2%(圖3(a))，對(duì)流擴(kuò)散模塊的率定選取東南河交匯的TN、TP濃度數(shù)據(jù)，均采用同一時(shí)間實(shí)測(cè)值和計(jì)算值，平均誤差分別為3.8%和2.2%(圖3(b)、(c))，流速、TN和TP濃度的模擬結(jié)果在可接受范圍之內(nèi)。由于底部糙率是表征河渠底部和岸壁影響水流阻力的綜合因素的系數(shù)，也是衡量河道邊壁粗糙程度對(duì)水流運(yùn)動(dòng)影響并進(jìn)行相應(yīng)水文分析的一個(gè)重要參數(shù)[11]，在MIKE21數(shù)值模擬過(guò)程中，考慮水深的相關(guān)變量時(shí)，通過(guò)水力半徑、近似地表坡度以及水流速度的計(jì)算得到的曼寧數(shù)側(cè)面反映底床的粗糙程度，其取值是MIKE21數(shù)值模擬的關(guān)鍵。

(a) 流速

(b) TN

(c) TP

2.3 漢豐湖調(diào)度模擬方案

根據(jù)SL395—2007《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》[12]，地表水體在TN、TP質(zhì)量濃度分別為2.0 mg/L與0.2 mg/L時(shí)達(dá)到中度富營(yíng)養(yǎng)，因此本文設(shè)計(jì)漢豐湖庫(kù)區(qū)中水質(zhì)指標(biāo)TN、TP初始質(zhì)量濃度分別為2.0 mg/L與0.2 mg/L，上游各邊界設(shè)計(jì)入流水質(zhì)指標(biāo)TN、TP質(zhì)量濃度根據(jù)2014年水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分別設(shè)定為0.73 mg/L與0.03 mg/L，結(jié)合MIKE21水動(dòng)力模型的計(jì)算，設(shè)計(jì)7種調(diào)度方案。表1列出了一次調(diào)度過(guò)程中7種調(diào)度方案對(duì)應(yīng)的不同流量、歷時(shí)。其中方案1以起始水位168.5 m(漢豐湖正常蓄水位)運(yùn)行24 h，開(kāi)閘以100 m3/s流量下泄75 h到165.5 m水位(完成一次泄水之后的水位)，以2014年平均來(lái)水流量116 m3/s補(bǔ)水64 h至168.5 m水位(完成一次蓄水之后的水位)；重復(fù)上述過(guò)程3次，最后以168.5 m水位持續(xù)運(yùn)行。方案2到方案7分別以500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 m3/s的下泄流量完成同方案1的過(guò)程。各方案一次調(diào)度過(guò)程中的預(yù)設(shè)計(jì)水位見(jiàn)圖4。

表1 7種調(diào)度方案對(duì)應(yīng)的水位、流量和時(shí)間

圖4 7種調(diào)度方案預(yù)設(shè)水位

圖5 7種調(diào)度方案高于0.2 m/s流速的面積分布

2.4 邊界設(shè)置

對(duì)流擴(kuò)散模塊中，共有5個(gè)邊界條件：設(shè)置南河入口處流量為33 m3/s，東河入口處流量為43 m3/s，桃溪河入口處流量為33 m3/s，頭道河入口處流量為8 m3/s，各邊界入流水質(zhì)指標(biāo)TN、TP質(zhì)量濃度根據(jù)全年最小質(zhì)量濃度分別設(shè)置為0.73 mg/L和0.03 mg/L。出口為漢豐湖調(diào)節(jié)壩，分別以各方案的預(yù)設(shè)計(jì)水位作為邊界。

3 結(jié)果與討論

3.1 流速模擬結(jié)果

國(guó)外有研究指出，水體中的水動(dòng)力條件流速[13-14]、流量[15]等與藻類的生長(zhǎng)繁殖有著密切的關(guān)系，它們不僅能直接作用于藻類，還對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽狀況與水溫層結(jié)構(gòu)有明顯的影響，從而間接作用于水體引起富營(yíng)養(yǎng)化。“十一五”期間“基于人工水力調(diào)控的小江藻類生長(zhǎng)原位試驗(yàn)”表明，不同的水動(dòng)力條件對(duì)于藻類生長(zhǎng)具有不同程度的抑制作用，并確定將0.2 m/s的流速作為控制小江流域藻類生長(zhǎng)的條件。根據(jù)本文設(shè)計(jì)的7個(gè)方案模擬結(jié)果，得到整個(gè)庫(kù)區(qū)高于0.2 m/s流速的面積分布(圖5)。由圖5知，方案1～7高流速控制面積隨著下泄流量的增大而擴(kuò)大。在完成第一次泄水之后，方案1情形下0.2 m/s的流速僅在漢豐湖支流東河、南河有較多分布，方案2情形下0.2 m/s的流速開(kāi)始在調(diào)節(jié)壩有較少分布，方案3情形下庫(kù)區(qū)中只有零星分布的流速高于0.2 m/s，當(dāng)下泄流量達(dá)到1 500 m3/s(方案4)時(shí)，漢豐湖庫(kù)區(qū)中0.2 m/s流速有較為明顯的分布，相較于2 000 m3/s(方案5)下泄流量時(shí)分布較為分散，當(dāng)下泄流量超過(guò)2 000 m3/s(方案6、7)以上，0.2 m/s的流速分布自東河與南河交匯處一直延伸到調(diào)節(jié)壩，控制面積越來(lái)越大，控制區(qū)域也漸漸由庫(kù)區(qū)的主槽延伸至灘地。因此，從提取的流速模擬結(jié)果可見(jiàn)，方案1與2僅有利于控制漢豐湖支流的富營(yíng)養(yǎng)化狀況，由于水流在較短時(shí)間內(nèi)不能進(jìn)入庫(kù)區(qū)，因而對(duì)庫(kù)區(qū)中水動(dòng)力條件改善效果不明顯；方案3、4能夠緩解漢豐湖支流以及調(diào)節(jié)壩因水流緩慢而造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化；大流量調(diào)度方案5～7產(chǎn)生的水動(dòng)力條件可以有效抑制漢豐湖庫(kù)區(qū)中藻類大量繁殖，有助于控制因水動(dòng)力條件較差而引發(fā)的水體富營(yíng)養(yǎng)化。

3.2 TN、TP模擬結(jié)果

調(diào)節(jié)壩作為漢豐湖庫(kù)尾，其營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化對(duì)于整個(gè)庫(kù)區(qū)具有指示意義，且模型運(yùn)行18 d后基本穩(wěn)定，因此分別提取7種調(diào)度方案下模擬18 d后漢豐湖調(diào)節(jié)壩斷面的TN、TP質(zhì)量濃度變化曲線(圖6)。對(duì)比模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各方案在調(diào)節(jié)壩斷面的TN、TP質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)基本一致。漢豐湖庫(kù)區(qū)中TN、TP初始質(zhì)量濃度分別為2.0 mg/L和0.2 mg/L，模型運(yùn)行7 d后，方案5～7調(diào)節(jié)壩斷面TN、TP質(zhì)量濃度分別低于上游邊界入流中TN、TP的設(shè)計(jì)質(zhì)量濃度(0.73 mg/L、0.03 mg/L)，方案1～4該斷面TN、TP質(zhì)量濃度降低到入流設(shè)計(jì)質(zhì)量濃度則需要運(yùn)行8 d。

(a) TN

(b) TP

圖7 7種調(diào)度方案第1、5、8天TN質(zhì)量濃度空間分布

由圖6可見(jiàn)，第1～3天各方案濃度均呈現(xiàn)線性降低趨勢(shì)，分析得知，這是由于上游來(lái)水尚未達(dá)到調(diào)節(jié)壩，水動(dòng)力條件較差，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度降低主要依靠水體自凈能力；第3～8天TN、TP濃度因不同下泄流量引起水動(dòng)力條件變化開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)，第5天波動(dòng)最大，差異比較明顯；當(dāng)運(yùn)行8 d后水動(dòng)力條件又開(kāi)始減弱，TN、TP濃度變化趨緩，且與上游來(lái)水設(shè)計(jì)濃度接近，模型運(yùn)行趨于穩(wěn)定。依據(jù)模擬結(jié)果提取了第1、5、8天 TN、TP空間分布(圖7與圖8)。經(jīng)過(guò)1 d的泄水蓄水，7種調(diào)度方案TN、TP降低都只在東河與南河較為明顯，而漢豐湖庫(kù)區(qū)內(nèi)及調(diào)節(jié)壩斷面TN、TP基本未變，可見(jiàn)若要通過(guò)水量調(diào)度降低漢豐湖庫(kù)區(qū)中TN、TP濃度，1 d的調(diào)度時(shí)間明顯不夠；當(dāng)泄水蓄水過(guò)程持續(xù)到第5天時(shí)，7種調(diào)度方案隨著下泄流量的增大，漢豐湖支流東河、南河、桃溪河、頭道河以及東河與南河交匯處的TN、TP濃度均降低到上游來(lái)水中TN、TP的設(shè)計(jì)濃度，同時(shí)庫(kù)區(qū)內(nèi)TN、TP濃度也明顯降低，但是從庫(kù)中到調(diào)節(jié)壩TN、TP濃度依然很高，此時(shí)壩前TN、TP質(zhì)量濃度分別為1.3 mg/L和0.85 mg/L。當(dāng)經(jīng)過(guò)8 d的調(diào)度后，漢豐湖各支流、庫(kù)區(qū)內(nèi)以及調(diào)節(jié)壩的TN、TP濃度都降到預(yù)設(shè)濃度以下，與上游來(lái)水中TN、TP的設(shè)計(jì)濃度接近。可見(jiàn)利用漢豐湖調(diào)節(jié)壩進(jìn)行水量調(diào)度降低營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，控制水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生不僅與調(diào)度水量大小有關(guān)，調(diào)度時(shí)間也是影響水質(zhì)改善效果的主要因素。

圖8 7種調(diào)度方案第1、5、8天TP質(zhì)量濃度空間分布

3.3 討 論

通過(guò)模擬漢豐湖流速和TN、TP濃度變化，探索能夠降低庫(kù)區(qū)中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、控制水體富營(yíng)養(yǎng)化的適宜水動(dòng)力條件，并分析相應(yīng)條件對(duì)于抑制藻類生長(zhǎng)、降低營(yíng)養(yǎng)鹽濃度和防止水體富營(yíng)養(yǎng)化暴發(fā)的作用。流速面積分布表明，在方案5～7(>2 000 m3/s)下，高于0.2 m/s流速的分布面積較方案1～4(100～2 000 m3/s)大，抑制藻類生長(zhǎng)的水動(dòng)力條件較好。營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的時(shí)空變化結(jié)果表明，7種方案均能在一定的時(shí)間內(nèi)降低漢豐湖庫(kù)區(qū)水體中TN、TP濃度。通過(guò)選取斷面進(jìn)行差異比較得出，與方案1～4相比，方案5～7能在較短的時(shí)間內(nèi)降低TN、TP濃度，說(shuō)明增大流量可以增加漢豐湖水體中污染物的遷移擴(kuò)散速度。因此，控制漢豐湖水體富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生的適宜水動(dòng)力條件需要同時(shí)考慮流量、流速和時(shí)間等因素。

當(dāng)漢豐湖調(diào)度水量低于2 000 m3/s時(shí)，高于0.2 m/s 的流速多分布在各支流，庫(kù)區(qū)分布較少；當(dāng)調(diào)度水量達(dá)到2 000 m3/s以上時(shí)，庫(kù)區(qū)內(nèi)流速顯著增大，高于0.2 m/s的流速分布范圍基本覆蓋漢豐湖的主槽區(qū)域，下泄流量的增大，能夠在較短時(shí)間內(nèi)有效增大庫(kù)區(qū)中高于0.2 m/s流速的分布面積。在天然河流中，即使其營(yíng)養(yǎng)條件已達(dá)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，若有一定的水流運(yùn)動(dòng)(> 0.2 m/s)，也很少出現(xiàn)水華暴發(fā)，因?yàn)檩^高的流速會(huì)形成較大的剪應(yīng)力與切變速率，從而破壞藻類細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，抑制藻類增殖。但也有研究[16]指出，小于 0.40 m/s的流速反而有利于藻類的生長(zhǎng)與水華暴發(fā)，認(rèn)為水動(dòng)力條件(流量、流速以及水體擾動(dòng)強(qiáng)度)不是影響水體富營(yíng)養(yǎng)化的唯一因素，光照、透明度、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、水溫和pH等可能與水動(dòng)力條件相互作用、相互影響，導(dǎo)致在不同的流域抑制藻類生長(zhǎng)的流速存在明顯差異。本研究中2 000 m3/s以上的流量、可使藻類細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞的流速(>0.2 m/s)在漢豐湖這種河流型湖泊整個(gè)庫(kù)區(qū)中呈大面積的分布。

對(duì)比調(diào)節(jié)壩斷面TN、TP濃度變化曲線可見(jiàn)，與低于2 000 m3/s流量的方案1～4相比，2 000 m3/s以上的流量能夠在較短時(shí)間內(nèi)降低營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，其主要原因在于流量對(duì)水體有稀釋作用，隨著漢豐湖調(diào)度下泄流量的增大，減少水體滯留時(shí)間，加強(qiáng)了水體中營(yíng)養(yǎng)鹽相互交換，從而降低了庫(kù)區(qū)水體中TN、TP的濃度。張秀菊等[17]在分析不同引水方案對(duì)新江海河各斷面COD和NH3-N濃度變化的影響中也認(rèn)為，大流量的引水方案更有利于增強(qiáng)水動(dòng)力條件，改善水質(zhì)，戴甦等[9]在引江濟(jì)太水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度研究中亦有此結(jié)論。從時(shí)間的角度觀察各方案下TN、TP空間分布不難發(fā)現(xiàn)，僅僅考慮調(diào)度水量大小對(duì)于降低營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的影響過(guò)于片面。陳志和等[18]對(duì)河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境引水調(diào)控研究結(jié)果表明，在枯水期引水調(diào)控36 h、汛期引水調(diào)控12 h后，中山市河能達(dá)到水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)，因此以實(shí)現(xiàn)漢豐湖水質(zhì)改善為目的的水量調(diào)度需同時(shí)考慮時(shí)間的影響。

綜合以上分析，以控制漢豐湖水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生為目的的調(diào)節(jié)壩水量調(diào)度，需創(chuàng)造有利于緩解或消除水體富營(yíng)養(yǎng)的水動(dòng)力條件，即從流速的角度考慮抑制藻類,從調(diào)度流量、時(shí)間的角度考慮降低TN、TP濃度。當(dāng)庫(kù)區(qū)中由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量過(guò)高導(dǎo)致藻類劇烈生長(zhǎng)繁殖暴發(fā)水華時(shí)，可利用漢豐湖調(diào)節(jié)壩的調(diào)度功能，將下泄流量控制在2 000 m3/s以上，達(dá)到破壞藻類細(xì)胞結(jié)構(gòu)的流速，并利用往復(fù)泄水蓄水的水量調(diào)度方式運(yùn)行一定的時(shí)間，降低整個(gè)庫(kù)區(qū)中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，從而在一定程度上緩解因水動(dòng)力條件差和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高造成的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題。

4 結(jié) 論

a. 利用MIKE21建立的漢豐湖二維水動(dòng)力水質(zhì)模型， 經(jīng)過(guò)率定和驗(yàn)證在一定程度上較真實(shí)地反映了漢豐湖水動(dòng)力和水質(zhì)變化情況。

b. 大流量(>2 000 m3/s)的調(diào)度方案有利于改善漢豐湖水動(dòng)力條件，增大抑制藻類的流速(≥0.2 m/s)分布面積，可有效降低營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，防止?jié)h豐湖水體富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生。

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