劉勇進(jìn)，李 紅

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ，河南 開封 475004；2. 開封市黃河工程質(zhì)量檢測有限公司 樁基檢測室，河南 開封 475004)

0 引 言

水庫在灌溉、發(fā)電、防洪、旅游等方面起著重要的作用，但水庫的建設(shè)在帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時因破壞了原有河流的生態(tài)平衡狀況，也帶來了巨大的環(huán)境效益[1]，水庫一般具有寬水面[2]、庫區(qū)水體置換時間長[3]、水流運(yùn)動遲緩、水體自凈能力弱[4,5]等特點(diǎn)，隨著庫區(qū)水體停留時間的增長，水體質(zhì)量會逐級惡化[6]，因此，加強(qiáng)水庫水質(zhì)管理顯得尤為重要。目前比較流行的水質(zhì)模型主要有MIKE模型[7,8]、EFDC模型[9,10]、WASP模型、Delft 3D模型等[11]，這些模型被廣大學(xué)者廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外湖、庫、河流水環(huán)境模擬中，并取得了較好的研究成果。EFDC模型因可以較好地擬合研究區(qū)域邊界情況及地形情況而深受廣大學(xué)者的青睞，其最為核心的水質(zhì)、水動力版塊經(jīng)常被用于模擬水庫水溫分層、湖庫水質(zhì)模擬中，并均取得了較好的研究成果：如謝森揚(yáng)[12]等通過EFDC成功復(fù)演了九龍江口-廈門灣潮汐潮流和鹽度場的時空變化過程；張鵬[13]等采用EFDC研究并分析了閩江下游溶解氧(DO)變化過程；李林子[14]等采用EFDC較好地模擬了南京工業(yè)園突發(fā)水污染事故后污染物的水環(huán)境行為；唐天均[15]等基于EFDC模型較好地模擬了深圳水庫的水質(zhì)及水動力變化過程；黃軼康[16]等通過模型準(zhǔn)確地揭示了長江下游碼頭溢油擴(kuò)展及遷移運(yùn)動的規(guī)律特征；張鵬飛[17]等通過模型較好的預(yù)測了湯村水庫建成后水溫分層情況。為研究湯村庫區(qū)在水體靜置期及汛期水體交換期水質(zhì)情況，本文引進(jìn)EFDC模型，根據(jù)湯村庫區(qū)特點(diǎn)，建立了二維水質(zhì)模型，模擬并分析了庫區(qū)在兩種工況下化學(xué)需氧量(COD)及氨氮(NH3-N)濃度空間變化特點(diǎn)，研究結(jié)果可為湯村水庫的調(diào)度運(yùn)行及水質(zhì)管理提供理論參考。

1 湯村水庫水質(zhì)模型建立

1.1 研究區(qū)域

湯村水庫位于長江北岸支流華陽河中上游，位于東經(jīng)118°42′～118°45′、北緯30°40′～30°44′，水庫工程等別為Ⅲ等，壩址位于新田鎮(zhèn)上河村，上游距上河城約1.2 km，下游距宣城市區(qū)約32 km，庫區(qū)跨越安徽省宣城市宣州區(qū)新田鎮(zhèn)及溪口鎮(zhèn)(庫區(qū)大部分屬溪口鎮(zhèn))。水庫全長32.3 km，總庫容5 170 萬m3, 最大壩高32 m，壩頂長601 m。是一座以防洪為主，兼顧供水、農(nóng)業(yè)灌溉、水利發(fā)電、生態(tài)旅游等多功能的中型水庫，灌溉總面積5 533 hm2，每年可為宣州區(qū)提供供水水源1 800 萬m3，日均供水量4.9 萬t，壩址下游地區(qū)抗洪能力為20年一遇，水庫興利庫容3 945 萬m3，死庫容為283 萬m3，放水洞設(shè)計引水流量8.5 m3/s。水庫電站裝機(jī)容量為2×800 kW。

1.2 基本方程

EFDC( The Environmental Fluid Dynamics Code)模型是由美國環(huán)保署資助開發(fā)的三維流體動力學(xué)模型，可以模擬泥沙、底質(zhì)、水質(zhì)、水動力及有毒物質(zhì)等版塊，該模型因可以較好地擬合研究區(qū)底部地形和邊界條件而被廣泛用于河流、水庫、湖泊濕地系統(tǒng)、河口和海洋水體一維、二維、三維物質(zhì)輸運(yùn)的研究中[9]。

(1)連續(xù)性方程。

(1)

式中：x為距離坐標(biāo)；t為時間坐標(biāo)；A為過水?dāng)嗝婷娣e；Q為流量；h為水位；q為旁測入流量；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；g為重力加速度。

(2)動量方程：

(2)

式中：h為水深；t為時間；u為x方向垂線平均水平流速分量；v為y方向垂線平均水平流速分量；g為重力加速度；s0x為x向的河底底坡；s0y為y向的河底底坡；sfx為x方向摩阻底坡；sfy為y方向摩阻底坡。

(3)營養(yǎng)鹽遷移轉(zhuǎn)化方程：

(3)

模型經(jīng)二階精度的有限差分格式變換后，繼而通過交錯網(wǎng)格變量布置，采用三層有限差分在時間上進(jìn)行積分后模型即變?yōu)檎龎汉托眽簝煞N模態(tài)。采用半隱格式通過共軛梯度法求得水位場，對獲得的水位值轉(zhuǎn)化求得相應(yīng)水深下的流速分布，最終求得正壓態(tài)模解。在進(jìn)行正壓態(tài)模求解時，模型邊界條件包括入流出流條件、水位值及體積流量。在同時間步長下，斜壓模下的垂向擴(kuò)散項通過隱格式求得，其他邊界條件與正壓模一致。動量方程內(nèi)模主要用于求解速度及應(yīng)力的分布，通過周期性的插入一個二階精度的兩層時間格式得到三層時間格式中的時間分裂，進(jìn)而按順序交替計算該格式下每一網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)下的水位(h點(diǎn))和流量(Q點(diǎn))，采用有限體積法對得到的單元 進(jìn)行積分離散，數(shù)值通量采用FVS格式求解，通過以上變換后上述水量、水質(zhì)模型可統(tǒng)一寫為：

(4)

式中：q為守恒物理量；f(q)為x方向通量；g(q)為y方向通量；b(q)為源匯項。

1.3 率定驗(yàn)證

基于湯村庫區(qū)實(shí)測水質(zhì)結(jié)果，對模型進(jìn)行率定驗(yàn)證，根據(jù)地形資料，湯村庫區(qū)河道底部整體呈“U”形，將其劃分為3 316個四邊形單元網(wǎng)格，共3 528個節(jié)點(diǎn)，平均網(wǎng)格尺寸為30 m×30 m，湯村水庫共設(shè)兩個開邊界，上游為水庫入流斷面，下游設(shè)泄流閘，流量邊界取Q1=8.6 m3/s，為保持月均水位不變流量，因此進(jìn)出庫流量各月相等，水位計算邊界取湯村水庫成庫數(shù)據(jù)，水質(zhì)邊界取現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據(jù)，概化出的網(wǎng)格及流量邊界見圖1?？紤]計算穩(wěn)定性及精度，取時間步長Δt為1 s。結(jié)果表明：計算值及實(shí)測值平均相對誤差約9%，模擬效果較好。說明本文所建EFDC水質(zhì)模型能夠較好地反映該庫區(qū)不同水動力下污染物遷移擴(kuò)散過程。

圖1 庫區(qū)質(zhì)模型計算邊界及網(wǎng)格剖分圖

2 庫區(qū)水環(huán)境預(yù)測及分析

根據(jù)《安徽省水功能區(qū)劃》(2003)，華陽河為河流源頭保護(hù)區(qū)，執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，而湯村庫區(qū)位于華陽河上游，因此也執(zhí)行Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)調(diào)查，湯村庫區(qū)兩邊主要為山區(qū)，沿線開發(fā)程度較低，無工業(yè)廢水及生活污水排放，控制斷面現(xiàn)狀水質(zhì)類別為Ⅱ類，因此，就目前而言水庫在運(yùn)行期來水較好，不會接納外源污染負(fù)荷，庫區(qū)水質(zhì)能得到有效保障，但隨著庫區(qū)水體靜置時間的加長，水中有機(jī)物積累過多，溶解氧逐漸降低，水體中代謝產(chǎn)物越來越多，導(dǎo)致水體營養(yǎng)元素不足，水體生產(chǎn)力下降，水質(zhì)逐漸惡化，因此本文選擇兩個工況對湯村水庫水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測分析，①水體靜置期間：庫區(qū)與華陽河無水量交換或非汛期華陽河來水量較小時，庫區(qū)匯水面積范圍內(nèi)部分農(nóng)業(yè)面源污染流入水庫，隨著水體停留時間的加長，污染物濃度增大，對此時庫區(qū)水質(zhì)濃度進(jìn)行了預(yù)測；②汛期(水體交換期)：雖湯村水庫上游來水水質(zhì)較好，但庫區(qū)污染物濃度隨著停留時間的加長而有所增大，通過庫尾的引水隧洞對庫區(qū)水體進(jìn)行交換。

2.1 靜置期水質(zhì)預(yù)測

庫區(qū)水體靜置期，考慮周邊污染負(fù)荷排入水庫對水質(zhì)的影響，分析湯村水庫在不同庫容下的水質(zhì)變化過程。湯村水庫周邊面源污染物入庫量計算公式如下：

W農(nóng)=W農(nóng)pβγ

(5)

W農(nóng)p=Mα

(6)

式中：W農(nóng)為污染物入庫量；M為耕地面積；W農(nóng)P為污染物排放量；β為入庫系數(shù)(取0.25)；γ為修正系數(shù)，(取1.2～1.5)；α為排污系數(shù)。

通過上述公式，根據(jù)水庫周邊現(xiàn)狀環(huán)境，考慮不利情況下，計算得COD及NH3-N污染負(fù)荷量分別約為331.18、65.95 kg/d。根據(jù)上述計算得污染負(fù)荷值，運(yùn)用EFDC模型預(yù)測湯村庫區(qū)水體靜置期間水質(zhì)濃度，計算公式如下：

(7)

(8)

?

(9)

式中：C0為水庫初始水質(zhì)濃度，mg/L；C1為水庫蓄水后一天后水質(zhì)濃度，mg/L；V為湯村水庫庫容，萬m3；W1為蓄水第一天時當(dāng)天流入庫區(qū)的污染物總量，kg/d；K為污染物降解系數(shù)；Cn為蓄水第n天后庫區(qū)水質(zhì)濃度，mg/L；α為不均勻系數(shù)；wn為蓄水后第n天時當(dāng)天流入庫區(qū)的污染物總量，kg/d，W1～Wn分別表示當(dāng)天污染物入庫量。通過上式計算并繪制出水體靜置期，庫區(qū)水體靜置時間與水質(zhì)濃度(COD、NH3-N)的關(guān)系圖(見圖2、圖3)。

圖2 不同庫容下庫區(qū)COD濃度與水體靜置時間關(guān)系曲線

圖3 不同庫容下庫區(qū)NH3-N濃度與水體靜置時間關(guān)系曲線

通過上圖分析可知：在庫區(qū)水體靜置期，不同庫容下即使流入庫區(qū)的污染物負(fù)荷相同，庫區(qū)水質(zhì)濃度變化過程亦不同；當(dāng)庫區(qū)水體停留30 d時，當(dāng)庫容為5 600、4 400 萬m3時，COD濃度分別為14.43、15.27 mg/L，相比初始水質(zhì)(初始COD、NH3-N濃度分別為現(xiàn)狀實(shí)測的濃度)，COD濃度分別增加了2.85%、8.57%，NH3-N濃度分別為0.31、0.4 mg/L，分別增加了513.5%、673.1%，說明庫容越大，庫區(qū)水環(huán)境容量越高，對應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)增幅越小。就增幅比例而言，隨水體靜置時間的增加COD濃度的增幅遠(yuǎn)低于NH3-N濃度的增幅，但當(dāng)庫容為5 600 萬m3、庫區(qū)COD濃度在停留26 d時略有超標(biāo)，而氨氮濃度在庫區(qū)水體停留30 d時仍未超過地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。因此，在非汛期時，湯村水庫水體靜置時間應(yīng)控制在26～30 d以內(nèi)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)庫區(qū)水質(zhì)已達(dá)到或接近相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)根據(jù)壩址上游水量利用引水隧洞補(bǔ)水或換水，以確保庫區(qū)供水水質(zhì)。

2.2 水體交換期水質(zhì)預(yù)測

根據(jù)上文分析可知：湯村庫區(qū)水體靜置時間越長，水質(zhì)濃度越高，故為確保供水水質(zhì)安全，應(yīng)定時換水以改善水質(zhì)。水庫正常運(yùn)行期時，庫容約5 160 萬m3，正常蓄水位高146.7 m，根據(jù)實(shí)測資料得華陽河多年平均流量為3.05 m3/s，湯村水庫日入庫水量約171.5 萬m3，計算得湯村庫區(qū)的整體換水需31 d才能全部完成。為達(dá)到環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益最大化，在水庫正常調(diào)度運(yùn)行時，水庫運(yùn)行的總體原則是及時換水、水質(zhì)和位兩者間相互補(bǔ)充，根據(jù)壩址上游華陽河及庫區(qū)水質(zhì)情況確定合適的換水頻率及換水規(guī)模。下文選擇湯村水庫與華陽河換水8 d工況，設(shè)水庫本底水質(zhì)為正常庫容條件下靜置30 d時的水質(zhì)濃度，邊界來水濃度設(shè)為滿足Ⅱ類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，通過模型對庫區(qū)水體交換過程進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，繪制出換水后2 d、4 d、6 d、8 d湯村水庫庫區(qū)COD及NH3-N空間分布圖(圖4、圖5)。

圖4 水體交換期庫區(qū)COD濃度分布(單位：mg/L)

圖5 庫區(qū)水體交換期NH3-N濃度分布(單位：mg/L)

結(jié)果表明：當(dāng)外部華陽河河水質(zhì)較好，通過上游來水引入庫區(qū)后，對改善庫區(qū)水質(zhì)效果較好；隨引水時間的加長，庫區(qū)水環(huán)境容量逐步加大，水質(zhì)濃度逐步降低；同時隨著換水量加大，庫區(qū)水動力強(qiáng)度增強(qiáng)，污染物遷移擴(kuò)散能力能力隨之增強(qiáng)，可進(jìn)一步改善庫區(qū)水質(zhì)情況?？傮w而言，在湯村水庫運(yùn)行期，除了及時、定時做好庫區(qū)水質(zhì)監(jiān)測及華陽河水質(zhì)監(jiān)測外，通過合理的調(diào)度運(yùn)行以及相機(jī)換水可有效的保障庫區(qū)水質(zhì)。

3 結(jié) 論

本文采用EFDC模型模擬了湯村水庫水體在靜置期及交換期庫區(qū)水質(zhì)情況，結(jié)果表明：湯村庫區(qū)水體停留時間應(yīng)控制在26～30 d為宜，當(dāng)湯村庫區(qū)庫容為5 600、4 400 萬m3時，相比初始水質(zhì)，庫區(qū)COD濃度分別增加了2.85%、8.57%，NH3-N濃度分別增加了513.5%、673.1%，庫容越大，庫區(qū)水環(huán)境容量越高，對應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)濃度增幅越??；隨著引水時間的加長，庫區(qū)水環(huán)境容量逐步加大，水質(zhì)濃度會逐步降低，通過對水庫合理的調(diào)度運(yùn)行，相機(jī)換水可有效保證庫區(qū)水質(zhì)。