楊金艷，徐 勇，周 杰，吳時(shí)強(qiáng)

(1. 江蘇省水文水資源勘測(cè)局蘇州分局，江蘇 蘇州 215129；2. 南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

近年來，我國(guó)水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象日益加劇，其污染源極其復(fù)雜，潛在的危害很大，已成為水環(huán)境保護(hù)中最突出的環(huán)境問題。三峽水庫(kù)蓄水后，水庫(kù)支流經(jīng)常出現(xiàn)藻華，對(duì)當(dāng)?shù)厮h(huán)境和生態(tài)構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)[1]。根據(jù)我國(guó)近幾年的調(diào)查顯示，一些大中型水庫(kù)水體處于中度營(yíng)養(yǎng)化到富營(yíng)養(yǎng)化的過渡狀態(tài)[2]。多個(gè)供水水庫(kù)出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化，其中包括上海重要飲用水水庫(kù)——青草沙水庫(kù)[3]。以往供水水庫(kù)取水口設(shè)計(jì)主要考慮防沙、防浪、避咸、水質(zhì)、溫度分層、工程造價(jià)等因素[4-9]，尚未考慮從抑制藍(lán)藻水華方面優(yōu)化取水口位置。

水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化控制除了減少氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽輸入、投放鳙鰱生物控藻、生態(tài)浮島等措施外，縮短水庫(kù)水體的水齡也是一項(xiàng)非常重要的措施。水齡可以定量反映水體的運(yùn)動(dòng)和交換程度及滯留情況，對(duì)評(píng)估水質(zhì)變化具有重要意義。

水齡的概念來自于恒定流。假設(shè)一個(gè)與外界存在物質(zhì)交換的容器，并假設(shè)物質(zhì)交換過程是平衡態(tài)的，即物質(zhì)的總質(zhì)量和統(tǒng)計(jì)分布不隨時(shí)間而變。Bolin等[10]在此基礎(chǔ)上，將某種物質(zhì)的水齡定義為該物質(zhì)進(jìn)入容器后所經(jīng)歷的時(shí)間。水齡的研究一般通過數(shù)學(xué)模型來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有數(shù)學(xué)模型方法分為直接跟蹤法和間接跟蹤法兩種。直接跟蹤法采用拉格朗日法直接跟蹤記錄生命的水團(tuán)運(yùn)動(dòng)過程[11-13]。該方法的缺點(diǎn)是計(jì)算量大，且跟蹤多源水體時(shí)計(jì)算困難。在實(shí)際水體中，往往存在多個(gè)源和匯，有時(shí)還對(duì)不同水源進(jìn)入的水體進(jìn)行跟蹤。為此，Deleersnijder等[14]提出了染色模擬計(jì)算水齡的通用理論，從而完善了間接跟蹤的基本理論。

1 水體水齡模擬方法及其改進(jìn)

邵軍榮曾基于染色模擬計(jì)算水齡的通用理論研發(fā)了無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格二維水齡計(jì)算模型[15]。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署EPA研發(fā)的EFDC模型，適用面廣，對(duì)湖庫(kù)三維流動(dòng)模擬精度高，多次應(yīng)用于模擬水體水齡[16-19]。該模型代碼編寫模塊化設(shè)計(jì)，改編非常方便，為適應(yīng)三維分層計(jì)算，本文基于上述染色模擬計(jì)算水齡的原理，改進(jìn)了EFDC模型。

Deleersnijder等定義c(t, x, τ)為與時(shí)間t、空間位置x和水齡τ相關(guān)的水齡譜，且在水體中符合守恒物質(zhì)輸運(yùn)規(guī)律[14]。

式中：u 為流速矢量場(chǎng)（m/s）；k為擴(kuò)散系數(shù)（m/s2）；c 為 c ( t , x , τ )函數(shù)。

定義水體中示蹤物質(zhì)含量C和水齡密度α：

基于以上定義，在t時(shí)刻、空間位置x處的平均水齡a(t,τ)可定義為：

則有示蹤物質(zhì)濃度控制方程與水齡密度控制方程：

方程（5）和（6）解決了染色模擬與水齡模擬相關(guān)的理論。方程（6）為改進(jìn)EFDC模型的關(guān)鍵方程，即在EFDC模型中添加一個(gè)水齡密度方程，該方程需要添加一個(gè)與示蹤物質(zhì)含量相關(guān)的源項(xiàng)。

為計(jì)算方便，示蹤物質(zhì)濃度在進(jìn)入計(jì)算水域的邊界上設(shè)為1.0 mg/L，故模型邊界條件為；。

2 瀏河水庫(kù)取水泵站位置優(yōu)化

2.1 各方案水流模擬

太倉(cāng)市第三水廠位于二水廠東南方向16 km 處，水源地位于長(zhǎng)江瀏河口上游邊灘瀏河水庫(kù)，現(xiàn)狀布置如圖1所示。水庫(kù)總庫(kù)容1 742萬m3，有效庫(kù)容1 427萬m3，應(yīng)急庫(kù)容242萬 m3，死庫(kù)容315萬m3。最高蓄水位5.5 m，死水位-1.2 m，應(yīng)急水位0 m，夏季運(yùn)行水位0～1.5 m，水庫(kù)庫(kù)底標(biāo)高-2.80 m，水面面積220萬m2。三水廠取水時(shí)采用遠(yuǎn)期規(guī)劃建設(shè)60萬m3。

瀏河水庫(kù)運(yùn)行以來，實(shí)際日供水不到20萬m3，與設(shè)計(jì)供水能力差距較大。太倉(cāng)三水廠為了縮短供水水庫(kù)換水周期，將平均蓄水水位降至約1.0 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容約760萬m3，換水周期約為38 d。由于換水周期較長(zhǎng)，夏季高溫期間水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇，水廠實(shí)測(cè)最高藻細(xì)胞數(shù)達(dá)到每升514萬個(gè)。

圖 1 瀏河水庫(kù)現(xiàn)狀布置Fig. 1 Layout of Liuhe Reservoir

太倉(cāng)第二水廠水源地?cái)M搬遷至本水庫(kù)，可以提高水庫(kù)的原水利用率，降低運(yùn)行管理成本，縮短水庫(kù)的換水周期。二水廠現(xiàn)狀實(shí)際日供水量為20萬m3，按照現(xiàn)行的水庫(kù)運(yùn)行管理方式，按實(shí)際供水量計(jì)算換水周期將縮短到約15 d。

瀏河水庫(kù)由于庫(kù)容較大、用水量較小，導(dǎo)致水庫(kù)原水流動(dòng)性不高，加之水深較淺，水庫(kù)內(nèi)藻類易于繁殖。通過新建二水廠瀏河取水及換水泵站，可與現(xiàn)有三水廠瀏河取水泵站形成多點(diǎn)取水、統(tǒng)一換水的格局，有效提高水庫(kù)原水的流動(dòng)性，一定程度上可提高原水水質(zhì)。同時(shí)，本工程取水及換水泵站還具有換水功能，當(dāng)瀏河水庫(kù)需要換水改善水質(zhì)時(shí)，可就近排出水庫(kù)原水至長(zhǎng)江，提高瀏河水庫(kù)原水水質(zhì)。為了更科學(xué)地布置二水廠取水泵房和取水頭的位置，充分利用取水產(chǎn)生的環(huán)流改善庫(kù)區(qū)的流動(dòng)特性，減輕水體富營(yíng)養(yǎng)化，特進(jìn)行取水方案優(yōu)化研究。

水庫(kù)水流往往受到風(fēng)切應(yīng)力、熱浮力、取排水水量（源、匯項(xiàng)）等因素的控制。由于本工程所在水庫(kù)水深較淺，最高蓄水位時(shí)水深僅8 m，夏季平均蓄水水深僅4 m，故熱浮力作用甚微。由于水庫(kù)面積較大，達(dá)到220萬 m2，影響水流的主要因素為風(fēng)，其次是取水形成的匯。由于淺水湖泊風(fēng)生流會(huì)在湖泊平面及垂面上產(chǎn)生環(huán)流，表層水流方向與底層水流方向往往相反，所以對(duì)于風(fēng)生流的模擬宜采用分層三維模型進(jìn)行研究。

瀏河水庫(kù)形狀基本規(guī)則，整個(gè)水庫(kù)剖分成20 m×20 m的正方形網(wǎng)格，共布置5 504個(gè)網(wǎng)格單元。計(jì)算分成6層，每層厚度相等。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)10 s，水庫(kù)地形采用清淤后的標(biāo)高，基本為-2.80 m。計(jì)算初始水位采用夏季平均運(yùn)行水位1.0 m。計(jì)算風(fēng)速為太倉(cāng)夏季平均風(fēng)速3.6 m/s，風(fēng)向?yàn)橄募局鲗?dǎo)風(fēng)向SSE和SE。

本工程泵站取用瀏河水庫(kù)原水，應(yīng)靠近瀏河水庫(kù)選址。由于現(xiàn)狀第三水廠取水泵房位于瀏河西側(cè)中間區(qū)域，因此本工程新建取水泵站選址主要有3個(gè)方案。方案1～3泵站選址分別位于瀏河水庫(kù)東北角、西南角和西北角。

由于水庫(kù)內(nèi)水體流動(dòng)性差，庫(kù)區(qū)內(nèi)水體的水齡也存在差異性。計(jì)算分析做了如下假定：（1）長(zhǎng)期受SE向風(fēng)或SSE向風(fēng)影響，風(fēng)速3.6 m/s；（2）水庫(kù)初始運(yùn)行水位為0 m，長(zhǎng)江補(bǔ)充水庫(kù)流量33.5 m3/s，補(bǔ)充長(zhǎng)江水的同時(shí)，從水庫(kù)取水供水，1.5 d后停止補(bǔ)充長(zhǎng)江水；（3）水庫(kù)供水流量為40萬t/d，二水廠、三水廠各供水20萬t/d；（4）每運(yùn)行10 d補(bǔ)充長(zhǎng)江水1次，每次補(bǔ)水持續(xù)時(shí)間1.5 d。

經(jīng)數(shù)值模擬，得到了如圖2所示的水庫(kù)環(huán)流結(jié)構(gòu)以及如圖3所示的庫(kù)區(qū)水齡分布情況。水庫(kù)平均水齡及取水水域水齡統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖 2 SE風(fēng)3.6 m/s作用下庫(kù)區(qū)環(huán)流Fig. 2 Currents in the reservoir in a southeast wind with speed of 3.6 m/s

圖 3 SE風(fēng)3.6 m/s作用下庫(kù)區(qū)水齡分布（單位：d）Fig. 3 Water age distribution in a southeast wind with speed of 3.6 m/s (unit: d)

以上計(jì)算成果表明：

（1）二水廠泵房方案2有利于長(zhǎng)江補(bǔ)充水與水庫(kù)水體的充分混合，庫(kù)區(qū)平均水齡由布置方案1和3的20 d縮短到16 d；方案1和3的2個(gè)布置方案對(duì)水庫(kù)整體水齡和三水廠取水泵房以南庫(kù)區(qū)水齡的影響很小，而對(duì)三水廠以北庫(kù)區(qū)水齡的影響較大，主要表現(xiàn)在小于12 d的短水齡區(qū)分布差異較大。

（2）二水廠泵房采用方案1和方案3在水庫(kù)的南部水域均形成較大面積的難換水區(qū)，水齡達(dá)到25 d以上的區(qū)域?qū)⑦_(dá)到約1/4庫(kù)區(qū)面積。而采用布置方案2可以大大降低水庫(kù)南部水域的水齡，與方案1和3相比，南部水域水齡基本可以縮短5 d。

表 1 水庫(kù)平均水齡及取水水域水齡統(tǒng)計(jì)Tab. 1 Water age of reservoir (average) and water intake area

2.2 取水泵站位置比較

下面綜合分析3個(gè)取水泵站位置方案的優(yōu)劣。

（1）夏季盛行風(fēng)條件下，無論采用哪個(gè)布置方案，水庫(kù)表層水體的流動(dòng)方向均為從南往北方向流動(dòng)，方案2布置在瀏河水庫(kù)西南角處于盛行風(fēng)的上風(fēng)口，上層水體的藍(lán)藻不容易在取水水域聚集。

（2）二水廠泵房布置在瀏河水庫(kù)東北角或西北角時(shí)，取水主要來自庫(kù)區(qū)東北角和東半部水庫(kù)的水，這部分水體基本是新補(bǔ)入的長(zhǎng)江水，而三水廠取水主要來自泵房附近的西半部水庫(kù)的水體，這樣水庫(kù)的西南角水體很難得到新補(bǔ)入的長(zhǎng)江水的混合，造成大量新水被取走而大量舊水得不到新水摻混。而采用方案2將泵房布置在瀏河水庫(kù)西南角時(shí)，二水廠取水主要來自三水廠泵房以南庫(kù)區(qū)，三水廠取水主要來自三水廠泵房以北庫(kù)區(qū)，有利于長(zhǎng)江水在水庫(kù)中整體摻混均勻后供水，庫(kù)區(qū)平均水齡由方案1的20 d縮短到17 d。

（3）二水廠泵房布置在瀏河水庫(kù)東北角或西北角時(shí)，優(yōu)點(diǎn)是取水水域離補(bǔ)充水出口較近，水齡為13 d；當(dāng)二水廠取水頭部發(fā)生藻華災(zāi)害時(shí)，立刻補(bǔ)入長(zhǎng)江水，長(zhǎng)江水只需2 d就能到達(dá)二水廠取水水域；換水泵通過穿堤暗管向長(zhǎng)江排放，影響較?。蝗秉c(diǎn)是取水水域處于下風(fēng)口，不利于縮短庫(kù)區(qū)的整體水齡，水庫(kù)的西南角存在換水死角，水齡大于30 d。

（4）二水廠泵房布置在瀏河水庫(kù)西南角時(shí)，優(yōu)點(diǎn)正好是布置在東北角的缺點(diǎn)。缺點(diǎn)是取水水域水齡較長(zhǎng)，達(dá)到23 d，長(zhǎng)江向水庫(kù)補(bǔ)水后5～6 d才能影響取水水域，但是由于位于夏季盛行風(fēng)的上風(fēng)口，上層水體中的藻類不容易在取水水域聚集?？傮w而言，方案2有利于改善二水廠取水水質(zhì)。

（5）二水廠采用方案2時(shí)增設(shè)換水泵效果明顯，而采用方案1和3時(shí)，換水泵對(duì)南部水域水齡的縮短效果不明顯。采用方案2時(shí)，二水廠增設(shè)換水泵流量達(dá)到1.7 m3/s（即15萬m3/d）時(shí)，在夏季盛行風(fēng)條件下，庫(kù)區(qū)平均水齡由17 d縮短到12 d，南部水域水齡將縮短到13 d。考慮到夏季風(fēng)向不可能恒定，實(shí)際南部水域水齡比計(jì)算結(jié)果要短，故換水泵流量達(dá)到15萬m3/d時(shí)，基本可以達(dá)到庫(kù)區(qū)水齡小于15 d的要求。采用方案1和3時(shí)，增設(shè)換水泵在夏季特殊時(shí)期持續(xù)運(yùn)行以期縮短庫(kù)區(qū)水齡的措施是不經(jīng)濟(jì)的，建議采取應(yīng)急補(bǔ)充長(zhǎng)江水的方式抑制水華，然后擇機(jī)運(yùn)行至死水位，三水廠取用長(zhǎng)江水繼續(xù)供水，二水廠停止供水，利用排空泵排空水庫(kù)進(jìn)行徹底換水。

綜上所述，從庫(kù)區(qū)環(huán)流及水齡等環(huán)境水力學(xué)角度出發(fā)，方案2（二水廠泵房位于瀏河水庫(kù)西南角）明顯優(yōu)于方案1和3。

3 結(jié) 語

水庫(kù)的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽輸入量、水深、氣溫等自然條件難以控制，通過優(yōu)化取水泵房位置可以改變水庫(kù)環(huán)流特性，縮短水庫(kù)水齡；通過長(zhǎng)江水抑制藍(lán)藻的生長(zhǎng)，從而降低水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)，這是比較現(xiàn)實(shí)的措施。基于染色模擬的水齡模擬方法能較少地改動(dòng)成熟模型的代碼，有效模擬庫(kù)區(qū)、湖泊水齡，是一種基于水齡優(yōu)化水庫(kù)進(jìn)排水設(shè)計(jì)抑制藍(lán)藻水華的有效方法。