劉 莎，劉 偉，佟洪金，魏 峣，李逢港

(1.成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，成都 610225；2.四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，成都 610041)

引 言

建設(shè)航電樞紐、樞紐渠化航道，實(shí)現(xiàn)“以電促航”是近年來整治山區(qū)性河流河道的基本經(jīng)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)水利工程建設(shè)與水生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展是時(shí)代的要求。如何協(xié)調(diào)水資源開發(fā)利用與水資源保護(hù)的關(guān)系，促進(jìn)人水和諧，是水利工程建設(shè)和運(yùn)行必須考慮的問題[1]。航電工程實(shí)施蓄水后，原來的天然河流變?yōu)閹?kù)區(qū)，水文情況發(fā)生變化，庫(kù)區(qū)流速減小，污染物稀釋自凈能力下降[2]。由于水流情勢(shì)變化是河流生態(tài)系統(tǒng)演變的主要驅(qū)動(dòng)力，樞紐調(diào)節(jié)引起河流水文和水力條件發(fā)生顯著變化，進(jìn)而對(duì)河流水質(zhì)、生物棲息環(huán)境和生物群落產(chǎn)生重要影響。

水質(zhì)模擬的主要研究目標(biāo)是量化描述河流水質(zhì)的時(shí)空演變規(guī)律，為河流的污染防治提供技術(shù)支撐。目前，應(yīng)用較多的模型有QUAL2K、WASP、MIKE、EFDC等，主要應(yīng)用于水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[3]、水環(huán)境容量計(jì)算[4～5]、流域治理[6]和水質(zhì)預(yù)測(cè)[7]等方面。其中，MIKE系列模型精度高、通用性強(qiáng)，且在現(xiàn)行水環(huán)境影響評(píng)價(jià)導(dǎo)則中，也把MIKE軟件作為導(dǎo)則推薦軟件之一而提出。目前，我國(guó)學(xué)者對(duì)MIKE 11模型在河道水質(zhì)預(yù)測(cè)的應(yīng)用做了廣泛的研究。張海麗[8]等通過MIKE 11建立基于閘泵聯(lián)控的水動(dòng)力水質(zhì)調(diào)控模型，設(shè)定水動(dòng)力水質(zhì)調(diào)控多目標(biāo)函數(shù)并選取灰色多目標(biāo)優(yōu)選算法進(jìn)行效果評(píng)選。郭宇軒[9]等利用MIKE 11對(duì)沈陽市北運(yùn)河的水質(zhì)水量進(jìn)行了模擬分析，為實(shí)現(xiàn)沈陽市南北運(yùn)河水生態(tài)環(huán)境的全面提升和水功能修復(fù)建設(shè)提供了技術(shù)支持。熊鴻斌[10]等以引江濟(jì)淮工程渦河段為例，提出了MIKE 11模型結(jié)合稀釋流量比m值法計(jì)算河流水環(huán)境容量。胡琳[11]應(yīng)用MIKE11模型構(gòu)建了東苕溪干流水動(dòng)力和水質(zhì)耦合模型，模擬上游水污染突發(fā)事件發(fā)生后污染物到達(dá)東苕溪水源地取水口的時(shí)間，以此進(jìn)行水質(zhì)預(yù)警。依靠模型預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)河流航道工程建設(shè)前后水質(zhì)變化的研究較少[12～13]。作為四川省十三五規(guī)劃的“5+2”航道體系中的重要航運(yùn)線路之一，沱江是四川省航道網(wǎng)絡(luò)布局“一橫、三縱、三線”中三線的組成部分，沱江干流已規(guī)劃26級(jí)樞紐開發(fā)方案，本研究以沱江自貢段航電樞紐建設(shè)工程為例，應(yīng)用MIKE 11模型的水動(dòng)力模塊和對(duì)流擴(kuò)散模塊，采取數(shù)值模擬的方法，分析不同典型年情景下航電樞紐建設(shè)前后水質(zhì)情況，以期為沱江干流航電樞紐建設(shè)項(xiàng)目水質(zhì)影響預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)域概況

2.1 研究范圍

沱江是長(zhǎng)江的一級(jí)支流，是四川省腹部地區(qū)的重要河流之一，發(fā)源于九頂山南麓綿竹市斷巖頭下的大黑灣，河流全長(zhǎng)636km，流域面積2.55萬km2，占全省面積5.25%，流域內(nèi)年降雨量年際變化極大，地區(qū)分布極不均勻。沱江自貢段為下游，市境內(nèi)長(zhǎng)111.5km，河道落差40.4m，平均比降0.3‰，枯水期江面寬200～250m，航道等級(jí)為Ⅵ級(jí)。根據(jù)《四川省內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展規(guī)劃》(2001-2050)，沱江自貢段擬新建銀蛇溪樞紐，改造已建設(shè)的黃泥灘和黃葛浩樞紐船閘。

2.2 沱江流域水質(zhì)現(xiàn)狀

在人口與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的雙重壓力下，沱江流域的水質(zhì)現(xiàn)狀不容樂觀[14]。沱江呈全流域污染特征，總體上干流受到輕度污染，支流受到中度污染，主要超標(biāo)指標(biāo)為總磷、COD、氨氮，其中總磷超標(biāo)問題突出。2016年，沱江流域35個(gè)省控、國(guó)控例行監(jiān)測(cè)斷面中Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)僅占11.4%，Ⅳ類水質(zhì)占51.4%，Ⅴ～劣Ⅴ類斷面占37.1%[15]；沱江自貢段水質(zhì)以Ⅳ～Ⅴ類為主。污染來源主要有工業(yè)、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活及農(nóng)業(yè)面源，其中，沿線面源污染相對(duì)較突出。

3 水質(zhì)模型建立

MIKE11模型適用于河口、河流、灌溉渠道及其他水體模擬一維水動(dòng)力、水質(zhì)和泥沙運(yùn)輸?shù)膶I(yè)工程軟件，包括水動(dòng)力模塊(HD)、水工建筑物模塊(SO)、潰壩模塊(DB)、降雨徑流模塊(RR)、對(duì)流擴(kuò)散模塊(AD)、水質(zhì)生態(tài)模塊(ECO Lab)、非粘性泥沙輸運(yùn)模塊(ST)和洪水預(yù)報(bào)塊(FF)/數(shù)據(jù)同化模塊(DA)8個(gè)模塊。本研究應(yīng)用MIKE 11的水動(dòng)力和對(duì)流擴(kuò)散模型建立沱江自貢段水質(zhì)模型。

3.1 數(shù)學(xué)模型

3.1.1 水動(dòng)力模塊(HD)

MIKE11 HD模塊是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，即一維非恒定流圣維南(Saint-Venant)方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)；采用Abbott-Ionescu6點(diǎn)隱式差分格式求解，即在每一個(gè)計(jì)算點(diǎn)不同時(shí)計(jì)算水位和流量，采取按順序交替計(jì)算水位和流量的方法。

3.1.2 對(duì)流擴(kuò)散模型(AD)

MIKE 11 AD是MIKE11系列軟件中對(duì)河流中的可溶性物質(zhì)和懸浮性物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬的模塊，它基于HD模塊生成的水動(dòng)力條件，應(yīng)用對(duì)流擴(kuò)散方程進(jìn)行計(jì)算。MIKE 11 AD的功能特點(diǎn)包括：求解溶解質(zhì)或懸浮物的一維對(duì)流擴(kuò)散方程，計(jì)算污染物的較大濃度梯度過程，模擬粘性泥沙的侵蝕和沉積。

3.2 河網(wǎng)概化

在河網(wǎng)的概化中，應(yīng)根據(jù)地形條件及水流情況，著重考慮主要的河道，那些水量較小、對(duì)整個(gè)河網(wǎng)影響不大的短小河段或不予考慮，或與其它河道結(jié)合考慮[16]。綜合考慮對(duì)沱江干流水質(zhì)影響較大及流域內(nèi)有概化排污口的支流，將模擬河網(wǎng)概化為1條沱江干流和1條釜溪河支流，各子流域內(nèi)的支流及排污口均概化到該支流匯入沱江的節(jié)點(diǎn)處，排污量按考慮遷移過程中降解因素后的數(shù)值設(shè)定。研究區(qū)域范圍見圖1。

圖1 研究區(qū)域范圍Fig.1 Overview of the research area

3.3 模型的邊界條件

模型的上、下邊界分別設(shè)在黃泥灘樞紐壩址和大磨子斷面(位于下游流灘壩樞紐回水范圍內(nèi))處。水動(dòng)力模型以三個(gè)典型年每日流量、水位數(shù)據(jù)設(shè)置，上邊界采用時(shí)間-流量邊界，下邊界采用時(shí)間-水位邊界。水質(zhì)模型邊界條件以2017年每月一次的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)定，由于沱江水質(zhì)較差，沿程取水量占比較小，因此，在建模過程中設(shè)定沿程沒有流量匯出。

為提高河道水利計(jì)算精度，本文收集了自貢市的降雨數(shù)據(jù)和蒸發(fā)數(shù)據(jù)，計(jì)算研究區(qū)域的日平均降雨量和蒸發(fā)量。根據(jù)2017年自貢市環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)級(jí)其他補(bǔ)充資料，采用DHI-Load Calculator模塊[17]，設(shè)定各類污染物入河方式為距離降解，計(jì)算了2017年研究區(qū)域內(nèi)河段的入河量分別為COD 927t/a，NH3-N 192t/a，TP 47t/a。包含農(nóng)村生活污染、農(nóng)業(yè)面源污染、城市徑流污染、工業(yè)點(diǎn)源污染和污水處理廠排水等。面源污染以流量和污染物濃度的日均值按分布式污染源設(shè)定，點(diǎn)源按污染實(shí)測(cè)資料設(shè)定，無時(shí)間序列的數(shù)據(jù)用恒定值設(shè)定。

3.4 模型的構(gòu)建

3.4.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本研究建模需要的數(shù)據(jù)包括沱江自貢段流域圖、氣象數(shù)據(jù)(包括每日降雨量和每日蒸發(fā)量等)、閘門構(gòu)筑物參數(shù)、沱江實(shí)測(cè)斷面的起始距及河床高程數(shù)據(jù)、上下游斷面的水位和流量數(shù)據(jù)、斷面水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、沱江沿線排污口(含概化排污口)水質(zhì)水量數(shù)據(jù)。其中，水文數(shù)據(jù)來源于四川省水利部門、李家灣水文站和《沱江自貢至瀘州航道等級(jí)提升工程(自貢段)工程可行性研究報(bào)告(2017)》，上邊界入流流量見圖2，水質(zhì)數(shù)據(jù)和污染源數(shù)據(jù)來自于2017年自貢市環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，上邊界水質(zhì)濃度數(shù)據(jù)見圖3。

圖2 上邊界入流流量Fig.2 The flow rate under the upper boundary condition

圖3 上邊界污染物濃度Fig.3 The pollutant concentration (COD, NH3-N, TP) under the upper boundary condition

3.4.2 構(gòu)建模型

引入沱江自貢段流域圖，構(gòu)建模型河網(wǎng)文件，其中，河網(wǎng)最大計(jì)算步長(zhǎng)maxΔx設(shè)為10 000m，模型根據(jù)maxΔx值自動(dòng)插入計(jì)算水位點(diǎn)，并以Weirs結(jié)構(gòu)和Control structure分別輸入沿程黃泥灘樞紐、黃葛浩樞紐和銀蛇溪樞紐(擬建)的形狀等參數(shù)條件；輸入沱江自貢段52個(gè)實(shí)測(cè)斷面的起始距及河床高程數(shù)據(jù)，生成河段的斷面文件(.xns11)；以時(shí)間序列文件(.dfs0)的形式輸入模型邊界條件(.bnd11)，無時(shí)間序列的數(shù)據(jù)以恒定值設(shè)置；設(shè)置水動(dòng)力參數(shù)文件和水質(zhì)的參數(shù)文件(.HD11和.AD11)，定義模擬的初始條件、河床糙度、擴(kuò)散系數(shù)和衰減系數(shù)等條件；設(shè)置模擬文件(.sim11)，模擬時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為3min，每天輸出1個(gè)模擬數(shù)據(jù)。

3.5 模型的參數(shù)及率定

3.5.1 水動(dòng)力學(xué)模塊(HD)

水動(dòng)力學(xué)模塊(HD)為提高模型的模擬精度，針對(duì)沱江不同河段河道的水力特性和點(diǎn)源的排放情況，分別對(duì)黃葛浩庫(kù)區(qū)和銀蛇溪庫(kù)區(qū)的參數(shù)進(jìn)行率定。HD需要率定的參數(shù)為河床糙度，即曼寧系數(shù)，參數(shù)值見表1。

表1 沱江自貢段的曼寧系數(shù)Tab.1 Manning coefficient in the Zigong section of the Tuo river

以實(shí)測(cè)值率定水動(dòng)力學(xué)模型，并用Nash-Suttcliffe系數(shù)Ens驗(yàn)證模型的可靠性[18]，一般認(rèn)為，Ens≥0.5時(shí)，模型的模擬結(jié)果是可以接受的。沱江自貢段銀蛇溪斷面流量模擬結(jié)果見圖4。從圖4的流量模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比分析可知，MIKE 11建立的水動(dòng)力學(xué)模型的精度較高，銀蛇溪斷面Ens為0.95，模型模擬效果良好，可較準(zhǔn)確反映河段的水動(dòng)力變化過程。

圖4 銀蛇溪斷面流量模擬值于實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.4 Comparison of simulated and observed flow

3.5.2 對(duì)流擴(kuò)散模塊(AD)

AD模塊的參數(shù)包括:COD、NH3-N和TP的衰減系數(shù)、沉降速率、再懸浮率、沉降臨界速率等，其中，需要率定的參數(shù)為擴(kuò)散系數(shù)和污染物衰減系數(shù)。參考國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)資料[19]，將擴(kuò)散系數(shù)在5～20m2/s之間用2017年斷面的實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行率定。經(jīng)率定，本模型擴(kuò)散系數(shù)取8m2/s。各污染物在沱江自貢段的綜合衰減系數(shù)取值見表2。

表2 各污染物在沱江各區(qū)段的綜合衰減系數(shù)Tab.2 Degradation coefficient of pollutant in the Zigong section of the Tuo River

研究選擇李家灣作為模型的驗(yàn)證斷面，用2017年COD、NH3-N和TP模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，COD模擬值誤差為26.5%，NH3-N模擬值誤差為28.2%，TP的模擬值誤差為18.1%。率定模型存在一定誤差，主要原因是部分點(diǎn)源排污口的水質(zhì)水量數(shù)據(jù)是概化計(jì)算值，設(shè)置為恒定值。各類污染物平均誤差均小于30%，模型基本能夠描述沱江自貢段的水動(dòng)力、水質(zhì)的時(shí)空演變規(guī)律。

4 銀蛇溪樞紐建設(shè)后水質(zhì)預(yù)測(cè)

目前沱江流域已全面實(shí)行更為嚴(yán)格水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，在污染負(fù)荷不增加的情況下，模擬計(jì)算銀蛇溪樞紐運(yùn)行期間三個(gè)典型年沱江自貢段水質(zhì)變化情況，選取李家灣斷面(沱江干流國(guó)控?cái)嗝?、黃葛浩斷面，銀蛇溪斷面3個(gè)代表斷面，對(duì)COD、NH3-N和TP濃度年際變化進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 COD預(yù)測(cè)

由圖5～圖7模擬結(jié)果可知，銀蛇溪樞紐建設(shè)前后，在豐水年、平水年和建設(shè)前枯水年時(shí)，李家灣、黃葛浩、銀蛇溪斷面COD預(yù)測(cè)濃度均低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值；在枯水年建庫(kù)后在枯水月COD預(yù)測(cè)濃度有所超標(biāo)，李家灣斷面1～4月超標(biāo)倍數(shù)分別為0.2、0.4、0.6、0.2，黃葛浩斷面1～5月超標(biāo)倍數(shù)分別為0.5、0.6、0.8、0.4、0.03，銀蛇溪斷面1～5月及12月超標(biāo)倍數(shù)分別為0.7、0.8、1.0、0.5、0.14、0.14。模擬結(jié)果表明銀蛇溪樞紐建設(shè)后在枯水年枯水月各斷面COD濃度無法達(dá)到相應(yīng)的水質(zhì)目標(biāo)。

圖5 李家灣斷面建庫(kù)前后COD濃度年際變化Fig.5 Annual variation of COD concentration in Lijiawan section before and after construction of the navigation-power junction

由表3可知，模擬銀蛇溪樞紐建設(shè)后，在枯水年條件下，李家灣斷面COD預(yù)測(cè)濃度年均值低于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，黃葛浩斷面和銀蛇溪斷面COD預(yù)測(cè)濃度年均值略有超標(biāo)，但超標(biāo)倍數(shù)不大。

圖6 黃葛浩斷面建庫(kù)前后COD濃度年際變化Fig.6 Annual variation of COD concentration in Huanggehao section before and after construction of the navigation-power junction

表3 枯水年建庫(kù)后各斷面COD預(yù)測(cè)濃度年均值Tab.3 Simulated annual average value of COD concentration in the three sections after construction of the navigation-power junction in dry year

4.2 NH3-N預(yù)測(cè)

由圖8～圖10模擬結(jié)果可知，銀蛇溪樞紐建設(shè)前后，三個(gè)典型年條件下，李家灣、黃葛浩、銀蛇溪斷面NH3-N預(yù)測(cè)濃度均低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值。

圖8 李家灣斷面建庫(kù)前后NH3-N濃度年際變化Fig.8 Annual variation of NH3-N concentration in Lijiawan section before and after construction of the navigation-power junction

圖9 黃葛浩斷面建庫(kù)前后NH3-N濃度年際變化Fig.9 Annual variation of NH3-N concentration in Huanggehao section before and after construction of the navigation-power junction

圖10 銀蛇溪斷面建庫(kù)前后NH3-N濃度年際變化Fig.10 Annual variation of NH3-N concentration in Yinshexi section before and after construction of the navigation-power junction

由圖11可知，銀蛇溪建庫(kù)后各斷面枯水年NH3-N預(yù)測(cè)濃度較建庫(kù)前增加率最高，平水年次之，豐水年最低；銀蛇溪樞紐建設(shè)后，黃葛浩樞紐與銀蛇溪樞紐之間形成梯級(jí)，天然河段成為蓄水庫(kù)區(qū)，水位抬升，流速變小，不利污染物的遷移擴(kuò)散，導(dǎo)致銀蛇溪斷面建庫(kù)后枯水年NH3-N預(yù)測(cè)濃度增加率最高為299%。

圖11 建庫(kù)后各斷面NH3-N濃度年均值增加率Fig.11 Increasing rate of annual average value of NH3-N concentration in the three sections after construction of the navigation-power junction

4.3 TP預(yù)測(cè)

由圖12～圖14模擬結(jié)果可知，銀蛇溪樞紐建設(shè)前后，在三個(gè)典型年條件下，李家灣、黃葛浩、銀蛇溪斷面TP預(yù)測(cè)濃度僅8～11月低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，其余月份TP預(yù)測(cè)濃度月均值都超標(biāo)。

圖12 李家灣斷面建庫(kù)前后TP濃度年際變化Fig.12 Annual variation of TP concentration in Lijiawan section before and after construction of the navigation-power junction

圖13 黃葛浩斷面建庫(kù)前后TP濃度年際變化Fig.13 Annual variation of TP concentration in Huanggehao section before and after construction of the navigation-power junction

圖14 銀蛇溪斷面建庫(kù)前后TP濃度年際變化Fig.14 Annual variation of TP concentration in Yinshexi section before and after construction of the navigation-power junction

由圖15可知，TP濃度年均值均超標(biāo)。樞紐建設(shè)前，沱江自貢段總磷污染較重，TP濃度超標(biāo)；樞紐建設(shè)后，形成庫(kù)區(qū)，水位抬升，流速減緩，不利于污染物遷移擴(kuò)散，各斷面TP濃度進(jìn)一步升高。

圖15 各斷面不同水文條件下TP年均值Fig.15 Annual average value of TP concentration of the three sections at different hydrological conditions

5 結(jié) 論

5.1 應(yīng)用 MIKE 11模型構(gòu)建能客觀反映沱江自貢段COD、NH3-N和TP的濃度時(shí)空分布的模型，用水文水質(zhì)的實(shí)測(cè)值對(duì)模型進(jìn)行率定。流量的Ens為0.95，COD模擬值誤差為26.5%，NH3-N模擬值誤差為28.2%，TP的模擬值誤差為18.1%。表明模型模擬精度較高，能夠合理模擬水利樞紐建設(shè)前后污染物擴(kuò)散情況。

5.2 在污染負(fù)荷不增加的情況下，預(yù)測(cè)銀蛇溪樞紐建設(shè)后李家灣、黃葛浩、銀蛇溪斷面在三個(gè)典型年條件下COD、NH3-N和TP的濃度。結(jié)果表明：枯水年條件下，李家灣斷面COD預(yù)測(cè)濃度年均值低于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，黃葛浩斷面和銀蛇溪斷面COD預(yù)測(cè)濃度年均值略有超標(biāo)，但超標(biāo)倍數(shù)不大，三斷面在建庫(kù)后枯水年枯水月COD預(yù)測(cè)濃度月均值有所超標(biāo)；三個(gè)典型年條件下，各斷面在NH3-N預(yù)測(cè)濃度月均值都能達(dá)標(biāo)，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，枯水年NH3-N預(yù)測(cè)濃度較建庫(kù)前增加率最高，平水年次之，豐水年最低；由于沱江自貢段總磷污染較重，研究河段TP濃度超標(biāo)；樞紐建設(shè)后，形成庫(kù)區(qū)，水位抬升，流速減緩，不利于污染物遷移擴(kuò)散，各斷面TP濃度進(jìn)一步升高。