萬 帆，宋曉峰，劉 睿

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065；2.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，西安 710011)

0 前 言

大型跨流域調(diào)水工程可促進(jìn)缺水區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，緩解受水區(qū)用水矛盾。合理有效地劃分飲用水水源保護(hù)區(qū)，是保護(hù)調(diào)水工程水源地最大可能免受人類活動影響，保證水質(zhì)安全的重要措施。通過劃分水庫水源保護(hù)區(qū)，有利于水庫水資源的管理和保護(hù)利用，也有利于水質(zhì)監(jiān)測部門加強(qiáng)對水質(zhì)的長期監(jiān)測和對污染物排放的監(jiān)督，最大限度地發(fā)揮供水功能。

中國飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分相對發(fā)達(dá)國家起步較晚，且目前多以經(jīng)驗法、類比法為主。王民等通過統(tǒng)計分析國內(nèi)119處大中型水庫公布的水源保護(hù)區(qū)劃分方案，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)現(xiàn)狀大中型水庫水源保護(hù)區(qū)劃分采用的方法不盡相同，但均未采用模型法來分析計算保護(hù)區(qū)范圍，多數(shù)采用了類比經(jīng)驗法[1]。賀濤等通過對水庫型飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分的數(shù)值模型法、類比經(jīng)驗法和GIS輔助方法進(jìn)行分析比較，認(rèn)為類比經(jīng)驗法雖然操作簡單，但在二級保護(hù)區(qū)的劃定下與現(xiàn)行很多水庫對入庫河流上溯的要求完全不一致，不適用于大型水庫。對于大型水庫而言，采用技術(shù)手段研究保護(hù)區(qū)劃分的新方法，構(gòu)建水質(zhì)模型對污染物擴(kuò)散趨勢進(jìn)行預(yù)測和模擬，劃分水源保護(hù)區(qū)是更加科學(xué)合理的劃分方法[2-3]。HJ 338-2018《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》也推薦大型水庫優(yōu)先采用水質(zhì)模型進(jìn)行劃分。但大型水庫往往地形、流場較為復(fù)雜，水質(zhì)模型構(gòu)建的科學(xué)性和適用性需要重視。

隨著對模擬精度要求的不斷提高，水動力模型己成為研究的主要方向[4]。丹麥水環(huán)境模型MIKE21適用于湖泊、河口、海灣和海岸地區(qū)的水動力及水質(zhì)的二維仿真模擬[5]。MIKE21采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，能夠處理復(fù)雜的邊界條件，該模型在國內(nèi)外水環(huán)境研究領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。MIKE 21 模型與對流擴(kuò)散模塊耦合，可以很好地反映污染物在水中的運(yùn)動規(guī)律，對各類水質(zhì)污染情景進(jìn)行模擬，還可以構(gòu)建水質(zhì)預(yù)測模型，對工程建設(shè)或者水質(zhì)改善提出科學(xué)建議[6]。國內(nèi)有研究應(yīng)用MIKE2l軟件模擬了湖庫流場并對湖庫水質(zhì)變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測與分析，其數(shù)值模擬的科學(xué)性已得到公認(rèn)[7-9]。本文通過MIKE的水動力模型耦合對流擴(kuò)散模塊來模擬黃金峽水庫成庫后，水中主要污染物COD、氨氮的傳輸過程，為科學(xué)確定飲用水源地保護(hù)范圍提供依據(jù)。

1 項目概況

陜西省引漢濟(jì)渭工程是從陜南漢江流域調(diào)水至渭河流域關(guān)中地區(qū)的大型跨流域調(diào)水工程。該工程由黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐及秦嶺輸水隧洞三個部分組成。工程近期設(shè)計水平年2025年，多年平均調(diào)水10億m3，遠(yuǎn)期設(shè)計水平年2030年，多年平均調(diào)水15億m3。其中黃金峽水利樞紐水庫總庫容2.29 億m3，正常蓄水位450.00 m，水庫淹沒總面積25.83 km2，干流回水長度58.04 km，擋水建筑物為混凝土重力壩，最大壩高68 m。

2 研究區(qū)域概況

本次研究區(qū)域為黃金峽水利樞紐工程庫尾～壩址區(qū)間約58 km漢江江段。工程區(qū)位于秦嶺中低山區(qū)，地勢北高南低，上游段為洋縣平川區(qū)，下游段為低山峽谷區(qū)。工程區(qū)屬北亞熱帶濕潤、半濕潤氣候區(qū)，多年平均降雨量806 mm，多年平均氣溫14.5 ℃，多年平均蒸發(fā)量1 065.6 mm。黃金峽壩址控制流域面積17 070 km2，壩址以上多年平均天然年徑流量為75.41億m3。庫區(qū)有金水河、酉水河等主要支流匯入。

3 研究方法

采用二維水動力模型模擬庫區(qū)流場，并耦合二維對流擴(kuò)散模型在流場模擬的基礎(chǔ)上模擬庫區(qū)污染物的遷移轉(zhuǎn)化。

3.1 水動力模型構(gòu)建

(1) 模擬范圍

本次研究模擬范圍為黃金峽水庫庫尾～壩址間58 km天然河段，正常蓄水位450.00 m以下區(qū)域。

(2) 庫區(qū)地形構(gòu)建

利用黃金峽水庫庫區(qū)橫斷面測量數(shù)據(jù)、正常蓄水位線范圍數(shù)據(jù)等，通過插值計算，得到水庫正常蓄水位范圍內(nèi)的MESH地形網(wǎng)格文件，水深以m表示。

圖1 黃金峽水庫庫區(qū)地形文件

(3) 二維水動力數(shù)學(xué)模型原理

連續(xù)性方程：

動量守恒方程：

式中：t為時間，s；η為自由表面的水位,m；u、v分別為沿x、y方向的流速,m/s；g為重力加速度,m/s2；ρ為水的密度,kg/m3；S為輻射應(yīng)力,N/m；F為水平渦粘剪切力,N/m2。

通過有限元體積方法求解上述方程。

(4) 輸入條件

黃金峽水庫庫尾及支流金水河回水末端作為模型進(jìn)口。按最不利條件考慮，進(jìn)口邊界條件采用最枯月2月90%保證率下流量30.4m3/s。黃金峽水庫壩址斷面作為模型出口，邊界條件采用最枯月90%保證率下的壩前設(shè)計運(yùn)行水位440.00m。

(5) 模型參數(shù)

本次研究按照90%保證率下最枯月的水文條件計算。根據(jù)水文成果及測量斷面，主要水文參數(shù)及取值見表1。

表1 主要水文參數(shù)及取值

3.2 水質(zhì)模型構(gòu)建

(1)污染源預(yù)測

以污染源現(xiàn)狀調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果及基礎(chǔ)，預(yù)測近期水平年2025年內(nèi)水源區(qū)內(nèi)入庫污染物負(fù)荷。根據(jù)目前掌握的水源工程影響區(qū)現(xiàn)狀污染負(fù)荷評價結(jié)果，選定入庫污染物代表參數(shù)為有機(jī)污染類的綜合指標(biāo)為COD和氨氮。

1) 庫尾以上縣城段排污口污染源預(yù)測

因黃金峽庫尾以上5km為洋縣縣城駐地洋州鎮(zhèn)，需預(yù)測洋縣境內(nèi)庫尾以上河段主要污染物排放量，作為預(yù)測水平年入庫斷面水質(zhì)預(yù)測值計算基礎(chǔ)。

工業(yè)廢水及主要污染物排放量預(yù)測采用彈性系數(shù)法。生活污染源以人口增長率乘以目前生活污水量的方法進(jìn)行預(yù)測。漢中市人口平均增長率取4‰。

庫尾上游約5km的洋縣縣城段集中式污染源預(yù)測總量見表2。

表2 黃金峽庫尾以上污染源預(yù)測值

2) 庫區(qū)污染源預(yù)測

黃金峽庫區(qū)無工業(yè)污染源，生活污染源以人口增長率乘以目前生活污水量的方法進(jìn)行預(yù)測。規(guī)劃年庫區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷仍采用現(xiàn)狀年統(tǒng)計成果。

庫區(qū)各類污染源預(yù)測總量見表3。

表3 黃金峽庫區(qū)污染源預(yù)測值

(2) 污染源概化

考慮最不利情況，本次研究在模擬污染物沿程降解時，認(rèn)為庫尾以上污染物均從洋州鎮(zhèn)斷面排入，庫尾～壩址區(qū)間污染物均從距黃金峽水庫取水口較近的主要支流金水河口斷面(距壩址11km)排放。排污口概化如圖2所示。

圖2 黃金峽水庫污染源概化

(3) 二維對流擴(kuò)散模型原理

庫區(qū)污染物衰減采用二維對流擴(kuò)散方程進(jìn)行模擬，基本方程如下：

式中：C為污染物濃度，mg/l；ux、uy為沿x、y方向的流速分量，m/s；Dx、Dy為x、y方向的擴(kuò)散系數(shù)，m/s2；K為污染物衰減系數(shù)，d-1。

(4) 模型參數(shù)

1) 橫向混合系數(shù)

橫向混合系數(shù)是反映橫向濃度混合輸移的綜合系數(shù)，橫向混合系數(shù)Dy的確定方法采用泰勒公式：

Dy=(0.058H+0.0065B)·(gHI)0.5

(5)

式中：B為河流平均寬度，m；H為河流平均水深，m；g為重力加速度，m/s2；I為河流水力坡降，m/m。

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(5)進(jìn)行計算，結(jié)果見表4所示。

表4 橫向混合系數(shù)Dy計算結(jié)果 /(m2·s-1)

2) 綜合降解系數(shù)

根據(jù)全國水環(huán)境容量測算大綱中給出的水質(zhì)降解系數(shù)參考表，及相關(guān)漢江上游河段污染物降解系數(shù)的研究成果[10]，本次工作對COD、氨氮降解系數(shù)取值如下。

表5 降解系數(shù) /d-1

4 研究結(jié)果

4.1 模型模擬結(jié)果

在二維水動力模型基礎(chǔ)上，采用二維對流擴(kuò)散模型模擬在最枯月90%保證率計算條件下，污染物在概化的排污口進(jìn)入庫區(qū)水體后的擴(kuò)散和降解過程。模擬結(jié)果顯示，污水在距壩址上游11km的金水河匯入口入庫后，在排污口下游100m范圍內(nèi)左岸形成1個污染物高濃度區(qū)域，隨著污染物向下游遷移擴(kuò)散，污染物逐漸稀釋，并伴隨降解作用，濃度逐漸降低。

COD衰減過程：入庫后100m范圍內(nèi)，COD濃度超過30mg/L。衰減約2km后COD濃度降至18mg/L，衰減至約5km處COD濃度可滿足地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值(≤15mg/L)。

氨氮衰減過程：入庫后100m范圍內(nèi)，氨氮濃度超過1.3mg/L。衰減約3.6km后氨氮濃度降至1.2mg/L，衰減至約7km處氨氮濃度可滿足地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值(≤0.5mg/L)。

二維衰減過程數(shù)值解結(jié)果見圖3、4。

圖3 黃金峽庫區(qū)COD二維衰減計算結(jié)果(數(shù)值解)

4.2 保護(hù)區(qū)劃分結(jié)果

根據(jù)國家對地表飲用水水源地各級保護(hù)區(qū)的水質(zhì)要求，以及二維水動力模型模擬結(jié)果，二級保護(hù)區(qū)長度不宜小于7km，以滿足污染物衰減至一級保護(hù)區(qū)執(zhí)行的地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值的距離要求。

圖4 黃金峽庫區(qū)氨氮二維衰減計算結(jié)果(數(shù)值解)

而一級保護(hù)區(qū)全域均應(yīng)達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此宜采用規(guī)范中推薦的經(jīng)驗法。由于黃金峽水庫狹長，建議一級保護(hù)區(qū)長度不小于壩址(取水口)以上2km范圍內(nèi)水域，二級保護(hù)區(qū)從一級保護(hù)區(qū)上界上溯至少7km水域。

5 結(jié) 論

水質(zhì)模型是水資源保護(hù)中一項重要的技術(shù)工具。本文借助MIKE水動力模型耦合對流擴(kuò)散模塊來模擬黃金峽水庫成庫后，水中主要污染物COD、氨氮的傳輸過程，為科學(xué)確定飲用水源地保護(hù)范圍提供依據(jù)。主要結(jié)論如下：

(1) 經(jīng)模型計算，污染物衰減一定距離后可滿足水源地一級保護(hù)區(qū)執(zhí)行的地表水環(huán)境Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，衰減距離不小于7km，以此衰減距離作為二級保護(hù)區(qū)長度。

(2) 一級保護(hù)區(qū)劃分采用經(jīng)驗法，二級保護(hù)區(qū)采用二維模擬結(jié)果劃分的思路，與其他研究者的觀點類似[2]，但因本項目為山區(qū)峽谷型水庫，取水口斷面寬度僅200m，因此在一級保護(hù)區(qū)劃分時，未以取水口為圓心向周圍外擴(kuò)劃分，而是在取水口斷面進(jìn)行上溯2km，以適宜本項目的特征和水質(zhì)保護(hù)需要。

本次模擬考慮了污染物隨水流的遷移和擴(kuò)散，并總體考慮了污染物在漢江水體中的降解，受基礎(chǔ)資料和目前研究水平限制，并未考慮污染物傳輸過程中的沉淀作用及不同水生生物類型對污染物的影響，未來的研究可進(jìn)行相關(guān)探索。

此外，本次模擬過程考慮最不利情況以90%保證率下最枯月的水文條件進(jìn)行計算，并將污染源進(jìn)行概化，實際水庫運(yùn)行期不同入庫流量條件下的污染物擴(kuò)散情況有所不同，后期可嘗試延伸本次研究的應(yīng)用，增加預(yù)測工況，模擬突發(fā)污染事故的影響范圍，可為污染事故提供預(yù)警依據(jù)。