姜利兵 王敏 郜學(xué)軍
(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 河南鄭州 450003)
湖泊和水庫是十分重要的地表水體,具有防洪、供水、發(fā)電、生物棲息等多種功能。湖庫環(huán)境所涉及的空間尺度、污染物成分以及環(huán)境過程錯綜復(fù)雜,僅憑借現(xiàn)場監(jiān)測和實驗室分析,往往無法獲得水環(huán)境過程連續(xù)和客觀的描述,其結(jié)論也難以直接用于建立管理制度和制定改善措施。因此,通過數(shù)學(xué)模型模擬湖庫水質(zhì)空間變化情況,掌握湖庫水體特征,對于保護(hù)湖庫生態(tài)環(huán)境和湖庫管理具有重要意義。
近年來,在國內(nèi),湖庫應(yīng)用案例有云南滇池的水質(zhì)模擬[1]和深圳水庫的富營養(yǎng)化研究[2];河流應(yīng)用案例中,在重慶趙家溪[3]、河南賈魯河鄭州市段[4]的水動力水質(zhì)模擬中都取得了較好的應(yīng)用效果,王建平等[5]將EFDC 和WASP 模型進(jìn)行耦合建立了三維生態(tài)動力學(xué)模型,并成功應(yīng)用于密云水庫水質(zhì)模擬。本文以甘肅省慶陽市馬蓮河水庫為依托,用EFDC 軟件考慮最不利情況,對馬蓮河水庫枯水期COD、NH3-N、TP 因子進(jìn)行預(yù)測分析,為馬蓮河水庫工程建設(shè)及管理提供依據(jù)。
馬蓮河水庫壩址位于涇河一級支流馬蓮河入涇河口以上50 km 處馬蓮河干流上,屬國務(wù)院確定的172 項重大水利工程之一。水庫正常蓄水位999.00 m,水庫總庫容4.79 億m3。馬蓮河水庫開發(fā)任務(wù)為供水、灌溉和攔沙為主,并為改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件。水庫運行方式:①7 月1 日~8 月31 日當(dāng)入庫流量大于20 m3/s 時,馬蓮河水庫敞泄運用,當(dāng)入庫流量小于20 m3/s 時,馬蓮河水庫蓄水?dāng)r沙運用,下泄流量滿足生態(tài)流量要求,同時馬蓮河水庫向調(diào)蓄水庫充水。②9 月1 日~次年6 月30 日,馬蓮河水庫蓄水?dāng)r沙運用,下泄流量滿足生態(tài)流量要求,同時向調(diào)蓄水庫充水。
環(huán)境流體動力學(xué)模型(Environmental Fluid Dynamics Code,EFDC)是美國環(huán)保局(USEPA)推薦使用的水環(huán)境生態(tài)模型之一,最早由美國弗吉尼亞海洋研究所開發(fā),后由TetraTech集團(tuán)在USEPA的支持下繼續(xù)進(jìn)行開發(fā)工作,當(dāng)前由美國DSI(Dynamic Solu-dons International)公司維護(hù)和開發(fā)并進(jìn)行商業(yè)運營。EFDC 模型是集水動力模塊、泥沙輸運模塊、污染物運移模塊和水質(zhì)預(yù)測模塊一體,可以用于河流、湖泊、水庫、濕地和近岸海域不同時空尺度的流場、水溫、泥沙以及水質(zhì)等因子的模擬。EFDC 模型采用FORTRAN 語言編制,可通過設(shè)置初始化文件和時間序列輸入文件調(diào)整模擬維數(shù)、時空特性、環(huán)境條件和負(fù)荷等,己經(jīng)成功應(yīng)用于100 個以上的水體,涉及河流、湖泊、水庫、河口、海灣和海岸帶等,應(yīng)用領(lǐng)域包括水環(huán)境預(yù)測與評價、工程項目方案決策等。
EFDC 模型主要包括水動力、標(biāo)量輸運、水質(zhì)、泥沙模塊和毒物模塊5 部分組成,其中水動力模塊、水質(zhì)模塊、泥沙和毒素模塊為核心模塊。EFDC 模型可以模擬河流、湖庫、海洋、河口和濕地等地表水環(huán)境。EFDC 水平方向采用曲線正交坐標(biāo)系,垂直方向采用σ 坐標(biāo)變換,沿重力方向分層,求解三維紊動粘性方程。EFDC 可以模擬21種水環(huán)境因子。模型方程見公式(1)~(10)[6-8]。
連續(xù)方程:
動量方程:
水溫輸移方程:
其中σ 坐標(biāo)變換前的垂向速度ω*與變換后的垂向速度ω 間的關(guān)系為:
式中:u,v,w 為曲線正交坐標(biāo)x,y,z 方向上的水平速度分量,m/s;mx,my為坐標(biāo)變換因子;H=h+ζ 為總水深,m;h 為未擾動的z 坐標(biāo)原點以下的水深,m;ζ 為水位,m;f 為Coriolis 系數(shù);Aυ為垂直紊動粘性系數(shù);Qu,Qv為動量源匯項,無量綱;ρ 為擾動密度,kg/m3,一般為溫度和鹽度等的函數(shù);ρ0為參考密度,kg/m3;P 為由密度的變化引起的動水壓強(qiáng),Pa;b 為浮力,N;QH為體積,m3;Qss、Qsw為河床和水體之間的沉積物和水量的凈容積通量;δ(0)為水體底層通量;Ab、AH為垂直紊動擴(kuò)散系數(shù)和水平紊動擴(kuò)散系數(shù);T 為水溫,℃;ФI為太陽短波輻射量,W/m2;ST為熱通量;分別為x,y,z 方向上的湍流熱擴(kuò)散系數(shù);g 為重力加速度,m/s2;S 為鹽度。
水質(zhì)模塊控制方程:
式中:C 為水質(zhì)因子濃度,mg/L;u,v,w 為x,y,z 方向速度分量,m/s;Kx,Ky,Kz為x,y,z 方向的湍流擴(kuò)散系數(shù);Sc為單位體積內(nèi)部與外部的源和匯。
結(jié)合馬蓮河庫區(qū)地形數(shù)據(jù)等選用笛卡爾網(wǎng)格類型,馬蓮河水庫正常蓄水位時,回水長度為47.5 km,取該段河道作為研究區(qū)域。對庫區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格平均寬度為50 m;網(wǎng)格間距不等,約為30 m~140 m(平均80 m)。研究區(qū)域共有8 159個網(wǎng)格。網(wǎng)格水深根據(jù)水下地形內(nèi)插所得。
根據(jù)工程運行方式,模型共設(shè)3 個上邊界,2 個下邊界,均為流量邊界。模型上邊界分別為支流太樂溝、趙家川流量,干流入庫庫尾流量,入庫流量根據(jù)來水流量得到。模型下邊界為設(shè)計泄水流量,分別為向調(diào)蓄水庫供水流量及生態(tài)環(huán)境流量。氣象資料選取臨近工程區(qū)的寧縣氣象站觀測的數(shù)據(jù)采用月平均值,見表1。
表1 邊界條件的月平均值
選取COD、TP、NH3-N 為預(yù)測水質(zhì)因子。2018 年1 月初馬蓮河水庫壩址斷面實測值為初始水質(zhì)參數(shù),COD、TP、NH3-N濃度分別為28 mg/L、0.08 mg/L 和1.3 mg/L。
馬蓮河水庫為擬建工程,主要水質(zhì)因子為COD、NH3-N、TP,各水質(zhì)因子源匯項只包括水體自凈作用下的衰減過程,其方程表達(dá)式見式(11)。
式中:Sφ為源匯項,mg/L;k(20℃)為20 ℃水溫時各水質(zhì)因子的降解系數(shù);θ 為水質(zhì)組分的溫度修正系數(shù);C 為相應(yīng)水質(zhì)組分的濃度,mg/L。
根據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》的參數(shù)范圍,參考《原型觀測法在確定九龍灘水庫污染物降解系數(shù)中的應(yīng)用》《大型水庫三維水質(zhì)模型研究》 中對水庫降解系數(shù)的研究,確定COD、NH3-N、TP 預(yù)測因子的水質(zhì)降解系數(shù)如下:KCOD化學(xué)需氧量降解速率0.008、KEb背景消光系數(shù)0.45、KRP難溶解顆粒有機(jī)磷水解速率0.003、KLP易溶解顆粒有機(jī)磷水解速率0.01、KDP溶解有機(jī)磷礦化速率0.01、KRN難溶解顆粒有機(jī)氮水解速率0.005、KLN易溶解顆粒有機(jī)氮水解速率0.075、KDN溶解有機(jī)氮礦化速率0.05。
根據(jù)上述搭建的模型,對馬蓮河水庫枯水年不同水期(5 月、8 月、12 月)的水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測,馬蓮河水庫枯水年壩前水質(zhì)預(yù)測結(jié)果詳見圖1、表2。
圖1 水庫庫區(qū)枯水年豐水期水質(zhì)預(yù)測結(jié)果
表2 庫區(qū)枯水年各水期庫區(qū)壩前水質(zhì)濃度分布
根據(jù)馬蓮河庫區(qū)枯水年水質(zhì)模擬計算結(jié)果,來水水質(zhì)為庫區(qū)水質(zhì)狀況的主要影響因素。馬蓮河水庫豐水期COD、TP和NH3-N 濃度最高,平水期次之,枯水期最低。豐水期水質(zhì)因子濃度高的原因是水庫豐水期來水流量較大,入庫污染物較多。壩前COD、TP 和NH3-N 濃度較低的原因為上游來水經(jīng)過長距離降解和衰減。綜上所述,在水庫上游來水水質(zhì)滿足水功能區(qū)要求(Ⅳ類)的前提下,馬蓮河壩前水體水質(zhì)總體良好,水質(zhì)能夠滿足水功能區(qū)要求。本文為同類大型水庫的水質(zhì)預(yù)測提供一定的借鑒,也為馬蓮河水庫工程建設(shè)和管理提供依據(jù)。