伍中航，孫海龍，馮鏡潔，李 然，任 爽，袁雨亮

(四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065)

隨著河流上水工建筑物的興建，庫、閘等改變了河流的天然水文過程，河流內(nèi)水質及分布也隨之發(fā)生改變。在水工建筑物中，水閘應用十分廣泛，常用于擋水或泄水，河流上閘壩工程的修建改變了水流的連通性，使河流水動力條件發(fā)生變化，進而影響了水體中污染物的降解、沉降和輸運過程，導致河流水質發(fā)生改變。

閘壩的調(diào)度運行對河流水環(huán)境容量存在有利與不利的影響。三峽工程蓄水后，小江流域CODCr、氨氮、總磷水環(huán)境容量均有所降低[1]。三峽工程的運行使洞庭湖CODMn水環(huán)境容量在枯水期增大、豐水期降低[2]。南水北調(diào)工程的實施使?jié)h江中下游河段的水環(huán)境容量減少，降低了水體自凈能力[3]。河流梯級開發(fā)勢必會帶動周邊社會經(jīng)濟發(fā)展，可能會使污染負荷提高，入河污染物增多，降低河流的水環(huán)境容量[4]。

閘壩的建設和運行不可避免會對水體自凈能力及河流水質產(chǎn)生了影響。土耳其Kilickaya大壩建成后，庫區(qū)水質有一定程度的改善，除Na+和Cl-之外，其余大部分水質因子的年平均濃度有所下降，研究者認為可能是由于污染物在水庫的滯留時間長，污染物得到了有效沉降[5]。土耳其Kurtun大壩的運行后，下游河段亞硝酸鹽、磷酸鹽年平均濃度降低，而硝酸鹽、氨氮、總氮及COD年平均濃度有所增加[6]。韓國Geum河口大壩建造后，庫區(qū)和下游河口水質均有一定程度惡化，在豐水期，水庫的流量對河口水質有較大影響，而在枯水期，開閘次數(shù)少，流量小，對河口水質影響不大[7]。閘壩泄水時流速較大的水流易使底泥發(fā)生擾動，底泥污染物釋放造成二次污染，使水質惡化[8]，閘壩蓄水時，庫區(qū)蓄水量較大，水體納污能力強，一定程度上稀釋了污染物濃度[9]。

降解系數(shù)的大小對于污染物降解過程和水環(huán)境容量計算至關重要。有研究指出，與靜止水體相比，增大流速能增強水體污染物的自凈能力，提高污染物降解速率[10]。水閘蓄水后，河流水動力條件發(fā)生改變，對污染物降解系數(shù)的影響較大。Wright等[11]利用美國多處河流監(jiān)測資料，提出了BOD降解系數(shù)和河流水動力條件的關系式。Luo等[12]研究發(fā)現(xiàn)河流流速對污染物降解系數(shù)的影響最為顯著，流速越高，降解系數(shù)越高。華祖林等[13]考慮了流速對湖泊中CODMn降解系數(shù)的影響，通過動態(tài)實驗和靜態(tài)實驗提出了K動、K靜及增量Δk，并建立了Δk與流速水深之比的關系式。李錦秀等[14]通過收集三峽庫區(qū)段河道的歷年水文數(shù)據(jù)，分析了該河段天然河道水流運動特征，對三峽庫區(qū)段河道進行多次數(shù)值模擬，結合三峽水庫建設后的水流條件變化趨勢，將BOD5的降解系數(shù)表示為流速、水深和溫度的函數(shù)。Huang等[15]通過環(huán)境水槽試驗，模擬了典型污染水體中不同流速條件下COD和NH3-N的降解過程，建立了降解系數(shù)和流速的定量關系式。雒文生等[16]總結了國內(nèi)外學者針對水力特征影響降解系數(shù)的研究，建議采用Bosko的公式對降解系數(shù)進行修正，該公式被應用于日本隅田川、我國長江中下游和北運河水質[17]研究。還有許多學者針對我國淮河-海河水系[18]、三峽庫區(qū)重慶段[19]、瀏陽河長沙段[20]等地的河流污染物降解系數(shù)作了研究，擬合得到了降解系數(shù)與流速有關的經(jīng)驗關系。

綜合分析表明，閘壩的修建對河流水環(huán)境容量有一定影響，目前的研究多集中于天然河道水環(huán)境容量研究和大型水利工程對河流水環(huán)境容量的影響研究。許多城市或農(nóng)村河段常修建中小型水閘用于攔蓄、調(diào)洪，或為營造寬闊的濱水景觀，以改善居民生活環(huán)境，這類水閘具有數(shù)量較多、分布密集、布置連續(xù)的特點，上下游兩個水閘間距較短，連續(xù)的隔斷作用對河流的連通性影響較大，因而需要重視其對水環(huán)境的影響。為此本文選擇拉薩河城區(qū)段為典型河段，結合水閘的布置，采用數(shù)學模型方法研究水閘運行前后河流水質和水環(huán)境容量變化，探討水閘運行對水環(huán)境容量的影響。

1 研究河段概況

研究河段位于拉薩河城區(qū)段，全長約11.0 km，研究范圍見圖1。近年來該河段陸續(xù)修建了3個水閘，自上游至下游分別為4#閘、3#閘與2#閘，3個水閘分別于2016年5月、2014年10月、2016年年底完工。4#閘與3#閘之間距離為3.4 km，3#閘與2#閘之間的距離為2.9 km。3個水閘正常蓄水深度在2.2～2.5 m之間，回水長度為1.7～2.6 km。

圖1 研究河段示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study river reach

研究河段上游約90 km處建有直孔水電站，直孔水電站于2007年9月完工。按照《拉薩河流域綜合規(guī)劃環(huán)境影響報告書》[21]要求，直孔電站需保證下游唐家水文站生態(tài)基流37 m3/s，拉薩水文站生態(tài)基流39.2 m3/s。4#、3#和2#閘均無調(diào)節(jié)性能，可以認為水閘建成前后基本未改變河道流量。根據(jù)拉薩水文站資料，研究河段多年平均徑流量為288 m3/s，枯水期平均流量為74 m3/s，本文水環(huán)境容量研究中采用90%保證率下最枯月平均流量42 m3/s作為設計流量條件。

研究河段污染負荷整體較低，污染物入河量較少，污染負荷以生活污水為主。根據(jù)當?shù)厮|監(jiān)測資料，建閘前(2012-2013年)研究河段COD濃度范圍為5.3～9.5 mg/L，平均濃度為7.2 mg/L，建閘后(2017-2020年)研究河段COD濃度范圍為5.0～13.0 mg/L，平均濃度為7.6 mg/L。建閘前后研究河段年均水質未發(fā)生顯著變化(圖2)。

圖2 研究河段2012-2020年年均水質變化Fig.2 Annual average water quality change in the study reach from 2012 to 2020

計算河段長約11.0 km，按照水功能區(qū)劃要求執(zhí)行Ⅱ類水質標準。該段修建3個水閘，共有2個生活污水排污口，本文對水環(huán)境容量的研究可為現(xiàn)有排污口允許負荷量的核算提供參考依據(jù)。為了分析水閘建設對水環(huán)境容量的影響，計算工況分為無閘和有閘兩種情況。由于枯期上游來水流量較小，按照3個水閘的調(diào)度運行要求，枯水期3個水閘同時下閘蓄水。水閘運行可能會對河流自凈容量產(chǎn)生影響，故水環(huán)境容量計算時，上游入流以水質標準(C0=15.00 mg/L)輸入。

2 數(shù)學模型及其參數(shù)確定

2.1 計算模型

根據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》[22]，Q≥150 m3/s的大型河段宜采用河流二維模型計算水域水環(huán)境容量，故本文水環(huán)境容量計算采用平面二維模型，模型包括水動力方程和污染物輸運方程[23]，已有研究者針對該模型對天然河流平面二維水動力學條件的模擬開展了模型驗證[24]。模型求解借助MIKE 21軟件實現(xiàn)。

本研究中水環(huán)境容量按下式計算：

(1)

式中，Cs為水質目標濃度值，mg/L；C(x，y)為代表點的污染物濃度，通過二維水質模型計算得到，mg/L；Q為水環(huán)境容量計算控制單元末斷面流量，m3/s；B為河寬，m。

2.2 降解系數(shù)的確定

考慮到建閘后水動力學特性對降解系數(shù)的影響，本文分別對天然河道和閘前蓄水區(qū)確定降解系數(shù)。

2.2.1 天然河道降解系數(shù) 靳甜甜等[25]利用2017年5月1日-2017年5月30日實測水質率定得到該河段COD降解系數(shù)為0.12 d-1，本研究采用該成果。

2.2.2 閘前蓄水區(qū)降解系數(shù) 水閘建成后，閘前蓄水區(qū)水深增加，流速減小，降解系數(shù)隨之減小。綜合分析國內(nèi)外研究成果，參考研究者Bosko建立的降解系數(shù)與水溫、流速之間的定量關系[16]：

(2)

式中，K為降解系數(shù)，d-1；K′為未考慮流速影響的降解系數(shù)，d-1；U為河流平均流速，m/s；H為平均水深，m；α為系數(shù)，與河流平均水面坡J降有關，取值參考表1。

表1 α取值參考Tab.1 α value reference

式(2)是基于天然動水條件和靜水條件下的水流動力復氧作用差異建立的關系式，公式建立中考慮了3條不同類型的河流，流速范圍為0～1.6 m/s，水深范圍為0.35～10 m[26]。

研究河段3個水閘蓄水深度在2.2 m以內(nèi)，閘前水深較淺，流速范圍為0.03～0.13 m/s，屬于河道型蓄水區(qū)，因此可以采用式(2)考慮閘前流速、水深對降解系數(shù)的影響。

降解系數(shù)計算時通過天然河道下的降解系數(shù)、流速、水深等反算確定K′的值，再通過蓄水區(qū)的流速、水深計算出水閘蓄水后的降解系數(shù)。

天然河道河段的平均水面坡降約為0.66‰，平均流速為0.34 m/s，平均水深約為0.6 m；水閘蓄水區(qū)的平均水面坡降約為0.33‰，平均流速為0.10 m/s，平均水深約為2.0 m。計算得到蓄水區(qū)降解系數(shù)為0.04 d-1。與天然河道降解系數(shù)相比，蓄水區(qū)COD降解系數(shù)下降約67%。研究河段降解系數(shù)計算結果見表2。

表2 研究河段降解系數(shù)結果Tab.2 Correction results of degradation coefficient in water storage area

3 計算結果與分析

3.1 平面二維水質分布特征分析

從研究河段平面水質分布(圖3)可以看出，水閘修建后，對排污口處的污染帶產(chǎn)生了影響，污染帶長度、寬度增加，污染物平均濃度上升。3#閘的修建產(chǎn)生了回水區(qū)，回水長度約2.6 km，使得上游一定范圍內(nèi)的河段水深增加，水流流速減緩，降低了污染物的降解速率。4#閘的修建阻礙了上游來水向下游流動，上游來水涌入4#閘北側岔道，造成該岔道水流流速上升，與無水閘相比，該岔道平均流速從0.27 m/s上升至0.42 m/s，污水入河后，隨水流進入3#閘蓄水區(qū)，污染帶擴散范圍更廣。對比分析可以發(fā)現(xiàn)，有水閘時，較高污染物濃度的污染帶有一定程度的擴大，岔道出口平均濃度由14.87 mg/L增加至14.96 mg/L。

圖3 COD平面分布對比：(a) 無閘；(b) 有閘Fig.3 Comparison diagram of COD plane distribution: (a) without sluices; (b) with sluices

選取3#閘前斷面為典型斷面，繪制污染物濃度橫向分布圖(圖4)。從圖4可以看出，無閘時污染物濃度范圍為14.77～14.82 mg/L，有閘時污染物濃度范圍為14.80～14.93 mg/L。有閘時污染物濃度自河流右岸向左岸遞減，分析認為，3#閘上游有北側岔道，污染物從河流右岸匯入，因水閘蓄水影響，流速減緩，污染物向河道中央擴散受阻，主要聚集于河流右岸。

圖4 典型斷面(3#閘前)COD濃度橫向分布Fig.4 Transverse distribution of COD concentration in typical section:3# sluice

3.2 水質縱向沿程變化分析

以研究河段各斷面平均污染物濃度來表征整個斷面的水質狀況，針對蓄水影響區(qū)進行污染物濃度沿程變化分析。據(jù)圖5可知，水閘修建后，污染物若在庫區(qū)匯入，將在庫區(qū)滯留，會引起庫區(qū)污染物濃度迅速上升，在3個水閘的共同作用下，研究河段COD濃度在末斷面有所上升。

圖5 水質沿程變化對比示意圖Fig.5 Comparison diagram of water quality along the river

3.3 水環(huán)境容量計算與結果分析

根據(jù)水質模擬結果，利用平面二維水環(huán)境容量計算公式(式1)對研究河段進行水環(huán)境容量計算，各斷面水環(huán)境容量計算值見圖6。無水閘時，整個研究河段COD容量為594 t/a，建閘后，COD容量為521 t/a。4#閘使研究河段COD容量減少13 t/a，下降約2.2%；4#閘與3#閘共同作用使COD容量減少59 t/a，下降約9.9%；4#閘、3#閘與2#閘共同作用使COD容量減少73 t/a，下降約12.3%。故水閘建設使研究河段水環(huán)境容量有所下降，且水閘數(shù)量越多，對水環(huán)境容量影響越大。

圖6 各斷面水環(huán)境容量計算值Fig.6 Calculation values of water environmental capacity of each section

4 水閘建設對水環(huán)境容量的影響分析

根據(jù)水環(huán)境容量計算結果，開展水閘建設對水環(huán)境容量的影響分析。污染物降解隨時間的變化符合一級動力學反應，即：

Cx=C0e-Kt

(3)

式中，Cx為最終污染物濃度，mg/L；C0為污染物初始濃度，mg/L；K為降解系數(shù)，d-1；t為時間，d。如圖7所示，無水閘時，污染物在河段滯留時間為t1，河段末斷面濃度為C1；水閘修建后，污染物在河段滯留時間增加至t2，河段末斷面濃度為C2。

圖7 一級動力學反應示意圖Fig.7 Diagram of first order kinetic reaction

分析認為，水閘修建后，河流中污染物降解系數(shù)(K)和降解時間(t)產(chǎn)生了變化，進而影響了污染物的降解，在增加一定的降解時間后，降解系數(shù)的降低程度將影響污染物濃度變化。

根據(jù)模型模擬結果，無水閘時河段流速范圍為0.08～0.78 m/s，河段平均流速為0.38 m/s。有水閘時，流速范圍為0.03～0.78 m/s，河段平均流速為0.24 m/s；水閘蓄水區(qū)流速在0.03～0.13 m/s之間，蓄水區(qū)平均流速為0.10 m/s。與天然河道相比，蓄水后流速明顯降低，蓄水河段平均水深由0.6 m增加至2.0 m，導致污染物降解系數(shù)下降。根據(jù)模型軟件的水流示蹤功能，無水閘時水流自上游斷面運動至下游斷面需要約6 h，有水閘時水流自上游斷面運動至下游斷面需要約18 h，建閘后污染物在河段滯留時間增大為原來的3倍。

從圖6可以看出，與無水閘相比，4#閘蓄水后COD容量略有下降；根據(jù)水動力模擬結果，該段蓄水后庫區(qū)平均流速一定程度上減小，污染物降解速率下降，滯留時間增加，降解系數(shù)的影響大于降解時間的影響，在二者綜合作用下該段水環(huán)境容量下降。

與4#閘相比，3#閘蓄水區(qū)有污水匯入，水閘蓄水后對水質影響較為明顯。3#閘蓄水后污染物滯留時間稍有減小，對于COD，滯留時間減小后，降解系數(shù)的影響大于降解時間的影響，表現(xiàn)為COD容量較無水閘時下降，與4#閘蓄水影響相比，降幅明顯增大。

2#閘蓄水影響區(qū)無排污口，水環(huán)境容量大小受河流自凈能力與上游來水污染物濃度影響。對于COD，降解系數(shù)的影響仍大于降解時間的影響，加上污染物在3#閘蓄水區(qū)并未得到有效降解，因而與無水閘時相比污染物在2#斷面時濃度更高，COD容量下降。

計算了整個河段不同條件下的水環(huán)境容量，其對比示意見圖8。水閘修建后，污染物滯留時間變?yōu)樵瓉淼?倍左右，從圖8可以看出，不改變降解系數(shù)，只增加污染物滯留時間，COD容量增加約10.2%；蓄水后，水深增加流速降低，COD降解系數(shù)下降約67%，在一定的蓄水時間內(nèi)，研究河段COD容量降低約20.4%；最終降解系數(shù)的影響大于降解時間的影響，使COD自凈降解受阻，故相較于無水閘時末斷面COD濃度會更高，體現(xiàn)為不利于COD的降解，使研究河段COD容量降低約12.3%。

圖8 不同條件下水環(huán)境容量對比示意圖Fig.8 Comparison diagram of water environmental capacity under different conditions

綜上，水閘的調(diào)度運行影響了河道的水文情勢，改變了天然河道的連通性，形成蓄水區(qū)，水體由流動轉變?yōu)橄鄬o止狀態(tài)，表現(xiàn)為水流流速減緩，水深增加，進而使污染物降解系數(shù)減小，降低了污染物的降解效率，減小了河流的水環(huán)境容量；但庫區(qū)回水還會影響污染物的擴散，使污染物在庫區(qū)滯留，會增加污染物在庫區(qū)的降解時間，使污染物降解量增大，一定程度上會增加河流的水環(huán)境容量。降解系數(shù)和降解時間共同影響河流中污染物的降解，進而使河流水環(huán)境容量發(fā)生改變。

5 結語

以拉薩河城區(qū)段為研究區(qū)域，采用平面二維模型對該河段進行了水動力水質模擬，研究了連續(xù)水閘修建對COD水環(huán)境容量的影響，研究表明：水閘修建后對污染物降解的影響主要有兩個方面：一是水閘蓄水使蓄水區(qū)水流流速放緩，水深增加，降低污染物降解系數(shù)，進而影響污染物降解速率；二是水閘蓄水會使污染物在蓄水區(qū)滯留，導致污染物降解時間增加，提升污染物的自凈降解量。拉薩河水閘修建后，蓄水區(qū)河段平均流速由0.34 m/s下降至約0.10 m/s，COD降解系數(shù)下降67%，污染物滯留時間增加為原來的3倍左右。在兩種影響的綜合作用下，4#閘使研究河段COD容量減少13 t/a，下降約2.2%；4#閘與3#閘共同作用使COD容量減少59 t/a，下降約9.9%；4#閘、3#閘與2#閘共同作用使COD容量減少73 t/a，下降約12.3%。

連續(xù)水閘上下游之間間隔較短，對河流的隔斷作用大，研究表明連續(xù)水閘建設使研究河段水環(huán)境容量有所下降，且水閘數(shù)量越多，對水環(huán)境容量的影響程度越大。此外，水閘蓄水后回水會對污染物擴散產(chǎn)生影響，使污染帶呈不均勻分布，污染物易在排污側聚集。因此，今后河道水閘布置需考慮連續(xù)的隔斷作用對河流水環(huán)境容量的影響，科學設計上下游之間水閘的間距，適當預留一定的天然河段用于污染物的充分降解。本文研究成果可以為準確評估水閘建設對河流水環(huán)境容量的影響提供理論方法和定量依據(jù)，對于河流水閘建設和運行調(diào)度具有重要指導價值。

本文研究河段COD濃度天然背景值較低，降解系數(shù)的選取趨于保守，對于背景濃度較高的河流，建議開展針對性研究，進一步豐富本文研究成果。本文僅對COD展開了水環(huán)境容量計算，由于不同水質參數(shù)在河道的降解特性不同，建議豐富不同水質參數(shù)的水環(huán)境容量計算結果，綜合評估水閘建設對河流水環(huán)境容量的影響。