臨淮崗工程不同蓄水條件下的水質(zhì)可達(dá)性分析

胡開(kāi)明,逄 勇,2,王 華,屈 健,田 威

(1.河海大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;3.江蘇省水文水資源勘測(cè)局,江蘇南京 210029)

水質(zhì)模型是預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)水環(huán)境的重要手段之一。在研究工程、工業(yè)廢水及生活污水的環(huán)境影響時(shí),往往需要二維動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行分析研究。近幾十年來(lái),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已做了大量研究工作,提出了各種方法的水質(zhì)模型,包括有限差分法、有限單元法、特征線法及有限體積法,等等[1]。筆者建立了二維非穩(wěn)態(tài)FVS格式水流水質(zhì)模型,對(duì)淮河干流中游戰(zhàn)略性大型防洪控制工程臨淮崗水庫(kù)不同蓄水條件下的水流水質(zhì)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,計(jì)算了臨淮崗不同庫(kù)容條件下庫(kù)區(qū)北部農(nóng)業(yè)用水時(shí)的庫(kù)區(qū)水質(zhì)濃度場(chǎng)分布,對(duì)水質(zhì)可達(dá)性進(jìn)行了研究。

1 研究區(qū)域

臨淮崗控制工程地處淮河中游,為黃淮海平原南緣。興建之初其主要功能定位是洪水控制(即除害),臨淮崗洪水控制工程與上游的山谷水庫(kù)、中游的行蓄洪區(qū)、淮北大堤以及茨淮新河、懷洪新河共同構(gòu)成淮河中游綜合防洪體系。工程按100年一遇壩前設(shè)計(jì)洪水位為28.41m,滯洪庫(kù)容為85.6億m3。工程建成后,可以利用河道蓄水。初步研究河道興利水位20.3 m、21.0m、22.0m 3個(gè)方案,死水位按17.0m考慮,河道蓄水興利庫(kù)容分別為0.65億m3、0.90億m3和1.42億m3,一般情況下工程在汛期蓄水量可達(dá)1.2億～2.0億m3,這部分水資源的綜合利用將對(duì)該地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到非常積極的促進(jìn)作用。由于該地區(qū)水環(huán)境問(wèn)題較為突出,工程綜合利用對(duì)水環(huán)境的影響以及水環(huán)境對(duì)綜合利用的影響都需要進(jìn)行深入全面的研究,以確保水資源綜合利用效益的完成。本文研究區(qū)域?yàn)榕R淮崗工程淹沒(méi)區(qū),上起王家壩,下至臨淮崗壩前,面積為1469km2。庫(kù)區(qū)北部有4個(gè)取水口(揚(yáng)圩、南照集、潤(rùn)河集、半崗),可進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉取水,見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域示意圖

2 二維非穩(wěn)態(tài)FVS格式水流-水質(zhì)模型

2.1 基本方程

二維淺水方程和對(duì)流-擴(kuò)散方程的守恒形式可表達(dá)為[2-3]:

式中:h為水深;u、v為x、y方向垂線平均水平流速分量;g為重力加速度;S0x、S0y分別為x、y向的河底底坡;Sfx、Sfy為x、y向的摩阻底坡;C為污染物的垂線平均濃度;Dx、Dy為x、y方向污染物擴(kuò)散系數(shù);K為污染物降解系數(shù);S為污染物源匯項(xiàng)。

2.2 數(shù)值解法

水量、水質(zhì)模型可統(tǒng)一寫為以下形式[4-5]:

式中:q為守恒物理量;f(q)、g(q)分別為 x、y方向通量;b(q)為源匯項(xiàng)。

定義矩陣F(q)=[f(q),g(q)]T,在任意形狀的單元 Ω上采用有限體積法對(duì)式(2)進(jìn)行積分離散后的表達(dá)式為:

式中:A為 Ω的面積;m為單元邊總數(shù);Lj為單元第j邊的長(zhǎng)度;f與 g具有旋轉(zhuǎn)不變性,滿足=T(Φ)q,T(Φ)和T(Φ)-1為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換集逆變換矩陣;源匯項(xiàng)b(q)=[0,gh(S0x-Sfx),gh(S0y-Sfy),▽(Di▽(hC))+S-KhC]T,▽為梯度算子;f(ˉq)為法向通量,通過(guò)求解局部一維黎曼初值問(wèn)題的外法向數(shù)值通量fLR得到。

一維黎曼初值問(wèn)題可表達(dá)為[6-7]:

FVS(通量向量分裂)格式為Steger-Warming于1979年提出并被應(yīng)用于二維淺水方程數(shù)值解的格式。其主要方法是應(yīng)用特征理論并根據(jù)特征值的符號(hào)將法向數(shù)值通量分裂成前向通量和后向通量進(jìn)行求解,具體解算過(guò)程詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。

2.3 率定驗(yàn)證

運(yùn)用2006～2007年臨淮崗水庫(kù)野外實(shí)測(cè)水質(zhì)結(jié)果,對(duì)臨淮崗水流水質(zhì)模型計(jì)算參數(shù)進(jìn)行率定驗(yàn)證,結(jié)果表明:計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值擬合效果較好,平均相對(duì)誤差在10%～20%之間,所建模型能夠較準(zhǔn)確地反映臨淮崗水流水質(zhì)濃度的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[8-10]。率定得到縱向及橫向擴(kuò)散系數(shù)分別取為60m2/s和0.6m2/s,COD、NH3-N和TP的降解系數(shù)分別取0.1d-1、0.08d-1和0.07d-1。圖2給出水質(zhì)參數(shù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果。

圖2 模型率定驗(yàn)證結(jié)果

3 臨淮崗工程水質(zhì)可達(dá)性研究

3.1 計(jì)算條件

資料來(lái)源:選用1972—2005年臨淮崗上游淮河干流潤(rùn)河集、王家壩以及淮濱,洪河班臺(tái),史河蔣家集水文站(具體位置見(jiàn)圖1)的流量、水位實(shí)測(cè)資料進(jìn)行頻率分析。

水文頻率分析:臨淮崗上游主要水文站入庫(kù)徑流頻率分析結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知:臨淮崗上游枯水期流量在90%保證率下的最小月平均流量值為40m3/s。

圖3 臨淮崗上游枯水期流量頻率分析

設(shè)計(jì)庫(kù)容選取:考慮到臨淮崗工程的可能調(diào)度情況,選取臨淮崗工程在進(jìn)行水資源利用方面的設(shè)計(jì)庫(kù)容為:1.20億m3、1.45億m3、1.97億m3,將這 3個(gè)庫(kù)容作為臨淮崗工程水資源綜合利用時(shí)的計(jì)算設(shè)計(jì)庫(kù)容條件。

3.2 水質(zhì)可達(dá)性分析

a.計(jì)算方案。本研究主要計(jì)算現(xiàn)狀污染源、不同水文及庫(kù)容條件下臨淮崗水庫(kù)的水質(zhì)濃度場(chǎng)分布。水資源綜合利用時(shí)水庫(kù)水質(zhì)濃度場(chǎng)計(jì)算方案見(jiàn)表1。

表1 水資源綜合利用情況下水質(zhì)濃度場(chǎng)計(jì)算方案

b.計(jì)算結(jié)果與討論。在計(jì)算初始條件為功能區(qū)水質(zhì)時(shí),臨淮崗水庫(kù)入庫(kù)流量為90%保證率,庫(kù)容為1.20億m3、1.45億m3、1.97億m3,以及上游水質(zhì)邊界為枯水期水質(zhì),且?guī)靺^(qū)北部進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉用水取水時(shí)(最不利條件下)的臨淮崗水質(zhì)濃度場(chǎng)分布見(jiàn)圖4～6。

計(jì)算結(jié)果表明:

a.當(dāng)上游來(lái)水邊界為功能區(qū)水質(zhì)時(shí),臨淮崗壩前COD、NH3-N和TP質(zhì)量濃度都能達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)邊界條件為枯水期水質(zhì)時(shí),臨淮崗壩前的NH3-N質(zhì)量濃度超標(biāo),超標(biāo)率為28%,COD及TP均能達(dá)標(biāo)。

圖4 COD濃度分布

圖5 NH3-N濃度分布

圖6 TP濃度分布

b.在計(jì)算初始條件為功能區(qū)水質(zhì)、計(jì)算上游邊界條件為枯水期水質(zhì)的最不利條件下,庫(kù)區(qū)北部農(nóng)業(yè)灌溉用水取水時(shí)的水質(zhì)可滿足農(nóng)業(yè)用水的Ⅴ類水質(zhì)要求。

c.根據(jù)水質(zhì)計(jì)算結(jié)果,庫(kù)區(qū)北部不取水條件下(庫(kù)容1.2億m3,計(jì)算初始條件為功能區(qū)水質(zhì),計(jì)算邊界為枯水期水質(zhì)),楊圩、南照集、潤(rùn)河集、半崗4個(gè)取水口 ρ(NH3-N)分別為 1.58mg/L、1.51mg/L、1.40 mg/L、1.32mg/L;對(duì)應(yīng)庫(kù)區(qū)北部取水條件下,4個(gè)取水口ρ(NH3-N)分別增加至1.59mg/L、1.54mg/L 、1.45mg/L 、1.37mg/L;庫(kù)區(qū)北部取水條件下取水口ρ(NH3-N)較不取水條件下平均約增加了2.42%。

4 結(jié) 論

本文建立了臨淮崗工程淹沒(méi)區(qū)二維非穩(wěn)態(tài)FVS格式水流-水質(zhì)模型,以90%保證率下的最小月平均流量作為水文設(shè)計(jì)條件,對(duì)水資源綜合利用情況下研究區(qū)域水流水質(zhì)進(jìn)行了模擬計(jì)算,從而定量分析了臨淮崗不同運(yùn)行工況下淹沒(méi)區(qū)水質(zhì)情況。對(duì)初始條件為功能區(qū)水質(zhì),臨淮崗水庫(kù)入庫(kù)流量為90%保證率,庫(kù)容為 1.20億 m3、1.45億 m3、1.97億 m3,以及不同上游水質(zhì)邊界條件下的臨淮崗水質(zhì)濃度場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明:

a.二維非穩(wěn)態(tài)FVS格式水流-水質(zhì)模型具有較高的計(jì)算精度,可用于水流水質(zhì)過(guò)程模擬計(jì)算。

b.只要上游來(lái)水滿足功能區(qū)水質(zhì)要求,臨淮崗壩前COD、NH3-N和TP質(zhì)量濃度都能達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

c.即使在最不利情況下(計(jì)算初始條件為功能區(qū)水質(zhì)、計(jì)算上游邊界條件為枯水期水質(zhì)時(shí)),庫(kù)區(qū)北部取水口水質(zhì)也可滿足農(nóng)業(yè)用水的V類水質(zhì)要求,對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉不會(huì)造成影響。

d.從庫(kù)區(qū)整體水質(zhì)濃度場(chǎng)分布態(tài)勢(shì)來(lái)看:庫(kù)區(qū)北部農(nóng)業(yè)灌溉用水取水時(shí)的水質(zhì)濃度場(chǎng)要劣于北部不取水時(shí)的水質(zhì)濃度場(chǎng),這主要是因?yàn)閹?kù)區(qū)北部農(nóng)業(yè)灌溉用水取水時(shí)流速增大,污染物容易向下游擴(kuò)散所致。

綜上所述,臨淮崗工程建設(shè)運(yùn)行后,只要上游來(lái)水滿足功能區(qū)水質(zhì)要求并科學(xué)運(yùn)用、合理調(diào)度,使該工程在中小洪水時(shí)期,不失時(shí)機(jī)地適度蓄洪蓄水,既可減少下游行蓄洪區(qū)的損失,還可帶來(lái)不可估量的灌溉、航運(yùn)、旅游、養(yǎng)殖、發(fā)電及生態(tài)等綜合效益。

[1] 趙棣華,戚晨,庾維德,等.平面二維水流-水質(zhì)有限體積法及黎曼近似解模型[J].水科學(xué)進(jìn)展,2000,11(4):368-374.

[3] 丁玲,吳建強(qiáng),逄勇.長(zhǎng)江泰州江段水環(huán)境模擬及水質(zhì)可利用性分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,33(1):24-28.

[4] ZHAO D H,SHEN H W,LAI J S,et al.Approximate riemann solvers in FVM for 2D hydraulic shock wave modeling[J].J Hydr Engrg,ASCE,1996,122(12):693-702.

[5] 丁玲,逄勇,吳建強(qiáng),等.模擬水質(zhì)突躍問(wèn)題的三種二階高性能格式[J].水利學(xué)報(bào),2004(9):50-55.

[6] 胡四一,譚維炎.無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上二維淺水流動(dòng)的數(shù)值模擬[J].水科學(xué)進(jìn)展,1995,6(1):1-9.

[7] ZHAO D H,SHEN H W,TABIOSⅢG Q,et al.Finite-volume two-dimensional unsteady-flow model for river basins[J].J Hydr Engrg,ASCE,1994,120(7):863-883.

[8] 孫衛(wèi)紅,姚國(guó)金,逄勇.基于不均勻系數(shù)的水環(huán)境容量計(jì)算方法探討[J].水資源保護(hù),2001(2):25-26.

[9] 徐貴泉,褚君達(dá),吳祖揚(yáng),等.感潮河網(wǎng)水環(huán)境容量數(shù)值計(jì)算[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2000,20(3):263-268.

[10] 逄勇,唐洪武,王國(guó)祥,等.鎮(zhèn)江水環(huán)境質(zhì)量改善與生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究及綜合示范研究報(bào)告[R].南京:河海大學(xué),2007.