閩江下游河床演變水質(zhì)影響數(shù)值模擬

戴楓勇，程永隆，洪小筠

（福建省水利水電勘測設(shè)計研究院，福建 福州 350001）

1 概況

閩江是福建省最大的河流，發(fā)源于閩、浙、贛三省交界的武夷山脈，從發(fā)源地至長門河口長541 km，流域總面積60 992 km2。上游沙溪、富屯溪和建溪三大支流在南平附近匯合后主流稱閩江干流，南平以上稱為上游，南平至水口（大壩）已形成庫區(qū)稱閩江中游，水口壩址以下稱下游，從該壩址至閩江口河長約117 km。

閩江下游主河道流經(jīng)閩清、閩侯、福州市區(qū)、長樂和連江。根據(jù)兩岸地形與河道形態(tài)，下游可大致分為4段：水口～竹岐、竹岐～南北港分流口、南北港分流口～白巖潭（南、北港）、白巖潭～長門。

閩江下游是福州市所在地，亦是海峽西岸沿海一帶重要的水源地。根據(jù)近年來閩江下游的污染源調(diào)查，排入閩江北港福州段河道的工業(yè)、生活污廢水占全市污廢水總量的75%以上，且隨著福州城市規(guī)模不斷擴大、城市的東擴南移，排入閩江南港河道的廢污水量也在增加。另一方面，由于閩江水口水庫與上游的各支流上的大中型梯級電站水庫的建庫攔砂，以及閩江下游河道河砂資源的開采，導致閩江下游河床及枯水水位不斷下切，潮流界、潮區(qū)界逐年向上游延伸。受潮流影響，河口段水體的交換時間變長，水體中污染物的長時間滯留回蕩嚴重威脅到閩江下游水源地的水質(zhì)安全。

2 模型建立

2.1 控制方程

采用平面二維水動力方程組計算水動力場，守恒形式平面二維淺水方程如下式所示：

水質(zhì)模型采用守恒形式的二維對流擴散方程：

式中：Ci為第 i種物質(zhì)濃度；Dx，Dy分別為 x，y 方向濃度擴散系數(shù)；ki為第i種物質(zhì)一階降解系數(shù)；Si為第i種物質(zhì)源強。

應(yīng)用有限體積法（FVM）進行積分離散并利用通量的坐標旋轉(zhuǎn)不變性把二維問題轉(zhuǎn)化成一系列局部的一維問題進行求解，采用全變差縮小格式（TVD）計算各跨單元邊的水量、動量與通量。

2.2 計算區(qū)域網(wǎng)格布置

數(shù)學模型的計算范圍為水口壩址至閩江口的閩江下游河道及其支流大樟溪，其余各支流對閩江總水量的貢獻不大，故可在保證輸水能力和調(diào)蓄能力與實際河道基本一致的基礎(chǔ)上對主河道進行合理概化。

無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)點之一是可對任意區(qū)域進行網(wǎng)格加密，在實際計算中對岸邊進行適當網(wǎng)格加密處理。模型的計算時間步長為4 s，共生成網(wǎng)格49 126個，網(wǎng)格大小介于500 m2與20 000 m2之間。

2.3 地形資料

模型的水下高程根據(jù)2009年實測水下地形圖確定。

2.4 邊界條件

上邊界以實測水口電站逐時發(fā)電下泄流量為邊界條件：Q=Q（t）。下邊界以頭站與瑯岐大橋?qū)崪y逐時水位過程作為邊界條件：Z=Z（t）。支流邊界以大樟流永泰站實測流量為邊界條件：Q=Q（t）。

3 模型驗證

模型采用2008年12月15日6：00—18：00各水文站及測流斷面的觀測結(jié)果進行驗證。模型計算結(jié)果的水位、流量相位均與實測值基本吻合，斷面潮量偏差小于10%，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》，可見該二維水動力模型可以較好地適用于閩江下游河段的水動力模擬。

4 河床演變對水質(zhì)的影響

4.1 計算條件

在月球和太陽的共同作用下，海洋潮汐很有規(guī)律性。當太陽、月球和地球差不多在同一條直線上，月球與太陽的引潮力幾乎作用于同一個方向，兩者的合力最大，海水受到的引潮力最大，太陽潮和太陰潮相加形成大潮，此時，潮流界上溯距離最遠，污染物質(zhì)對上游水源地的影響也最大。另根據(jù)實測結(jié)果表明，閩江下游主要超標污染物為氨氮，故本文采用水口壩址～閩江口二維水動力、水質(zhì)數(shù)學模型研究2003年地形條件典型日（工況一）、2009年地形條件典型日（工況二）兩種不同地形條件下閩江下游河段的水質(zhì)（以氨氮為例）變化情況與規(guī)律。

4.1.1 地形資料

計算區(qū)的2003年、2009年地形根據(jù)2003年及2009年實測水下地形圖確定。

4.1.2 邊界條件

1）水動力模型。計算中，上邊界給定水口電站發(fā)電下泄流量308 m3/s，下邊界給定典型枯水期大潮日（2008年12月15日頭及瑯岐大橋水位隨時間的變化值，入流邊界大樟溪給定入流量20 m3/s。

2）水質(zhì)模型。參照2009年兩次水質(zhì)分析結(jié)果，上邊界水口壩址斷面及支流邊界大樟溪污染物輸入過程為氨氮濃度定為0.15 mg/L；下邊界瑯岐大橋及頭斷面污染物輸入過程為氨氮濃度定為0.3 mg/L。

閩江下游排污口概化為14個，將其氨氮濃度過程作為輸入邊界條件，主要污染源均采用2007年全潮12 h逐時實測流量、濃度資料。水質(zhì)數(shù)值模型參數(shù)引用《閩江感潮河道河床演變對水質(zhì)影響研究》研究成果。

4.2 計算結(jié)果分析

隨著南港河床下切，南北港分流比不斷加大，北港水體交換時間增長，污染物在北港內(nèi)不斷回蕩，不易向下游排放，故閩江北港水體水質(zhì)呈惡化趨勢，污染帶上溯距離不斷增大。2003年地形條件下，北港漲憩時氨氮劣Ⅲ類污染帶可上溯至馬尾水廠取水口斷面上游15.8 km；2009年地形條件下，劣Ⅲ類污染帶最遠可上移至馬尾水廠取水口斷面上游22.1 km，污染程度大大加深。兩種計算條件下，西區(qū)、北區(qū)水廠取水口水質(zhì)均受徑流稀釋作用及潮流回溯作用影響，落潮時污染物濃度減小，漲潮時濃度增大，且隨著北港地形下切，徑流分配水量的減少與潮流回溯作用的加強，該取水口氨氮濃度不斷增高，水質(zhì)變差，對水質(zhì)的影響程度加大。

由于南港污染負荷量遠小于北港水體，故在模擬計算中，除淘江排污口附近的南港水質(zhì)均可達到Ⅲ類。南港水體水質(zhì)主要受兩個作用影響：南港上游來水的稀釋作用及南北港匯合口以下污染物的漲潮回溯作用。當稀釋作用起主要作用時，水質(zhì)就會好轉(zhuǎn)，當回溯作用起主要作用時，水質(zhì)就會惡化。由于南港河底地形不斷降低，使得南港上游來水量增多，稀釋作用加強，與此同時，北港水動力減弱使得北港污染物不易排放至南北港匯合口下游，漲潮回溯南港污染物量也有所減少。故隨著地形下切，南港水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語

1）本次研究在實測河道地形圖與水動力、水質(zhì)資料基礎(chǔ)上建立起閩江下游水口壩址～閩江口二維水動力、水質(zhì)數(shù)學模型，并采用有限體積法進行數(shù)值計算。利用實測水位、流量資料對模型進行驗證，結(jié)果顯示模型物理參數(shù)和計算參數(shù)基本合理，計算方法可靠，可用于閩江下游水動力的模擬計算。

2）由數(shù)學模型計算結(jié)果可知：隨著南港河床下切，南北港分流比不斷加大，北港水體交換時間增長，污染物在北港內(nèi)不斷回蕩，不易向下游排放，閩江北港水體水質(zhì)呈惡化趨勢，并影響西區(qū)、北區(qū)水廠取水口水質(zhì)；隨著南港河底地形不斷降低，南港上游來水量增多，稀釋作用加強，與此同時，北港水動力減弱使得北港污染物不易排放至南北港匯合口下游，漲潮回溯南港污染物量也有所減少，故隨著河道地形下切，南港水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)。因此，從閩江下游水資源及水源地保護角度來看，應(yīng)采取有效的立法及行政手段遏止下游河道大規(guī)模采砂，保證福州北港飲用水源地的用水安全。

[1]福建省水利水電勘測設(shè)計研究院.閩江感潮河道河床演變對水質(zhì)影響研究[R].2007.