梯級電站建設對水質的影響

陳黎明，李褆來

(南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210029)

我國山區河流的特點為落差大、水量充沛，適于多級電站開發。梯級電站的開發改變了河道徑流的年內分配，水流條件將發生巨大變化，水質狀況也會發生變化。國內外很多學者［1-6］對水庫水質開展了研究。如，黃國如等［7］根據官廳水庫狹長、水淺及其水文、水力、水質遷移擴散等特點與河流相似的事實，采用一維數學模型對官廳水庫的水質進行模擬;李錦秀等［8］對三峽河道型水庫水質采用整體一維數學模型進行了模擬研究。筆者開展梯級電站建設對水質影響的研究，對梯級電站建設前后的水庫水質進行數值模擬，研究水體污染物輸運情況，旨在為更好地保護水庫水質提供依據。

1 研究方法

為了研究梯級電站建設對干流水質的影響，采用一維水動力數學模型和一維水質數學模型將干流、大壩及其主要支流連接起來，進行總體模擬。

1.1 一維水動力數學模型的率定

以西部某CJ江為例。CJ江河道長759 km，共建5級電站(圖1)。目前已建有梯級二、三電站和梯級五電站，至2020年將分別建成梯級一和梯級四電站。對該梯級電站所在河段建立一維水動力數學模型和一維水質數學模型，計算范圍包括5個梯級電站，從上游A1水文站起，至下游A5水文站止，共71個計算斷面。模型驗證資料選取2002年梯級一電站和梯級四電站已經建成情況下的A2水文站和A4水文站的全年水位、流量實測資料。上游邊界給定2002年1—12月A1水文站的實測流量資料，下游邊界為A5水文站斷面處給定的自然水面比降。梯級二電站和梯級三電站作為內部邊界條件，給定電站的運行水位。

圖1 CJ江梯級電站概化

采用一維水動力數學模型對A2和A4兩個水文站2002年全年的水位和流量進行研究。模型計算時間步長為3600 s，模型中糙率n的取值為:當河道比較直且河床植被較少時，n=0.020～0.040;當河床多有石頭時，n=0.035～0.050。從驗證結果可知，無論是變化趨勢還是變化幅度，計算得到的A2水文站和A4水文站的水位和流量數據與實測結果基本一致，A2水文站的流量計算值與實測值全年平均誤差約12.2%，水位計算值與實測值誤差的平均值為0.06m;A4水文站的流量計算值與實測值全年平均誤差約24.1%，水位計算值與實測值誤差的平均值為0.06m。限于篇幅，這里只給出A4水文站水位和流量的驗證結果(圖2)。梯級二和梯級三水電站已經運行，計算其所在河段的河道水面線，結果見圖3。

圖2 2002年A4水文站流量和水位的驗證

圖3 2002年CJ江梯級二、三水電站河道水面線

1.2 一維水質數學模型的驗證

一維水質數學模型的計算范圍與一維水動力數學模型的計算范圍相同。模型選取2002年3月(枯水期)、8月或9月(豐水期)、11月(平水期)3次的水質監測資料作為驗證值。

一維水質模型驗證的主要水質參數及其值為:DO的大氣復氧系數0.15 d-1(建庫后為0.075 d-1)，BOD5的降解系數0.05 d-1，NH3-N的降解系數0.1 d-1，NO3--N之間的轉化系數0.5 d-1，TP的降解系數 0.0005 d-1［8-9］。

限于篇幅，這里只給出A4水文站水質驗證結果(圖4)。從驗證結果可以看出，計算時間內，DO的質量濃度在秋冬季節略高，春夏季略低。各監測斷面DO質量濃度的計算值與實測值在枯水期3月的平均相對誤差為6.4%，豐水期8月平均相對誤差為5.3%，平水期11月的平均相對誤差為5.9%;豐水期8月份BOD5質量濃度的計算值與實測值的平均相對誤差為8.7%;NH3-N質量濃度的計算值與實測值的誤差在平水期相對較小，在豐水期與枯水期則相對較大;NO3--N質量濃度計算值與實測值的平均相對誤差在豐水期8月與平水期11月分別為9.7%和21.4%;TP質量濃度總體趨勢基本一致。一維水質模型基本上能夠反映DO、BOD5、NH3-N、NO3--N以及TP等水質指標的變化過程。

2 研究結果

對梯級一和梯級四兩個大型水庫工程建設前后的庫區以及下游干流河道的水質變化情況進行研究分析。在典型平水年條件下，采用一維水質數學模型對預測年2020年5個梯級電站同時運行時CJ江干流的水質變化情況進行預測。

一維水質數學模型的上邊界條件DO質量濃度按2002年現狀監測結果給定，BOD5、NH3-N、TP的質量濃度在2002年水質監測結果的基礎上考慮污染負荷的增加，參考CJ江流域規劃的污染負荷增長比率，按2020年污染物排放量增加1.5倍計。

圖4 2002年A4水文站水質驗證結果

表1 2020年與建庫前各壩址處DO質量濃度的比較 mg/L

圖5 2020年建庫前后梯級一、二壩址處DO質量濃度的比較

圖6 2020年建庫前后梯級三、四壩址處DO質量濃度的比較

圖7 2020年建庫前后梯級五壩址處、A5斷面處DO質量濃度的比較

表1和圖5～7給出了2020年建庫后(5個梯級電站全部運行)各壩址處逐月DO質量濃度的預測值與建庫前(梯級二、三、五電站運行，梯級一、四兩個大型水庫未建)實測值的對比。

建庫后，隨著有機污染物自凈降解量的增大，有機污染物、NH3-N等自凈降解過程中DO的消耗量也將增大;另外水庫蓄水以后，大氣復氧能力隨水位抬高而減弱。在這兩方面因素的綜合作用下，各梯級電站水庫蓄水后壩址處的平均DO質量濃度將較建庫前略有下降，但下降幅度較小，下降幅度最大的出現在梯級三庫區，下降幅度最大值為0.69mg/L。

由于各梯級電站運行時水的流量較大，庫區換水周期較短，因此庫區DO垂向分布梯度不大，同時上游梯級電站的下泄水是壩前水體的中層或上層水，一般不會出現下泄水DO質量濃度降低的情況。一維水質數學模型預測結果表明，在2020年5個梯級電站聯合運行后，梯級水庫及河道沿程的DO質量濃度均在7.0～10.0mg/L之間，均達Ⅱ類水質標準。

這里只給出A5斷面處的BOD5、NH3-N、TP等水質指標建庫前后的比較結果。表2和圖8(a)給出了2020年建庫后A5斷面處逐月BOD5質量濃度的預測值與建庫前的比較情況。

各梯級電站上游來水中的BOD5質量濃度普遍較低，基本都在2 mg/L以下，故庫區建成后BOD5質量濃度也較低。雖然各梯級電站入庫支流的BOD5質量濃度相對較高，但水庫建成以后，水體體積增加，水環境容量增大，對于具有自凈降解能力的有機污染物質而言，由于水庫建成以后全庫平均流速比建庫前減小，污染物質在庫區滯留時間將延長，污染物質在庫區的自凈降解總量將比建庫前增大，因而，各梯級電站壩址處的平均BOD5質量濃度呈下降的趨勢。

梯級一壩址處BOD5質量濃度的年平均值由1.37mg/L降低為0.86mg/L，梯級二壩址處BOD5質量濃度的年平均值由1.14 mg/L降低為0.76 mg/L，梯級三壩址處BOD5質量濃度的年平均值由1.10mg/L降低為0.78 mg/L，梯級四壩址處BOD5質量濃度的年平均值由1.15 mg/L降低為0.69 mg/L，梯級五壩址處BOD5質量濃度的年平均值由0.80 mg/L降低為0.55 mg/L，A5斷面處BOD5質量濃度的年平均值由1.02 mg/L降低為0.77 mg/L，達到Ⅱ類水質標準，均滿足水功能區劃的要求。

表2 2020年與建庫前A5斷面處BOD5、NH3-N、TP質量濃度的比較 mg/L

圖8 2020年建庫前后A5斷面處BOD5、NH3-N、TP質量濃度比較

表2和圖8(b)給出了2020年建庫前后A5斷面處逐月NH3-N質量濃度的比較情況。

總體而言，豐水期6—10月各壩址處的NH3-N質量濃度變化不大，這主要是因為豐水期支流的NH3-N質量濃度較高，水庫下泄流量較建庫前小，干流NH3-N質量濃度受支流影響較大，因此建庫后豐水期NH3-N質量濃度變化較小;雖然枯水期1—2月支流的NH3-N質量濃度較高，但由于建庫后下泄流量增大，再加上水庫的自凈作用，因此各壩址處NH3-N質量濃度下降較大。

梯級一壩址處NH3-N質量濃度的年平均值由0.142mg/L降低為0.109mg/L，梯級二壩址處NH3-N質量濃度的年平均值由0.124 mg/L降低為0.097 mg/L，梯級三壩址處NH3-N質量濃度的年平均值由0.113mg/L降低為0.088 mg/L，梯級四壩址處NH3-N質量濃度的年平均值由0.141 mg/L降低為0.086 mg/L，梯級五壩址處NH3-N質量濃度的年平均值由0.102mg/L降低為0.068mg/L，A5斷面處NH3-N質量濃度的年平均值由0.132mg/L降低為0.099mg/L。可見，各壩址處NH3-N質量濃度均小于0.5 mg/L，達到Ⅱ類水質標準，可滿足水功能區劃的要求。

表2和圖8(c)給出了2020年建庫后A5斷面處逐月TP質量濃度的比較情況。可以看出，梯級四庫區以下河道，豐水期支流的TP質量濃度較高，6—7月水庫下泄流量較建庫前小，污染物滯留時間較長，再加之入庫污染負荷較大，各壩址及A5斷面處的TP質量濃度略高于建庫前水平。梯級四電站壩址處的TP質量濃度6月份由0.121 mg/L增加為0.141mg/L，7月份由0.176mg/L增加為0.202mg/L;梯級五電站壩址處的TP質量濃度6月份由0.118 mg/L增加為0.132 mg/L，7月份由0.174 mg/L增加為0.201mg/L;A5斷面處的TP質量濃度6月份由0.125mg/L增加為0.140 mg/L，7月份由0.175 mg/L增加為0.199 mg/L。枯水期1—2月則相反，水庫下泄流量較大，對下游水體有一定的稀釋作用，梯級電站各壩址及A5斷面處的TP質量濃度則低于建庫前水平。但是由于水庫的TP質量濃度標準要高于河流的TP質量濃度標準，而建庫后2020年各梯級電站庫區TP質量濃度基本在0.1 mg/L左右，超過水庫Ⅱ類水質標準。2020年A5斷面處TP質量濃度的年平均值預測為0.118mg/L，達到河流Ⅲ類水質標準。

3 結論

a．各梯級電站水庫蓄水后各壩址處平均DO質量濃度將較建庫前略有下降，下降最大值為0.69 mg/L;梯級水庫及河道沿程的DO質量濃度值均在7.0～10.0 mg/L之間，水體的DO質量濃度達到Ⅱ類水質標準。

b．對于具有自凈降解能力的有機污染物質BOD5以及NH3-N而言，庫區斷面其平均質量濃度呈下降趨勢，2020年各梯級壩址以及A5斷面處均可達到Ⅱ類水質標準。

c．對于TP這類難降解物質而言，建庫前后其質量濃度變化較小。豐水期TP質量濃度略高于建庫前水平;枯水期1—2月則相反，TP質量濃度低于建庫前水平。但由于建庫后TP質量濃度的水庫標準要高于河流標準，因此建庫后2020年各梯級電站庫區TP質量濃度基本在0.1 mg/L左右，超過水庫Ⅱ類水質標準。2020年A5斷面處TP質量濃度的年平均值為0.118 mg/L，達到河流Ⅲ類水質標準。

[1] ORLOB G T.Mathematical modeling of water quality:streams，lakes，and reservoirs［M］.Michigan:Wiley，1983.

[2] 凌萬沛，李亞農.東江水庫有機物(BOD5，DO)變化預測研究［J］.中國水電，1986(S1):56-61.

[3] 李懷恩.分層型水庫的溶解氧模型發展概括［J］.人民長江，1988(5):16-20.

[4] 雒文生，談戈.三峽水庫香溪河庫灣水質預測［J］.水電能源科學，2000，18(4):46-48.

[5] 申滿斌，陳永燦，劉昭偉，等.岸邊排放污染物濃度場三維渾水水質模型研究［J］.水力發電學報，2005，4(3):93-98.

[6] 郭磊，高學平，張晨，等.北大港水庫水質模擬及分析［J］.長江流域資源與環境，2007，16(1):11-16.

[7] 黃國如，芮孝芳.官廳水庫水質模型研究［J］.水科學進展，1999，10(1):20-24.

[8] 李錦秀，廖文根，黃真理.三峽水庫整體一維水質數學模擬研究［J］.水利學報，2002(12):7-17.

[9] 江春波，李凱，李蘋，等.長江三峽庫區污染混合區的有限元模擬［J］.清華大學學報:自然科學版，2004，44(6):808-811.