閘控河段水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化規(guī)律分析

郭俊濤

(撫順縣水務(wù)局，遼寧 撫順 113006)

壩是輔助人們開發(fā)管理水資源的重要工具，在生態(tài)保護、灌溉、觀賞、防洪、通航養(yǎng)殖等方面起著積極作用。閘控河段是指在河道上建立閘壩等水利工程，其最主要的是影響調(diào)控水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程[1]。閘控河段的水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程和水動力因子變化劇烈，引起水體中污染物的行為非常復(fù)雜，會增加下游區(qū)域污染防治壓力[2]。近些年，水利工程對河流生態(tài)與環(huán)境的影響研究主要是水利工程建設(shè)和建設(shè)的后評估，在水閘調(diào)度引發(fā)生態(tài)效應(yīng)方面的探討卻較少，水閘調(diào)度影響水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化過程的理論機制還不夠精確，絕大數(shù)研究者專注于水污染預(yù)防方面，而水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化過程的研究恰好是實施閘控河段防治生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵和根本[3]。因此，加強閘控河段對生態(tài)水環(huán)境變化的機理探討和閘控河段水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化規(guī)律研究評估，是科學(xué)制定水閘運行調(diào)度方案的重要根據(jù)。

1 閘控河段水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型

1.1 研究區(qū)的選擇及閘控河段的概化

大伙房水庫位于遼寧撫順渾河中上游，包括流域面積達(dá)到5437km2，其洪水流量15600m3/s，年平均流量52.3m3/s，全部庫容量可達(dá)21.81億m3，裝機容量3.2萬kW，設(shè)計灌溉面積129萬畝。大伙房是我國首個五年計劃中的設(shè)立第一個巨型水庫，現(xiàn)如今已成為沈陽、撫順兩大城市居民飲用水的重點水源地[4]。為深入分析閘壩運行時，其對生態(tài)水環(huán)境在不同水質(zhì)相態(tài)之間的轉(zhuǎn)化方式規(guī)律和閘壩在各種調(diào)度方式下的主要反應(yīng)機理，對大伙房水庫閘控河段水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化進行分析，以期最優(yōu)化地發(fā)揮閘壩在水資源開發(fā)與管理中所起的作用。

1.2 水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程

在生物、物理、化學(xué)等條件下，水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化[5]是指污染物質(zhì)融入水體后，經(jīng)過沉降、降解、遷移、吸附、解吸等過程，對應(yīng)的相態(tài)分別轉(zhuǎn)化為溶解相、懸浮相、底泥相和生物相。在相態(tài)轉(zhuǎn)化過程中，污染物質(zhì)的濃度和形態(tài)都在不斷發(fā)生變化。水質(zhì)遷移擴散作用的基本項和描述不同相態(tài)之間的轉(zhuǎn)化項是水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程最主要的組成，各相對應(yīng)的水質(zhì)的基本方程如下[6- 7]：

溶解相方程：

(1)

式中，N0=K0Ca，N0—各種化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)減少量，K0—溶解相水質(zhì)的降解系數(shù)；Nea—生物相向溶解相的轉(zhuǎn)化量，mg/(L·d)；Nae和Nab—溶解相向生物相的轉(zhuǎn)化量和在吸附條件下溶解相向底泥相的轉(zhuǎn)化量；Nay—吸附條件下溶解相向懸浮相的轉(zhuǎn)化量，mg/(L·d)；N’ba—底泥相向溶解相的轉(zhuǎn)化量，mg/(L·d)；Ca—溶解相水質(zhì)濃度，mg/L。

懸浮相方程：

(2)

式中，N1=K1Cy，N1—化學(xué)反應(yīng)造成的物質(zhì)損失量，懸浮相水質(zhì)的降解系數(shù)為K1；Nyb—沉降作用下懸浮相向底泥相的轉(zhuǎn)化量，mg/(L·d)；Nby—懸浮作用下底泥相向懸浮相的轉(zhuǎn)化量；Cy—懸浮相的水質(zhì)濃度，mg/L。

底泥相方程：

(3)

式中，N2=K2Cb，N2和K2—由于化學(xué)效應(yīng)形成的物質(zhì)減少量和底泥相水質(zhì)的降解系數(shù)；Neb—生物死亡與沉降狀況下生物相向底泥相的轉(zhuǎn)化量，mg/(L·d)；Cb—底泥相水質(zhì)濃度，g/m2，其與溶解相水質(zhì)濃度的單位mg/L有差異。

生物相方程：

(4)

式中，Ce—生物相水質(zhì)濃度，mg/L。

1.3 吸附-解吸過程描述方程

底泥對溶解相的吸附量Nab和解吸量N’ba，懸浮顆粒對溶解相的吸附量Nay，這三項在水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化基本方程中涉及到吸附-解吸作用。在閘控河段中水體內(nèi)物質(zhì)分布平均的前提下，它的吸附量與其表面溶液中水濃度和水體平均濃度之差成線性關(guān)系，其主要目的是為了表述吸附中轉(zhuǎn)化量的多少，即：

圖1 未考慮閘控河段多相轉(zhuǎn)化物質(zhì)的模擬結(jié)果

(5)

式中，N3—單位時間和體積水質(zhì)轉(zhuǎn)化量，mg/(L·s)；K—兩種不同閘控河段中水體內(nèi)物質(zhì)間的傳質(zhì)系數(shù)，1/s；C1和C0—閘控河段水體中水質(zhì)平均濃度與懸浮物質(zhì)表面溶液中水質(zhì)濃度，mg/L。

2 閘控河段水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化規(guī)律分析

通過對實驗期間水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化規(guī)律分析，模擬了污染物濃度隨不同時間和流速的變化[8]，研究閘上、閘下不同斷面污染物濃度的變化情況，因此模擬時空上的水質(zhì)濃度變化，進而對水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化規(guī)律進行分析，即污染物隨水流和時間的遷移轉(zhuǎn)化過程。

2.1 未考慮閘控河段多相轉(zhuǎn)化物質(zhì)的模擬結(jié)果

對實驗期間水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化規(guī)律分析。從圖1中a和b可以看出閘控河段水體中溶解氧DO濃度變化規(guī)律。首先閘上斷面DO濃度變化方向顯示的是下降—增長—下降；再者對于閘下斷面溶解氧濃度變化，其呈現(xiàn)先減少后升高的趨勢。但是從全局來看，消耗氧量大于釋放氧氣量，則相應(yīng)的水體中溶解氧濃度下降。隨著閘門啟開程度的減小，對應(yīng)水體中溶解氧濃度升高，這種現(xiàn)象是因為各相態(tài)降解耗氧和生物呼吸作用均減少。

對實驗期間水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化規(guī)律進行分析，看出水體中氨氮和硝酸鹽氮之間有著密切相關(guān)，從圖1中c，d和e，f可知，氨氮和硝酸鹽氮濃度的變化表現(xiàn)出逆向相反的趨勢。在硝酸鹽氮和氨氮兩種因素互相影響的方式下，表現(xiàn)為硝酸鹽氮急速下降和氨氮緩慢下降。之后閘門開啟程度減小與藍(lán)藻存活率減少，則對應(yīng)的體中下泄流量也減少，但是硝酸鹽氮濃度相比較于氨氮濃度增加迅速，這種現(xiàn)象可能表明此時反硝化效應(yīng)能力明顯小于硝化效應(yīng)。

圖2 溶解相物質(zhì)模擬結(jié)果

2.2 考慮多相轉(zhuǎn)化物質(zhì)的模擬結(jié)果

2.2.1 溶解相物質(zhì)模擬結(jié)果

通過圖2中a，b所示可知，閘上、閘下溶解相COD濃度分別為全面呈減少方向和先下降后慢慢升高。閘上溶解相COD的濃度改變與流速變化存在相互影響的關(guān)系。在前期閘下COD濃度最主要是由藍(lán)藻成長的速率影響，后期藻類存活率下降的原因主要是濃度變化受藍(lán)藻存活率的影響[9]。從圖2中c，d可以看出，溶解相有機氮濃度大部分顯示降低現(xiàn)象，其中有機氮濃度變化與閘控河段水體流速變化也存在著密切的聯(lián)系。根據(jù)對閘下溶解相有機氮濃度模擬結(jié)果可以證明，礦化作用和閘門開度是影響溶解相有機氮濃度的主要因素。溶解相TP整體呈升高趨勢、存在濃度轉(zhuǎn)折點和濃度改變幅度比較大，0.141mg/L和0.192mg/L分別是7日9時、6日8時達(dá)到的最小值和最大值。水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化規(guī)律分析結(jié)果說明，后期TP濃度的變化與藍(lán)藻死亡的分解密切相關(guān)，藍(lán)藻生長、死亡和水動力條件是溶解相TP濃度的兩個關(guān)鍵因素。

2.2.2 懸浮相物質(zhì)模擬結(jié)果

由圖3可知，懸浮相COD和ON濃度改變現(xiàn)象整體相同，即：前期、中期和后期分別呈現(xiàn)基本保持平穩(wěn)、急速下降和大致保持不變。通過上述水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化規(guī)律研究分析，對于懸浮相水質(zhì)濃度影響最顯著的控制因素是水體流速，懸浮相水質(zhì)濃度減小和水質(zhì)濃度增大，分別對應(yīng)的條件是水體流速低于臨界流速、流速高于臨界流速。同時，懸浮相濃度的改變與水深和溫度也有密切聯(lián)系。

圖3 懸浮相物質(zhì)模擬結(jié)果

2.2.3 閘控河段藻類模擬結(jié)果

由圖4可知，閘控河段藍(lán)藻量的變化呈現(xiàn)升—降—升—降的趨勢。根據(jù)圖4中a和b，可以看出4月5日7時至6日8時，藍(lán)藻數(shù)量在閘上斷面和閘下斷面變化不大，此時藍(lán)藻數(shù)量變化主要受生長和死亡的影響，該條件下初始斷面來水還未到達(dá)模擬斷面；4月6日8時至6日18時，藍(lán)藻數(shù)量在閘下斷面和閘上斷面都有一定升高，表明藍(lán)藻數(shù)量與水流的遷移有密切的關(guān)系。這種現(xiàn)象可以通過對比閘上和閘下的水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化規(guī)律分析，此時隨上游來水漂流而下的藍(lán)藻，僅有少量的閘控河段藍(lán)藻量存留在了閘上斷面，絕大數(shù)量的藍(lán)藻會隨水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化漂流到閘下斷面，說明藍(lán)藻數(shù)量在閘上上升不明顯而在閘下上升相對明顯。

圖4 閘控河段藻類模擬結(jié)果

2.3 結(jié)果討論

大伙房水庫閘的淺孔閘一直維持小流量下泄，是為了減少上游污水在閘前大量累積，只在特殊時期才會大流量開啟閘門放水。因此文章在設(shè)置閘控河段調(diào)度情景時，只關(guān)注淺孔閘在不同時空條件下的運行調(diào)度方式[10]。在設(shè)置調(diào)度情景時，主要考察閘門開放程度和開放方式兩個重要方面。對水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化規(guī)律結(jié)果進行分析：不管閘控河段的閘下斷面還是閘上斷面，其閘門調(diào)度方式的改變，必然會在一定程度上影響物質(zhì)在水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化的過程。至于水質(zhì)各個相態(tài)之間轉(zhuǎn)化的影響因素主要是閘門開啟個數(shù)和閘門開啟高度，閘門處于開啟狀態(tài)水體中水質(zhì)濃度會一直保持在特定的濃度范圍內(nèi)，且濃度會呈下降趨勢是伴隨著水流的增大。但是若上游來水水體中含有大量污染源，當(dāng)閘門在一段時間處于封閉狀態(tài)時就會造成在閘前累積；同時堆積在閘前的污染物在閘門再度開啟條件下會同水流一起下泄，以至于造成對下游生態(tài)水環(huán)境產(chǎn)生再次污染的危險性，因此，水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化規(guī)律分析及合理的閘門調(diào)度方式會在一定程度上改善河流的生態(tài)水環(huán)境。

3 結(jié)論

(1)閘控河段區(qū)域水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化方式比較復(fù)雜，通過對水體物質(zhì)單一轉(zhuǎn)化方式進行分析，整體設(shè)計了閘控河段各相水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化驅(qū)動模式。

(2)構(gòu)建了水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化關(guān)鍵反應(yīng)過程中的數(shù)學(xué)模型，分析了水閘調(diào)度驅(qū)動作用對水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化的影響。研究結(jié)果對減少閘壩建設(shè)帶來的生態(tài)、環(huán)境風(fēng)險具有一定參考價值。

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