湯村水庫不同工況下水質(zhì)模擬

劉勇進(jìn)，李 紅

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ，河南 開封 475004；2. 開封市黃河工程質(zhì)量檢測有限公司 樁基檢測室，河南 開封 475004)

0 引 言

水庫在灌溉、發(fā)電、防洪、旅游等方面起著重要的作用，但水庫的建設(shè)在帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)因破壞了原有河流的生態(tài)平衡狀況，也帶來了巨大的環(huán)境效益[1]，水庫一般具有寬水面[2]、庫區(qū)水體置換時(shí)間長[3]、水流運(yùn)動遲緩、水體自凈能力弱[4,5]等特點(diǎn)，隨著庫區(qū)水體停留時(shí)間的增長，水體質(zhì)量會逐級惡化[6]，因此，加強(qiáng)水庫水質(zhì)管理顯得尤為重要。目前比較流行的水質(zhì)模型主要有MIKE模型[7,8]、EFDC模型[9,10]、WASP模型、Delft 3D模型等[11]，這些模型被廣大學(xué)者廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外湖、庫、河流水環(huán)境模擬中，并取得了較好的研究成果。EFDC模型因可以較好地?cái)M合研究區(qū)域邊界情況及地形情況而深受廣大學(xué)者的青睞，其最為核心的水質(zhì)、水動力版塊經(jīng)常被用于模擬水庫水溫分層、湖庫水質(zhì)模擬中，并均取得了較好的研究成果：如謝森揚(yáng)[12]等通過EFDC成功復(fù)演了九龍江口-廈門灣潮汐潮流和鹽度場的時(shí)空變化過程；張鵬[13]等采用EFDC研究并分析了閩江下游溶解氧(DO)變化過程；李林子[14]等采用EFDC較好地模擬了南京工業(yè)園突發(fā)水污染事故后污染物的水環(huán)境行為；唐天均[15]等基于EFDC模型較好地模擬了深圳水庫的水質(zhì)及水動力變化過程；黃軼康[16]等通過模型準(zhǔn)確地揭示了長江下游碼頭溢油擴(kuò)展及遷移運(yùn)動的規(guī)律特征；張鵬飛[17]等通過模型較好的預(yù)測了湯村水庫建成后水溫分層情況。為研究湯村庫區(qū)在水體靜置期及汛期水體交換期水質(zhì)情況，本文引進(jìn)EFDC模型，根據(jù)湯村庫區(qū)特點(diǎn)，建立了二維水質(zhì)模型，模擬并分析了庫區(qū)在兩種工況下化學(xué)需氧量(COD)及氨氮(NH3-N)濃度空間變化特點(diǎn)，研究結(jié)果可為湯村水庫的調(diào)度運(yùn)行及水質(zhì)管理提供理論參考。

1 湯村水庫水質(zhì)模型建立

1.1 研究區(qū)域

湯村水庫位于長江北岸支流華陽河中上游，位于東經(jīng)118°42′～118°45′、北緯30°40′～30°44′，水庫工程等別為Ⅲ等，壩址位于新田鎮(zhèn)上河村，上游距上河城約1.2 km，下游距宣城市區(qū)約32 km，庫區(qū)跨越安徽省宣城市宣州區(qū)新田鎮(zhèn)及溪口鎮(zhèn)(庫區(qū)大部分屬溪口鎮(zhèn))。水庫全長32.3 km，總庫容5 170 萬m3, 最大壩高32 m，壩頂長601 m。是一座以防洪為主，兼顧供水、農(nóng)業(yè)灌溉、水利發(fā)電、生態(tài)旅游等多功能的中型水庫，灌溉總面積5 533 hm2，每年可為宣州區(qū)提供供水水源1 800 萬m3，日均供水量4.9 萬t，壩址下游地區(qū)抗洪能力為20年一遇，水庫興利庫容3 945 萬m3，死庫容為283 萬m3，放水洞設(shè)計(jì)引水流量8.5 m3/s。水庫電站裝機(jī)容量為2×800 kW。

1.2 基本方程

EFDC( The Environmental Fluid Dynamics Code)模型是由美國環(huán)保署資助開發(fā)的三維流體動力學(xué)模型，可以模擬泥沙、底質(zhì)、水質(zhì)、水動力及有毒物質(zhì)等版塊，該模型因可以較好地?cái)M合研究區(qū)底部地形和邊界條件而被廣泛用于河流、水庫、湖泊濕地系統(tǒng)、河口和海洋水體一維、二維、三維物質(zhì)輸運(yùn)的研究中[9]。

(1)連續(xù)性方程。

(1)

式中：x為距離坐標(biāo)；t為時(shí)間坐標(biāo)；A為過水?dāng)嗝婷娣e；Q為流量；h為水位；q為旁測入流量；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；g為重力加速度。

(2)動量方程：

(2)

式中：h為水深；t為時(shí)間；u為x方向垂線平均水平流速分量；v為y方向垂線平均水平流速分量；g為重力加速度；s0x為x向的河底底坡；s0y為y向的河底底坡；sfx為x方向摩阻底坡；sfy為y方向摩阻底坡。

(3)營養(yǎng)鹽遷移轉(zhuǎn)化方程：

(3)

模型經(jīng)二階精度的有限差分格式變換后，繼而通過交錯(cuò)網(wǎng)格變量布置，采用三層有限差分在時(shí)間上進(jìn)行積分后模型即變?yōu)檎龎汉托眽簝煞N模態(tài)。采用半隱格式通過共軛梯度法求得水位場，對獲得的水位值轉(zhuǎn)化求得相應(yīng)水深下的流速分布，最終求得正壓態(tài)模解。在進(jìn)行正壓態(tài)模求解時(shí)，模型邊界條件包括入流出流條件、水位值及體積流量。在同時(shí)間步長下，斜壓模下的垂向擴(kuò)散項(xiàng)通過隱格式求得，其他邊界條件與正壓模一致。動量方程內(nèi)模主要用于求解速度及應(yīng)力的分布，通過周期性的插入一個(gè)二階精度的兩層時(shí)間格式得到三層時(shí)間格式中的時(shí)間分裂，進(jìn)而按順序交替計(jì)算該格式下每一網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)下的水位(h點(diǎn))和流量(Q點(diǎn))，采用有限體積法對得到的單元 進(jìn)行積分離散，數(shù)值通量采用FVS格式求解，通過以上變換后上述水量、水質(zhì)模型可統(tǒng)一寫為：

(4)

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

1.3 率定驗(yàn)證

基于湯村庫區(qū)實(shí)測水質(zhì)結(jié)果，對模型進(jìn)行率定驗(yàn)證，根據(jù)地形資料，湯村庫區(qū)河道底部整體呈“U”形，將其劃分為3 316個(gè)四邊形單元網(wǎng)格，共3 528個(gè)節(jié)點(diǎn)，平均網(wǎng)格尺寸為30 m×30 m，湯村水庫共設(shè)兩個(gè)開邊界，上游為水庫入流斷面，下游設(shè)泄流閘，流量邊界取Q1=8.6 m3/s，為保持月均水位不變流量，因此進(jìn)出庫流量各月相等，水位計(jì)算邊界取湯村水庫成庫數(shù)據(jù)，水質(zhì)邊界取現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據(jù)，概化出的網(wǎng)格及流量邊界見圖1。考慮計(jì)算穩(wěn)定性及精度，取時(shí)間步長Δt為1 s。結(jié)果表明：計(jì)算值及實(shí)測值平均相對誤差約9%，模擬效果較好。說明本文所建EFDC水質(zhì)模型能夠較好地反映該庫區(qū)不同水動力下污染物遷移擴(kuò)散過程。

圖1 庫區(qū)質(zhì)模型計(jì)算邊界及網(wǎng)格剖分圖

2 庫區(qū)水環(huán)境預(yù)測及分析

根據(jù)《安徽省水功能區(qū)劃》(2003)，華陽河為河流源頭保護(hù)區(qū)，執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，而湯村庫區(qū)位于華陽河上游，因此也執(zhí)行Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)調(diào)查，湯村庫區(qū)兩邊主要為山區(qū)，沿線開發(fā)程度較低，無工業(yè)廢水及生活污水排放，控制斷面現(xiàn)狀水質(zhì)類別為Ⅱ類，因此，就目前而言水庫在運(yùn)行期來水較好，不會接納外源污染負(fù)荷，庫區(qū)水質(zhì)能得到有效保障，但隨著庫區(qū)水體靜置時(shí)間的加長，水中有機(jī)物積累過多，溶解氧逐漸降低，水體中代謝產(chǎn)物越來越多，導(dǎo)致水體營養(yǎng)元素不足，水體生產(chǎn)力下降，水質(zhì)逐漸惡化，因此本文選擇兩個(gè)工況對湯村水庫水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測分析，①水體靜置期間：庫區(qū)與華陽河無水量交換或非汛期華陽河來水量較小時(shí)，庫區(qū)匯水面積范圍內(nèi)部分農(nóng)業(yè)面源污染流入水庫，隨著水體停留時(shí)間的加長，污染物濃度增大，對此時(shí)庫區(qū)水質(zhì)濃度進(jìn)行了預(yù)測；②汛期(水體交換期)：雖湯村水庫上游來水水質(zhì)較好，但庫區(qū)污染物濃度隨著停留時(shí)間的加長而有所增大，通過庫尾的引水隧洞對庫區(qū)水體進(jìn)行交換。

2.1 靜置期水質(zhì)預(yù)測

庫區(qū)水體靜置期，考慮周邊污染負(fù)荷排入水庫對水質(zhì)的影響，分析湯村水庫在不同庫容下的水質(zhì)變化過程。湯村水庫周邊面源污染物入庫量計(jì)算公式如下：

W農(nóng)=W農(nóng)pβγ

(5)

W農(nóng)p=Mα

(6)

式中：W農(nóng)為污染物入庫量；M為耕地面積；W農(nóng)P為污染物排放量；β為入庫系數(shù)(取0.25)；γ為修正系數(shù)，(取1.2～1.5)；α為排污系數(shù)。

通過上述公式，根據(jù)水庫周邊現(xiàn)狀環(huán)境，考慮不利情況下，計(jì)算得COD及NH3-N污染負(fù)荷量分別約為331.18、65.95 kg/d。根據(jù)上述計(jì)算得污染負(fù)荷值，運(yùn)用EFDC模型預(yù)測湯村庫區(qū)水體靜置期間水質(zhì)濃度，計(jì)算公式如下：

(7)

(8)

?

(9)

式中：C0為水庫初始水質(zhì)濃度，mg/L；C1為水庫蓄水后一天后水質(zhì)濃度，mg/L；V為湯村水庫庫容，萬m3；W1為蓄水第一天時(shí)當(dāng)天流入庫區(qū)的污染物總量，kg/d；K為污染物降解系數(shù)；Cn為蓄水第n天后庫區(qū)水質(zhì)濃度，mg/L；α為不均勻系數(shù)；wn為蓄水后第n天時(shí)當(dāng)天流入庫區(qū)的污染物總量，kg/d，W1～Wn分別表示當(dāng)天污染物入庫量。通過上式計(jì)算并繪制出水體靜置期，庫區(qū)水體靜置時(shí)間與水質(zhì)濃度(COD、NH3-N)的關(guān)系圖(見圖2、圖3)。

圖2 不同庫容下庫區(qū)COD濃度與水體靜置時(shí)間關(guān)系曲線

圖3 不同庫容下庫區(qū)NH3-N濃度與水體靜置時(shí)間關(guān)系曲線

通過上圖分析可知：在庫區(qū)水體靜置期，不同庫容下即使流入庫區(qū)的污染物負(fù)荷相同，庫區(qū)水質(zhì)濃度變化過程亦不同；當(dāng)庫區(qū)水體停留30 d時(shí)，當(dāng)庫容為5 600、4 400 萬m3時(shí)，COD濃度分別為14.43、15.27 mg/L，相比初始水質(zhì)(初始COD、NH3-N濃度分別為現(xiàn)狀實(shí)測的濃度)，COD濃度分別增加了2.85%、8.57%，NH3-N濃度分別為0.31、0.4 mg/L，分別增加了513.5%、673.1%，說明庫容越大，庫區(qū)水環(huán)境容量越高，對應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)增幅越小。就增幅比例而言，隨水體靜置時(shí)間的增加COD濃度的增幅遠(yuǎn)低于NH3-N濃度的增幅，但當(dāng)庫容為5 600 萬m3、庫區(qū)COD濃度在停留26 d時(shí)略有超標(biāo)，而氨氮濃度在庫區(qū)水體停留30 d時(shí)仍未超過地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。因此，在非汛期時(shí)，湯村水庫水體靜置時(shí)間應(yīng)控制在26～30 d以內(nèi)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)庫區(qū)水質(zhì)已達(dá)到或接近相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)壩址上游水量利用引水隧洞補(bǔ)水或換水，以確保庫區(qū)供水水質(zhì)。

2.2 水體交換期水質(zhì)預(yù)測

根據(jù)上文分析可知：湯村庫區(qū)水體靜置時(shí)間越長，水質(zhì)濃度越高，故為確保供水水質(zhì)安全，應(yīng)定時(shí)換水以改善水質(zhì)。水庫正常運(yùn)行期時(shí)，庫容約5 160 萬m3，正常蓄水位高146.7 m，根據(jù)實(shí)測資料得華陽河多年平均流量為3.05 m3/s，湯村水庫日入庫水量約171.5 萬m3，計(jì)算得湯村庫區(qū)的整體換水需31 d才能全部完成。為達(dá)到環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益最大化，在水庫正常調(diào)度運(yùn)行時(shí)，水庫運(yùn)行的總體原則是及時(shí)換水、水質(zhì)和位兩者間相互補(bǔ)充，根據(jù)壩址上游華陽河及庫區(qū)水質(zhì)情況確定合適的換水頻率及換水規(guī)模。下文選擇湯村水庫與華陽河換水8 d工況，設(shè)水庫本底水質(zhì)為正常庫容條件下靜置30 d時(shí)的水質(zhì)濃度，邊界來水濃度設(shè)為滿足Ⅱ類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，通過模型對庫區(qū)水體交換過程進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，繪制出換水后2 d、4 d、6 d、8 d湯村水庫庫區(qū)COD及NH3-N空間分布圖(圖4、圖5)。

圖4 水體交換期庫區(qū)COD濃度分布(單位：mg/L)

圖5 庫區(qū)水體交換期NH3-N濃度分布(單位：mg/L)

結(jié)果表明：當(dāng)外部華陽河河水質(zhì)較好，通過上游來水引入庫區(qū)后，對改善庫區(qū)水質(zhì)效果較好；隨引水時(shí)間的加長，庫區(qū)水環(huán)境容量逐步加大，水質(zhì)濃度逐步降低；同時(shí)隨著換水量加大，庫區(qū)水動力強(qiáng)度增強(qiáng)，污染物遷移擴(kuò)散能力能力隨之增強(qiáng)，可進(jìn)一步改善庫區(qū)水質(zhì)情況。總體而言，在湯村水庫運(yùn)行期，除了及時(shí)、定時(shí)做好庫區(qū)水質(zhì)監(jiān)測及華陽河水質(zhì)監(jiān)測外，通過合理的調(diào)度運(yùn)行以及相機(jī)換水可有效的保障庫區(qū)水質(zhì)。

3 結(jié) 論

本文采用EFDC模型模擬了湯村水庫水體在靜置期及交換期庫區(qū)水質(zhì)情況，結(jié)果表明：湯村庫區(qū)水體停留時(shí)間應(yīng)控制在26～30 d為宜，當(dāng)湯村庫區(qū)庫容為5 600、4 400 萬m3時(shí)，相比初始水質(zhì)，庫區(qū)COD濃度分別增加了2.85%、8.57%，NH3-N濃度分別增加了513.5%、673.1%，庫容越大，庫區(qū)水環(huán)境容量越高，對應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)濃度增幅越小；隨著引水時(shí)間的加長，庫區(qū)水環(huán)境容量逐步加大，水質(zhì)濃度會逐步降低，通過對水庫合理的調(diào)度運(yùn)行，相機(jī)換水可有效保證庫區(qū)水質(zhì)。