基于聯合調度的水庫水質預測研究

張 旭

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110000)

1 工程概況

湯河水庫位于太子河主要支流湯河主段上，擔負著遼陽、鞍山兩大城市居民飲用水的供應以及下游大片稻田灌溉的任務，水庫總庫容為7.23億m3，多年調節水量為2.46億m3，主要由引水建筑物、水電站、溢洪道、大壩、輸水洞組成，防洪庫容和興利庫容分別為3.70億、3.58億m3。葠窩水庫建于弓長嶺區，燈塔縣、遼陽縣交界的太子河干流，庫區面積為5334hm2，控制流域面積為6175hm2，是一座兼具防洪、灌溉、發電、養魚等功能的綜合型水利樞紐工程。工業化的快速發展和城市經濟的不斷繁榮，使得2020年遼陽市城鄉用水需求已超過現有水源供給能力。太子河流域的湯河水庫和葠窩水庫水質優良、水量充沛，在滿足生產生活、生態環境及稻田灌溉用水的情況下，將富余的優質水資源引至鞍山、遼陽和燈塔等市縣，有效改善了原水水質和人們對優質水資源的需求。將葠窩水庫的水通過連通隧洞引至湯河水庫，經輸水工程調至水廠實現水庫的聯合調度。而僅考慮水量調度屬于以往的水資源調配主要方式，隨著水安全問題的日趨突出，為更好地保護水體環境聯合調度必須考慮水質水量要求。太子河沿途城市取水水質及下游湯河水庫的水體環境，在很大程度上取決于上游葠窩水庫的水質狀況，模擬預測下游取水口及水庫水質與上游水庫不同水質狀況的作用關系，可為庫區水污染治理和水源地保護提供科學指導。

2 水庫水質預測方法

2.1 模型原理

Mike21模型可用于海洋、泥沙、海灣、河流、護坡的水流及波浪模擬，其水動力HD模塊服從靜水壓力假設，且溫度為影響低速流動水體密度的唯一變量；水體中物質的濃度及其分布可通過對流擴散模塊AD預測，耦合對流擴散模塊和水動力模塊可以模擬預測水庫的水質，其中動量方程和連續方程為Mike模型的控制方程。水流連續方程為

(1)

x，y方向的動量守恒方程，其表達式如下：

(2)

(3)

式中，u、v—水流x，y方向的流速，m/s；h—水深，m；g—重力加速度，m/s2；E—渦動黏滯系數，kg/(m·s)；ρ—流體密度，kg/m3；va—風速，m/s；ζ、n—風應力系數和曼寧糙率系數；φ、ω—維度和地球自轉角速度；ψ—風向；a—底高程，m。

設x，y方向的擴散系數為Dx和Dy，水質濃度為c，則水庫水質的預測方程如下：

(4)

將動量方程和連續方程利用二階精度的有限元體積法求解，并對單獨網格線和各方向構成的方程矩陣利用方程矩陣求解。

2.2 邊界條件

綜合考慮湯河水庫水質受上游葠窩水庫不同水質狀況及調水工程實施前后的影響，確定不同工況下Mike21模型的3種邊界條件，見表1。工況1：預測湯河水庫在未實施調水工程情況下的規劃年水質狀況；工況2、3：上游葠窩水庫的入流水質不同而邊界入流流量相同，預測湯河水庫在實施調水工程情況下的水質狀況。

表1 邊界條件

汛期降水及灌溉產生的污染物入河量較大，且上游及支流來水量較大，較其他月份的水庫水質較差，所以最不利月設定為枯水年汛期75%保證率下的最枯月。依據城市調水水量以及規劃年水庫來水量確定壩址和斷面處的下泄流量，見表2。

表2 汛期最枯月湯河水庫入庫水量 單位：104m3

綜合考慮污染源預測結果和水源地常規監測項目，水庫水質模擬選取指標TN、TP、氨氮和COD，設水庫各邊界流量變化過程與污染物入流濃度變化趨勢相同，結合用地情況、規劃年庫區人口等情況預測湯河水庫污染物入河量，葠窩水庫和湯河水庫在不同工況下的污染物初始濃度值，見表3。

表3 水庫污染物初始濃度值 單位：mg/L

根據以上邊界條件，運用Mike21模型概化河網水系，以此形成節點數為581個、網格單元數為410個的網絡。結合模擬預測穩定性及模型效率有關要求，取時間補償1h、模擬時長31d進行水庫水質預測分析。

2.3 模型參數

(1)干濕邊界

為保證模型計算穩定性，設置的模擬區域處于干濕邊界交替的水深，即為干濕水深模擬值。若某一計算單元水深小于干水深，則模型停止運算；若大于干水深，則繼續運算；若小于濕水深僅計算連續方程，動量方程不參與計算。其中，濕水深、淹沒水深和干水深選取Mike21模型的默認值，即0.1、0.05、0.005m。

(2)糙率

糙率受水庫現有構筑物、水位變化、地形起伏及水庫底部植物生長情況等因素的影響，因此水動力學模型中的糙率應結合水力學相關計算手冊和湯河水庫河床底部情況，經適當調整確定為0.03。

(3)擴散系數

在水庫水流梯度作用下水體中的污染物濃度會降低，其根本原因為對流擴散現象稀釋了污染物濃度。僅考慮水平方向的對流擴散不考慮垂向作用構造二維對流擴散方程，并且充分混合了垂向濃度值。污染物在溪流中的流速大于水庫，其擴散系數取1m2/s，該參數對流速變化不敏感。

(4)降解系數

自然因素對湯河水庫水質影響較大，且污染物濃度也在一定程度上受其自身降解、沉降、遷移、吸附等作用。污染物入庫濃度依據污染源普查情況和湯河水庫2018年實測水質資料確定，各指標降解系數進行逐月率定。湯河水庫水質監測每月5日取樣，模擬值取模型中點數值385，以保證擬合一致性。通過預測模擬，湯河水庫TP、TN、氨氮、COD降解系數為0.001～0.007、0.001～0.007、0.002～0.006、0.032～0.060/d，Mike21模型模擬和實測濃度值如圖1所示。其中，按照固定時間取樣時，農田灌溉、降水帶來的污染物對取樣結果產生的影響較大，這也是導致部分月份實測值與模擬值存在較大偏差的主要原因。

圖1 湯河水庫污染物模擬值與實測值

3 水質預測結果

3.1 污染物濃度分布

枯水年汛期最枯月水庫污染物初始濃度值為實測數據，采用Mike21模型預測分析湯河水庫不同工況下污染物濃度分布特征。

結果顯示，3種不同工況下TN、TP、氨氮的濃度分布總體一致；COD濃度在3種工況下總體處于較低水平，從下游壩址至湯河水庫庫尾其值呈增大趨勢；受調水及支流水質影響，水庫中部的TN、TP、氨氮濃度較高，而濃度較低區位于壩址及庫尾處，為揭示污染物濃度分布特征，以COD為例加以說明。

(1)在未實施調水工程的工況1下，汛期最枯月水庫調度模擬的COD初始濃度為4.5mg/L，月末庫尾濃度明顯高于壩址下泄處，從壩址至庫尾處COD濃度呈波動上升趨勢，水庫主體部分露灘主要與部分庫區床底高程較高及湯河入流流量較小有關。湯河入流污染物濃度為3個源項中最低，其數值為6.5mg/L，而COD濃度在上游入流處大于17.0mg/L；細河的入流污染物受農田灌溉、庫區周邊村莊生活等因素影響，濃度值較高，為15.0mg/L。

(2)在實施調水工程的工況2下，受上游葠窩水庫調水影響，湯河水庫水質的總體狀況劣于工況1。水質交換更新在一定程度上改善了城市取水及下游壩址處的水質，COD濃度在水庫中部總體為14.0mg/L。

(3)在上游葠窩水庫來水水質較差且實施調水工程的工況3下，COD濃度在水庫中部至庫尾處總體超過17.0mg/L，整理統計污染物濃度月末分布特征，見表4。

根據表4中工況1、工況2的相關數據，COD濃度低于14mg/L的區域占比在實施調水工程的情況下明顯增大，從50.8%顯著提升至72.5%；受葠窩水庫水質影響，氨氮濃度超過0.3mg/L的區域占比明顯增大，從8.2%快速增大至39.2%，其濃度值仍符合Ⅱ類水質要求；葠窩水庫TN、TP初始濃度較大提高了下游水庫水質受調水工程的影響程度，所以TN濃度大于1.5mg/L區域占比增大而TP濃度低于0.025mg/L區域占比減少。通過比較工況2、工況3的有關數據，下游水庫水質受上游水庫入流污染物濃度的影響較為顯著，COD濃度大于14mg/L、氨氮濃度大于0.1mg/L、TP濃度大于0.025mg/L、TN濃度大于1.5mg/L的區域占比，分別由27.5%增大至58.8%、47.4%小幅增大至48.6%、71.7%增加至85.0%、68.5%增大至73.4%。

表4 污染物濃度月末分布情況 單位：%

結合污染物濃度在3種不同工況下的分布特征，上游水庫水質在聯調工程實施后可以顯著影響下游水庫水質，工程實施中應重點考慮如何降低上游水庫的污染物濃度及其入河量。

3.2 典型斷面水質變化

選擇壩下泄水點和城市取水點兩個典型斷面，結合模型預測結果進行水質分析，不同工況下污染物最枯月月末濃度，見表5。由此可以看出，氨氮、COD濃度在各工況下均符合Ⅱ類水要求，在工況2、工況3情況下受上游葠窩水庫水質影響，TN、TP濃度無法達到Ⅱ類水要求。

表5 典型斷面污染物最枯月月末濃度 單位：mg/L

4 結論

文章綜合考慮各類不利因素設計了3種不同工況，然后對城市取水口及湯河水庫的水質狀況利用水動力-水質Mike21模型進行模擬。結果表明，從壩址至庫位COD濃度呈不斷上升趨勢，各工況下總體處于較低水平；受調水水庫及支流影響，TN、TP、氨氮濃度呈水庫兩側低、中部高的特征；調水工程的實施增大了下游湯河水庫總體水質受上游水庫水質的影響程度，較實施前水質變差。為保證調水工程取水水質以及維護生態環境、保護庫區水源地水質，需限期治理生活污染源及消減集水范圍內的農業污染程度。