基于二維水動力模型的大型水庫水源地保護區劃分

萬 帆，宋曉峰，劉 睿

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；2.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，西安 710011)

0 前 言

大型跨流域調水工程可促進缺水區域的經濟發展，緩解受水區用水矛盾。合理有效地劃分飲用水水源保護區，是保護調水工程水源地最大可能免受人類活動影響，保證水質安全的重要措施。通過劃分水庫水源保護區，有利于水庫水資源的管理和保護利用，也有利于水質監測部門加強對水質的長期監測和對污染物排放的監督，最大限度地發揮供水功能。

中國飲用水水源保護區劃分相對發達國家起步較晚，且目前多以經驗法、類比法為主。王民等通過統計分析國內119處大中型水庫公布的水源保護區劃分方案，發現國內現狀大中型水庫水源保護區劃分采用的方法不盡相同，但均未采用模型法來分析計算保護區范圍，多數采用了類比經驗法[1]。賀濤等通過對水庫型飲用水水源保護區劃分的數值模型法、類比經驗法和GIS輔助方法進行分析比較，認為類比經驗法雖然操作簡單，但在二級保護區的劃定下與現行很多水庫對入庫河流上溯的要求完全不一致，不適用于大型水庫。對于大型水庫而言，采用技術手段研究保護區劃分的新方法，構建水質模型對污染物擴散趨勢進行預測和模擬，劃分水源保護區是更加科學合理的劃分方法[2-3]。HJ 338-2018《飲用水水源保護區劃分技術規范》也推薦大型水庫優先采用水質模型進行劃分。但大型水庫往往地形、流場較為復雜，水質模型構建的科學性和適用性需要重視。

隨著對模擬精度要求的不斷提高，水動力模型己成為研究的主要方向[4]。丹麥水環境模型MIKE21適用于湖泊、河口、海灣和海岸地區的水動力及水質的二維仿真模擬[5]。MIKE21采用非結構網格，能夠處理復雜的邊界條件，該模型在國內外水環境研究領域已被廣泛應用。MIKE 21 模型與對流擴散模塊耦合，可以很好地反映污染物在水中的運動規律，對各類水質污染情景進行模擬，還可以構建水質預測模型，對工程建設或者水質改善提出科學建議[6]。國內有研究應用MIKE2l軟件模擬了湖庫流場并對湖庫水質變化規律進行預測與分析，其數值模擬的科學性已得到公認[7-9]。本文通過MIKE的水動力模型耦合對流擴散模塊來模擬黃金峽水庫成庫后，水中主要污染物COD、氨氮的傳輸過程，為科學確定飲用水源地保護范圍提供依據。

1 項目概況

陜西省引漢濟渭工程是從陜南漢江流域調水至渭河流域關中地區的大型跨流域調水工程。該工程由黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐及秦嶺輸水隧洞三個部分組成。工程近期設計水平年2025年，多年平均調水10億m3，遠期設計水平年2030年，多年平均調水15億m3。其中黃金峽水利樞紐水庫總庫容2.29 億m3，正常蓄水位450.00 m，水庫淹沒總面積25.83 km2，干流回水長度58.04 km，擋水建筑物為混凝土重力壩，最大壩高68 m。

2 研究區域概況

本次研究區域為黃金峽水利樞紐工程庫尾～壩址區間約58 km漢江江段。工程區位于秦嶺中低山區，地勢北高南低，上游段為洋縣平川區，下游段為低山峽谷區。工程區屬北亞熱帶濕潤、半濕潤氣候區，多年平均降雨量806 mm，多年平均氣溫14.5 ℃，多年平均蒸發量1 065.6 mm。黃金峽壩址控制流域面積17 070 km2，壩址以上多年平均天然年徑流量為75.41億m3。庫區有金水河、酉水河等主要支流匯入。

3 研究方法

采用二維水動力模型模擬庫區流場，并耦合二維對流擴散模型在流場模擬的基礎上模擬庫區污染物的遷移轉化。

3.1 水動力模型構建

(1) 模擬范圍

本次研究模擬范圍為黃金峽水庫庫尾～壩址間58 km天然河段，正常蓄水位450.00 m以下區域。

(2) 庫區地形構建

利用黃金峽水庫庫區橫斷面測量數據、正常蓄水位線范圍數據等，通過插值計算，得到水庫正常蓄水位范圍內的MESH地形網格文件，水深以m表示。

圖1 黃金峽水庫庫區地形文件

(3) 二維水動力數學模型原理

連續性方程：

動量守恒方程：

式中：t為時間，s；η為自由表面的水位,m；u、v分別為沿x、y方向的流速,m/s；g為重力加速度,m/s2；ρ為水的密度,kg/m3；S為輻射應力,N/m；F為水平渦粘剪切力,N/m2。

通過有限元體積方法求解上述方程。

(4) 輸入條件

黃金峽水庫庫尾及支流金水河回水末端作為模型進口。按最不利條件考慮，進口邊界條件采用最枯月2月90%保證率下流量30.4m3/s。黃金峽水庫壩址斷面作為模型出口，邊界條件采用最枯月90%保證率下的壩前設計運行水位440.00m。

(5) 模型參數

本次研究按照90%保證率下最枯月的水文條件計算。根據水文成果及測量斷面，主要水文參數及取值見表1。

表1 主要水文參數及取值

3.2 水質模型構建

(1)污染源預測

以污染源現狀調查統計結果及基礎，預測近期水平年2025年內水源區內入庫污染物負荷。根據目前掌握的水源工程影響區現狀污染負荷評價結果，選定入庫污染物代表參數為有機污染類的綜合指標為COD和氨氮。

1) 庫尾以上縣城段排污口污染源預測

因黃金峽庫尾以上5km為洋縣縣城駐地洋州鎮，需預測洋縣境內庫尾以上河段主要污染物排放量，作為預測水平年入庫斷面水質預測值計算基礎。

工業廢水及主要污染物排放量預測采用彈性系數法。生活污染源以人口增長率乘以目前生活污水量的方法進行預測。漢中市人口平均增長率取4‰。

庫尾上游約5km的洋縣縣城段集中式污染源預測總量見表2。

表2 黃金峽庫尾以上污染源預測值

2) 庫區污染源預測

黃金峽庫區無工業污染源，生活污染源以人口增長率乘以目前生活污水量的方法進行預測。規劃年庫區農業面源污染負荷仍采用現狀年統計成果。

庫區各類污染源預測總量見表3。

表3 黃金峽庫區污染源預測值

(2) 污染源概化

考慮最不利情況，本次研究在模擬污染物沿程降解時，認為庫尾以上污染物均從洋州鎮斷面排入，庫尾～壩址區間污染物均從距黃金峽水庫取水口較近的主要支流金水河口斷面(距壩址11km)排放。排污口概化如圖2所示。

圖2 黃金峽水庫污染源概化

(3) 二維對流擴散模型原理

庫區污染物衰減采用二維對流擴散方程進行模擬，基本方程如下：

式中：C為污染物濃度，mg/l；ux、uy為沿x、y方向的流速分量，m/s；Dx、Dy為x、y方向的擴散系數，m/s2；K為污染物衰減系數，d-1。

(4) 模型參數

1) 橫向混合系數

橫向混合系數是反映橫向濃度混合輸移的綜合系數，橫向混合系數Dy的確定方法采用泰勒公式：

Dy=(0.058H+0.0065B)·(gHI)0.5

(5)

式中：B為河流平均寬度，m；H為河流平均水深，m；g為重力加速度，m/s2；I為河流水力坡降，m/m。

將有關數據代入公式(5)進行計算，結果見表4所示。

表4 橫向混合系數Dy計算結果 /(m2·s-1)

2) 綜合降解系數

根據全國水環境容量測算大綱中給出的水質降解系數參考表，及相關漢江上游河段污染物降解系數的研究成果[10]，本次工作對COD、氨氮降解系數取值如下。

表5 降解系數 /d-1

4 研究結果

4.1 模型模擬結果

在二維水動力模型基礎上，采用二維對流擴散模型模擬在最枯月90%保證率計算條件下，污染物在概化的排污口進入庫區水體后的擴散和降解過程。模擬結果顯示，污水在距壩址上游11km的金水河匯入口入庫后，在排污口下游100m范圍內左岸形成1個污染物高濃度區域，隨著污染物向下游遷移擴散，污染物逐漸稀釋，并伴隨降解作用，濃度逐漸降低。

COD衰減過程：入庫后100m范圍內，COD濃度超過30mg/L。衰減約2km后COD濃度降至18mg/L，衰減至約5km處COD濃度可滿足地表水Ⅱ類水質標準限值(≤15mg/L)。

氨氮衰減過程：入庫后100m范圍內，氨氮濃度超過1.3mg/L。衰減約3.6km后氨氮濃度降至1.2mg/L，衰減至約7km處氨氮濃度可滿足地表水Ⅱ類水質標準限值(≤0.5mg/L)。

二維衰減過程數值解結果見圖3、4。

圖3 黃金峽庫區COD二維衰減計算結果(數值解)

4.2 保護區劃分結果

根據國家對地表飲用水水源地各級保護區的水質要求，以及二維水動力模型模擬結果，二級保護區長度不宜小于7km，以滿足污染物衰減至一級保護區執行的地表水Ⅱ類水質標準限值的距離要求。

圖4 黃金峽庫區氨氮二維衰減計算結果(數值解)

而一級保護區全域均應達到Ⅱ類水質標準，因此宜采用規范中推薦的經驗法。由于黃金峽水庫狹長，建議一級保護區長度不小于壩址(取水口)以上2km范圍內水域，二級保護區從一級保護區上界上溯至少7km水域。

5 結 論

水質模型是水資源保護中一項重要的技術工具。本文借助MIKE水動力模型耦合對流擴散模塊來模擬黃金峽水庫成庫后，水中主要污染物COD、氨氮的傳輸過程，為科學確定飲用水源地保護范圍提供依據。主要結論如下：

(1) 經模型計算，污染物衰減一定距離后可滿足水源地一級保護區執行的地表水環境Ⅱ類標準，衰減距離不小于7km，以此衰減距離作為二級保護區長度。

(2) 一級保護區劃分采用經驗法，二級保護區采用二維模擬結果劃分的思路，與其他研究者的觀點類似[2]，但因本項目為山區峽谷型水庫，取水口斷面寬度僅200m，因此在一級保護區劃分時，未以取水口為圓心向周圍外擴劃分，而是在取水口斷面進行上溯2km，以適宜本項目的特征和水質保護需要。

本次模擬考慮了污染物隨水流的遷移和擴散，并總體考慮了污染物在漢江水體中的降解，受基礎資料和目前研究水平限制，并未考慮污染物傳輸過程中的沉淀作用及不同水生生物類型對污染物的影響，未來的研究可進行相關探索。

此外，本次模擬過程考慮最不利情況以90%保證率下最枯月的水文條件進行計算，并將污染源進行概化，實際水庫運行期不同入庫流量條件下的污染物擴散情況有所不同，后期可嘗試延伸本次研究的應用，增加預測工況，模擬突發污染事故的影響范圍，可為污染事故提供預警依據。