渾太流域水庫群與閘壩聯合調度方案研究

趙小龍

（遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003）

1 模型構建

利用MIKE11(AD)模型對渾太河流域水質現狀進行了模擬，模擬結果受數據、模型和技術等不確定因素的影響，其結果精度可能有一定的誤差，但能夠反映河流水質隨時間和河段的變化特征，模擬結果合理可靠，本文以遼寧渾太河水系為例，其主要污染物來自工業和居民生活污水的排放[1]，因此，建立了研究區的水質模型。

1.1 污染源概化

水質污染源的概化是一個較為復雜的問題[2]，涉及到排污口污染負荷的概化，包括污水量、污水濃度以及污染物類型等，據環保部門統計，渾河流域的工業企業大多位于撫順至沈陽的河段，工廠和企業通過管道或溝渠排放廢物[3]，沿河布設數十個排污口，小型排污口并入鄰近的大型排污口，最后形成29個點源排污口。

1.2 特征污染物確定

根據2009年～2018年水質數據監測結果顯示，渾河主要河流水質已達到重度污染水平，沈陽下游污染較為嚴重，COD平均濃度為41.60 mg/L，枯水期間為58.80 mg/L ，平均氨氮濃度為5.87 mg/L，枯水期為15.70 mg/L，地下水水質的主要污染物氨氮和化學需氧量均低于Ⅴ類水質標準。

1.3 參數率定

MIKE11的對流擴散模型參數包括擴散系數和衰減系數[4]，分別代表稀釋和自凈，實測污水排放和水質同步監測數據的完整性和可靠性良好。

1.3.1 擴散系數

擴散系數的計算公式為

式中，D－擴散系數；

a－擴散系數常數；

b－擴散系數指數；

u－流速（m/s）。

采用Fischer半經驗公式對擴散系數的值進行分析率定。

式中，u－流速（m/s）；

B－河寬（m）；

H－水深（m）；

I－坡降；

u*－摩阻流速。

從公式(2)中可以知道影響擴散系數、梯度I和河寬B的因素是常數，由于上游水量不同，流速和水深也會相應變化[5]，因此，為了實際值相接近，根據不同的區間，確定不同時期的擴散系數常數a，并設定擴散系數的極限值，擴散系數b的指標值總是等于2，常數a在上下限之間確定，河流d的經驗系數為5.0～20.0。選擇2018年水動力模型流速模擬結果進行計算，可得擴散系數如表1所示。

表1 渾河擴散系數計算表 單位：m2/s

1.3.2 衰減系數

污染物降解系數是計算水體承載能力的重要參數[6]，它與河流水文要素、泥沙和污染物含量以及河道形狀等水文條件密切相關，公式如下:

式中，

k——衰減系數（d-1或s-1）

u——河段平均流速（m/s）；

x——上下斷面的距離（km）；

c1、c2——河段上下游污染物濃度，mg/L

由于污染物衰減機理的相對復雜性，衰減系數由于受多種因素的影響[7]，變化大，隨機性大，難以獲得準確的反映實際河流水體狀況和污染物衰減的定量值，該模型只是簡單模擬了衰減系數的綜合值，在水庫中，水流幾乎是固定的，其衰減特性不同于河流，因此分別為河流和水庫設置衰減系數，結果見表2。

表2 衰減系數k率定 單位：d-1

2 調度方案水質響應

2.1 渾河

輸入大伙房水庫初始邊界條件[8]，采用水動力水質模型MIKE11驗證邊界條件，選取渾河干流上游具有代表性的撫順監測斷面、沈陽中游渾河閘監測斷面和下游邢家棚斷面，對2018年特征污染物(COD、氨氮)月濃度和現值進行比較，對聯合調度方案進行水質響應分析,結果表明，撫順市枯水季節污染物平均濃度為19.41 mg/L，比現狀降低19.72 %，3月～4月下降較為明顯，枯季平均氨氮濃度為1.42 mg/L，與現值相比，下降了7.31%，水質維持在IV類水質標準，通過以上分析，可以認為氨氮濃度超標是制約渾河上游水質的重要因素之一，這與撫順渾河大量排污口有關，因此，改善渾河上游水質的研究需要結合源頭治理措施來進行[9]。

沈陽渾河水閘站水質COD平均濃度為31.87 mg/L，比實測值低11.56%，氨氮平均濃度為5.28 mg/L，比實測值低7.11%。根據COD濃度對水質進行詳細劃分，渾河中游沈陽段為IV類水體，采用氨氮濃度對水質進行分類，渾河中游沈陽段水質低于V類水體，化學需氧量和氨氮濃度高是制約渾河上游水質的關鍵因素，增加了渾河水流的稀釋效應和閘壩沖刷動力效應[10-12]，但由于渾河向撫順排放大量污水，不能降低到目標濃度，因此，對渾河中游水質的改善同樣需要結合源頭治理措施進行。

邢家窩棚段COD和氨氮平均濃度分別為12.976 mg/L和5.32 mg/L，分別下降了16.02%和16.07%，COD水質保持在I類水質標準，氨氮濃度雖有所下降，但水質仍不及V類。

通過以上分析可以看出，氨氮濃度是限制河流水質的關鍵因素[13]，增加河流流量的稀釋不能使其降低到目標濃度，因此，有必要結合源頭治理措施，對渾河整個研究區水生態環境的改善進行研究。

2.2 太子河

輸入兩個（觀音閣、葠窩）水庫的初始邊界條件，采用動態水質模型MIKE11對兩個水庫進行驗證[14]，選取本溪、遼陽和唐馬寨斷面，對聯合調度方案進行水質響應分析。

本溪站水質COD平均濃度為8.13 mg/L，比實測值低22.11%，氨氮為0.04 mg/L，比實測值高20.54%，但保持Ⅰ類水質。

聯合調度方案實施后，遼陽段COD濃度年變化趨勢與現值基本一致，年平均濃度為8.03 mg/L，水質等級維持在Ⅰ類水質標準，枯水期平均濃度為0.67 mg/L，比現值低14.27% ，水質標準維持在III類水質標準。分析表明，遼陽控制區河流氨氮濃度超標是制約河流水質達標的重要因素，，通過增加枯水期的河道下泄流量，通過稀釋效果尤為明顯，故生態調度方案是可行的[14]。

觀音閣水庫與葠窩水庫聯合調度方案的模擬試驗，顯著改善了唐馬寨控制段的水質。該方案實施后唐馬寨監測斷面各月水質特征污染物濃度基本低于實際測量值[15]。平均COD濃度為7.81 mg/L，下降了38.21%，除了1月份，COD的濃度維持在Ⅰ類水平，枯水期氨氮平均濃度為2.55 mg/L，降低了16.42%。

3 結語

結果表明，水庫群與閘壩聯合調度方案能有效改善河流水質，通過數值模擬軟件驗證，2018年渾河、太子河研究段水質現狀得到改善，特別是在枯水期。隨著經濟社會發展和水資源管理研究的不斷深入[16]，渾太流域的河流水質和水質特征發生了變化，2018年聯合調度方案根據河流水體狀況和流域現行運行方案進行調整，以適應渾太流域水利工程的運行特點和今后改善流域水質的需要，為流域水生態環境管理提供參考。