渾太流域水庫群與閘壩聯(lián)合調(diào)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(gòu)建

利用MIKE11(AD)模型對(duì)渾太河流域水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果受數(shù)據(jù)、模型和技術(shù)等不確定因素的影響，其結(jié)果精度可能有一定的誤差，但能夠反映河流水質(zhì)隨時(shí)間和河段的變化特征，模擬結(jié)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(yè)和居民生活污水的排放[1]，因此，建立了研究區(qū)的水質(zhì)模型。

1.1 污染源概化

水質(zhì)污染源的概化是一個(gè)較為復(fù)雜的問題[2]，涉及到排污口污染負(fù)荷的概化，包括污水量、污水濃度以及污染物類型等，據(jù)環(huán)保部門統(tǒng)計(jì)，渾河流域的工業(yè)企業(yè)大多位于撫順至沈陽的河段，工廠和企業(yè)通過管道或溝渠排放廢物[3]，沿河布設(shè)數(shù)十個(gè)排污口，小型排污口并入鄰近的大型排污口，最后形成29個(gè)點(diǎn)源排污口。

1.2 特征污染物確定

根據(jù)2009年～2018年水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示，渾河主要河流水質(zhì)已達(dá)到重度污染水平，沈陽下游污染較為嚴(yán)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(zhì)的主要污染物氨氮和化學(xué)需氧量均低于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 參數(shù)率定

MIKE11的對(duì)流擴(kuò)散模型參數(shù)包括擴(kuò)散系數(shù)和衰減系數(shù)[4]，分別代表稀釋和自凈，實(shí)測污水排放和水質(zhì)同步監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和可靠性良好。

1.3.1 擴(kuò)散系數(shù)

擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算公式為

式中，D－擴(kuò)散系數(shù)；

a－擴(kuò)散系數(shù)常數(shù)；

b－擴(kuò)散系數(shù)指數(shù)；

u－流速（m/s）。

采用Fischer半經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的值進(jìn)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(kuò)散系數(shù)、梯度I和河寬B的因素是常數(shù)，由于上游水量不同，流速和水深也會(huì)相應(yīng)變化[5]，因此，為了實(shí)際值相接近，根據(jù)不同的區(qū)間，確定不同時(shí)期的擴(kuò)散系數(shù)常數(shù)a，并設(shè)定擴(kuò)散系數(shù)的極限值，擴(kuò)散系數(shù)b的指標(biāo)值總是等于2，常數(shù)a在上下限之間確定，河流d的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為5.0～20.0。選擇2018年水動(dòng)力模型流速模擬結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，可得擴(kuò)散系數(shù)如表1所示。

表1 渾河擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算表 單位：m2/s

1.3.2 衰減系數(shù)

污染物降解系數(shù)是計(jì)算水體承載能力的重要參數(shù)[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(guān)，公式如下:

式中，

k——衰減系數(shù)（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(jī)理的相對(duì)復(fù)雜性，衰減系數(shù)由于受多種因素的影響[7]，變化大，隨機(jī)性大，難以獲得準(zhǔn)確的反映實(shí)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(shù)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(shè)置衰減系數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 衰減系數(shù)k率定 單位：d-1

2 調(diào)度方案水質(zhì)響應(yīng)

2.1 渾河

輸入大伙房水庫初始邊界條件[8]，采用水動(dòng)力水質(zhì)模型MIKE11驗(yàn)證邊界條件，選取渾河干流上游具有代表性的撫順監(jiān)測斷面、沈陽中游渾河閘監(jiān)測斷面和下游邢家棚斷面，對(duì)2018年特征污染物(COD、氨氮)月濃度和現(xiàn)值進(jìn)行比較，對(duì)聯(lián)合調(diào)度方案進(jìn)行水質(zhì)響應(yīng)分析,結(jié)果表明，撫順市枯水季節(jié)污染物平均濃度為19.41 mg/L，比現(xiàn)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(xiàn)值相比，下降了7.31%，水質(zhì)維持在IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，通過以上分析，可以認(rèn)為氨氮濃度超標(biāo)是制約渾河上游水質(zhì)的重要因素之一，這與撫順渾河大量排污口有關(guān)，因此，改善渾河上游水質(zhì)的研究需要結(jié)合源頭治理措施來進(jìn)行[9]。

沈陽渾河水閘站水質(zhì)COD平均濃度為31.87 mg/L，比實(shí)測值低11.56%，氨氮平均濃度為5.28 mg/L，比實(shí)測值低7.11%。根據(jù)COD濃度對(duì)水質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)劃分，渾河中游沈陽段為IV類水體，采用氨氮濃度對(duì)水質(zhì)進(jìn)行分類，渾河中游沈陽段水質(zhì)低于V類水體，化學(xué)需氧量和氨氮濃度高是制約渾河上游水質(zhì)的關(guān)鍵因素，增加了渾河水流的稀釋效應(yīng)和閘壩沖刷動(dòng)力效應(yīng)[10-12]，但由于渾河向撫順排放大量污水，不能降低到目標(biāo)濃度，因此，對(duì)渾河中游水質(zhì)的改善同樣需要結(jié)合源頭治理措施進(jìn)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(zhì)保持在I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，氨氮濃度雖有所下降，但水質(zhì)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(zhì)的關(guān)鍵因素[13]，增加河流流量的稀釋不能使其降低到目標(biāo)濃度，因此，有必要結(jié)合源頭治理措施，對(duì)渾河整個(gè)研究區(qū)水生態(tài)環(huán)境的改善進(jìn)行研究。

2.2 太子河

輸入兩個(gè)（觀音閣、葠窩）水庫的初始邊界條件，采用動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型MIKE11對(duì)兩個(gè)水庫進(jìn)行驗(yàn)證[14]，選取本溪、遼陽和唐馬寨斷面，對(duì)聯(lián)合調(diào)度方案進(jìn)行水質(zhì)響應(yīng)分析。

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

聯(lián)合調(diào)度方案實(shí)施后，遼陽段COD濃度年變化趨勢與現(xiàn)值基本一致，年平均濃度為8.03 mg/L，水質(zhì)等級(jí)維持在Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，枯水期平均濃度為0.67 mg/L，比現(xiàn)值低14.27% ，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)維持在III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。分析表明，遼陽控制區(qū)河流氨氮濃度超標(biāo)是制約河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)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(tài)調(diào)度方案是可行的[14]。

觀音閣水庫與葠窩水庫聯(lián)合調(diào)度方案的模擬試驗(yàn)，顯著改善了唐馬寨控制段的水質(zhì)。該方案實(shí)施后唐馬寨監(jiān)測斷面各月水質(zhì)特征污染物濃度基本低于實(shí)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(jié)語

結(jié)果表明，水庫群與閘壩聯(lián)合調(diào)度方案能有效改善河流水質(zhì)，通過數(shù)值模擬軟件驗(yàn)證，2018年渾河、太子河研究段水質(zhì)現(xiàn)狀得到改善，特別是在枯水期。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和水資源管理研究的不斷深入[16]，渾太流域的河流水質(zhì)和水質(zhì)特征發(fā)生了變化，2018年聯(lián)合調(diào)度方案根據(jù)河流水體狀況和流域現(xiàn)行運(yùn)行方案進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)渾太流域水利工程的運(yùn)行特點(diǎn)和今后改善流域水質(zhì)的需要，為流域水生態(tài)環(huán)境管理提供參考。