九龍江北溪流域水力調度控藻水華研究*

陳 輝

(福建省水利水電勘測設計研究院，福建 福州 350001)

1 九龍江北溪概況

九龍江北溪河長272km，流域面積9640km2，地表徑流量約96.1億m3。萬安溪(1470km2)是九龍江北溪的上游河流，有萬安、白沙兩個年調節水庫，兩個水庫調節庫容之和為2.78億m3，兩個水庫在北溪流域中可以起到一定的蓄豐補枯作用。萬安、白沙水電站分別安裝3臺和2臺機組，萬安水電站3臺機組滿發流量為66m3/s，白沙水電站2臺機組滿發流量為130m3/s。九龍江北溪干流規劃十級開發，即：溪仔口、華口、小杞、西陂、綿良、華安和紅旗山、羅溪、龍頭山、天宮、利水，均屬日調節電站，梯級開發剖面圖見圖1。華口、小杞水庫為重力壩，其它水庫為閘壩。作為漳州、廈門地區主要飲用水來源地的江東庫區位于北溪下游。

圖1 九龍江北溪干流梯級開發剖面圖

2 水華暴發期間水質藻類分析

2.1 藻類

根據收集的資料，九龍江北溪干流河段2009年1～3月、2011年8月、2013年3月和2017年8月多次發生過藻類水華現象，優勢種分別為甲藻、綠藻、硅藻、隱藻。在2009年和2017年發生的水華事件中，都采取了上游萬安、白沙水庫發電放水的應急調度方式。

2009年1月20日發現九龍江北溪漳平市溪仔口至小杞及以下河道發現藻類漂浮，水體呈褐色。根據收集的藻類暴發資料以及萬安、白沙調度情況和福建省水文水資源勘測中心的數據資料，甲藻暴發前期(1月13～21日)，漳平水文站斷面的流速范圍為0.12-0.20m/s，1月21日九龍江北溪干流藻類總密度最大為2.967×107[1]，甲藻密度最大為2.79×107[1]，溪仔口斷面的葉綠素a濃度為70μg/L[2]。2月5～7日萬安、白沙水庫較大負荷發電放水，其中5日白沙水庫出庫流量66.9m3/s，6日白沙水庫出庫流量137m3/s，7日白沙出庫流量113m3/s，2月5～7日漳平水文站斷面流速分別增加至0.22m/s、0.52m/s、0.43m/s，在這期間龍江北溪藻類總密度最大為5.55×106[1]，甲藻密度最大為5.38×106[1]，溪仔口斷面葉綠素a濃度降到10μg/L以下[2]，藻類密度和葉綠素濃度均大幅度較少，藻類生長受到明顯抑制，說明流速是影響甲藻生長的重要環境因子。流速小于0.2m/s時，擬多甲藻可大量繁殖，而流速大于0.2m/s時，明顯抑制甲藻的生長，這與邊歸國[3-4]的研究結論一致。

2.2 水質

本文向福建省水文水資源勘測中心和福建省九龍江北溪水資源調配中心收集了2009年1月和2月甲藻暴發期間，萬安、白沙水庫放水前和放水后的北溪干流水質資料，詳見圖2。1月31日代表放水前九龍江北溪干流水質情況，2月6日-10日代表放水后的水質情況。甲藻暴發前，溪仔口至利水河段，氨氮濃度大于2.2mg/L，氨氮嚴重超標；總磷、總氮濃度分別在大于0.2mg/L和4.2mg/L。放水后溪仔口至西陂斷面，氨氮、總磷、總氮濃度大幅下降，氨氮濃度小于0.3mg/L，大部分斷面總磷、總氮濃度分別小于0.1 mg/L和1.0mg/L。西陂以下河段及江東庫區氨氮、總磷、總氮濃度變化不大；放水前后高錳酸指數變化不明顯。總體來說，上游萬安、白沙水電站較大負荷發電放水后，溪仔口至西陂河段水質有明顯改善。

圖2 白沙水庫放水前和放水后的北溪干流水質

3 數模研究

研究表明，河道流速大于0.2m/s時，明顯地抑制甲藻的生長[3,4]，Mitrovic等[5]發現，0.31 m/s的流速可迅速緩解藍藻水華。因此，九龍江北溪藻類暴發水力調度以萬安水庫、白沙水電站發電泄放流量，增加下游河道流速的方式控制藻類水華，以0.3m/s作為控制水華臨界流速，本研究通過數模計算在水華暴發期間上游白沙水電站發電放水量。

3.1 模型設置

本研究采用MIKE 11一維水動力學模型模擬白沙水電站不同運行工況下的九龍江干流水動力變化特征。

MIKE 11采用河道非恒定漸變流的圣維南(Saint-Venant)方程推求河網水面曲線，圣維南基本方程組包括連續方程和動力方程：

式中,A為過水斷面面積，m2；Q為流量，m3/s；t為時間，s；s為河道長度，km；q為旁側入流量，m3/s；z為水位，m；v為流速，m/s；R為水力半徑，m；C為謝才系數；

模型上邊界采用進口斷面流量過程，下邊界采用出口斷面水位過程。九龍江MIKE11漳平段河道模型示意圖詳見圖3。

圖3 MIKE11建立河道模型示意圖

計算工況按白沙水電站運行1臺機組(發電下泄流量65m3/s)和2臺機組(發電下泄流量130m3/s)同時運行兩種工況計算，下邊界水位為小杞壩址正常蓄水位141.5m，支流入流取P=90%最枯月流量，新橋溪為7.68m3/s，拱橋溪為0.85m3/s，溪南溪為2.2m3/s。溪仔口水電站壩型為閘壩，水華暴發期間閘門打開，華口和小杞水庫壩型均為重力壩，通過發電泄放流量。

3.2 計算結果

兩種工況計算結果分別如圖4和圖5所示。白沙水電站1臺機組運行時，溪仔口至華口河段流速范圍在0.049～0.984m/s，距離溪仔口壩址0～4500m范圍內河段流速大多能達到0.3m/s，平均值0.53m/s；距離溪仔口壩址4500m以上的河段流速平均值0.12m/s。華口至小杞河段流速范圍在0.043～0.48m/s，距離華口壩址200m以內河段流速在0.3m/s以上，距離華口壩址0～4000m河段流速值大多能達到0.2m/s，平均值0.24m/s；距離華口壩址4000m以上河段流速值降低，平均值0.09m/s。

圖4 1臺機組工況河道各斷面流速

圖5 2臺機組工況河道各斷面流速

白沙水庫2臺機組運行時，溪仔口至華口河段流速范圍在0.089～1.259m/s，距離溪仔口壩址0～6500m范圍內河段流速大多能達到0.3m/s，平均值0.62m/s；距離溪仔口壩址6500m以上的河段流速平均值0.16m/s。華口至小杞河段流速范圍在0.077～0.757m/s，距離華口壩址0～5500m河段流速值大多能達到0.3m/s，平均值0.397m/s；距離華口壩址5500m以上河段流速值小于0.3m/s，平均值0.13m/s。

3.3 結論

白沙水電站1臺機組滿發運行時，溪仔口壩址下游4500m以內河段及華口壩址下游200m以內河段，共4.7km河道流速大多能達到0.3m/s；白沙水電站2臺機組滿發運行時，溪仔口壩址下游6500m以內河段及華口壩址下游5500m以內河段，共12km河道流速大多能達到0.3m/s，可起到緩解藻類水華的作用。

白沙水電站2臺機組滿發運行時流速大于0.3m/s河段長度比1臺機組滿發時長了7.3km，因此，為了快速緩解藻類水華影響，建議在九龍江北溪水華期間，白沙水電站2臺機組滿發運行。

4 藻類暴發梯級水電站水力應急調度

九龍江北溪萬安、白沙水庫為年調節、干流已建八座梯級電站均為日調節，八座梯級電站配合上游兩座大型水庫進行聯合調度，九龍江北溪流域藻類暴發時梯級水電站應急調度措施：

①萬安水電站三臺機組滿發，下泄流量約66m3/s；白沙水電站兩臺機組滿發，下放流量約130m3/s。

②對于北溪干流上的電站，華口、小杞水庫為重力壩，按照滿負荷發電放水。

③溪仔口、西陂、綿良、華安、天宮、利水水庫為閘壩，其中華安水庫有供水要求，應在滿足供水的前提下，打開閘門放水，其它水庫閘門全部打開放水，直至水華風險得到控制。

5 結束語

九龍江北溪是湖庫型河流，水體流速減緩、河流富營養化加劇，造成藻類水華暴發。本文分析了抑制水華暴發的臨界水文條件，以流速0.3m/s為控制，由模型計算，確定梯級水電站聯合運行調度方案，達到快速緩解水華的目的。

影響藻類生長的主要環境因子有水動力、流量、流速、水溫、光照和營養鹽濃度，但水溫、光照、營養鹽元素如總磷和總氮濃度短期內均無法或較難人為改變，因此通過梯級水庫聯合調度，改善水動力條件，增加下游河道流速，創造不利于藻類生長的水動力環境，抑制藻類生長，在應對水華突發事件方面將發揮積極作用，可以推廣應用到其它同類復雜流域應急調度中。