基于不同運(yùn)用情景的碧流河水庫(kù)水質(zhì)模擬研究

李 義

(遼寧省營(yíng)口市老邊區(qū)水利事務(wù)中心，遼寧 營(yíng)口 115000)

1 工程背景

碧流河水庫(kù)位于遼寧省境內(nèi)碧流河的干流上，水庫(kù)壩址距離下游入海口約55 km。干流全長(zhǎng)156 km，流域面積2814 km2。碧流河水庫(kù)壩址以上控制流域面積2085 km2，占全流域面積的74.1%。水庫(kù)壩址以上多年平均徑流量6.6億m3[1]。水庫(kù)設(shè)計(jì)庫(kù)容為9.34億m3，是一座以城市供水和防洪為主，兼有發(fā)電、灌溉和養(yǎng)魚(yú)等綜合功能的多年調(diào)節(jié)型大(2)型水利樞紐工程。在引碧三期工程建成之后，水庫(kù)多年平均供水量可達(dá)4.03億m3，為區(qū)域工農(nóng)業(yè)供水提供了重要保障[2]。

為了解決遼寧省中部地區(qū)的嚴(yán)重缺水問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源的優(yōu)化配置，遼寧省設(shè)計(jì)建設(shè)了大伙房輸水工程，其中，大伙房水庫(kù)應(yīng)急入連工程起于大伙房水庫(kù)，碧流河水庫(kù)作為受水水庫(kù)，規(guī)劃年引水量為3.0億m3，這必然會(huì)給碧流河水庫(kù)的調(diào)度造成顯著影響。另一方面，作為大連市的重要水源地水庫(kù)，其水質(zhì)狀況會(huì)對(duì)供水質(zhì)量造成顯著影響。基于此，此次研究利用水質(zhì)-水量耦合模型，展開(kāi)不同運(yùn)用情景的碧流河水庫(kù)水質(zhì)模擬研究，為水庫(kù)的調(diào)度管理提供必要的參考和借鑒。

2 研究方法

2.1 MIKE21水動(dòng)力模型

水動(dòng)力模塊是MIKE21模型的核心模塊，可以用于各種影響因素下流場(chǎng)變化過(guò)程的模擬，是波浪、水質(zhì)以及泥沙粒子追蹤等相關(guān)模塊的模擬基礎(chǔ)[3]。根據(jù)碧流河水庫(kù)的研究區(qū)域范圍，以及周邊的地形和邊界變化情況，確定具體的計(jì)算區(qū)域邊界。將邊界數(shù)據(jù)根據(jù)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為通用投影坐標(biāo)，然后，輸入MIKE21模型，獲得模型的模擬區(qū)域[4]。對(duì)模擬區(qū)域利用三角形網(wǎng)格剖分，將整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分為18 853個(gè)網(wǎng)格單元，9867個(gè)節(jié)點(diǎn)。

將庫(kù)區(qū)高程原始數(shù)據(jù)中不符合實(shí)際情況的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后，將其轉(zhuǎn)化為通用投影坐標(biāo)連同庫(kù)區(qū)的水深數(shù)據(jù)一起輸入計(jì)算模型，并以網(wǎng)格剖分結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行插值處理，最終獲取碧流河水庫(kù)的地形圖[5]。

根據(jù)碧流河水庫(kù)的主要入庫(kù)河流情況，選取碧流河、蛤蜊河等5條主要入庫(kù)河流以及大伙房水庫(kù)應(yīng)急入連工程入庫(kù)口作為模型的流量邊界，將碧流河水庫(kù)大壩部位定義為水位邊界，根據(jù)各入庫(kù)河流的逐日入庫(kù)流量數(shù)據(jù)構(gòu)建入庫(kù)流量的實(shí)踐序列，根據(jù)大壩的壩前水位數(shù)據(jù)建立水位實(shí)踐序列。

此次水動(dòng)力模擬選取2020年1—12月作為模擬時(shí)段，總時(shí)間步長(zhǎng)為365 d，主時(shí)間步長(zhǎng)為1 d，也就是86 400s。

2.2 MIKE21水質(zhì)模型

MIKE21模型的水質(zhì)模塊主要包括對(duì)流擴(kuò)散模塊以及ECO Lab模塊。其中，對(duì)流擴(kuò)散模塊主要用于解決比較簡(jiǎn)單的水質(zhì)問(wèn)題，ECO Lab模塊主要用于解決復(fù)雜的水質(zhì)變化問(wèn)題[6]。因此，此次研究選擇ECO Lab模塊進(jìn)行模擬，并實(shí)現(xiàn)與水動(dòng)力模塊的耦合。由于碧流河水庫(kù)水域面積廣闊，單一的污染物并不能準(zhǔn)確反映水庫(kù)的水質(zhì)情況[7]。結(jié)合歷年水質(zhì)數(shù)據(jù)和篩選分析，選擇葉綠素α、氨氮和總磷三種主要污染物作為模型的污染物指標(biāo)。

水體中的污染物會(huì)隨著水力流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生擴(kuò)散，并用擴(kuò)散系數(shù)表示其擴(kuò)散的快慢程度，其大小一般僅受到流場(chǎng)的影響[8]。結(jié)合碧流河水庫(kù)的實(shí)際情況和相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，確定碧流河水庫(kù)的擴(kuò)散系數(shù)的初步范圍并進(jìn)行率定，最終確定擴(kuò)散系數(shù)為0.15 m2/s。

降解系數(shù)主要反映了水體的納污和自凈能力，結(jié)合碧流河水庫(kù)的實(shí)際情況和相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，確定碧流河水庫(kù)的降解系數(shù)的初步范圍并進(jìn)行率定，最終確定氨氮和總磷的降解系數(shù)分別為0.0106/d和0.0031/d。

水質(zhì)模擬模型的初始條件為水庫(kù)的污染物初始濃度，為減少模擬結(jié)果對(duì)初始條件的依賴，研究中選擇之前的模擬結(jié)果作為初始條件。模擬過(guò)程以水動(dòng)力模擬為基礎(chǔ)，時(shí)間步長(zhǎng)等參數(shù)值相同。

2.3 模擬方案

根據(jù)構(gòu)建的水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，重點(diǎn)探討和分析碧流河水庫(kù)在不同運(yùn)行模式下的水質(zhì)變化過(guò)程，旨在為改善碧流河水庫(kù)的水質(zhì)以及為水庫(kù)的運(yùn)行管理提供參考和建議。由于碧流河水庫(kù)承擔(dān)著向大連市供水的重任，因此，其下游的生態(tài)水量近年來(lái)虧缺比較明顯，大伙房水庫(kù)應(yīng)急入連工程對(duì)緩解這一矛盾具有重要意義。在這一背景下，研究中設(shè)置新的調(diào)水和生態(tài)流量下泄控制情景，設(shè)計(jì)出如下4種計(jì)算情景方案：

情景1：初始情景，也就是原入庫(kù)+原下泄方案；

情景2：不進(jìn)行跨流域調(diào)水。保持原有水庫(kù)的調(diào)度條件，僅考慮滿足下游最小生態(tài)需水流量限制；

情景3：進(jìn)行跨流域調(diào)水，從大伙房水庫(kù)引水3.0億m3，同時(shí)按照原有的下泄方式排放流量；

情景4：進(jìn)行跨流域調(diào)水，從大伙房水庫(kù)引水3.0億m3，同時(shí)滿足下游最小生態(tài)需水量進(jìn)行下泄流量限制。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 葉綠素α

由于碧流河水庫(kù)比較狹長(zhǎng)且匯水水源主要位于上游，因此，水庫(kù)水質(zhì)在空間分布方面存在顯著的不均勻特征，這就造成調(diào)水和生態(tài)下泄過(guò)程中水庫(kù)上游、中游和下游的水質(zhì)改善效果并不一致。基于此，此次研究中利用構(gòu)建的模型對(duì)水庫(kù)上游、中游和下游庫(kù)區(qū)的葉綠素α空間分布特征進(jìn)行計(jì)算，獲得不同庫(kù)區(qū)的葉綠素α峰值和均值，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，與情景1相比，情景2和情景3下水庫(kù)的上游和中游葉綠素α峰值和均值均呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢(shì)，情景4則呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢(shì)。水庫(kù)下游僅情景2呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，而情景3和情景4均呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。

3.2 氨氮

利用構(gòu)建的模型對(duì)水庫(kù)上游、中游和下游庫(kù)區(qū)的氨氮空間分布特征進(jìn)行計(jì)算，獲得不同庫(kù)區(qū)的氨氮峰值和均值，結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，相對(duì)于情景1，在情景2、情景3和情景4工況下水庫(kù)的上游和中游氨氮的峰值和均值都有呈現(xiàn)增大的變化趨勢(shì)，尤其是情景3的增加幅度明顯偏大。在水庫(kù)的下游，僅情景3的峰值呈現(xiàn)出顯著的增大特點(diǎn)，其余情景均呈現(xiàn)出減小的變化趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，在進(jìn)行跨流域調(diào)水過(guò)程中，氨氮呈現(xiàn)出顯著的增大的變化特征，而同時(shí)考慮生態(tài)下泄的情況下，可以對(duì)氨氮峰值和均值呈現(xiàn)出一定的控制效果。

表2 不同應(yīng)用情景氨氮峰值與均值計(jì)算結(jié)果

3.3 總磷

利用構(gòu)建的模型對(duì)水庫(kù)上游、中游和下游庫(kù)區(qū)的總磷空間分布特征進(jìn)行計(jì)算，獲得不同庫(kù)區(qū)的總磷峰值和均值，結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，相對(duì)于情景1，在情景2、情景3和情景4工況下水庫(kù)的上游、中游和下游的總磷峰值均呈現(xiàn)出增加的特點(diǎn)，情景3的總磷均值呈現(xiàn)出增加的特點(diǎn)，而情景2和情景4中游和下游的總磷均值呈現(xiàn)出減小的變化趨勢(shì)。

表3 不同應(yīng)用情景總磷峰值與均值計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

碧流河水庫(kù)是大連市的重要供水水源地，對(duì)其進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)和研究具有重要的理論價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值。此次研究通過(guò)構(gòu)建碧流河水庫(kù)的水動(dòng)力-水質(zhì)模型，模擬計(jì)算了主要水質(zhì)指標(biāo)在水庫(kù)不同應(yīng)用情景下的空間變化特征，對(duì)水庫(kù)的運(yùn)行管理具有一定的支持作用，對(duì)相關(guān)類似研究也具有借鑒意義。當(dāng)然，此次研究也存在不足之處，主要是由于收集的資料有限，泥沙和垂向水質(zhì)等數(shù)據(jù)缺乏，因此，沒(méi)有展開(kāi)泥沙沉積對(duì)氮磷等污染物分布的影響。在今后的工作中，需要納入這方面的研究，以便獲得更切合水庫(kù)實(shí)際的研究結(jié)果。