不同水閘調控方式對下游富營養演變的影響研究

黃埔恒

(山東省菏澤市河湖流域管理服務中心，山東 菏澤 274000)

1 研究區概況

洙趙新河源于東明縣木莊，流經菏澤、鄄城、鄆城、巨野、嘉祥等地，最終流入南陽湖，全長140.7 km，流域面積約為4206 km2，流域面積超過100 km2的支流主要包括鄆巨河、鄄鄆河、洙水河等10條，全河防洪水位為39.69～55.79 m，防洪流量775～796 m3/s ，入湖口防洪流量為1220 m3/s。洙趙新河是受污染比較嚴重的河流之一，主要污染源為工業廢水、農業污水和生活污水，同時也與流域內修建的眾多水閘水利工程有關，水閘工程雖然能夠防治水害災害，但也改變了天然徑流過程，給流域生態環境帶來較大影響，尤其是水閘上下游的富營養現象尤為嚴重。

2 富營養化模型構建

2.1 研究對象及數據

k閘為洙趙新河上的第一大閘，包含18孔淺孔閘和5孔深孔閘，單個淺孔閘的凈寬為6 m，高度7 m，位于河流右岸，單個深孔閘的寬度為10 m，高度11 m，位于河流中部，船閘位于河流左岸，寬度為12 m，深孔閘和船閘始終處于關閉狀態。以該閘上下游2.3 km范圍為閘控流域研究對象，在模擬之前，共對水閘上下游開展了4次調度實驗，并將實驗數據作為模擬的初始數據，實驗過程中共對上下游5個斷面處的水質進行了監測，主要對溶解相、懸浮相以及底泥相等共計12個指標進行了監測。水閘布置及監測斷面示意見圖1。

圖1 水閘布置及監測斷面示意圖

2.2 富營養化模型建立

首先，將模型底圖導入MIKE 21 中，利用MIKE 21自帶的工具來繪制模型的計算邊界[1-3]，并劃分陸地邊界、上游邊界和下游邊界；然后，將水閘上下游的地形數據導入模型中，上中游地區采用三角形網格劃分方式對模型進行劃分，網格面積為50～250 m2，在水閘處進行了局部加密，在下游地區采用四邊形進行網格劃分，橫向和縱向的最大長度分別為10 m和20 m，整個模型包含6480個網格和4200個節點；最后，對網格劃分后的模型進行地形插值操作，同時確保每個網格都有對應的地形數據，插值完成后導出mesh文件。如圖2。

圖2 富營養化模型構建結果

2.3 模型邊界和參數設置

模型的水質初始邊界以前4次現場實驗實測數據為基礎，具體情況見表1。模型模擬時間跨度為65 h，分650步，每一步的主時間步長為6 min；模型CFL設置為0.8，最小和最大時間步長分別設置為0.01s和360.00s；干水深設置為0.005 m，淹沒水深設置為0.050 m，濕水深設置為0.100 m；溶解相和懸浮相指標的擴散系數均設置為0.3 m2/s。

表1 水質初始邊界值 mg·L-1

2.4 閘門調控方式確定

由于深孔閘和船閘長期處于關閉狀態，因此，僅對不同淺孔閘啟閉狀態下的情景進行模擬分析，考慮淺孔閘的啟閉數量和閘門的開啟高度，分為以下13種情景：淺孔閘全開，閘門開啟高度分別為10 cm、30 cm、50 cm和80 cm，淺孔閘集中開啟10孔，閘門開啟高度分別為10 cm、30 cm、50 cm和80 cm，淺孔閘只集中開啟5孔，閘門開啟高度仍然為10 cm、30 cm、50 cm和80 cm，最后一種為無閘門開啟情景。

以閘后Ⅶ斷面的水位、流量和流速模擬結果為例，利用構建好的富營養化模型對下游的水動力指標進行模擬，結果見表2。通過模擬數據與現場實測結果進行對比，發現模擬結果與實測結果的誤差控制在5%以內，表明構建的富營養化模型是合理的，模擬結果是準確可靠的。

表2 水質初始邊界值

3 模擬結果分析

3.1 評價指標

為了表征不同水閘調控方式對水質的影響，引入貢獻率指標來對采取水閘調控后和常規河道水質濃度的差異程度進行量化，如式(1)所示[1-2]。

(1)

式中：θ為指標貢獻率，%；p1為水閘調控下的某水質指標濃度，mg/L；p0為沒有水閘調控時的對應指標濃度，mg/L。

當θ>0時，表示水閘調控使水質指標濃度增加，當θ<0時，表示水閘調控使水質指標濃度減小。

3.2 溶解相指標分析

以閘后Ⅶ斷面為例，不同水閘調控方式下溶解相指標貢獻率對比見圖3。從圖3中可知：水閘調控對DO、溶解相COD、溶解相TP、溶解相ON和硝酸鹽氮的貢獻率均為負數，而對氨氮的貢獻率為正，對于溶解相COD的貢獻率最大，其次為溶解相ON和硝酸鹽氮，接著依次為DO、氨氮和溶解相TP，當采用5孔10 cm開度進行水閘調控時，對閘后Ⅶ斷面處的水質指標減少貢獻率最大，分別可以達到-54.3%、-22.8%、-4.0%、-30.5%和-24.2%；相同閘門開啟數量下，增大閘門開啟高度，會降低閘門調控的效果，導致貢獻率減小，這主要是因為增加閘門泄流量后，會將上游的污染物帶到下游，導致下游的水體污染物含量升高，故而貢獻率減小；相同閘門開啟高度下，減小閘門的開啟數量，貢獻率反而會降低，這也是因為增加了泄流量導致下游污染物增加所引起。

圖3 水閘調控方式下溶解相指標貢獻率對比

3.3 懸浮相指標分析

不同水閘調控方式下懸浮相指標貢獻率對比見圖4。從圖中可知：水閘調控方式對懸浮相水質的貢獻率有正有負，對懸浮相TP的貢獻率大于對懸浮相ON和懸浮相COD，水閘開啟數量越少、開啟高度越低，下游的水質越好，這是因為當增大下泄流量時，對于下游的底泥具有更大的擾動作用，導致底泥的再懸浮作用增強，從而降低下游的水質；同理，當采取5孔10 cm開度進行水閘調控時，能達到最好的調控效果，此時，對懸浮相TP、懸浮相ON和懸浮相COD的貢獻率分別為-36.1%、-17.4%和-16.4%。

圖4 不同水閘調控方式下懸浮相指標貢獻率對比

3.4 底泥相指標分析

不同水閘調控方式下底泥相指標貢獻率對比見圖5。從圖5中可知：水閘調控對于底泥相的貢獻亦是有正有負，但總體上對于底泥相的貢獻為正，且貢獻率絕對值遠大于溶解相和懸浮相，最大可達到300%，這說明采取水閘調控后，下游底泥的污染物會增加，尤其在閘孔數量和開度較小情況下，貢獻率尤為明顯，這主要是因為下游底泥污染物含量與河道的水流流速有關，當水流流速大于再懸浮的臨界流速時，底泥相的污染物含量在再懸浮作用下降低，當水流流速小于再懸浮的臨界流速時，底泥相的污染物會沉積在河底。當采取5孔10 cm開度時，對底泥相TP和底泥相COD的貢獻率最大，當采取10孔30 cm開度時，對底泥相ON的貢獻率最大。

圖5 不同水閘調控方式下底泥相指標貢獻率對比

4 結 論

水閘調控方式對于下游底泥相的影響遠大于溶解相和懸浮相的影響，當閘孔開始數量和開度較小時，對于下游水質的調控作用最為明顯，大量溶解相污染物和懸浮相污染物會沉積在底泥中，導致底泥中污染物含量大大增加，因此單純采取調控下泄流量方式對于下游富營養是不利的，建議在今后采取水閘調控+污染物削減方式對下游富營養進行聯合調控。