基于EFDC模型的河道型水庫(kù)藻類(lèi)生長(zhǎng)對(duì)流域污染負(fù)荷削減的響應(yīng)*
——以廣東長(zhǎng)潭水庫(kù)為例

李一平，王靜雨，滑 磊

(1：河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098)

(2：浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

基于EFDC模型的河道型水庫(kù)藻類(lèi)生長(zhǎng)對(duì)流域污染負(fù)荷削減的響應(yīng)*
——以廣東長(zhǎng)潭水庫(kù)為例

李一平1，王靜雨1**，滑 磊2

(1：河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098)

(2：浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

將環(huán)境(EFDC)模型應(yīng)用于廣東梅州的河道型水庫(kù)——長(zhǎng)潭水庫(kù)，經(jīng)過(guò)模型的驗(yàn)證，建立長(zhǎng)潭水庫(kù)水生態(tài)數(shù)學(xué)模型，模擬出水庫(kù)在現(xiàn)狀污染負(fù)荷下的藻類(lèi)生長(zhǎng)情況，以葉綠素a濃度為指標(biāo)，研究水庫(kù)在豐水年與枯水年富營(yíng)養(yǎng)化改善程度對(duì)不同流域污染削減方案的響應(yīng)關(guān)系.結(jié)果表明：現(xiàn)狀污染負(fù)荷削減10%，在豐水年庫(kù)尾、庫(kù)中和庫(kù)首點(diǎn)位的葉綠素a平均濃度分別降低13.99%、12.00%和10.35%；枯水年3個(gè)代表點(diǎn)位葉綠素a平均濃度分別下降8.42%、5.63%和2.10%.污染削減20%的情況下，豐水年3個(gè)代表點(diǎn)位的葉綠素a濃度分別降低26.78%、19.25%和17.04%，枯水年對(duì)應(yīng)的降低幅度分別為11.72%、7.97%和5.12%；庫(kù)尾地區(qū)表現(xiàn)出河道的特征，在污染負(fù)荷削減的情況下藻類(lèi)生長(zhǎng)能夠受到有效遏制，庫(kù)首地區(qū)則表現(xiàn)出湖泊的特性，枯水年這一特征表現(xiàn)更加突出，污染削減20%的情況下，葉綠素a的平均濃度僅降低5.12%.

河道型水庫(kù)；長(zhǎng)潭水庫(kù)；EFDC模型；污染削減；藻類(lèi)生長(zhǎng)響應(yīng)

隨著我國(guó)三峽水庫(kù)、小浪底水庫(kù)等水利工程的修建完成，對(duì)于水庫(kù)的保護(hù)與管理工作也日益迫切.河道型水庫(kù)形成后，其水動(dòng)力學(xué)特征介于湖泊和河道之間[1]，水體滯留時(shí)間變長(zhǎng)，水流變緩慢，比河流更容易發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化[1]，加之水庫(kù)與河流的不可分割性，水庫(kù)水質(zhì)變差必然影響到下游河道的水質(zhì).因此需要研究河道型水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化特征與控制對(duì)策.

近年來(lái)，EFDC模型被廣泛地應(yīng)用于湖泊、水庫(kù)、河流、海灣等地表水的模擬與分析，可以定量模擬環(huán)境特征、污染負(fù)荷與湖泊水質(zhì)間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系，亦可用作湖泊、河道等水體富營(yíng)養(yǎng)化控制的決策工具.李一平等利用EFDC模型建立太湖的水環(huán)境動(dòng)力學(xué)模型，研究“引江濟(jì)太”對(duì)于太湖水動(dòng)力的調(diào)控效果[2-3].衛(wèi)志宏等利用EFDC模型建立洱海湖泊及湖灣的三維水動(dòng)力水質(zhì)模型，研究洱海主要污染物允許排放量的控制分配[4].李杰等利用EFDC模型，研究美國(guó)北卡羅來(lái)納州Falls Lake水庫(kù)內(nèi)物質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程，模擬結(jié)果顯示水庫(kù)結(jié)構(gòu)和徑流分布是影響污染物滯留時(shí)間的重要因素[5].陳異暉利用EFDC模型建立了滇池水質(zhì)模型，研究了人工調(diào)水工程對(duì)于滇池的水質(zhì)改善效果，但由于基礎(chǔ)資料不足，建立的模型對(duì)于滇池水質(zhì)模擬并不夠精確[6].李一平等利用EFDC模型研究了河道型水庫(kù)水動(dòng)力特征與氣候條件的響應(yīng)關(guān)系[7]，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[2-4]顯示，EFDC模型具有通用性好、數(shù)值計(jì)算能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)輸出應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，尤其對(duì)于水體水動(dòng)力的模擬精度已達(dá)到相當(dāng)高的水平.但目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有關(guān)于河道型水庫(kù)藻類(lèi)生長(zhǎng)與污染負(fù)荷削減響應(yīng)關(guān)系的研究.針對(duì)上述問(wèn)題，本文選用環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型，以葉綠素a為指標(biāo)，來(lái)模擬不同污染削減方案下長(zhǎng)潭水庫(kù)藻類(lèi)生長(zhǎng)情況，利用EFDC健全的模擬結(jié)果可視化功能及后處理功能，研究分析水庫(kù)不同位置藻類(lèi)生長(zhǎng)的特征，探討河道型水庫(kù)控制藻類(lèi)生長(zhǎng)的對(duì)策.

1 長(zhǎng)潭水庫(kù)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

1.1 EFDC模型簡(jiǎn)介

長(zhǎng)潭水庫(kù)水動(dòng)力學(xué)模型采用EFDC模型構(gòu)建，EFDC是在美國(guó)國(guó)家環(huán)保署資助下由維吉尼亞海洋研究所(VIMS， Virginia Institute of Marine Science at the College of William and Mary)的John Hamrick等根據(jù)多個(gè)數(shù)學(xué)模型集成開(kāi)發(fā)研制的綜合模型，被用于模擬水系統(tǒng)一維、二維和三維流場(chǎng)，物質(zhì)輸運(yùn)(包括溫度、鹽度和泥沙的輸運(yùn))，生態(tài)過(guò)程以及淡水入流等.與POM、ECOM模型相比，EFDC模型的優(yōu)勢(shì)為：靈活的邊界處理技術(shù)，通用的文件輸入格式，能快速耦合水動(dòng)力、泥沙和水質(zhì)模塊，省略了不同模型接口程序的研發(fā)過(guò)程.同時(shí)EFDC開(kāi)發(fā)有完整的前、后處理軟件EFDC-Explorer，采用可視化的界面操作，能快速生成網(wǎng)格數(shù)據(jù)和處理圖像文件.EFDC自1992年發(fā)布以來(lái)，不斷更新完善，隨著EFDC-Explorer等前、后處理工具的出現(xiàn)，EFDC得到了更加廣泛的應(yīng)用.

EFDC模型垂向上采用σ坐標(biāo)變換，能較好地?cái)M和近岸復(fù)雜的岸線和地形；采用Gelperin等修正的Mellor-Yamada 2.5階湍封閉模式較客觀地提供垂向混合系數(shù)，避免其人為選取造成的誤差.動(dòng)量方程、連續(xù)方程及狀態(tài)方程為：

?t(mxmyHu)+?x(myHuu)+?y(mxHvu)+?z(mxmywu)-femxmyHv=

(1)

?t(mxmyHv)+?x(myHuv)+?y(mxHvv)+?z(mxmywv)+femxmyHu=

(2)

mxmyfe=mxmyf-u?ymx+v?xmy

(3)

水質(zhì)變量的質(zhì)量守恒控制方程為：

(4)

式中，u、v、w分別為邊界擬合正交曲線坐標(biāo)x、y、z方向上的速度分量；mx和my分別為度量張量對(duì)角元素的平方根，m=mxmy為度量張量行列式的平方根；Av為垂向紊動(dòng)黏滯系數(shù)；Qu、Qv分別為動(dòng)量源、匯項(xiàng)；C為水質(zhì)變量濃度；Kx、Ky和Kz分別為x、y、z方向的擴(kuò)散系數(shù)；SC為單位體積源匯項(xiàng).

水質(zhì)變量的質(zhì)量守恒方程包括物理輸運(yùn)、平流擴(kuò)散以及生態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，式(4)等號(hào)左邊后3項(xiàng)為平流輸運(yùn)項(xiàng)，等號(hào)右邊前3項(xiàng)為擴(kuò)散輸運(yùn)項(xiàng).這6項(xiàng)和物理輸運(yùn)項(xiàng)類(lèi)似，數(shù)值解法和水動(dòng)力模型中鹽度質(zhì)量守恒方程相似.等號(hào)右邊最后1項(xiàng)表示每個(gè)狀態(tài)變量的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和外部負(fù)荷.

圖1 長(zhǎng)潭水庫(kù)水動(dòng)力模型(底部高程)以及代表點(diǎn)位置Fig.1 The bottom elevation and representative points of Changtan Reservoir water dynamic model

圖2 長(zhǎng)潭水庫(kù)水動(dòng)力模型(網(wǎng)格局部放大圖)Fig.2 Enlarged view of local grids of Changtan Reservoir

藻類(lèi)是模型模擬的一個(gè)重要變量，模型考慮藍(lán)藻、硅藻和綠藻3種藻類(lèi).下標(biāo)x表示藻的種類(lèi).模型考慮的源匯項(xiàng)包括：生長(zhǎng)、基礎(chǔ)代謝、捕食、沉降以及外部負(fù)荷.描述這3種藻的動(dòng)力學(xué)方程基本相同，只是方程中的參數(shù)取值不同.動(dòng)力學(xué)方程為：

(5)

式中，Bx為x種類(lèi)藻的生物量(g/m3)，Px為x種類(lèi)藻的生產(chǎn)率(d-1)，BMx為x種類(lèi)藻的基礎(chǔ)代謝率(d-1)，PRx為x種類(lèi)藻的被捕食率(d-1)，WSx為x種類(lèi)藻的沉降速率(m/d)，WBx為x種類(lèi)藻的外部負(fù)荷(g/d)，V為模擬單元.

1.2 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)潭水庫(kù)(24°42′2″～24°50′15″N，116°4′8″～116°8′1″E)位于廣東省梅州蕉嶺縣蕉城鎮(zhèn)西北約6km的石窟河長(zhǎng)潭峽谷中，是以發(fā)電、供水、防洪為主要功能的大(二)型水庫(kù).長(zhǎng)潭水庫(kù)長(zhǎng)興電站壩址至長(zhǎng)潭水庫(kù)壩址之間全長(zhǎng)約22km，寬100～350m，平均水深30m，庫(kù)容1.4×108m3，水面面積4.3km2，屬于典型的河道型水庫(kù).

長(zhǎng)潭水庫(kù)入庫(kù)河流有石窟河干流(中山河)、中赤河、查干河.石窟河是韓江一級(jí)支流，又名石窟溪、蕉嶺河，源于福建武平縣東留，流經(jīng)平遠(yuǎn)、蕉嶺、梅縣等縣市，于梅縣丙村鎮(zhèn)東州壩注入梅江.石窟河干流長(zhǎng)178km，流域面積3777km2.

長(zhǎng)潭水庫(kù)于1978年3月開(kāi)始建設(shè)，1987年開(kāi)始蓄水發(fā)電，1991年3月竣工.水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位為151.50m，正常庫(kù)容為1.145×108m3，死庫(kù)容為0.5985×108m3，設(shè)計(jì)正常高水位為148.00m，汛期防洪限制水位為144.00m，死水位為136.50m，屬季節(jié)調(diào)節(jié)水庫(kù).長(zhǎng)潭水庫(kù)多年平均流量為55.59m3/s，多年平均徑流量為17.85×108m3，多年平均徑流系數(shù)為0.52.

目前，廣東省梅州市城區(qū)的供水水源來(lái)自清涼山水庫(kù)，根據(jù)梅州城區(qū)需水預(yù)測(cè)結(jié)果，到2020年，梅州城區(qū)需水總量將達(dá)9.305×107m3，大大超過(guò)清涼山水庫(kù)供水工程現(xiàn)有的年供水能力，顯然不能滿足梅州城區(qū)的需水要求.因此，長(zhǎng)潭水庫(kù)作為梅州城區(qū)的后備水源地成為必然的趨勢(shì).

然而，據(jù)當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門(mén)反映，長(zhǎng)潭水庫(kù)一年中發(fā)生數(shù)次類(lèi)似藍(lán)藻水華的事件.根據(jù)水環(huán)境調(diào)查情況[8]，長(zhǎng)潭水庫(kù)上游及閩粵省界水體富營(yíng)養(yǎng)化污染較重，浮游植物以藍(lán)、綠藻為優(yōu)勢(shì)種，長(zhǎng)潭水庫(kù)總氮、總磷超標(biāo)嚴(yán)重，目前水庫(kù)水質(zhì)為Ⅳ～Ⅴ類(lèi)水，不滿足集中式生活飲用水地表水源地水質(zhì)所需要滿足的Ⅲ類(lèi)水(GB 3838-2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定)的要求.水庫(kù)主要是受到上游福建省境內(nèi)大量養(yǎng)殖廢水和農(nóng)業(yè)、生活面源污染，為了保證后備水源地的水質(zhì)安全，治理污染勢(shì)在必行，因此有必要開(kāi)展長(zhǎng)潭水庫(kù)的水體富營(yíng)養(yǎng)化與污染負(fù)荷削減之間的響應(yīng)關(guān)系研究，為制定科學(xué)合理的治污措施提供參考.

1.3 模型的構(gòu)建

1.3.1 網(wǎng)格生成 EFDC是基于有限差分求解水動(dòng)力方程的數(shù)值模擬系統(tǒng)，因此本研究需要進(jìn)行網(wǎng)格概化.模型上邊界始于長(zhǎng)興電站，下邊界為長(zhǎng)潭水庫(kù)大壩壩址，共22km，模型范圍內(nèi)在平面上共劃分為11214個(gè)正方形網(wǎng)格，網(wǎng)格距為20m，模型在垂向上采用σ坐標(biāo)，平均分為10層，用庫(kù)底和表層水體厚度來(lái)定義垂向網(wǎng)格的高度，垂向上分為10層，各層所占的水深比例均為0.1.長(zhǎng)潭水庫(kù)水動(dòng)力模型底部高程及局部放大圖見(jiàn)圖1、圖2.

1.3.2 初始條件 本次模擬的初始條件設(shè)置為模擬時(shí)段第1d長(zhǎng)興電站壩下水位的觀測(cè)值，水質(zhì)的初始參數(shù)設(shè)置為2011年5月長(zhǎng)潭水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的實(shí)測(cè)值，水溫設(shè)置為20℃，總磷、總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度分別為0.06、2.17、0.10和1.58mg/L.

1.3.3 邊界條件 模型邊界條件包括水動(dòng)力邊界和氣象邊界條件，水動(dòng)力邊界條件包括1個(gè)主河道和7條主要入庫(kù)支流，長(zhǎng)興電站的調(diào)度資料構(gòu)成水動(dòng)力上邊界，長(zhǎng)潭電站的水位資料構(gòu)成水動(dòng)力下邊界.氣象邊界條件包括氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、降雨量、風(fēng)向、風(fēng)速、云量等逐日數(shù)據(jù)，來(lái)源于梅州氣象站.

1.4 參數(shù)選取與模型驗(yàn)證

表1為長(zhǎng)潭水庫(kù)水生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型中主要參數(shù)的含義與取值，EFDC對(duì)水動(dòng)力的模擬已經(jīng)十分成熟，水動(dòng)力的模擬中，大部分物理參數(shù)都未作改變[6].以長(zhǎng)潭水庫(kù)水位、葉綠素a、總氮、總磷濃度實(shí)測(cè)資料為對(duì)照，利用2011年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為該模型的驗(yàn)證資料，比較模型的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差.長(zhǎng)潭水庫(kù)水生態(tài)動(dòng)力模型水質(zhì)參數(shù)的驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖3.可以看出，EFDC模型模擬出的總氮濃度總體偏高，但與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)一致，模擬的總磷濃度在水庫(kù)中上游地區(qū)偏低，下游擬合程度較好.模擬的葉綠素a濃度誤差在20%以內(nèi)，且與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致.整體而言，建立的模型能夠反映出水質(zhì)變化的趨勢(shì)，可以用來(lái)模擬預(yù)測(cè)長(zhǎng)潭水庫(kù)藻類(lèi)生長(zhǎng)情況.

表1 長(zhǎng)潭水庫(kù)水生態(tài)動(dòng)力模型參數(shù)取值

圖3 長(zhǎng)潭水庫(kù)水位、總氮、總磷和葉綠素a濃度驗(yàn)證圖Fig.3 Verification of water level， total nitrogen， total phosphorus and chlorophyll-a concentrations of Changtan Reservoir

2 長(zhǎng)潭水庫(kù)藻類(lèi)生長(zhǎng)對(duì)污染負(fù)荷削減的響應(yīng)關(guān)系

2.1 模擬方案

根據(jù)長(zhǎng)潭水庫(kù)污染源調(diào)查結(jié)果[8]，核算出現(xiàn)狀污染負(fù)荷，長(zhǎng)潭水庫(kù)的氮、磷總負(fù)荷分別為4324.18和65.53t/a，其中長(zhǎng)興電站攜帶的上游流域氮、磷負(fù)荷分別為2563.2和40.05t/a，分別占水庫(kù)污染總負(fù)荷的59.3%和61.1%.依據(jù)《廣東省“十二五”主要污染物總量控制規(guī)劃》制定出兩種污染削減方案，即現(xiàn)狀流域污染負(fù)荷分別削減10%和20%，研究在不同營(yíng)養(yǎng)鹽輸入的邊界條件下水庫(kù)藻類(lèi)生長(zhǎng)的變化情況.

國(guó)內(nèi)有研究表明，流量增加引起的流速加快對(duì)于水體中藻類(lèi)生長(zhǎng)作用顯著[9-11]，因此有必要研究在不同入庫(kù)流量下水動(dòng)力條件對(duì)污染削減方案的配合作用.長(zhǎng)潭水庫(kù)的來(lái)水主要由上游長(zhǎng)興電站的下泄流量和長(zhǎng)潭水庫(kù)流域降雨匯流組成，其中長(zhǎng)興電站上游來(lái)水占水庫(kù)來(lái)水總量的85%以上，根據(jù)長(zhǎng)潭水庫(kù)上游長(zhǎng)興電站的調(diào)度資料逐日變化圖，選取1992和2004年分別作為豐水年和枯水年.相應(yīng)的逐月平均流量見(jiàn)表2.

表2 長(zhǎng)潭水庫(kù)典型年份逐月入庫(kù)平均流量(m3/s)

2.2 不同污染削減情景下長(zhǎng)潭水庫(kù)葉綠素a濃度模擬

根據(jù)長(zhǎng)潭水庫(kù)的調(diào)度資料，查得長(zhǎng)潭水庫(kù)典型年分別為：1992年(豐水年)和2004年(枯水年).由此制定相應(yīng)的2種計(jì)算方案.以2011年污染源現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果作為水質(zhì)模型的邊界條件，以現(xiàn)狀污染負(fù)荷削減10%和20%為原則分別制定出相應(yīng)計(jì)算方案，模擬出長(zhǎng)潭水庫(kù)在現(xiàn)狀污染負(fù)荷的不同削減方案下不同水文年水質(zhì)的改善情況，考慮到藍(lán)藻暴發(fā)多發(fā)生在夏季，制定的方案計(jì)算時(shí)間均為每年的6-8月，共92d.長(zhǎng)潭水庫(kù)兼具河道和湖泊的特性，因此，分別選取庫(kù)尾、庫(kù)中和庫(kù)首3個(gè)代表點(diǎn)位(圖1)，定性、定量地研究其藻類(lèi)生長(zhǎng)情況.

2.3 模擬結(jié)果分析

藻類(lèi)生長(zhǎng)受氣溫影響，普遍認(rèn)為氣溫在26℃時(shí)藻類(lèi)生物量增長(zhǎng)最快，在水庫(kù)中最易形成水華[12]，本文模擬的是夏季長(zhǎng)潭水庫(kù)藻類(lèi)生長(zhǎng)情況，當(dāng)?shù)貧鉁厥诌m宜藻類(lèi)生長(zhǎng)，加之進(jìn)入水庫(kù)的氮、磷等污染源超標(biāo)，在污染負(fù)荷不削減的情況下，水體內(nèi)藻類(lèi)迅速生長(zhǎng)，豐水年長(zhǎng)潭水庫(kù)3個(gè)代表點(diǎn)位的葉綠素a濃度分別在模擬的第18、25和33d達(dá)到峰值，枯水年3個(gè)代表點(diǎn)位的葉綠素a濃度分別在第22、29和30d達(dá)到峰值.

在污染負(fù)荷削減之后，長(zhǎng)潭水庫(kù)3個(gè)代表點(diǎn)位處總氮、總磷濃度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，庫(kù)尾、庫(kù)中點(diǎn)位水流速度較快，污染物質(zhì)不易停留，總氮、總磷濃度降低的幅度明顯大于庫(kù)首點(diǎn)位.在豐水年，污染負(fù)荷削減10%之后，長(zhǎng)潭水庫(kù)3個(gè)代表點(diǎn)位的總氮濃度降低15%左右，總磷濃度下降幅度更大，流速最快的庫(kù)尾點(diǎn)位達(dá)到了25.24%.在枯水年，污染負(fù)荷削減20%后，庫(kù)首點(diǎn)位總氮、總磷濃度分別為1.50和0.100mg/L(表3、4)，仍然面臨富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)[13].

表3 不同污染負(fù)荷削減方案下長(zhǎng)潭水庫(kù)3個(gè)代表點(diǎn)位總氮濃度平均值對(duì)比

表4 不同污染負(fù)荷削減方案下長(zhǎng)潭水庫(kù)3個(gè)代表點(diǎn)位總磷濃度平均值對(duì)比

在現(xiàn)狀污染負(fù)荷不削減的情況下，長(zhǎng)潭水庫(kù)庫(kù)尾、庫(kù)中和庫(kù)首點(diǎn)位兩種水文典型年葉綠素a的峰值濃度均超過(guò)50μg/L，說(shuō)明目前長(zhǎng)潭水庫(kù)接納的污染物已經(jīng)超過(guò)環(huán)境容量，即使是在水動(dòng)力條件較好的豐水年，仍有藻類(lèi)暴發(fā)的可能；污染負(fù)荷削減10%，枯水年水庫(kù)葉綠素a的平均濃度僅有小幅度的降低，說(shuō)明目前長(zhǎng)潭水庫(kù)接納的污染物超標(biāo)較多，加之在枯水年，夏季的月平均入庫(kù)流量?jī)H為豐水年的35%，不良的水動(dòng)力條件下，污染削減10%對(duì)于遏制藻類(lèi)生長(zhǎng)幾乎沒(méi)有作用.污染負(fù)荷削減20%對(duì)于水質(zhì)的改善作用仍然有限，庫(kù)首點(diǎn)位葉綠素a的平均濃度僅降低5.12%.相應(yīng)地，在豐水年污染負(fù)荷削減10%后，水庫(kù)3個(gè)代表點(diǎn)位的葉綠素a濃度均可以降低10%以上，污染削減力度增大至20%后，葉綠素a平均濃度普遍可以下降20%左右(表5).

表5 不同污染負(fù)荷削減方案下長(zhǎng)潭水庫(kù)3個(gè)代表點(diǎn)位葉綠素a濃度平均值對(duì)比

長(zhǎng)潭水庫(kù)是典型的河道型水庫(kù)，庫(kù)尾區(qū)域水深較淺，水流較快，表現(xiàn)出河道的特性，較大的流量產(chǎn)生的沖刷和稀釋作用使藻類(lèi)不能集中暴發(fā)[14]，因此污染負(fù)荷削減后，庫(kù)尾區(qū)域的水質(zhì)改善程度較好.但在豐水年污染負(fù)荷不削減的情況下，庫(kù)尾區(qū)域葉綠素a的平均濃度最高，其原因是豐水年降雨量增多，庫(kù)尾地區(qū)上游的養(yǎng)殖業(yè)廢水隨著地表徑流直接進(jìn)入水庫(kù)，為藻類(lèi)生長(zhǎng)提供大量營(yíng)養(yǎng)鹽，也說(shuō)明在營(yíng)養(yǎng)鹽過(guò)量的情況下水動(dòng)力條件對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)的作用不明顯.相應(yīng)地，庫(kù)首區(qū)域水深變深，流速變慢，表現(xiàn)出湖泊的特性，污染負(fù)荷削減20%后，在枯水年葉綠素a平均濃度僅降低5.12%，說(shuō)明緩慢的流態(tài)是藻類(lèi)大量生長(zhǎng)的主要環(huán)境條件之一.

污染負(fù)荷削減20%后，在豐水年的水動(dòng)力條件下，水庫(kù)3個(gè)代表點(diǎn)位的葉綠素a濃度峰值表現(xiàn)出明顯下降，但是在流量大幅度降低的枯水年，除庫(kù)尾點(diǎn)位，庫(kù)中和庫(kù)首點(diǎn)位葉綠素a峰值濃度沒(méi)有明顯變化.其原因是水庫(kù)庫(kù)尾區(qū)域表現(xiàn)出河道的特性，流速相對(duì)較快，污染物質(zhì)不易停留，大多積累在庫(kù)首區(qū)域，造成了庫(kù)首點(diǎn)位的葉綠素a峰值濃度相對(duì)庫(kù)尾和庫(kù)中點(diǎn)位始終偏高(表6).

表6 不同污染負(fù)荷削減方案下長(zhǎng)潭水庫(kù)3個(gè)代表點(diǎn)位葉綠素a濃度峰值對(duì)比

3 結(jié)論

本文利用EFDC模型建立了河道型水庫(kù)——長(zhǎng)潭水庫(kù)的水動(dòng)力水生態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用水位、水質(zhì)實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行校核，實(shí)現(xiàn)了模型的本地化，模擬出了長(zhǎng)潭水庫(kù)藻類(lèi)生長(zhǎng)對(duì)于流域污染削減方案的響應(yīng)，對(duì)于長(zhǎng)潭水庫(kù)防治富營(yíng)養(yǎng)化提供了指導(dǎo)性的對(duì)策，對(duì)于河道型水庫(kù)的管理與水質(zhì)改善也具有參考意義.

1) 長(zhǎng)潭水庫(kù)是典型的河道型水庫(kù)，庫(kù)尾區(qū)域具有河道的特性，水體交換程度好，污染物不易停留.庫(kù)首區(qū)域表現(xiàn)出湖泊的特性，水體流動(dòng)緩慢，污染物質(zhì)容易滯留，在適宜的環(huán)境條件下容易暴發(fā)藍(lán)藻水華.

2) 現(xiàn)狀污染負(fù)荷削減10%可以對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)產(chǎn)生一定程度的抑制作用，但在水動(dòng)力條件較差的枯水年，庫(kù)首點(diǎn)位葉綠素a的峰值濃度僅降低1.06%；增大污染負(fù)荷削減的力度并且通過(guò)水庫(kù)調(diào)度增加入庫(kù)流量，可以明顯改善庫(kù)尾區(qū)域水質(zhì)情況，葉綠素a的平均濃度可以降低26.78%，峰值濃度可以降低16.17%.

3) 長(zhǎng)潭水庫(kù)上游養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的廢水對(duì)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)最大，營(yíng)養(yǎng)鹽超標(biāo)的情況下即使增加長(zhǎng)興電站的下泄流量也難以改善庫(kù)首地區(qū)的富營(yíng)養(yǎng)化狀況，因此大力治理養(yǎng)殖業(yè)排污才是保障長(zhǎng)潭水庫(kù)水質(zhì)安全的長(zhǎng)遠(yuǎn)措施.

4) EFDC模型對(duì)水質(zhì)基礎(chǔ)資料的完整性要求較高，由于沒(méi)有環(huán)保監(jiān)測(cè)斷面，長(zhǎng)潭水庫(kù)缺少長(zhǎng)系列的水質(zhì)實(shí)測(cè)資料，若要更加精確地預(yù)測(cè)水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化，還需開(kāi)展更深入的資料收集工作.

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Response of algae growth to pollution reduction of drainage basin based on EFDC model for channel reservoirs： A case of Changtan Reservoir， Guangdong Province

LI Yiping1， WANG Jingyu1& HUA Lei2

(1：CollegeofEnvironment，HohaiUniversity，Nanjing210098，P.R.China)

(2：ZhejiangInstituteofHydraulics&Estuary，Hangzhou310020，P.R.China)

The EFDC model has been used to study response of water quality to varying degrees of pollution reduction in Changtan Reservoir. After verification of the model， a water quality model of Changtan Reservoir was built. Algae growth was simulated under the present situation of pollution load. Pollution reduction scenarios based on two hydrologic years were simulated using the water quality model. The results indicated that overmuch nutrient could lead to eutrophication even in wet years. Under 10% reduction of pollution load， average chlorophyll-a concentrations in three areas (reservoir tail， middle and head areas) decreased by 13.99%， 12.00% and 10.35% in wet year and by 8.42%， 5.63% and 2.10% in dry year， respectively. Under the condition of pollution reduced by 20%， chlorophyll-a concentrations in three areas decreased by 26.78%， 19.25% and 17.04% in wet year and by 11.72%， 7.97% and 5.12% in dry year， respectively. The water in the reservoir tail area behaved flowing-water similar to rivers， while the water in the reservoir head area also behaved still-water similar to lakes， which has been more dramatic in dry year and the average chlorophyll-a concentration decreased by 5.12%.

Channel reservoir； Changtan Reservoir； EFDC model； pollution load reduction； response of algae growth

*水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201101020)資助.2014-07-28收稿；2014-12-29收修改稿.李一平(1978～)，男，博士，副教授；E-mail：liyiping@hhu.edu.cn.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2015， 27(5)： 811-818

DOI 10.18307/2015.0507

?2015 byJournalofLakeSciences

**通信作者；E-mail：wjyhhu@126.com.