基于聯(lián)合調(diào)度的水庫水質(zhì)預測研究

張 旭

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110000)

1 工程概況

湯河水庫位于太子河主要支流湯河主段上，擔負著遼陽、鞍山兩大城市居民飲用水的供應以及下游大片稻田灌溉的任務，水庫總庫容為7.23億m3，多年調(diào)節(jié)水量為2.46億m3，主要由引水建筑物、水電站、溢洪道、大壩、輸水洞組成，防洪庫容和興利庫容分別為3.70億、3.58億m3。葠窩水庫建于弓長嶺區(qū)，燈塔縣、遼陽縣交界的太子河干流，庫區(qū)面積為5334hm2，控制流域面積為6175hm2，是一座兼具防洪、灌溉、發(fā)電、養(yǎng)魚等功能的綜合型水利樞紐工程。工業(yè)化的快速發(fā)展和城市經(jīng)濟的不斷繁榮，使得2020年遼陽市城鄉(xiāng)用水需求已超過現(xiàn)有水源供給能力。太子河流域的湯河水庫和葠窩水庫水質(zhì)優(yōu)良、水量充沛，在滿足生產(chǎn)生活、生態(tài)環(huán)境及稻田灌溉用水的情況下，將富余的優(yōu)質(zhì)水資源引至鞍山、遼陽和燈塔等市縣，有效改善了原水水質(zhì)和人們對優(yōu)質(zhì)水資源的需求。將葠窩水庫的水通過連通隧洞引至湯河水庫，經(jīng)輸水工程調(diào)至水廠實現(xiàn)水庫的聯(lián)合調(diào)度。而僅考慮水量調(diào)度屬于以往的水資源調(diào)配主要方式，隨著水安全問題的日趨突出，為更好地保護水體環(huán)境聯(lián)合調(diào)度必須考慮水質(zhì)水量要求。太子河沿途城市取水水質(zhì)及下游湯河水庫的水體環(huán)境，在很大程度上取決于上游葠窩水庫的水質(zhì)狀況，模擬預測下游取水口及水庫水質(zhì)與上游水庫不同水質(zhì)狀況的作用關系，可為庫區(qū)水污染治理和水源地保護提供科學指導。

2 水庫水質(zhì)預測方法

2.1 模型原理

Mike21模型可用于海洋、泥沙、海灣、河流、護坡的水流及波浪模擬，其水動力HD模塊服從靜水壓力假設，且溫度為影響低速流動水體密度的唯一變量；水體中物質(zhì)的濃度及其分布可通過對流擴散模塊AD預測，耦合對流擴散模塊和水動力模塊可以模擬預測水庫的水質(zhì)，其中動量方程和連續(xù)方程為Mike模型的控制方程。水流連續(xù)方程為

(1)

x，y方向的動量守恒方程，其表達式如下：

(2)

(3)

式中，u、v—水流x，y方向的流速，m/s；h—水深，m；g—重力加速度，m/s2；E—渦動黏滯系數(shù)，kg/(m·s)；ρ—流體密度，kg/m3；va—風速，m/s；ζ、n—風應力系數(shù)和曼寧糙率系數(shù)；φ、ω—維度和地球自轉(zhuǎn)角速度；ψ—風向；a—底高程，m。

設x，y方向的擴散系數(shù)為Dx和Dy，水質(zhì)濃度為c，則水庫水質(zhì)的預測方程如下：

(4)

將動量方程和連續(xù)方程利用二階精度的有限元體積法求解，并對單獨網(wǎng)格線和各方向構(gòu)成的方程矩陣利用方程矩陣求解。

2.2 邊界條件

綜合考慮湯河水庫水質(zhì)受上游葠窩水庫不同水質(zhì)狀況及調(diào)水工程實施前后的影響，確定不同工況下Mike21模型的3種邊界條件，見表1。工況1：預測湯河水庫在未實施調(diào)水工程情況下的規(guī)劃年水質(zhì)狀況；工況2、3：上游葠窩水庫的入流水質(zhì)不同而邊界入流流量相同，預測湯河水庫在實施調(diào)水工程情況下的水質(zhì)狀況。

表1 邊界條件

汛期降水及灌溉產(chǎn)生的污染物入河量較大，且上游及支流來水量較大，較其他月份的水庫水質(zhì)較差，所以最不利月設定為枯水年汛期75%保證率下的最枯月。依據(jù)城市調(diào)水水量以及規(guī)劃年水庫來水量確定壩址和斷面處的下泄流量，見表2。

表2 汛期最枯月湯河水庫入庫水量 單位：104m3

綜合考慮污染源預測結(jié)果和水源地常規(guī)監(jiān)測項目，水庫水質(zhì)模擬選取指標TN、TP、氨氮和COD，設水庫各邊界流量變化過程與污染物入流濃度變化趨勢相同，結(jié)合用地情況、規(guī)劃年庫區(qū)人口等情況預測湯河水庫污染物入河量，葠窩水庫和湯河水庫在不同工況下的污染物初始濃度值，見表3。

表3 水庫污染物初始濃度值 單位：mg/L

根據(jù)以上邊界條件，運用Mike21模型概化河網(wǎng)水系，以此形成節(jié)點數(shù)為581個、網(wǎng)格單元數(shù)為410個的網(wǎng)絡。結(jié)合模擬預測穩(wěn)定性及模型效率有關要求，取時間補償1h、模擬時長31d進行水庫水質(zhì)預測分析。

2.3 模型參數(shù)

(1)干濕邊界

為保證模型計算穩(wěn)定性，設置的模擬區(qū)域處于干濕邊界交替的水深，即為干濕水深模擬值。若某一計算單元水深小于干水深，則模型停止運算；若大于干水深，則繼續(xù)運算；若小于濕水深僅計算連續(xù)方程，動量方程不參與計算。其中，濕水深、淹沒水深和干水深選取Mike21模型的默認值，即0.1、0.05、0.005m。

(2)糙率

糙率受水庫現(xiàn)有構(gòu)筑物、水位變化、地形起伏及水庫底部植物生長情況等因素的影響，因此水動力學模型中的糙率應結(jié)合水力學相關計算手冊和湯河水庫河床底部情況，經(jīng)適當調(diào)整確定為0.03。

(3)擴散系數(shù)

在水庫水流梯度作用下水體中的污染物濃度會降低，其根本原因為對流擴散現(xiàn)象稀釋了污染物濃度。僅考慮水平方向的對流擴散不考慮垂向作用構(gòu)造二維對流擴散方程，并且充分混合了垂向濃度值。污染物在溪流中的流速大于水庫，其擴散系數(shù)取1m2/s，該參數(shù)對流速變化不敏感。

(4)降解系數(shù)

自然因素對湯河水庫水質(zhì)影響較大，且污染物濃度也在一定程度上受其自身降解、沉降、遷移、吸附等作用。污染物入庫濃度依據(jù)污染源普查情況和湯河水庫2018年實測水質(zhì)資料確定，各指標降解系數(shù)進行逐月率定。湯河水庫水質(zhì)監(jiān)測每月5日取樣，模擬值取模型中點數(shù)值385，以保證擬合一致性。通過預測模擬，湯河水庫TP、TN、氨氮、COD降解系數(shù)為0.001～0.007、0.001～0.007、0.002～0.006、0.032～0.060/d，Mike21模型模擬和實測濃度值如圖1所示。其中，按照固定時間取樣時，農(nóng)田灌溉、降水帶來的污染物對取樣結(jié)果產(chǎn)生的影響較大，這也是導致部分月份實測值與模擬值存在較大偏差的主要原因。

圖1 湯河水庫污染物模擬值與實測值

3 水質(zhì)預測結(jié)果

3.1 污染物濃度分布

枯水年汛期最枯月水庫污染物初始濃度值為實測數(shù)據(jù)，采用Mike21模型預測分析湯河水庫不同工況下污染物濃度分布特征。

結(jié)果顯示，3種不同工況下TN、TP、氨氮的濃度分布總體一致；COD濃度在3種工況下總體處于較低水平，從下游壩址至湯河水庫庫尾其值呈增大趨勢；受調(diào)水及支流水質(zhì)影響，水庫中部的TN、TP、氨氮濃度較高，而濃度較低區(qū)位于壩址及庫尾處，為揭示污染物濃度分布特征，以COD為例加以說明。

(1)在未實施調(diào)水工程的工況1下，汛期最枯月水庫調(diào)度模擬的COD初始濃度為4.5mg/L，月末庫尾濃度明顯高于壩址下泄處，從壩址至庫尾處COD濃度呈波動上升趨勢，水庫主體部分露灘主要與部分庫區(qū)床底高程較高及湯河入流流量較小有關。湯河入流污染物濃度為3個源項中最低，其數(shù)值為6.5mg/L，而COD濃度在上游入流處大于17.0mg/L；細河的入流污染物受農(nóng)田灌溉、庫區(qū)周邊村莊生活等因素影響，濃度值較高，為15.0mg/L。

(2)在實施調(diào)水工程的工況2下，受上游葠窩水庫調(diào)水影響，湯河水庫水質(zhì)的總體狀況劣于工況1。水質(zhì)交換更新在一定程度上改善了城市取水及下游壩址處的水質(zhì)，COD濃度在水庫中部總體為14.0mg/L。

(3)在上游葠窩水庫來水水質(zhì)較差且實施調(diào)水工程的工況3下，COD濃度在水庫中部至庫尾處總體超過17.0mg/L，整理統(tǒng)計污染物濃度月末分布特征，見表4。

根據(jù)表4中工況1、工況2的相關數(shù)據(jù)，COD濃度低于14mg/L的區(qū)域占比在實施調(diào)水工程的情況下明顯增大，從50.8%顯著提升至72.5%；受葠窩水庫水質(zhì)影響，氨氮濃度超過0.3mg/L的區(qū)域占比明顯增大，從8.2%快速增大至39.2%，其濃度值仍符合Ⅱ類水質(zhì)要求；葠窩水庫TN、TP初始濃度較大提高了下游水庫水質(zhì)受調(diào)水工程的影響程度，所以TN濃度大于1.5mg/L區(qū)域占比增大而TP濃度低于0.025mg/L區(qū)域占比減少。通過比較工況2、工況3的有關數(shù)據(jù)，下游水庫水質(zhì)受上游水庫入流污染物濃度的影響較為顯著，COD濃度大于14mg/L、氨氮濃度大于0.1mg/L、TP濃度大于0.025mg/L、TN濃度大于1.5mg/L的區(qū)域占比，分別由27.5%增大至58.8%、47.4%小幅增大至48.6%、71.7%增加至85.0%、68.5%增大至73.4%。

表4 污染物濃度月末分布情況 單位：%

結(jié)合污染物濃度在3種不同工況下的分布特征，上游水庫水質(zhì)在聯(lián)調(diào)工程實施后可以顯著影響下游水庫水質(zhì)，工程實施中應重點考慮如何降低上游水庫的污染物濃度及其入河量。

3.2 典型斷面水質(zhì)變化

選擇壩下泄水點和城市取水點兩個典型斷面，結(jié)合模型預測結(jié)果進行水質(zhì)分析，不同工況下污染物最枯月月末濃度，見表5。由此可以看出，氨氮、COD濃度在各工況下均符合Ⅱ類水要求，在工況2、工況3情況下受上游葠窩水庫水質(zhì)影響，TN、TP濃度無法達到Ⅱ類水要求。

表5 典型斷面污染物最枯月月末濃度 單位：mg/L

4 結(jié)論

文章綜合考慮各類不利因素設計了3種不同工況，然后對城市取水口及湯河水庫的水質(zhì)狀況利用水動力-水質(zhì)Mike21模型進行模擬。結(jié)果表明，從壩址至庫位COD濃度呈不斷上升趨勢，各工況下總體處于較低水平；受調(diào)水水庫及支流影響，TN、TP、氨氮濃度呈水庫兩側(cè)低、中部高的特征；調(diào)水工程的實施增大了下游湯河水庫總體水質(zhì)受上游水庫水質(zhì)的影響程度，較實施前水質(zhì)變差。為保證調(diào)水工程取水水質(zhì)以及維護生態(tài)環(huán)境、保護庫區(qū)水源地水質(zhì)，需限期治理生活污染源及消減集水范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)污染程度。