多閘壩河流水質(zhì)模擬

卓全錄，許 洋

(1.濮陽(yáng)市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所，河南 濮陽(yáng) 457000；2.許昌市生態(tài)環(huán)境局，河南 許昌 461000)

1 引言

近年來(lái)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了諸如MIKE[1]、Delft3D[2]、QUAL2K[3]和EFDC[4]等軟件，EFDC因其廉價(jià)、開源、高效被廣泛應(yīng)用，雖在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用推廣較晚，但不乏成功的案例。相關(guān)學(xué)者借助EFDC模型對(duì)丹江口水庫(kù)、密云水庫(kù)、洱海、太湖、長(zhǎng)江及長(zhǎng)江口等進(jìn)行了卓有成效的研究[5～10]。

利用EFDC的dye模塊對(duì)河流水質(zhì)進(jìn)行一維模擬是一種簡(jiǎn)單有效的水質(zhì)模擬方法，但該模式下模擬河流只能定義一個(gè)統(tǒng)一的衰減系數(shù)，而現(xiàn)實(shí)河流中往往閘壩較多，在閘壩密集的河段和無(wú)閘壩河段，河流污染物的衰減系數(shù)相差較大，因此往往會(huì)影響EFDC一維模擬的精準(zhǔn)度。

修建閘壩等水利工程是人類開發(fā)和利用水資源的有效手段，閘壩通過(guò)對(duì)水量的調(diào)控實(shí)現(xiàn)防洪、供水、灌溉、發(fā)電、航運(yùn)等功效的同時(shí)，污染物質(zhì)輸移過(guò)程也相應(yīng)發(fā)生變化，從而對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生一定影響。第一次全國(guó)水利普查成果顯示：截至2011年，中國(guó)共有水庫(kù)98002座、水電站46758座、過(guò)閘流量1m3/s及以上水閘268476座[11]。關(guān)于閘壩的界定，沒有權(quán)威的文獻(xiàn)進(jìn)行論述。我國(guó)學(xué)者索麗生[12]、夏軍[13]、林巍[14]、張永勇[15,16]、蔣艷[17]、左其亭[18,19]等在多個(gè)文獻(xiàn)中引用“閘壩”一詞。本文繼續(xù)沿用“閘壩”一詞，并界定為：具有防洪、排澇、拒咸蓄淡、灌概供水、通航養(yǎng)殖、景觀娛樂、生態(tài)保護(hù)等功能的平板閘、液壓升降閘、橡皮壩等水工構(gòu)筑物。從近期研究看，陳煉鋼[20、21]、呂菲菲[22]、劉子輝[23]、楊洵[24]、米慶彬[25]等學(xué)者均對(duì)多閘壩河流的水質(zhì)模擬進(jìn)行了研究，但使用MIKE和自研模型較多，采用EFDC的較少?；贓FDC探索一種簡(jiǎn)單的多閘壩河流水質(zhì)模擬方法對(duì)于河流水質(zhì)模擬具有重要意義，本文針對(duì)清潩河，采取分段模擬的方法解決了多閘壩河流EFDC一維模擬不準(zhǔn)確的問題，對(duì)相關(guān)研究具有指導(dǎo)意義。

2 清潩河流域概況

清潩河屬淮河流域沙潁河水系，發(fā)源于新鄭市，流經(jīng)長(zhǎng)葛市、許昌縣、魏都區(qū)(許昌市區(qū))、臨潁縣、鄢陵縣等縣(市、區(qū))，至鄢陵縣陶城閘下匯入潁河，全長(zhǎng)149 km，流域面積2362 km2，其中約67%在許昌境內(nèi)，主要擔(dān)負(fù)沿河區(qū)域防洪、排澇、納污及許昌市城區(qū)景觀水的重要功能。

清潩河干流上自增福廟水庫(kù)以下至匯入潁河口共有8閘2壩，基本分布于長(zhǎng)葛市、許昌市及許昌縣段，10個(gè)閘壩中有9個(gè)均位于此范圍內(nèi)。在用(處于調(diào)控狀態(tài))的閘壩為關(guān)莊閘、小黃橋閘、滹沱閘、建安大道橡膠壩、前進(jìn)路橡膠壩、祖師廟閘、陶城閘。閘壩的主要功能為調(diào)蓄清潩河許昌市區(qū)段水質(zhì)和水量。

3 模型概化方法

3.1 河流概化

結(jié)合清潩河流域河流水系情況和污染源分布情況，對(duì)清潩河流域進(jìn)行概化?，F(xiàn)狀情況下，清潩河干流長(zhǎng)葛段無(wú)水，自杜村寺閘下游才有杜村寺濕地排水，且杜村寺閘-祖師廟閘段河流基本處于靜穩(wěn)狀態(tài)，河水較深，與祖師廟下游段區(qū)別明顯，在進(jìn)行清潩河水動(dòng)力和水質(zhì)模擬的過(guò)程中，針對(duì)全段進(jìn)行模擬較為困難，且不符合客觀實(shí)際。因此，將清潩河干流分成兩段進(jìn)行模擬，即上段(杜村寺閘-祖師廟閘段)和下段(祖師廟閘-匯入潁河口段)，將上段模擬得出的河流出口處流量和水質(zhì)作為下段進(jìn)口處的邊界數(shù)據(jù)。

在清潩河干流由上游到下游選取點(diǎn)位進(jìn)行河底高程監(jiān)測(cè)。將對(duì)應(yīng)點(diǎn)位高程信息導(dǎo)入EFDC并進(jìn)行插值，得出清潩河干流的高程分布。

河道糙率選用季振剛的《水動(dòng)力學(xué)和水質(zhì)——河流、湖泊及河口數(shù)值模擬》一書中的河道糙率經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行設(shè)置[26]。清潩河上段大部分區(qū)域已經(jīng)過(guò)整治，河道情況已非自然狀態(tài)，介于普通的混凝土涂層和最優(yōu)條件下的泥土河道之間，其糙率取0.015。清潩河下段基本屬于天然狀態(tài)，具有平原地區(qū)天然河流的一般性特征，其糙率取為0.03。

3.2 閘壩設(shè)置

清潩河模擬河段內(nèi)對(duì)清潩河水流狀態(tài)有明顯影響的閘壩為小黃橋閘、建安大道橡膠壩、前進(jìn)路橡膠壩、祖師廟閘和陶城閘。小黃橋閘、建安大道橡膠壩、前進(jìn)路橡膠壩、祖師廟閘均為堰流，陶城閘為閘孔出流。在閘壩處需設(shè)置水工構(gòu)筑物邊界，將該水工構(gòu)筑物的過(guò)水流量導(dǎo)入模型。堰流和閘孔出流的流量計(jì)算方法如下：

3.2.1 堰流流量計(jì)算

堰流流量計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中，μ為淹沒系數(shù)，取1；ε為側(cè)收縮系數(shù)，取1；m為堰的流量系數(shù)(取0.36)；b為寬度，m；g為重力加速度，m/s2；H0為堰頂總水頭，m，當(dāng)堰前流速很小的情況下，H0近似為堰前水深和堰高的差值。

3.2.2 閘孔出流流量計(jì)算

閘孔出流流量計(jì)算公式為：

(2)

(3)

式(2)、(3)中，μ為流量系數(shù)；n為閘門開孔數(shù)；b為每孔的寬度，m；e為閘門開啟高度，m；H0為閘前全水頭，m，當(dāng)閘前流速很小的情況下，H0近似為閘上水深；H為閘上水深，m。

4 水動(dòng)力模擬

用2017年全年的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校準(zhǔn)。清潩河上段沒有流量、流速等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，清潩河上段由于閘壩眾多、蓄水量大，基本沒有流速，處于靜穩(wěn)狀態(tài)，所以清潩河上段水動(dòng)力模型校準(zhǔn)主要以水深對(duì)比為依據(jù)。清潩河下段臨潁高村橋斷面有流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此清潩河下段主要以流量對(duì)比為依據(jù)進(jìn)行水動(dòng)力模型校準(zhǔn)。

利用2017年數(shù)據(jù)模擬得出清潩河上段沿程水深變化。小黃橋閘上游由于沒有穩(wěn)定的匯流，導(dǎo)致在小黃橋閘處河水無(wú)法溢流；建安大道橡膠壩和前進(jìn)路橡膠壩處由于橡膠壩的截流作用，上游河水被雍高約5 m深；祖師廟閘處由于閘板的作用上游水位雍高約3.6 m，閘板上有水溢流。以上模擬情況與河流實(shí)際情況吻合，清潩河上段水動(dòng)力模型較為準(zhǔn)確。

利用2017年數(shù)據(jù)對(duì)清潩河下段水動(dòng)力進(jìn)行模擬，將臨潁高村橋斷面模擬流量與實(shí)測(cè)流量進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。實(shí)測(cè)流量與模擬流量較為吻合，平均誤差約為9%?？梢娗鍧澓酉露蔚乃畡?dòng)力模型較為準(zhǔn)確。

4 水質(zhì)模擬

采用2017年的數(shù)據(jù)對(duì)清潩河進(jìn)行模擬，經(jīng)過(guò)調(diào)整，將清潩河上段COD的衰減系數(shù)設(shè)置為0/d，下段COD的衰減系數(shù)設(shè)置為0.1/d。模擬得出清潩河107國(guó)道橋、鄢陵陶城閘2個(gè)斷面全年的水質(zhì)濃度變化，將其與實(shí)測(cè)值對(duì)比，如圖2～3所示。2個(gè)斷面的平均相對(duì)誤差分別為12.8%、4.5%。誤差較小，COD水質(zhì)模型較為準(zhǔn)確。

圖1 清潩河臨潁高村橋斷面流量對(duì)比

圖2 清潩河107國(guó)道橋斷面COD濃度對(duì)比

圖3 清潩河鄢陵陶城閘斷面COD濃度對(duì)比

5 結(jié)論

(1)在分段模擬的情況下，清潩河多閘壩的上段衰減系數(shù)設(shè)置為0/d時(shí)，水質(zhì)模型較為準(zhǔn)確，而下段衰減系數(shù)設(shè)置為0.1/d時(shí)，水質(zhì)模型較為準(zhǔn)確。

(2)同時(shí)可以看出，因景觀用水需求清潩河許昌市區(qū)段設(shè)置大量閘壩，河水較深，流動(dòng)遲緩，處于靜穩(wěn)狀態(tài)，加之河底和邊坡硬化導(dǎo)致河流失去自凈能力，而清潩河下段更為接近天然河流，對(duì)污染物仍保持一定的自凈能力。

本研究針對(duì)多閘壩河流，采用分段模擬的方法，解決了采用EFDC的dye模塊對(duì)河流的一維模擬中不能分段設(shè)置衰減系數(shù)的問題。該方法簡(jiǎn)單可行，結(jié)果可靠，對(duì)相似河流的模擬具有指導(dǎo)意義。