基于Delft3D模型的三峽航道環(huán)保疏浚水質數值模擬研究*

雷曉玲　袁廷　楊程　丁娟

(1.重慶市科學技術研究院　重慶 401123；　2.重慶交通大學河海學院 　重慶 400074)

?

基于Delft3D模型的三峽航道環(huán)保疏浚水質數值模擬研究*

雷曉玲1，2袁廷2楊程1丁娟2

(1.重慶市科學技術研究院重慶 401123；2.重慶交通大學河海學院 重慶 400074)

摘要以忠縣皇華城河段為例，利用Delft3D數學模型對三峽航道環(huán)保疏的水質變化進行了數值模擬。結果表明：疏浚工程的進行對河道水質環(huán)境影響比較明顯，隨水流方向污染物質量濃度上升速率變慢，在疏浚點污染物質量濃度上升245 mg/L，疏浚點下方4 km處污染物質量濃度上升約為20 mg/L，河段末端污染物質量濃度上升約為14 mg/L；疏浚工程結束后，河段的水體水質能夠較快得到恢復，離疏浚點越近恢復得越快，疏浚結束1 d后污染物質量濃度基本已恢復到本底值，疏浚工程對水環(huán)境的影響可以較快得到恢復。

關鍵詞Delft3D模型三峽環(huán)保疏浚數值模擬

Study on Numerical Simulation of Water Quality in Three Gorges Channel Environmental Dredging Based on Delft3D Model

LEI Xiaoling1，2YUAN Ting2YANG Cheng1DING Juan2

(1.ChongqingAcademyofScienceandTechnologyChongqing401123)

AbstractTaking the Zhongxian Huanghuacheng river reach as an example, the water quality changes in Three Gorges channel environmental dredging is simulated based on Delft3D model. The results show that the dredging project has obvious impacts on water quality, following the flow direction, the pollutant concentration rises to be slower, the pollutant concentration has increased 245 mg/L at the dredging point, about 20 mg/L 4 km away from the dredging point and about 14 mg/L at the end of the river reach respectively; after the end of dredging, the water quality of the river reach can be quickly recovered, the closer to the dredging point, the faster water quality recovered, the pollutant concentration can be mostly returned to the background value 1 day after the end of dredging and the impact of dredging project on water quality can be recovered quickly.

Key WordsDelft3D modelThree Gorgesenvironmental dredgingnumerical simulation

0引言

三峽水庫運行后的泥沙與水質問題是倍受關注的兩個重大而又十分復雜的問題，長期以來一直是三峽工程生態(tài)環(huán)境領域的研究熱點[1]。泥沙的累積增加對航道的正常作業(yè)產生負面影響，底泥中所含的污染物也惡化水體水質。

疏浚工程可清除污染底泥，常規(guī)疏浚主要以增加水體庫容維持航道深度為目的，忽略了疏浚過程中對水環(huán)境的影響。為改善環(huán)境為目標的疏浚，稱為環(huán)保疏浚[2]。環(huán)保疏浚的任務是清除及處置水體中的污染沉積物即污染底泥，使用專用設備并采用水力疏浚的方法將污染底泥挖除掉，最后對挖除后的污染底泥進行安全處理[3]。

疏浚工程的展開會引起底泥污染物向水體中釋放，由于疏浚工程耗資巨大，且工程環(huán)境效應的不確定性，所以需要在疏浚工程實施前，對疏浚工程可能會帶來的環(huán)境效應進行深入的研究[2]。因此，本文通過Delft3D模型對三峽航道疏浚過程中及疏浚結束后的水質進行數值模擬，考察疏浚工程對水環(huán)境的影響，為三峽航道的疏浚作業(yè)提供理論依據。

1典型淤積河段的選擇

自2003年6月開始，三峽水庫建成并蓄水，此后水庫泥沙沖淤特性發(fā)生了明顯的變化。主要的泥沙累積性淤積發(fā)生在彎曲河段和寬谷河段等11個關鍵領域。其中，寬谷河段主要包括西陵峽上段、臭鹽磧、壩前、大寧河口等4個重點沉積區(qū)，彎曲河段包括忠州三彎、鳳尾壩、云陽彎道、土腦子、萬州關刀磧、青巖子、蘭竹壩彎道等7個重點沉積區(qū)。

忠州三彎是一個泥沙累積性淤積非常嚴重的一個地區(qū)，而其中的忠縣皇華城河段由于其既有彎道又有左右分汊的獨特地形，使其泥沙淤積現象更加嚴重。因此，本研究選用忠縣皇華城河段作為水質模擬研究對象。

2忠縣皇華城河段水質數值模擬

2.1水質模型的選擇

水質模型在研究水體環(huán)境變化方面有著重要的作用，主要的作用便是用以描繪水體中污染物的分布變化規(guī)律?？紤]研究對象的空間規(guī)模和污染物質在水環(huán)境中的分散情況的不同，水質模型可分為零維、一維、二維、三維水質模型。

二維水質模型認為污染物的排放在橫向以及縱向上非常不均勻，處于不斷變化的情況，而在水深方向上污染物是均勻的[4]。本研究主要考察疏浚開挖點逸散出的污染物隨時間變化在水平面上的擴散情況，故選用二維水質模型，且忽略污染物的降解過程，認為污染物是不會發(fā)生化學生物反應的，觀察其隨時間在二維平面上的分布情況。

2.2水動力耦合

水質的模擬需要建立在水動力的基礎上，水動力提供了河流的地形及水體流態(tài)等資料，為水質的模擬提供了可能。本研究在水質模擬前，先進行了水動力模擬。

計算模型的地形邊界由實測資料給定，計算長江自獨珠咀到毛家灣的長14 km的忠縣皇華城河段水環(huán)境狀況，河段邊界如圖1。由于9月是疏浚工程集中進行的時段，因而本次模擬選擇的時段為9月。水動力模型共模擬了忠縣皇華城河段2 d內的水動力情況，選擇的時間是2014年9月1日0點到2014年9月3日0點，上下游基礎資料見表1。

表1　忠縣皇華城河段上下游基礎資料

圖1　忠縣皇華城河段邊界

根據以上資料進行水動力模擬，將水動力產生的通信文件進行耦合，使其可直接應用于水質模擬。水質模擬采用的水動力時間是從2014年9月2日0點到9月3日0點進行耦合，時步為10 min，聚合形式采用移除閑置的網格。

2.3水質模型參數設定

疏浚工程對水質影響最大的是COD質量濃度的增加，本研究主要模擬疏浚過程中COD的變化。

2.3.1初始條件

初始條件中需要設置水體在疏浚之前的水質情況，設置水體中CODMn的本底值為20 mg/L；邊界條件中設置河段的入口與出口CODMn的值為20 mg/L；過程參數設置水體水平流速為1 m/s；數值選項中選擇Delft3D提供的水質計算方法中的第10種方法；輸出選項中采用質量平衡的方式進行；離差采用默認值。

2.3.2時間框架

水質模擬的時間采用2014年9月2日到9月12日10 d，這樣在水質模擬中水動力會循環(huán)10次，即水動力1 d的模擬資料會在水質模擬中自動循環(huán)10次以模擬10 d的水質情況。

2.3.3排放點

排放點主要是對污染物排放點的設置，本研究是研究疏浚過程中污染物的擴散情況，因此定義疏浚點為污染物排放點。本次模擬疏浚點如圖2中所示，設置該疏浚點離上游入口邊界距離為400 m，設置為中心排放。通過實測資料[5]，在環(huán)保疏浚過程中該排放點排污量為1 500 m3/s，污染物質量濃度以CODMn計，其質量濃度為350 mg/L。由于1 d內疏浚施工的時間約為12 h，故本次水質模擬排放點污染物排放時間設置為12 h。

圖2　污染物排放點設置

3水質數值模擬結果分析

3.1疏浚時污染物擴散情況

疏浚12 h過程中的河道水質變化情況如圖3、圖4。疏浚開始后，在水流作用下，污染物沿著水流方向逐漸擴散，隨著時間增加污染物分布的河段越長。疏浚工程大概進行4 h后，污染物擴散到忠縣皇華城河段的末端，此時忠縣皇華城河段末端CODMn質量濃度為25 mg/L。到疏浚進行8 h的時候，忠縣皇華城河段末端CODMn質量濃度為34 mg/L，從此時到疏浚進行12 h的過程中河道內污染物分布情況基本穩(wěn)定，沒有太大變化。由于本次模擬的是惰性污染物在水體中的遷移變化，因而污染物在水中主要是進行的是物理作用，化學及生物作用影響不大，可暫不考慮。污染物進入水體后，在水體中稀釋擴散，并隨著水流向下游流動，因此隨著疏浚時間的增加，污染物分布的河段會越來越長，影響的區(qū)域越來越大。當疏浚進行到一定階段時，污染物擴散的區(qū)域會越來越大，但是在前一部分空間區(qū)域內污染物的分布情況變化不大，這是因為在這部分空間區(qū)域內污染物的輸入和輸出基本平衡，因而從疏浚進行8 h到12 h的過程中忠縣皇華城河道內污染物分布情況基本穩(wěn)定，沒有太大變化。

圖3　疏浚開始前污染物質量濃度分布

圖4　疏浚后污染物質量物濃度分布

沿水流方向污染物質量濃度逐漸下降，在疏浚點污染物質量濃度在240 mg/L～265 mg/L之間，集中在250 mg/L左右，沿著水流方向，污染物質量濃度逐漸下降到本底值。這是因為在疏浚點附近污染物量比較大，稀釋擴散得較少，因而其質量濃度很高，但是污染物沿著水流向下游進行時，越來越得到充分的稀釋擴散，其污染物的質量濃度會沿著水流方向漸漸減小。疏浚8 h后，忠縣皇華城河段河道內污染物分布情況基本穩(wěn)定，從疏浚點到河段4 km處，污染物質量濃度沿河流方向下降趨勢明顯，從250 mg/L左右下降到40 mg/L左右；4 km后污染物質量濃度下降變緩，從4 km到14 km內污染物質量濃度下降量不足10 mg/L。這是由于河道內離疏浚點不遠處污染物質量濃度較高，與水體中污染物質量濃度本底值差異較大，因而在水體中迅速得到稀釋擴散作用，使其污染物質量濃度有著明顯的下降趨勢，但污染物隨著水流向下游流動，質量濃度越來越低，與污染物質量濃度本底值差距越來越小，因而其稀釋擴散作用越來越不明顯，于是河段內后半部分的污染物質量濃度下降變緩。

3.2疏浚結束后污染物擴散情況

疏浚結束后忠縣皇華城河段的水體污染物變化情況如圖5、圖6，主要是模擬疏浚結束后水體的自凈能力。疏浚剛結束的40 min內，疏浚點污染物質量濃度依然很高，從疏浚點開始沿河流方向污染物質量濃度逐漸降低，但是隨著時間增加，疏浚點質量濃度降低。這是由于疏浚剛結束時，疏浚點依然會釋放出部分污染物，因此疏浚點依然是污染源，故疏浚點污染物質量濃度依然很高，但是隨著時間的增加，疏浚點逐漸趨于穩(wěn)定，釋放出的污染物逐漸減少，從而疏浚點污染物質量濃度逐漸降低。到疏浚結束1 h的時候，疏浚點污染物質量濃度低于其后河段的污染物質量濃度，這是因為此時疏浚點不再釋放污染物，不再是污染源，由于上游來水的原因，污染物得到稀釋擴散，從而質量濃度降低，又由于疏浚點最先得到上游來水的稀釋作用，因而疏浚點污染物質量濃度開始低于其后河段的污染物質量濃度。

從圖5、圖6可以看出，當疏浚點不再釋放污染物后，隨著時間增加，河段內污染物質量濃度逐漸降低。通過疏浚結束1 h以及疏浚結束2 h的污染物質量濃度分布圖可以看出，在疏浚點停止釋放污染物的初期，主要受到上游來水稀釋的影響，越靠近疏浚點，污染物質量濃度越先下降，離疏浚點距離越遠，污染物質量濃度下降越遲。隨著時間的繼續(xù)增加，CODMn質量濃度在整個河段內得到一定的下降。由于上游來水的稀釋以及下游擴散的綜合影響，CODMn質量濃度在河道流向上出現不規(guī)則變化，但總體而言其質量濃度都是隨時間的增加而下降的。到疏浚結束1 d時，河段內CODMn質量濃度基本已恢復到本底值，只有部分高于本底值，也控制在20.4 mg/L范圍內。從疏浚結束2 d后到8 d，河段內污染物質量濃度已恢復正常。

從圖5、圖6可以看出，污染物質量濃度隨流向距離的變化高低交錯，呈現出不規(guī)則性。這種現象發(fā)生的原因是因為忠縣皇華城河段并不是一條規(guī)則的河段，河道分汊存在一些環(huán)流，在水流稀釋擴散的綜合影響下，導致了污染物質量濃度變化的不規(guī)則性。

圖5　疏浚結束1 h內污染物質量濃度分布

圖6　疏浚結束2 h后污染物質量濃度分布

4結論

利用Delft3D數學模型對三峽航道環(huán)保疏的水質變化進行數值模擬可發(fā)現：疏浚工程的進行對河道水質環(huán)境影響比較明顯，尤其是在疏浚地點下方不遠處，污染物質量濃度迅速上升，且上升很多，最高可使其污染物質量濃度上升245 mg/L，但是隨著水流向下游方向污染物質量濃度上升得越來越少，且上升得越來越慢，疏浚8 h后，疏浚點下方4 km處污染物質量濃度上升約20 mg/L，其后質量濃度上升越來越少，忠縣皇華城河段末端污染物質量濃度上升約為14 mg/L。

疏浚工程結束后，忠縣皇華城河段的水體水質能夠較快得到恢復，離疏浚點越近恢復得越快，越遠恢復得越慢，疏浚結束1 d后污染物濃度基本已恢復到本底值，疏浚的影響基本消除，水體自凈能力較好，疏浚工程對水環(huán)境的影響可以較快得到恢復。

參考文獻

[1]黃真理,李玉梁,陳永燦,等.三峽水庫水質預測和環(huán)境容量計算[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[2]鐘繼承,范成新.底泥疏浚效果及環(huán)境效應研究進展[J].湖泊科學,2007,19(1):1-10.

[3]李進軍.污染底泥環(huán)保疏浚技術[J].中國港灣建設,2005(6):46-47,65.

[4]吳小一.河流水環(huán)境數值模擬及可視化研究[D].重慶:重慶大學,2006.

[5]雷曉玲,彭小蘭,黃媛媛,等.抓斗式疏浚設備對底泥污染物釋放規(guī)律的研究[J].環(huán)境工程, 2015,33 (4):97-100.

袁廷，男，1991年生，重慶交通大學碩士，主要研究方向為水污染治理研究。

(收稿日期：2015-07-01)

作者簡介雷曉玲，女，1967年生，教授，清華大學環(huán)境科學與工程碩士，加拿大不列顛哥倫比亞大學環(huán)境工程碩士，重慶市科學技術研究院低碳中心負責人，主要研究方向為城市給水排水水質、工藝及管網系統研究，水環(huán)境污染物流動、擴散機理研究，城市水務管理。

*基金項目：國家科技支撐計劃專題“三峽水庫綠色航道施工技術研究”(2011BAB09B0103)，重慶市科技研發(fā)基地建設計劃項目“中-加三峽水域國際科技合作示范基地”(cstc2013gjhz20001)。