濟(jì)下水庫庫區(qū)水質(zhì)模擬與富營養(yǎng)化分析

邢慧芳

(浙江省文成縣水利局,浙江 文成　325300)

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濟(jì)下水庫庫區(qū)水質(zhì)模擬與富營養(yǎng)化分析

邢慧芳

(浙江省文成縣水利局,浙江 文成325300)

摘要：基于SMS綜合系統(tǒng)水質(zhì)分析軟件，建立了水庫水質(zhì)分析數(shù)學(xué)模型.隨后對(duì)濟(jì)下水庫庫區(qū)的總氮、總磷濃度分布情況進(jìn)行數(shù)值研究.并基于總氮、總磷濃度對(duì)庫區(qū)進(jìn)行富營養(yǎng)化分析，結(jié)論為應(yīng)該將入庫TP濃度控制在0.1 mg/L以下，將入庫TN濃度控制在1 mg/L以下；并認(rèn)為庫區(qū)從中營養(yǎng)狀態(tài)向輕度富營養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變.

關(guān)鍵詞：濟(jì)下水庫；水質(zhì)分析；富營養(yǎng)化；污染過程

0引言

自1960年起，學(xué)者們開始致力于水庫水質(zhì)的數(shù)值研究，經(jīng)過50多年的發(fā)展，水質(zhì)分析模型已經(jīng)逐漸完善，研究過程中出現(xiàn)了許多成果，極大的推進(jìn)了庫區(qū)水環(huán)境管理現(xiàn)代化[1].水質(zhì)分析模型可作為水庫綜合管理的參考，在水庫環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域起著重要作用.總氮(TN)、總磷(TP)是水質(zhì)分析需要測量的重要指標(biāo).縱觀國內(nèi)外研究進(jìn)展，美國、加拿大、英國等國對(duì)庫區(qū)水質(zhì)的數(shù)值研究處于先進(jìn)水平.1975年加拿大科學(xué)家Vollenweider提出了全球第一個(gè)水庫水質(zhì)模型，為水庫湖泊的富營養(yǎng)化研究奠定了理論基礎(chǔ)[2].隨后，學(xué)者們先后提出了Kirchner Dillon模型、維納恩湖LEEDS模型、Hwqnow模型、SMS模型、卡拉烏舍夫模型、華盛頓湖模型、EFDC模型等[3].本文基于SMS水質(zhì)分析軟件，研究了庫區(qū)總氮、總磷濃度分布情況.并基于總氮、總磷濃度對(duì)庫區(qū)進(jìn)行富營養(yǎng)化分析.希望對(duì)今后的水庫富營養(yǎng)化研究提供理論指導(dǎo).

1工程概況

濟(jì)下水庫位于文成縣黃坦鎮(zhèn)濟(jì)下村，在飛云江支流黃坦坑上游，距離黃坦鎮(zhèn)所在地約2.4 km.壩址以上集雨面積14.62 km2，主流長度6.37 km.大壩最大壩高20 m，壩型為土石混合壩，水庫總庫容62.36萬m3，正常庫容55.52萬m3，屬小(2)型水庫.濟(jì)下水庫是一座以發(fā)電為主并結(jié)合灌溉的綜合水庫，水系補(bǔ)給來源以地表徑流和大氣降水為主.水庫灌溉農(nóng)田面積約140 ha，發(fā)電裝機(jī)容量600 kW，保衛(wèi)下游村莊200余人的防洪安全.

大壩為土石混合壩，壩頂總長65 m，高程288.0 m.壩底基礎(chǔ)高程268.0 m，壩底寬度49.6 m.大壩迎水坡下部1 ∶2.43，上部1 ∶2.10，背水坡1 ∶1.0.壩頂上部設(shè)置C15混凝土防浪墻，墻頂高程289.20 m.壩體砌石料為花崗巖，砌塊石長度0.8～1.2 m，塊石短邊面不小于40 cm×40 cm，孔隙率35%.反濾層設(shè)置三層，第一層用5～7 cm卵石，第二層用2～5 cm卵石，第三層用粗砂，反濾層底部厚度1.8 m，頂部0.6 m.防滲斜墻采用當(dāng)?shù)貛靺^(qū)內(nèi)粘壤土，底厚24.25 m，頂寬1.5 m，每層鋪土厚20～25 cm.

水庫溢洪道為開敞式正槽、側(cè)槽混合式溢洪道，位于大壩左岸.溢流堰頂高程285.64 m，長度53.0 m，其中正槽長度11.05 m，側(cè)槽長度41.95 m，堰型為折線型實(shí)用堰，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu).溢洪道為山體開挖而成，為梯形斷面，寬度約12 m，底坡約10%.引水隧洞位于左岸山體，洞長53 m，矩形斷面型式，尺寸2 m×2 m，由于地形限制，在庫內(nèi)進(jìn)水口處沿山坡坡腳向庫區(qū)延伸45 m為漿砌石拱涵，斷面1.2 m×1.8 m，進(jìn)口采用2扇400 mm×600 mm鑄鐵平板閘門啟閉.

2庫區(qū)水質(zhì)分析模型

對(duì)于庫區(qū)水質(zhì)的數(shù)值分析而言，選擇一個(gè)能夠描述庫區(qū)水質(zhì)特征、準(zhǔn)確反映污染特性的數(shù)學(xué)模型十分重要.模型的選擇依賴于需要解決的問題種類、目標(biāo)函數(shù)、現(xiàn)有水質(zhì)信息等.濟(jì)下水庫是一個(gè)中小型水庫，密度分層不明顯，污染物在水平長度混合的時(shí)間較長，因此建立了平面二維水質(zhì)分析模型，利用SMS水質(zhì)分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬.SMS綜合水庫水質(zhì)分析模型由美國楊百翰大學(xué)開發(fā)，其包括：一維模型、二維模型、三維水動(dòng)力模型以及有限差分模型[4].該軟件可用于計(jì)算水庫水位、水質(zhì)變化、污染物濃度、水流速度等參數(shù)[5].通過大量是試驗(yàn)驗(yàn)證，SMS軟件計(jì)算出的水質(zhì)數(shù)據(jù)較為可靠.整個(gè)模型由連續(xù)性方程、兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方程和守恒方程組成.

其連續(xù)性方程為：

(1)

其中：h—水深；u—x方向的速度；

v—y方向的速度；t—時(shí)間.

X方向運(yùn)動(dòng)方程為：

2hωvsinφ=0

(2)

Y方向運(yùn)動(dòng)方程為：

2hωusinφ=0

(3)

污染物守恒方程：

(4)

其中：ρ—水的密度，kg/m3；

ρa(bǔ)—水的密度，kg/m3；

E—渦粘系數(shù)，無量綱；

ψ—風(fēng)速與x軸夾角，°；

z—水庫底部的高程，m；

w—當(dāng)?shù)仫L(fēng)速，m/s；φ—當(dāng)?shù)鼐暥龋悖?/p>

ω—地球自轉(zhuǎn)角速度，rad/s；

n—糙率系數(shù)，無量綱；

g—重力加速度，m/s2；

C—水庫中污染物的濃度，mg/L；

D—擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

k—有機(jī)物降解系數(shù)，d-1；S—漏與源.

本文通過對(duì)SMS軟件中的水質(zhì)分析模型，對(duì)濟(jì)下水庫的水質(zhì)情況進(jìn)行研究，得到了較為理想的結(jié)果.

3數(shù)值模擬結(jié)果分析與評(píng)估

基于濟(jì)下水庫的GPS測量資料，首先利用SMS軟件建立了邊界概化圖，并選擇Build Polygons模塊對(duì)概化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.劃分方式為：自動(dòng)生成二維網(wǎng)格，并根據(jù)濟(jì)下水庫的實(shí)際地形設(shè)置相應(yīng)的高程.本次建模將整個(gè)濟(jì)下水庫劃分為1430個(gè)單元.

3.1TP模擬結(jié)果

庫區(qū)水質(zhì)數(shù)值模擬在庫區(qū)二維流場模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行，選擇入庫流量分別為1 m3/s、2 m3/s、5 m3/s、10 m3/s，同時(shí)設(shè)計(jì)了4種不同TP入庫濃度，合計(jì)7種工況.各工況的流量、TP濃度情況(見表1).

表1　各工況的流量、TP濃度情況

從整個(gè)庫區(qū)的數(shù)值模擬來看，隨著入庫TP濃度的升高，水庫出現(xiàn)了由入庫口向東北出庫口延伸的污染區(qū)域，此區(qū)域明顯的分為3部分，其水質(zhì)分別為超V類、V類和IV類.圖1給出了相同入庫流量、不同TP入庫濃度下試驗(yàn)斷面TP濃度分布情況.

由圖1可知，當(dāng)左岸距離小于12.47 km時(shí)，4種工況下的TP濃度基本保持不變.但由于污染物在庫區(qū)中部的停留時(shí)間小于其它區(qū)域，導(dǎo)致主流區(qū)TP濃度略有升高.當(dāng)左岸距離為14.38 km時(shí)，除2-1工況的TP濃度下降到0.037 mg/L外，其余工況的TP濃度均有不同程度的升高.此時(shí)，4種工況的TP濃度依次是：0.037 mg/L、0.06 mg/L、0.103 mg/L、0.125 mg/L.圖2給出了相同TP入庫濃度、不同入庫流量下試驗(yàn)斷面TP濃度分布情況.

圖2中的4種工況TP濃度曲線趨勢與圖1類似，當(dāng)左岸距離為14.38km時(shí)，4種工況的TP濃度依次是：0.045 mg/L、0.06 mg/L、0.08 mg/L、0.089 mg/L.2—4工況的TP入庫濃度是2—1的5倍，流經(jīng)試驗(yàn)斷面時(shí)，2—4工況的TP濃度是2—1的3.35倍.4—2工況入庫流量為2—2工況的5倍，而4—2工況TP濃度是2—2的1.48倍.由此可知，入庫TP濃度對(duì)庫區(qū)水質(zhì)影響大于入庫流量，原則上應(yīng)該將入庫TP濃度控制在0.1 mg/L以下.

圖1　入庫濃度不同情況下庫區(qū)TP濃度分布

圖2　入庫流量不同情況下庫區(qū)TP濃度分布

3.2TN模擬結(jié)果

庫區(qū)TN水質(zhì)數(shù)值模擬過程與TP類似，選擇入庫流量分別為1 m3/s、2 m3/s、5 m3/s、10 m3/s，同時(shí)設(shè)計(jì)了4種不同TN入庫濃度，合計(jì)7種工況.各工況的流量、TN濃度情況見表2.此次研究的試驗(yàn)斷面位于TP試驗(yàn)斷面的北部，最大寬度為3.38 km.

表2　各工況的流量、TN濃度情況

從分析結(jié)果看，TN濃度分布規(guī)律與TP分布規(guī)律完全一致，污染區(qū)域也分為3部分，其水質(zhì)情況與TP污染區(qū)域相同.圖3給出了相同入庫流量、不同TN入庫濃度下試驗(yàn)斷面TN濃度分布情況.

TN入庫濃度越大，試驗(yàn)斷面上的TN濃度越大，此規(guī)律在左岸距離大于2.07 km時(shí)才能體現(xiàn).TN濃度變化曲線與TP曲線不同，除3—4工況的TN濃度上升到1.67 mg/L外，其余工況的TN濃度均有不同程度下降.分析其原因，可能是由于該試驗(yàn)斷面中間流速大，兩端流速小導(dǎo)致的.整個(gè)斷面上的TN濃度均滿足III類水質(zhì)，說明污染區(qū)并未到達(dá)該斷面.此時(shí)，4種工況的TN濃度依次是：0.87 mg/L、0.98 mg/L、1.06 mg/L、1.67 mg/L.圖4給出了相同TN入庫濃度、不同入庫流量下試驗(yàn)斷面TN濃度分布情況.

圖3　入庫濃度不同時(shí)下庫區(qū)TN濃度分布

圖4　入庫流量不同時(shí)下庫區(qū)TN濃度分布

入庫TN濃度相同時(shí)，入庫流量越大，TN濃度越高，此規(guī)律出現(xiàn)在左岸距離大于2.07 km的測點(diǎn).4種工況的TN濃度依次是：0.89 mg/L、0.95 mg/L、1.08 mg/L、1.26 mg/L.TN入庫濃度變?yōu)樵瓉淼?倍時(shí)，試驗(yàn)斷面TN濃度是原來的1.92倍；入庫流量變?yōu)樵瓉淼?倍，試驗(yàn)斷面TN濃度是原來的1.2倍.由此可知，入庫TN濃度對(duì)庫區(qū)水質(zhì)影響大于入庫流量，因此應(yīng)該將入庫TN濃度控制在1 mg/L以下.

4庫區(qū)富營養(yǎng)化研究

庫區(qū)的富營養(yǎng)化研究方法主要有：特征法、評(píng)價(jià)法、營養(yǎng)指數(shù)法、參數(shù)法等.本文主要利用營養(yǎng)指數(shù)法對(duì)濟(jì)下水庫進(jìn)行富營養(yǎng)化研究.營養(yǎng)指數(shù)法將單一評(píng)價(jià)因子擴(kuò)展為多個(gè)，評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確.基于前文的研究，評(píng)價(jià)因子選擇：TP、TN、葉綠素、透明度、高錳酸鉀指數(shù).

其中：Wj—第j種參數(shù)的權(quán)重；rij—相關(guān)系數(shù)；

TLI(j)—第j種參數(shù)的營養(yǎng)指數(shù)；

m—評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù).

根據(jù)濟(jì)下水庫2014年1月和10月兩次監(jiān)測結(jié)果，首先對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，隨后利用綜合營養(yǎng)指數(shù)法進(jìn)行富營養(yǎng)化評(píng)價(jià).由于1月份的測點(diǎn)較少，因此僅對(duì)部分測點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià).評(píng)價(jià)結(jié)果(見圖5).

圖5　庫區(qū)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)曲線

由圖5可知，1月份庫區(qū)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)平均值為48.7，10月份為52.9.從營養(yǎng)區(qū)域劃分情況看：1月份的中營養(yǎng)區(qū)占61.5%，輕度富營養(yǎng)區(qū)占38.5%；10月份的中度營養(yǎng)區(qū)占13.7%，輕度富營養(yǎng)區(qū)占86.3%.可見，2014年庫區(qū)從中營養(yǎng)狀態(tài)向輕度富營養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，針對(duì)此現(xiàn)象的出現(xiàn)，建議相關(guān)部門采取整治污染企業(yè)，增加人工濕地，攔截污染源等措施.

5結(jié)論

水質(zhì)分析模型可作為水庫綜合管理的參考，在水

庫環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域起著重要作用.基于SMS水質(zhì)分析軟件，研究了庫區(qū)總氮、總磷濃度分布情況.并基于總氮、總磷濃度對(duì)庫區(qū)進(jìn)行富營養(yǎng)化分析.研究表明：

(1)應(yīng)該將入庫TP濃度控制在0.1 mg/L以下；

(2)應(yīng)該將入庫TN濃度控制在1 mg/L以下；

(3)庫區(qū)從中營養(yǎng)狀態(tài)向輕度富營養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變.

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Numerical Simulation of Reservoir Water Quality and Eutrophication Analysis

XING Hui-fang

(Wencheng Water Conservancy Bureau, Wencheng 325300, China)

Abstract:Water quality analysis can provide scientific basis for reservoir water environment management. It also plays an important role in the field of water environment protection and ecological evaluation. The mathematical model for reservoir water quality analysis is established based on SMS synthesis system. And the total nitrogen, total phosphorus concentration distributions are numerically studied, therefore, the analysis on reservoir eutrophication is conducted, keeping the TP concentration in storage below 0.1 mg/L, while the TN concentration below 1 mg/L. The results provide theoretical reference to the research on reservoir eutrophication in the future.

Key words:Jixia Reservoir; water quality analysis; eutrophication; pollution process

收稿日期：2016-01-21

作者簡介：邢慧芳(1975-)，女，浙江文成人，工程師，研究方向：水利水電工程.

中圖分類號(hào)：X524

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-536X(2016)04-0064-04