臨淮崗工程不同蓄水條件下的水質(zhì)可達性分析

胡開明,逄 勇,2,王 華,屈 健,田 威

(1.河海大學環(huán)境科學與工程學院,江蘇 南京 210098;2.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室,江蘇南京 210098;3.江蘇省水文水資源勘測局,江蘇南京 210029)

水質(zhì)模型是預測評價水環(huán)境的重要手段之一。在研究工程、工業(yè)廢水及生活污水的環(huán)境影響時,往往需要二維動態(tài)模型進行分析研究。近幾十年來,國內(nèi)外許多學者已做了大量研究工作,提出了各種方法的水質(zhì)模型,包括有限差分法、有限單元法、特征線法及有限體積法,等等[1]。筆者建立了二維非穩(wěn)態(tài)FVS格式水流水質(zhì)模型,對淮河干流中游戰(zhàn)略性大型防洪控制工程臨淮崗水庫不同蓄水條件下的水流水質(zhì)過程進行了數(shù)值模擬,計算了臨淮崗不同庫容條件下庫區(qū)北部農(nóng)業(yè)用水時的庫區(qū)水質(zhì)濃度場分布,對水質(zhì)可達性進行了研究。

1 研究區(qū)域

臨淮崗控制工程地處淮河中游,為黃淮海平原南緣。興建之初其主要功能定位是洪水控制(即除害),臨淮崗洪水控制工程與上游的山谷水庫、中游的行蓄洪區(qū)、淮北大堤以及茨淮新河、懷洪新河共同構(gòu)成淮河中游綜合防洪體系。工程按100年一遇壩前設(shè)計洪水位為28.41m,滯洪庫容為85.6億m3。工程建成后,可以利用河道蓄水。初步研究河道興利水位20.3 m、21.0m、22.0m 3個方案,死水位按17.0m考慮,河道蓄水興利庫容分別為0.65億m3、0.90億m3和1.42億m3,一般情況下工程在汛期蓄水量可達1.2億～2.0億m3,這部分水資源的綜合利用將對該地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展起到非常積極的促進作用。由于該地區(qū)水環(huán)境問題較為突出,工程綜合利用對水環(huán)境的影響以及水環(huán)境對綜合利用的影響都需要進行深入全面的研究,以確保水資源綜合利用效益的完成。本文研究區(qū)域為臨淮崗工程淹沒區(qū),上起王家壩,下至臨淮崗壩前,面積為1469km2。庫區(qū)北部有4個取水口(揚圩、南照集、潤河集、半崗),可進行農(nóng)業(yè)灌溉取水,見圖1。

圖1 研究區(qū)域示意圖

2 二維非穩(wěn)態(tài)FVS格式水流-水質(zhì)模型

2.1 基本方程

二維淺水方程和對流-擴散方程的守恒形式可表達為[2-3]:

式中:h為水深;u、v為x、y方向垂線平均水平流速分量;g為重力加速度;S0x、S0y分別為x、y向的河底底坡;Sfx、Sfy為x、y向的摩阻底坡;C為污染物的垂線平均濃度;Dx、Dy為x、y方向污染物擴散系數(shù);K為污染物降解系數(shù);S為污染物源匯項。

2.2 數(shù)值解法

水量、水質(zhì)模型可統(tǒng)一寫為以下形式[4-5]:

式中:q為守恒物理量;f(q)、g(q)分別為 x、y方向通量;b(q)為源匯項。

定義矩陣F(q)=[f(q),g(q)]T,在任意形狀的單元 Ω上采用有限體積法對式(2)進行積分離散后的表達式為:

式中:A為 Ω的面積;m為單元邊總數(shù);Lj為單元第j邊的長度;f與 g具有旋轉(zhuǎn)不變性,滿足=T(Φ)q,T(Φ)和T(Φ)-1為坐標旋轉(zhuǎn)變換集逆變換矩陣;源匯項b(q)=[0,gh(S0x-Sfx),gh(S0y-Sfy),▽(Di▽(hC))+S-KhC]T,▽為梯度算子;f(ˉq)為法向通量,通過求解局部一維黎曼初值問題的外法向數(shù)值通量fLR得到。

一維黎曼初值問題可表達為[6-7]:

FVS(通量向量分裂)格式為Steger-Warming于1979年提出并被應(yīng)用于二維淺水方程數(shù)值解的格式。其主要方法是應(yīng)用特征理論并根據(jù)特征值的符號將法向數(shù)值通量分裂成前向通量和后向通量進行求解,具體解算過程詳見參考文獻[1]。

2.3 率定驗證

運用2006～2007年臨淮崗水庫野外實測水質(zhì)結(jié)果,對臨淮崗水流水質(zhì)模型計算參數(shù)進行率定驗證,結(jié)果表明:計算結(jié)果與實測值擬合效果較好,平均相對誤差在10%～20%之間,所建模型能夠較準確地反映臨淮崗水流水質(zhì)濃度的動態(tài)變化過程[8-10]。率定得到縱向及橫向擴散系數(shù)分別取為60m2/s和0.6m2/s,COD、NH3-N和TP的降解系數(shù)分別取0.1d-1、0.08d-1和0.07d-1。圖2給出水質(zhì)參數(shù)計算值與實測值的對比結(jié)果。

圖2 模型率定驗證結(jié)果

3 臨淮崗工程水質(zhì)可達性研究

3.1 計算條件

資料來源:選用1972—2005年臨淮崗上游淮河干流潤河集、王家壩以及淮濱,洪河班臺,史河蔣家集水文站(具體位置見圖1)的流量、水位實測資料進行頻率分析。

水文頻率分析:臨淮崗上游主要水文站入庫徑流頻率分析結(jié)果見圖3。由圖3可知:臨淮崗上游枯水期流量在90%保證率下的最小月平均流量值為40m3/s。

圖3 臨淮崗上游枯水期流量頻率分析

設(shè)計庫容選取:考慮到臨淮崗工程的可能調(diào)度情況,選取臨淮崗工程在進行水資源利用方面的設(shè)計庫容為:1.20億m3、1.45億m3、1.97億m3,將這 3個庫容作為臨淮崗工程水資源綜合利用時的計算設(shè)計庫容條件。

3.2 水質(zhì)可達性分析

a.計算方案。本研究主要計算現(xiàn)狀污染源、不同水文及庫容條件下臨淮崗水庫的水質(zhì)濃度場分布。水資源綜合利用時水庫水質(zhì)濃度場計算方案見表1。

表1 水資源綜合利用情況下水質(zhì)濃度場計算方案

b.計算結(jié)果與討論。在計算初始條件為功能區(qū)水質(zhì)時,臨淮崗水庫入庫流量為90%保證率,庫容為1.20億m3、1.45億m3、1.97億m3,以及上游水質(zhì)邊界為枯水期水質(zhì),且?guī)靺^(qū)北部進行農(nóng)業(yè)灌溉用水取水時(最不利條件下)的臨淮崗水質(zhì)濃度場分布見圖4～6。

計算結(jié)果表明:

a.當上游來水邊界為功能區(qū)水質(zhì)時,臨淮崗壩前COD、NH3-N和TP質(zhì)量濃度都能達到Ⅲ類水標準;當邊界條件為枯水期水質(zhì)時,臨淮崗壩前的NH3-N質(zhì)量濃度超標,超標率為28%,COD及TP均能達標。

圖4 COD濃度分布

圖5 NH3-N濃度分布

圖6 TP濃度分布

b.在計算初始條件為功能區(qū)水質(zhì)、計算上游邊界條件為枯水期水質(zhì)的最不利條件下,庫區(qū)北部農(nóng)業(yè)灌溉用水取水時的水質(zhì)可滿足農(nóng)業(yè)用水的Ⅴ類水質(zhì)要求。

c.根據(jù)水質(zhì)計算結(jié)果,庫區(qū)北部不取水條件下(庫容1.2億m3,計算初始條件為功能區(qū)水質(zhì),計算邊界為枯水期水質(zhì)),楊圩、南照集、潤河集、半崗4個取水口 ρ(NH3-N)分別為 1.58mg/L、1.51mg/L、1.40 mg/L、1.32mg/L;對應(yīng)庫區(qū)北部取水條件下,4個取水口ρ(NH3-N)分別增加至1.59mg/L、1.54mg/L 、1.45mg/L 、1.37mg/L;庫區(qū)北部取水條件下取水口ρ(NH3-N)較不取水條件下平均約增加了2.42%。

4 結(jié) 論

本文建立了臨淮崗工程淹沒區(qū)二維非穩(wěn)態(tài)FVS格式水流-水質(zhì)模型,以90%保證率下的最小月平均流量作為水文設(shè)計條件,對水資源綜合利用情況下研究區(qū)域水流水質(zhì)進行了模擬計算,從而定量分析了臨淮崗不同運行工況下淹沒區(qū)水質(zhì)情況。對初始條件為功能區(qū)水質(zhì),臨淮崗水庫入庫流量為90%保證率,庫容為 1.20億 m3、1.45億 m3、1.97億 m3,以及不同上游水質(zhì)邊界條件下的臨淮崗水質(zhì)濃度場分布進行計算,結(jié)果表明:

a.二維非穩(wěn)態(tài)FVS格式水流-水質(zhì)模型具有較高的計算精度,可用于水流水質(zhì)過程模擬計算。

b.只要上游來水滿足功能區(qū)水質(zhì)要求,臨淮崗壩前COD、NH3-N和TP質(zhì)量濃度都能達到Ⅲ類水標準。

c.即使在最不利情況下(計算初始條件為功能區(qū)水質(zhì)、計算上游邊界條件為枯水期水質(zhì)時),庫區(qū)北部取水口水質(zhì)也可滿足農(nóng)業(yè)用水的V類水質(zhì)要求,對農(nóng)業(yè)灌溉不會造成影響。

d.從庫區(qū)整體水質(zhì)濃度場分布態(tài)勢來看:庫區(qū)北部農(nóng)業(yè)灌溉用水取水時的水質(zhì)濃度場要劣于北部不取水時的水質(zhì)濃度場,這主要是因為庫區(qū)北部農(nóng)業(yè)灌溉用水取水時流速增大,污染物容易向下游擴散所致。

綜上所述,臨淮崗工程建設(shè)運行后,只要上游來水滿足功能區(qū)水質(zhì)要求并科學運用、合理調(diào)度,使該工程在中小洪水時期,不失時機地適度蓄洪蓄水,既可減少下游行蓄洪區(qū)的損失,還可帶來不可估量的灌溉、航運、旅游、養(yǎng)殖、發(fā)電及生態(tài)等綜合效益。

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