坪上水庫(kù)庫(kù)區(qū)水質(zhì)預(yù)測(cè)研究

田志靜，馮民權(quán)，南 朝

（1.西安理工大學(xué) 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710048；2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，西安710043）

0 引 言

水庫(kù)水深大，蓄水多，經(jīng)濟(jì)效益明顯，具有重大的社會(huì)影響。但是，水庫(kù)在發(fā)揮巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，一定程度上也改變了自然河流的屬性，有可能帶來一系列的環(huán)境問題［1－3］。水庫(kù)蓄水以后，水深及水面積都有大幅度的增加，水流變緩，將根本上改變?cè)瓉硭鞯男再|(zhì)，水利水電工程對(duì)河道徑流的調(diào)節(jié)，將使庫(kù)區(qū)及壩址下游河段的水文情勢(shì)發(fā)生顯著變化，對(duì)水質(zhì)造成影響。因此，在充分調(diào)查現(xiàn)有污染源及水文條件的基礎(chǔ)上，對(duì)水庫(kù)運(yùn)行后水質(zhì)影響進(jìn)行了預(yù)測(cè)。為了解水質(zhì)變化，采取一系列措施對(duì)水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)水庫(kù)進(jìn)行控制。在這些措施中數(shù)值模擬方法則在近年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用，根據(jù)不同需要水質(zhì)模型［4－6］可以分為零維、一維、二維和三維，雖然二維的河流模型是常見的，但在典型情況下，水庫(kù)往往被當(dāng)作一維來處理，同時(shí)沿垂直方向有梯度。許多數(shù)值模型具有一維，二維和三維模擬模型，王哲等［7］用MIKE21對(duì)湖泊水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，為湖泊設(shè)計(jì)和管理提供科學(xué)依據(jù)；孫文章等［8］采用WASP子程序EUTRO模塊對(duì)東昌湖各湖區(qū)特定時(shí)段的水質(zhì)進(jìn)行了模擬，模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差較小，變化趨勢(shì)基本一致。本文根據(jù)MIKE21，EUTRO模型對(duì)水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，研究水庫(kù)建成后的水質(zhì)情況。

1 模型理論

1.1 MIKE21模型

MIKE21主要是二維模型，有水質(zhì)、水溫和水動(dòng)力模塊，本文主要對(duì)水質(zhì)指標(biāo)COD和TP進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，模型方程為：

式中c為水質(zhì)指標(biāo)濃度；x，y為坐標(biāo)；t為時(shí)間；u，v分別為x，y方向的流速；Ex，Ey分別為河流縱向和垂向擴(kuò)散系數(shù)，m2／s；k1為降解系數(shù)；S為源匯項(xiàng)，本文中只考慮無關(guān)聯(lián)的5個(gè)源匯項(xiàng)，包括進(jìn)口3個(gè)源項(xiàng)和出口2個(gè)匯項(xiàng)。

1.2 EUTRO模型

EUTRO模塊是WASP7提供的子系統(tǒng)，用來模擬傳統(tǒng)水質(zhì)問題，包括BOD、COD、DO、P、N等，本文主要對(duì)COD、TP進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè)。模型方程為：

式中u，v為橫向和縱向流速，m／s；c為水質(zhì)指標(biāo)濃度，mg／L；Ex，Ey分別為河流縱向和垂向擴(kuò)散系數(shù)，m2／s；SL為點(diǎn)源負(fù)荷，本文中有3個(gè)源2個(gè)匯，g／（m3·d），模型與MIKE21中的源匯一致；SB為邊界負(fù)荷，包括上游、下游、底部和大氣環(huán)境，g／（m3·d）；SK為動(dòng)力轉(zhuǎn)換項(xiàng)，g／（m3·d），在本文中水庫(kù)為新建，水質(zhì)與天然河流水質(zhì)接近，為簡(jiǎn)便預(yù)測(cè)不考慮SB和SK，設(shè)為0。

2 設(shè)計(jì)條件的確定

2.1 水文保證率選取

本次研究根據(jù)2004年坪上庫(kù)區(qū)干流代表性斷面南莊斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，分別選取50%，75%水文頻率年，徑流量分別為6.13m3／s，4.44m3／s，平均流速分別為0.268m／s，0.246m／s。用MIKE21模型模擬兩個(gè)頻率年的水質(zhì)狀況，用EUTRO模型模擬50%頻率年的水質(zhì)狀況。監(jiān)測(cè)值代表本次入庫(kù)斷面水質(zhì)，水庫(kù)入庫(kù)濃度采用山西省忻州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站2004年常規(guī)監(jiān)測(cè)報(bào)告，經(jīng)南莊斷面和濟(jì)勝橋斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料判斷庫(kù)尾斷面（19＃斷面）濃度值，即入庫(kù)COD濃度為25.0 mg／L，入庫(kù)TP濃度為0.12mg／L。MIKE生成的庫(kù)區(qū)地形圖見圖1。

2.2 參數(shù)確定

由于沒有頻率年相對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)污染物濃度資料，所以本次研究根據(jù)現(xiàn)狀頻率年所計(jì)算出的各斷面流速值來推斷其對(duì)應(yīng)的降解系數(shù)k值，根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行確定：

式中u為設(shè)計(jì)流量下的河段平均流速，m／s。

得出50%，75%水文頻率年的降解系數(shù)分別為0.2d－1，0.189d－1。

圖1 庫(kù)區(qū)地形圖Fig.1 Topographic map of reservoir area

本文采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)

式中h為水庫(kù)平均水深，m；v＊為摩阻流速v＊＝是重力加速度；I是水力能坡。

得出橫向擴(kuò)散系數(shù)為1，垂向擴(kuò)散系數(shù)為0.2。

3 水質(zhì)預(yù)測(cè)及結(jié)果

3.1 MIKE21水質(zhì)預(yù)測(cè)

輸入邊界條件和相關(guān)參數(shù)，模型參數(shù)見表1，得到坪上水庫(kù)建庫(kù)后50%、70%頻率年的COD、TP濃度模擬值，見圖2至圖5。

表1 模型主要參數(shù)Table 1 Main parameters of model

由圖2和圖3可見，在一定時(shí)間內(nèi)，起始COD濃度很大，經(jīng)過水體自凈作用和蒸發(fā)作用，COD濃度逐漸降低。水庫(kù)建成后，水體在庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ)一定的時(shí)間，充分進(jìn)行消減作用，使COD濃度降低，到出庫(kù)時(shí)，水質(zhì)得到明顯改善，COD濃度也降到可容納的最低值，達(dá)到IV級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn) （IV類水質(zhì)COD標(biāo)準(zhǔn)值為30mg／L）。由圖4和圖5可見，水庫(kù)建成后，入庫(kù)水體隨水流的自凈作用和稀釋作用，TP濃度逐漸降低，出庫(kù)時(shí)TP濃度達(dá)到中富營(yíng)養(yǎng)化，但較建庫(kù)前水質(zhì)得到改善。

3.2 EUTRO模型水質(zhì)預(yù)測(cè)

將坪上水庫(kù)庫(kù)區(qū)劃分為19個(gè)分區(qū)，輸入數(shù)據(jù)，得到50%頻率年與輸入的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的模擬值，圖6和圖7分別為COD、TP的模擬值。

根據(jù)水質(zhì)預(yù)測(cè)值，結(jié)合EUTRO模型得出的其它各項(xiàng)預(yù)測(cè)指標(biāo)，對(duì)照地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838－2002），可知，在水庫(kù)蓄水后，各斷面水質(zhì)均可達(dá)到Ⅳ類或以上水質(zhì)，這說明在維持現(xiàn)有污染負(fù)荷不變的情況下，蓄水后庫(kù)區(qū)水質(zhì)不會(huì)發(fā)生惡化。

在水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)過程中，把總磷作為評(píng)價(jià)的主要因子，磷營(yíng)養(yǎng)元素指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)常采用水利部《城市供水水庫(kù)水質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)》中 “水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化狀況的磷含量指標(biāo)”所確定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià) （表2）。

表2 水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化狀況P含量指標(biāo)Table 2 The P content index of reservoir eutrophication

由于TP的模擬值達(dá)到0.06mg／L，處于中－富營(yíng)養(yǎng)化的狀況，而且考慮到坪上水庫(kù)屬于深水水庫(kù)，因此一般容易發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化。當(dāng)然水庫(kù)是否能發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化，與入庫(kù)污染負(fù)荷有很大關(guān)系，隨著上游經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工礦企業(yè)污水排放沒有嚴(yán)格控制，污水排放量增加，會(huì)對(duì)入庫(kù)水質(zhì)產(chǎn)生一定影響。當(dāng)上游污染負(fù)荷增加到一定程度后，入庫(kù)水質(zhì)較現(xiàn)狀會(huì)有所降低。由于水庫(kù)壩址以上有3條較大支流即云中河、牧馬河和清水河匯入滹沱河，根據(jù)調(diào)查資料3條支流的排污企業(yè)較多，將直接影響滹沱河干流水質(zhì)和入庫(kù)水質(zhì)，如果對(duì)這些企業(yè)不能有效的管理，污水進(jìn)入水庫(kù)，水庫(kù)極易發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化。因此，水庫(kù)管理部門，要加強(qiáng)宣傳教育，正確地引導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民科學(xué)合理地施用化肥，同時(shí)對(duì)水庫(kù)周圍加強(qiáng)水土保持治理工作，并嚴(yán)格控制工礦企業(yè)污水直接排入河道中。

3.3 水質(zhì)計(jì)算結(jié)果比較分析

對(duì)COD，TP兩種水質(zhì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行比較，見圖8和圖9。

圖8 坪上水庫(kù)COD兩種預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖Fig.8 The COD predictive contrast figure of Pingshang Reservoir

圖9 坪上水庫(kù)TP兩種預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖Fig.9 The TP predictive contrast figure of Pingshang Reservoir

由圖8、圖9可見，對(duì)于COD，TP濃度的兩種預(yù)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)一致，說明由于水庫(kù)庫(kù)容較大，水體滯留時(shí)間較長(zhǎng)，水庫(kù)對(duì)COD和TP的消減作用較強(qiáng)。出庫(kù)水質(zhì)較入庫(kù)水質(zhì)有明顯改善。不同的是在水庫(kù)前段和后段時(shí)COD濃度值有所差別，但COD的出庫(kù)濃度都可達(dá)到IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水庫(kù)COD的環(huán)境容量較大。在整個(gè)水庫(kù)中，兩種方法對(duì)TP濃度的預(yù)測(cè)值比較接近，沒有大變化，說明水庫(kù)對(duì)TP的環(huán)境容量較穩(wěn)定，以達(dá)到中富營(yíng)養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

1）由預(yù)測(cè)結(jié)果可知COD濃度都比建庫(kù)前略有改善，COD的出庫(kù)濃度可達(dá)到IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。庫(kù)區(qū)TP濃度已達(dá)到中富營(yíng)養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)，極易受上游來水水質(zhì)影響發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化。

2）隨著上游經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工礦企業(yè)污水排放沒有嚴(yán)格控制，會(huì)對(duì)入庫(kù)水質(zhì)產(chǎn)生一定影響。當(dāng)上游污染負(fù)荷增加到一定程度后，入庫(kù)水質(zhì)較現(xiàn)狀有所降低，入庫(kù)水質(zhì) （COD）有可能不能滿足地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

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