杭州市閑林水庫水質(zhì)模擬研究

鄭海軍，樓淑君

(杭州市閑林水庫籌建處，浙江杭州 310004)

0 引言

錢塘江作為杭城主要的供水水源，水量充沛，然而整個流域水資源水環(huán)境安全卻不容樂觀，當上游遭遇突發(fā)重大水質(zhì)污染事件，水質(zhì)污染在時間、范圍、程度等都難以預測和控制，嚴重制約著經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展.為解決杭州市城市備用水源安全保障問題，擬新建閑林水庫，作為水源戰(zhàn)略備用水庫以防錢塘江因咸潮或污染事件而引起的供水不足問題.建成后的閑林水庫通過儲存天然徑流及通過錢塘江補水等措施，可以使杭州城市備用水量滿足要求.閑林水庫閑林水庫流域面積較小，如果水庫蓄水不足，上游天然來水不能及時補充，計劃從錢塘江引水補庫，根據(jù)實測水質(zhì)資料分析，水庫上游天然來水水質(zhì)較好，大多數(shù)水質(zhì)指標為I類水標準，滿足水源地的水質(zhì)要求.錢塘江大多水質(zhì)指標為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，但在7～11月應急供水期間，DO、TN、揮發(fā)酚、Fe、Mn項目超標，不能滿足飲用水水源地的水質(zhì)標準，而通過隧道從錢塘江補水入閑林水庫，限制了在補水輸送途中水質(zhì)凈化工程的實施，從錢塘江補水可能會對庫區(qū)生態(tài)環(huán)境造成污染，因此必須對補水后的閑林水質(zhì)變化進行模擬，為工程決策提供支持.

1 工程概況及水環(huán)境現(xiàn)狀

1.1 閑林水庫工程概況

擬建的閑林水庫位于余杭區(qū)上埠河流域上游，是以城市應急備用和抗咸供水為主.水庫壩址以上集雨面積為16.89 km2，總庫容1 982萬 m3，多年平均降水量1 448 mm，平均徑流總量1 261萬 m3，水庫總庫容1 982萬m3.主要工程包括混凝土面板堆石壩一座;補水隧洞15 122 m，補水口位于壩址上游400 m的右岸;提水泵站兩座.建成后的閑林水庫可使城市備用水量滿足2020年水平年主城區(qū)水廠7天以上源水需要.當錢塘江上游發(fā)生水污染突發(fā)事件，或受咸潮入侵影響，錢塘江各取水口不能取水，珊瑚沙水庫的水量行將用盡時，啟用閑林水庫備用水源，通過閑林水庫輸水隧洞向珊瑚沙水庫補充用水量.當閑林水庫需要補水時，通過輸水隧洞反向從錢塘江向閑林水庫補水，補水能力為5 m3/s.

1.2 閑林水庫補水水質(zhì)分析

錢塘江水是閑林水庫引水水源.近年錢塘江水質(zhì)較差，主要超標項目是 DO、TN、TP、揮發(fā)酚、Fe.尤其是DO、TN、TP超標嚴重，為IV類水標準.超標準的錢塘江水引入閑林水庫，水庫的氮和磷濃度過高，易導致水體富營養(yǎng)化，有必要對這些超標物質(zhì)在水體中的遷移轉(zhuǎn)化進行模擬研究，以便為閑林水庫作為戰(zhàn)略水源地工程提供決策支持.

2 水庫流場模擬

2.1 建立水動力模型

由于閑林水庫尚未建成，缺少流速、水位等水文氣象資料，并且水流條件對污染物質(zhì)在水體中的遷移轉(zhuǎn)化起到非常重要的作用，因此有必要首先對庫區(qū)的流場進行模擬計算.本文采用二維水動力模型對水庫建成蓄水后庫區(qū)的水流進行模擬計算，得出平面二維流速分布.

二維水動力模型是建立在平面二維動量方程和連續(xù)方程基礎之上的，將三維的Navier-Stokes方程沿水深方向積分，即可得到平面二維淺水方程.正交曲線坐標系下的水動力基本方程如下:

連續(xù)方程:

y-方向的動量方程:

式中:ξ、η—縱向和橫向坐標;

U、V—ξ和η方向上的垂線平均流速;

T11、T12、T22— 有效應力項，包括粘性，紊流和彌散應力三部分;

h1、h2—ξ和η方向上拉梅系數(shù)，根據(jù)實測地形資料進行計算;

d—水深;Zb為床底高程.

2.2 流場模擬結(jié)果分析

流速分布見圖1.

圖1 流速分布圖

從圖上可以看出，補水口附近存在流場明顯可視的流場，但水流進入庫區(qū)后，水面面積增大，流速將迅速衰減變小，只有補水口附近區(qū)流速大.水庫水流特征對水體復氧能力的影響較大.水體復氧計算簡化公式［2］表示復氧系數(shù)是流速和水深的函數(shù).通過公式可以分析，流速大復氧系數(shù)大，大氣進入水體的氧越多;相反水體越深復氧能力越弱.水面波浪多，浪花易破碎，且曝氣時間長，接觸面結(jié)大，大氣中的氧進入水體也越多.通過對水庫流場的模擬可以發(fā)現(xiàn)，只有補水口附近區(qū)流速大，水體復氧能力強，但這一過程較短，因此對水體水質(zhì)改善貢獻較為有限.

流場計算結(jié)果說明補水對污染物質(zhì)的遷移變化有影響，對水體水質(zhì)不起主要作用，起主要作用的是污染物的降解與沉積.通過對流場進行模擬，為水質(zhì)模型選擇提供理論支持.計算流速給水質(zhì)模擬提供輸入數(shù)據(jù)文件，為水質(zhì)模擬創(chuàng)造必要的條件.

3 水質(zhì)模擬

3.1 水庫水質(zhì)模型

閑林水庫水源主是區(qū)間天然來水和錢塘江補水，流量補水5 m/s3.建成后，根據(jù)水庫水源保護規(guī)劃，通過關(guān)閉閑林水庫集水范圍內(nèi)所有工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)污染源，實行集水區(qū)內(nèi)居民集聚區(qū)采取截污納管外排至污水處理廠集中處理等工程，無其他排污流量，天然補水水質(zhì)較好且流量較小.補水期間主要考慮錢塘江水質(zhì)對水庫水質(zhì)影響.水庫流場模擬結(jié)果表明，閑林水庫水面開闊，水流量較小，水流入庫區(qū)后，流速很小，物質(zhì)的擴散緩慢;因此閑林水庫的水質(zhì)的模擬，可采用完全混和水庫水質(zhì)模型進行模擬.基本方程表達式如下:

由于方程為非線性方程，采用近似解法.

式中Qin—進水口流量;

Cin—進水口濃度;

Qout—出水流量;

Wo—污染物排入量;

V—水庫蓄水量;

C—斷面平均濃度;

Kr—污染物的降解系數(shù).

3.2 水庫水質(zhì)模擬

由于補水水質(zhì)相對較差，水庫水質(zhì)較好，初始庫容的大小影響了水體稀釋能力的強弱.初始庫容越大，則水庫水體的稀釋能力越強，水體污染物濃度降低越大，對水庫水生態(tài)環(huán)境的影響就越小.選取污染物平均濃度時連續(xù)補水，污染物最大濃度時連續(xù)補水，污染物最大濃度時分階段補水三種情況模擬計算氨氮、總磷、總氮的濃度.

3.2.1 參數(shù)設定

模型所采用參數(shù)中，污染物平均濃度和最大濃度系錢塘江實測值.水庫污染物降解系數(shù)根據(jù)文獻［1，4］的參考范圍選用.由于天然來水水質(zhì)較好，且流量較小，污染物排入量近似取0.閑林水庫在進行補水時，出水流量為0，進水流量為5 m/s3.有關(guān)參數(shù)設定見表1.

表1 有關(guān)參數(shù)表

3.2.2 污染物平均濃度時補水

經(jīng)計算，氨氮、總磷、總氮濃度模擬結(jié)果分別見圖2～圖4.從上述變化關(guān)系圖可以看出:

(1)氨氮濃度

模擬補水后庫中水體氨氮的濃度低于地表水Ⅲ類的濃度要求.

(2)總磷濃度

當初始庫容＜200萬 m3時，連續(xù)補水期間，庫水質(zhì)超過Ⅲ類水質(zhì)標準，不滿足水源地供水的要求.隨著時間的延長，補水停止，物質(zhì)的降解仍然繼續(xù)，總磷濃度逐漸降低，低于Ⅲ類水質(zhì)標準，滿足水源地供水的要求.當初始庫容大于200萬m3時，總磷濃度低于Ⅲ類水質(zhì)標準，滿足水源地供水的要求.

(3)總氮濃度

當初始庫容＜200萬m3時，在連續(xù)補水期間總氮濃度超過Ⅲ類水質(zhì)標準，不滿足水源地供水的要求.但隨著時間的延長，補水停止后降解繼續(xù)，總氮濃度逐漸降低，低于Ⅲ類水質(zhì)標準，滿足水源地供水要求.當初始庫容＞200萬 m3時，總氮濃度低于Ⅲ類水質(zhì)標準，滿足水源地供水的要求.

3.2.3 污染物最大濃度時補水

經(jīng)計算，氨氮、總磷、總氮濃度模擬結(jié)果見圖5～圖7.

從上述變化關(guān)系圖可以看出:

(1)氨氮濃度

圖7 不同初始庫容時水庫中總氮隨時間的變化關(guān)系

當初始庫容＜50萬m3時，連續(xù)補水期間氨氮濃度超過Ⅲ類水質(zhì)標準的濃度，因此不滿足水源地供水的要求.當補水停止，但隨著時間的增加，氨氮降解仍將繼續(xù)，氨氮濃度逐漸降低，低于Ⅲ類水質(zhì)標準所規(guī)定的濃度，水質(zhì)指標滿足水源地供水要求.當初始庫容＜100萬m3時，所模擬的氨氮濃度低于Ⅲ類水質(zhì)標準的規(guī)定的濃度，水質(zhì)指標滿足水源地的供水要求.

(2)總磷濃度

當初始庫容＜400萬 m3時，連續(xù)補水期間，總磷濃度超過Ⅲ類水質(zhì)標準，不滿足水源地供水的要求.但隨著時間的增加，補水停止，降解繼續(xù)，水庫中總磷濃度逐漸降低，低于Ⅲ類水質(zhì)標準規(guī)定濃度，水質(zhì)指標滿足水源地供水的要求.當初始庫容＞400萬m3時，總磷濃度低于Ⅲ類水質(zhì)標準的濃度要求，水質(zhì)指標滿足水源地供水的要求.

(3)總氮濃度

當初始庫容＜500萬 m3時，連續(xù)補水期間，總氮濃度超過Ⅲ類水質(zhì)標準，不滿足水源地供水的要求.但隨著時間的增加，補水停止，降解繼續(xù)，總氮濃度逐漸降低，低于Ⅲ類水質(zhì)標準的濃度，總氮的水質(zhì)指標滿足水源地供水的要求.當初始庫容＞500萬m3時，總氮濃度低于Ⅲ類水質(zhì)標準，總氮的水質(zhì)指標滿足水源地供水的要求.

4.2.4 污染物最大濃度時分階段補水

經(jīng)計算，總磷、總氮濃度模擬結(jié)果見圖8，圖9.

圖8 分段補水在不同初始庫容下的總磷隨時間變化關(guān)系圖

圖9 分段補水在不同初始庫容下的總氮隨時間變化關(guān)系圖

從上述變化關(guān)系圖可以看出:

(1)總磷濃度

連續(xù)補水期間，水庫水體的總磷濃度逐漸升高，超過Ⅲ類水質(zhì)標準的濃度，不滿足水源地供水的要求.補水停止10 d，物質(zhì)的降解作用促使水庫中總磷濃度逐漸降低.即使對于初始庫容較小的幾種情況，總磷濃度也都低于Ⅲ類水質(zhì)標準規(guī)定的濃度.然后繼續(xù)補水到水庫蓄滿后，總磷濃度隨時間有所增加，但仍然低于Ⅲ類水質(zhì)標準規(guī)定的濃度，水質(zhì)狀況較好，水質(zhì)指標滿足水源地供水的要求.

(2)總氮濃度

連續(xù)補水期間，總氮濃度逐漸升高，超過Ⅲ類水質(zhì)標準，不滿足水源地供水的要求.當水庫蓄水520萬 m3，補水停止.由于降解作用，水庫中總磷濃度將逐漸降低，10 d后總氮濃度都低于Ⅲ類水質(zhì)標準規(guī)定的濃度，然后繼續(xù)補水到水庫蓄滿，總氮濃度隨時間有所增加，但增加很小，總氮濃度都低于Ⅲ類水質(zhì)標準規(guī)定的濃度，水質(zhì)指標滿足水源地供水的要求.

4 結(jié)語

水質(zhì)模擬研究成果表明，用5 m/s3流量的錢塘江水補充閑林水庫，水庫水質(zhì)總體滿足水源地供水要求.

補水期間庫區(qū)平均流速很小，對污染物質(zhì)而言，隨著水庫蓄水位抬高，水流運動速度明顯減小，水體紊動摻混能力減弱，水庫建成以后水體中平均溶解氧濃度在水庫蓄水以后也呈下降的趨勢，對水質(zhì)不利.

不同補水方案對庫區(qū)的水質(zhì)有一定影響.當初始庫容較小時，總氮和總磷在補水期間濃度超標，對水庫水質(zhì)有不利的影響，有可能造成水庫的富營養(yǎng)化;預留一定的初始庫容可以較大程度地消除補水對水庫水質(zhì)的不良影響;采用分段補水方案對水庫水質(zhì)改善有幫助.建議水庫補水要充分利用水庫預報成果和水質(zhì)實時監(jiān)測數(shù)據(jù).

［1］彭澤洲，楊天行，梁秀娟，等.水環(huán)境數(shù)學模型及其應用［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2007.

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