平原河道型水庫水環(huán)境承載力計算及分析

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1 項目概述

水環(huán)境承載力能夠反映污染物在環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化和積存規(guī)律，也能反映水環(huán)境在滿足特定功能條件下對污染物的承受能力；它是水污染總量控制的一個重要參數(shù)，其大小與水體特征、水質(zhì)目標及污染物特性有關(guān)。不同類型的水體如河流、湖泊和水庫，其水環(huán)境承載力的計算方法也不盡相同。

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，為了滿足不斷增長的用水需求，沿海地區(qū)入海河流河口多建有擋潮閘。擋潮閘不僅可以防止海水咸潮上溯并入侵河流，提高上游河道防洪行洪的能力，而且還可以攔蓄淡水資源，形成河道型水庫。河道型水庫具有河流與水庫的雙重特征，其庫長都大于水深和水面寬度；在枯水期，由于河道上游來水較少，水庫處于高水位運行，因此會呈現(xiàn)出水庫和湖泊的特征；在洪水期，因防洪需要，水庫以低水位運行，來水量基本等于泄流量，此時呈現(xiàn)為河道的特性。

以東部沿海新沭河太平莊閘至三洋港擋潮閘段河道型水庫水體為例，在充分考慮所研究區(qū)域水體基本特征的前提下，采用非均勻分布系數(shù)的水環(huán)境承載力計算方法開展數(shù)學(xué)計算。首先建立河道型水庫二維非穩(wěn)態(tài)水動力水質(zhì)耦合模型，動態(tài)模擬水體水流的水質(zhì)時空變化過程，分別求取庫區(qū)逐月非均勻分布系數(shù)，并運用修正后的承載力計算公式求得庫區(qū)水環(huán)境承載力。

2 計算方法

2.1 研究區(qū)域

新沭河是沭河的重要支流，從山東臨沭縣大官莊至連云區(qū)臨洪口入海處，全長78 km。新沭河河口建有三洋港閘，其上游12.68 km處建有太平莊閘，兩閘不僅可以阻擋海水咸潮上溯，還可形成河道型水庫，以實施聯(lián)合調(diào)度。根據(jù)工程運用規(guī)劃，三洋港擋潮閘在汛期開閘泄洪，非汛期關(guān)閘擋潮、蓄水；在非汛期，太平莊閘至三洋港閘之間正常蓄水位為2.5 m，蓄水量為1 200萬m3。

2.2 基本計算公式

污染物質(zhì)在水體中的遷移轉(zhuǎn)化與河流的河道地形、水文條件等密切相關(guān)，在新沭河現(xiàn)狀水文條件下，水體中污染源的時空分布不均勻，致使污染物質(zhì)在空間分布以及遷移轉(zhuǎn)化過程中會產(chǎn)生差異，導(dǎo)致污染物在水體中不能完全混合。為此，運用二維非穩(wěn)態(tài)水流水質(zhì)模型來求解庫區(qū)非均勻分布系數(shù)，從而計算出兩座閘門之間河段的水環(huán)境承載力。

鑒于太平莊閘至三洋港閘之間水體污染物質(zhì)分布存在差異，因此采用了非均勻分布系數(shù)法的水環(huán)境承載力計算方法，即

(1)

3 建模及參數(shù)選取

3.1 基本控制方程

通過建立倆閘區(qū)間的二維非穩(wěn)態(tài)水動力水質(zhì)模型，對水庫水流、污染物時空變化進行計算模擬;并根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測實測結(jié)果來求解污染物的降解系數(shù)。

(1) 水動力基本方程。水體運動可用二維淺水方程來描述，其守恒形式可表達為

(2)

gh(s0x-sfx)+hfv+fFx

(3)

gh(s0y-sfy)-hfu+fFy

(4)

式中，h為水深；u,v分別表示x,y方向垂線的水平平均流速分量；g為重力加速度；sfx,sfy分別為x,y方向的摩阻底坡；s0x,s0y分別為x,y方向的河底底坡；Fx,Fy分別為x,y方向的摩擦力分量；f為科氏參數(shù)。

(2) 水質(zhì)基本方程。采用二維對流-擴散方程描述污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程，其守恒形式可表達為

(5)

3.2 數(shù)值解法

可以對水動力、水質(zhì)控制方程進行聯(lián)合求解。可表達為

(6)

式中，q為守恒物理量；f(q),g(q)分別為x,y方向的通量；b(q)為源匯項。

基于有限體積法框架,將上述方程進行離散求解，定義矩陣F(q)=[f(q),g(q)]T,在任意形狀的單元Ω上進行積分散度。經(jīng)推導(dǎo)即得

(7)

式中，A為Ω的體積；m為單元邊總數(shù)；Lj為單元第j邊的長度；T(Φ)-1為坐標旋轉(zhuǎn)逆變換矩陣；f(q)為法向通量，可通過求解一維黎曼初值問題中的外法向數(shù)值通量fLR得到，表達式為

(8)

q=qR(x>0,t=0)

(9)

q=qL(x

(10)

FVS(通量向量分裂)格式被用來求解二維淺水水動力水質(zhì)模型方程數(shù)值通量。具體可以參考相關(guān)的研究。

3.3 率定驗證

先構(gòu)建倆閘間水流水質(zhì)模型，模型計算區(qū)域為新沭河太平莊閘至河口三洋港擋潮閘，分別選取太平莊閘斷面及三洋港擋潮閘斷面作為模型計算的上、下邊界。圖1為實測的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)及COD濃度，展示了COD參數(shù)模型的模擬值與實測值的對比情況?？梢钥闯?，各月份的COD均處于Ⅲ水質(zhì)指標，符合其執(zhí)行Ⅲ水功能區(qū)劃的指標，然后，對模型的各相關(guān)參數(shù)進行率定。此外，運用GAMBIT軟件將該區(qū)段進行四邊形單元格劃分(共計6 285個單元網(wǎng)格)，網(wǎng)格平均尺寸為50 m×50 m。結(jié)果表明，模擬結(jié)果與實測值的擬合效果較好，相對誤差位于9%～12%之間；縱向(y向)擴散系數(shù)為0.70 m2/s，橫向(x向)擴散系數(shù)為0.06 m2/s，COD的降解系數(shù)為0.06 d-1。

圖1 COD參數(shù)模型模擬值與實測值比對

GAMBIT軟件旨在幫助分析者和設(shè)計者建立并網(wǎng)格化計算流體力學(xué)(CFD)模型。GAMBIT通過其用戶界面(GUI)來接受用戶的輸入。GAMBIT GUI可以簡單而又直接地做出建立模型、網(wǎng)格化模型、指定模型區(qū)域大小等基本步驟。

4 非均勻分布系數(shù)的確定

影響水體污染物遷移擴散的因素較多，而水動力條件不可或缺。在具有相同長度的污染帶條件下，水環(huán)境承載力隨著水動力條件的改變而改變。運用二維非穩(wěn)態(tài)水動力水質(zhì)模型，對選擇研究區(qū)域2011年全年的水流、水質(zhì)時空變化過程進行數(shù)值模擬。通過不斷調(diào)試太平莊閘來水和薔薇河2個入庫區(qū)處的污染物排放量，計算不同污染物排放量條件下庫區(qū)最大排污混合帶長度，并建立排污量與混合帶長度的響應(yīng)關(guān)系曲線。基于新沭河執(zhí)行Ⅲ水環(huán)境功能區(qū)劃的要求及混合區(qū)域長度、面積等的控制要求，在保證混合區(qū)域長度、面積及水質(zhì)滿足標準及要求的情況下進行響應(yīng)關(guān)系計算。庫區(qū)污染物允許排放量為U0；完全混合承載力為U1，庫區(qū)非均勻分布系數(shù)計算公式為

(11)

U1=KVCs

(12)

依據(jù)模型模擬計算結(jié)果以及不同水功能區(qū)劃所分成的不同水域，模擬計算出混合帶的長度，并最終利用圖表顯示出庫區(qū)洪、枯兩季污染物通量U與排污混合帶長度L的響應(yīng)關(guān)系曲線。洪季(7月)、枯季(1月)典型的月響應(yīng)關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 庫區(qū)洪季、枯季典型月污染物COD通量與污染帶長度響應(yīng)關(guān)系

根據(jù)相關(guān)水環(huán)境承載力研究成果，取排污混合帶控制系數(shù)10%進行計算，即控制允許排污混合帶總長度不超過河段長度的10%；新沭河太平莊閘至三洋港擋潮閘蓄水河道長度為12.68 km，根據(jù) 上述參數(shù)，以河道長度的10%即1.27 km控制允許排污混合帶的長度。根據(jù)兩閘區(qū)間污染物排放量與排污混合帶長度響應(yīng)關(guān)系曲線及逐月水位-庫容對應(yīng)關(guān)系(圖3)，運用公式(12)求得兩閘區(qū)間水體逐月非均勻分布系數(shù)，見表1。計算結(jié)果表明，在洪季上游來水充沛，水庫低水位運行，水庫蓄水量降低；枯季時上游來水較少，下游太平莊閘關(guān)閉，庫區(qū)水動力條件顯著低于洪季，因此洪季污染物質(zhì)與水體的混合程度高于枯季。

圖3 庫區(qū)逐月水位與庫容變化趨勢

表1 逐月非均勻分布系數(shù)及水環(huán)境承載力計算結(jié)果

5 計算結(jié)果

基于計算得出的庫區(qū)逐月非均勻分布系數(shù)，運用公式(1)對庫區(qū)水環(huán)境承載力進行計算,計算結(jié)果見表1。從表1可以看出，非汛期，水庫水位維持在2.5 m左右，在農(nóng)業(yè)灌溉用水較多的3～5月及10～11月，水庫庫容稍有下降，水環(huán)境承載力較?。谎雌冢裸鸷映行沽饔蚝樗?，水位顯著上升，水動力條件較好，水環(huán)境承載力明顯變大。汛期水環(huán)境承載力較非汛期增加44%。經(jīng)計算，2011年全年庫區(qū)水環(huán)境承載力為5 160.52 t/a。

6 結(jié) 論

以東部沿海新沭河太平莊閘至三洋港擋潮閘段河道型水庫為研究對象，建立了兩座閘區(qū)間的二維非穩(wěn)態(tài)水動力水質(zhì)模型，并運用非均勻分布系數(shù)的水環(huán)境承載力計算方法，求取庫區(qū)的水環(huán)境承載力。根據(jù)計算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

(1) 河道型水庫調(diào)度運行方式和地區(qū)水文情勢，對庫區(qū)水體水動力條件及污染物質(zhì)與庫區(qū)水體的混合程度的影響較大。故庫區(qū)非汛期與汛期非均勻分布系數(shù)差異較大，汛期非均勻分布系數(shù)平均為0.23，枯季為0.19。

(2) 庫區(qū)水環(huán)境承載力受其水位、流域水文情勢影響較大；汛期維持平均水位2.54 m時，其承載力值比非汛期的2.44 m大約增加了44%，計算得出的全年水環(huán)境承載力為5 160.52 t/a。

(3) 通過對庫區(qū)水環(huán)境承載力的計算研究，可為開展庫區(qū)水資源配置、開發(fā)、節(jié)約及保護等工作提供水質(zhì)信息支撐，具有重要的意義。