閘控河段水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化模型

竇　明1，2*，米慶彬1，2，左其亭1，2 （1.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學(xué)水科學(xué)研究中心，河南 鄭州 450001）

閘控河段水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化模型

竇明1，2*，米慶彬1，2，左其亭1，2 （1.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學(xué)水科學(xué)研究中心，河南 鄭州 450001）

針對(duì)閘控河段水質(zhì)轉(zhuǎn)化機(jī)理復(fù)雜的特點(diǎn)，提出在“水體-懸浮物-底泥-生物體”界面內(nèi)開展水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化研究的總體思路，推導(dǎo)了描述各種相態(tài)水質(zhì)之間傳質(zhì)過程的數(shù)學(xué)表達(dá)式，構(gòu)建了具有一定物理機(jī)制的閘控河段水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化模型.結(jié)合槐店閘調(diào)度影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化模型進(jìn)行了參數(shù)識(shí)別和驗(yàn)證，進(jìn)而模擬了不同相態(tài)水質(zhì)成分的時(shí)空變化過程.結(jié)果發(fā)現(xiàn)：來水流量和閘門調(diào)度方式使閘上和閘下斷面各相水質(zhì)濃度發(fā)生變化，同時(shí)影響到藻類的生長(zhǎng)和富集狀態(tài)；閘門調(diào)度會(huì)改變閘上、閘下河段的水質(zhì)主導(dǎo)反應(yīng)機(jī)制；由于閘門調(diào)度增加了對(duì)水體的擾動(dòng)，水體與外界的物質(zhì)交換效果增強(qiáng)；在實(shí)驗(yàn)前期藍(lán)藻數(shù)量的變化主要受水流的遷移作用影響，在后期閘上斷面主要受閘門阻隔的影響，閘下斷面主要受流速、流量和營養(yǎng)物質(zhì)濃度改變等作用綜合影響.

閘控河段；水質(zhì)；多相轉(zhuǎn)化；數(shù)學(xué)模型

閘控河段水動(dòng)力因子變化頻繁劇烈，由此造成水質(zhì)在水環(huán)境系統(tǒng)的生物地球化學(xué)行為異常復(fù)雜［1］.在各種作用的影響下，水質(zhì)不斷地發(fā)生著界面轉(zhuǎn)移和相態(tài)轉(zhuǎn)化，因此難以有效描述閘控河段的水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化規(guī)律.近年來，隨著人類對(duì)自然規(guī)律認(rèn)識(shí)的逐步深入，水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化研究正成為一個(gè)新的交叉學(xué)科領(lǐng)域.Mackay［2-3］（1991）首次應(yīng)用多介質(zhì)逸度模型來研究有毒有機(jī)化學(xué)品在“空氣-水體-底泥-土壤-生物體”多介質(zhì)環(huán)境中的行為歸趨，并取得了豐碩的研究成果，成為水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化研究的典范.此外，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)有毒有機(jī)化學(xué)品在多介質(zhì)環(huán)境中的行為歸趨做了研究. 如Warren等［4］研究了印度Rihand水庫由于農(nóng)藥施用造成的有機(jī)污染物在“水體-懸浮物-底泥-空氣”中的分布規(guī)律，Contreras等［5］預(yù)測(cè)了殺蟲劑在“空氣-水體-植物-底泥”界面內(nèi)的含量，黃歲樑［6］在分析重金屬在多沙河流中的相態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出沖積河流重金屬遷移轉(zhuǎn)化整體數(shù)學(xué)模型，劉信安等［7］引用了Mackay提出的多介質(zhì)逸度模型，來描述水環(huán)境中重金屬污染的演化過程、擴(kuò)散機(jī)制和界面行為，并以三峽流域?yàn)槔M(jìn)行了模型的參數(shù)敏感度分析和界面?zhèn)鬏斔俾视?jì)算.同時(shí)，研究者也開發(fā)了一些以水動(dòng)力-水質(zhì)為主的通用的河流水量水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型，如 EFDC、MIKE、WASP、QUAL2K等.然而，對(duì)于水質(zhì)轉(zhuǎn)化的研究多數(shù)是基于“水體-底泥界面”二相結(jié)構(gòu)模式來展開的，如竇明等［12］、陳煉鋼等［8］.部分學(xué)者在研究多沙河流或湖泊水環(huán)境問題時(shí)開展了“水體-懸浮物-底泥界面”或“水體-底泥-生物體界面”三相結(jié)構(gòu)模式的研究，如王云中等［9］、衛(wèi)志宏等［10］.但上述研究多是針對(duì)水質(zhì)水量耦合過程或單一水質(zhì)過程進(jìn)行研究，缺少專門針對(duì)閘控河段復(fù)雜水流條件并同時(shí)考慮水質(zhì)在水環(huán)境系統(tǒng)多相界面內(nèi)轉(zhuǎn)化機(jī)理的研究.為此，本文針對(duì)閘控河段水質(zhì)轉(zhuǎn)化復(fù)雜的特點(diǎn)，提出了一種新穎的閘控河段水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化模型，該模型考慮了水質(zhì)在“溶解相-懸浮相-底泥相-生物相”之間的轉(zhuǎn)化.以槐店閘水域?yàn)榈湫蛥^(qū)，模擬在水閘調(diào)度作用下河道上下游不同相態(tài)水質(zhì)濃度的變化，以期為探析在復(fù)雜水環(huán)境下的水質(zhì)轉(zhuǎn)化機(jī)理提供一種新思路.

1　水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化模型的構(gòu)建

圖1　閘控河段水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化示意Fig.1　Sketch map of the multi-phase transformation of water quality in the sluice-controlled river

由于水閘調(diào)度對(duì)河道水流、懸浮物、底泥等環(huán)境要素具有強(qiáng)烈的擾動(dòng)作用，故閘控河段水質(zhì)轉(zhuǎn)化過程呈現(xiàn)出多介質(zhì)、多相態(tài)、多形式的特點(diǎn).當(dāng)閘門關(guān)閉或開度變小時(shí)，水流擁堵造成閘上河段流速減小，水體中物質(zhì)受水流的遷移擴(kuò)散作用減弱，此時(shí)溶解相物質(zhì)被大量吸附在懸浮顆粒和底泥上，懸浮顆粒隨之沉降到底泥，在河底被降解或固結(jié)，同時(shí)關(guān)閘蓄水使得閘上水體體積增大，對(duì)污染物的稀釋能力增強(qiáng)；而水流變緩還引起水體曝氣作用和自凈能力減弱，藻類等浮游生物大量繁殖，生物累積作用增強(qiáng).當(dāng)閘門開度變大時(shí)，水流對(duì)河床的沖刷作用加強(qiáng)，附著在底泥表層的水質(zhì)成分再懸浮進(jìn)入水體，并在水流剪切力或構(gòu)筑物的阻擋作用下使懸浮相水質(zhì)分解破碎或解吸到水體中，閘下懸浮相和溶解相物質(zhì)濃度增加，同時(shí)流速變快還造成水體自凈能力提高，浮游生物的聚集環(huán)境受到干擾，生物累積作用減弱.在此期間，水質(zhì)成分先后經(jīng)歷了遷移、擴(kuò)散、溶解、吸附、解吸、沉降、再懸浮、攝入、降解等一系列物理、化學(xué)、生物反應(yīng)過程，其相態(tài)也在“水體-懸浮物-底泥-生物體”界面內(nèi)不斷進(jìn)行轉(zhuǎn)換（圖1）.

對(duì)于像閘控河段這樣人為干擾強(qiáng)烈的水域，由于受各種水環(huán)境要素的綜合作用，運(yùn)用單一相態(tài)的水質(zhì)轉(zhuǎn)化模型難以準(zhǔn)確描述其水質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律，為此需要考慮水質(zhì)在“水體-懸浮物-底泥-生物體”界面的多相轉(zhuǎn)化過程，并構(gòu)建閘控河段水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化模型.該模型應(yīng)體現(xiàn)以下兩方面的特點(diǎn)：一是要突出閘門調(diào)度對(duì)河道水動(dòng)力學(xué)過程的擾動(dòng)作用，特別是在閘門等非常規(guī)河道斷面的數(shù)值計(jì)算；二是要突出對(duì)水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化全過程的描述.

1.1模型整體設(shè)計(jì)

閘控河段水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化模型由考慮水閘調(diào)度作用的水動(dòng)力學(xué)模型和水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化模型兩部分組成.水動(dòng)力學(xué)模型主要用于計(jì)算閘控河段的水位、流量、流速等水動(dòng)力學(xué)參數(shù)值.由于受到閘門的阻隔和約束，閘控河段水流過程較明渠河道更為復(fù)雜.為有效反映其水流特征，首先根據(jù)閘控河段的河道地形特點(diǎn)，將其劃分為閘上河段、閘門、閘下河段等不同水域，進(jìn)而再分段進(jìn)行處理和計(jì)算［11］：對(duì)于閘上、閘下河段，其流態(tài)比較均勻，依據(jù)基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)［13］，并采用 Abbott-Ionescu六點(diǎn)隱式差分格式求解；對(duì)于閘門處的泄流計(jì)算，將閘門設(shè)置在計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)的流量處（Q-point），通過水工建筑物的流量由上下游水位及建筑物本身參數(shù)確定，具體方法是將離散的水工建筑物能量方程代替離散后的圣維南方程組中的動(dòng)量方程.

圖2　水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化示意Fig.2　The diagrammatic sketch of the multi-phase transformation of water quality

水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化模型綜合運(yùn)用環(huán)境水力學(xué)、吸附-解吸動(dòng)力學(xué)、水生生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)等理論，描述水質(zhì)在水體、懸浮物、底泥、水生生物等不同介質(zhì)之間的物理、化學(xué)、生物反應(yīng)等過程，以及由此引起的各相水質(zhì)濃度時(shí)空變化情況.模型中共考慮了藻類（PYT）、化學(xué)需氧量（COD）、溶解氧（DO）、氨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3—-N）、有機(jī)氮（ON）、總磷（TP）7個(gè)，其中COD、ON、TP考慮了溶解相、懸浮相、底泥相、生物相的空間分布，PYT、DO、NH4+-N、NO3—-N只考慮溶解相的空間分布.在水質(zhì)相態(tài)轉(zhuǎn)化方面，主要考慮了溶解相水質(zhì)在水體中的遷移擴(kuò)散作用，溶解相與懸浮相和底泥相之間的吸附和解吸作用，懸浮相與底泥相之間的沉降與再懸浮作用，生物相物質(zhì)生長(zhǎng)對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的攝入與死亡分解作用.同時(shí)，還考慮了耗氧有機(jī)物的降解作用、氮循環(huán)的硝化、反硝化、礦化等反應(yīng)過程.各水質(zhì)指標(biāo)之間的反應(yīng)過程如圖2所示.

1.2水質(zhì)模型中數(shù)學(xué)表達(dá)式的構(gòu)建

水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化模型由水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程、吸附-解吸過程描述方程、沉降-再懸浮過程描述方程、水生生物生長(zhǎng)-死亡過程描述方程耦合而成.其中，基本方程反映了各相水質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，吸附-解吸過程描述方程、沉降-再懸浮過程描述方程和水生生物生長(zhǎng)-死亡過程描述方程分別用于描述不同相態(tài)水質(zhì)之間傳質(zhì)過程的物理機(jī)制.

1.2.1水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程基本方程主要由描述水質(zhì)遷移擴(kuò)散作用的基本項(xiàng)和描述不同相態(tài)之間傳質(zhì)過程的轉(zhuǎn)化項(xiàng)組成，各相水質(zhì)的基本方程如下：

溶解相方程：

式中：Cdis為溶解相水質(zhì)濃度，mg/L；N’bd為解吸作用下底泥相向溶解相的轉(zhuǎn)化量，mg/（L·d）；Ndw為吸附作用下溶解相向懸浮相的轉(zhuǎn)化量，mg/ （L·d）；Ndb為吸附作用下溶解相向底泥相的轉(zhuǎn)化量，mg/（L·d）；Nde為生物攝入作用下溶解相向生物相的轉(zhuǎn)化量，mg/（L·d）；N’ed為生物死亡作用下生物相向溶解相的轉(zhuǎn)化量，mg/（L·d）；N1為由于各種化學(xué)反應(yīng)引起的物質(zhì)損失量，N1=K1Cdis，K1為溶解相水質(zhì)的降解系數(shù)，1/d.盡管實(shí)際情況下懸浮相和底泥相水質(zhì)也會(huì)發(fā)生降解作用，但由于受數(shù)量限制和環(huán)境條件的影響，其降解量較溶解相相差很多，故不再考慮.

式中：Csusp為懸浮相水質(zhì)濃度，mg/L；Nbw為再懸浮作用下底泥相向懸浮相的轉(zhuǎn)化量，mg/（L·d）；N’wb為沉降作用下懸浮相向底泥相的轉(zhuǎn)化量，mg/（L·d）.

底泥相方程：

式中：Csed為底泥相水質(zhì)濃度，g/m2，與溶解相水質(zhì)濃度的單位mg/L不相同.為了統(tǒng)一，根據(jù)文獻(xiàn)［14］中對(duì)底泥相水質(zhì)的監(jiān)測(cè)方法，通過測(cè)得每 m2底泥的重量將Csed進(jìn)行轉(zhuǎn)換；Neb為生物死亡與沉降作用下生物相向底泥相的轉(zhuǎn)化量，mg/（L·d）；

生物相方程：

式中：Cbio為生物相水質(zhì)濃度，mg/L.

1.2.2吸附-解吸過程描述方程在水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化基本方程中涉及到吸附-解吸作用的一共有三項(xiàng)：懸浮顆粒對(duì)溶解相的吸附量 Ndw，底泥對(duì)溶解相的吸附量Ndb和解吸量N’bd.嚴(yán)格說，懸浮相水質(zhì)在一定條件下也會(huì)發(fā)生解吸作用，但由于水體中懸浮顆粒含量不大且相對(duì)底泥相的解吸作用量級(jí)很小，一般忽略不計(jì).為了描述吸附-解吸過程的轉(zhuǎn)化量，文獻(xiàn)［15］假設(shè)水體內(nèi)顆粒均勻分布，有關(guān)吸附量的表達(dá)式如下：

式中：Ka1、Ka2分別為懸浮顆粒和底泥對(duì)溶解相的吸附系數(shù)，1/d.

解吸是吸附的逆過程，是在一定推力作用下使得固、液相態(tài)間進(jìn)行物質(zhì)傳遞的過程，只是兩者的推力正好相反，為此有關(guān)解吸量的表達(dá)式如下：

式中：Kd為解吸系數(shù)，1/d.

1.2.3沉降-再懸浮過程描述方程底泥相水質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化，與溶解相和懸浮相差別較大.因其附著在河底的泥沙顆粒上，主要受水流推移作用的影響，擴(kuò)散作用不顯著［16］.在水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化基本方程中涉及到沉降-再懸浮作用的有兩項(xiàng)：懸浮相的沉降量N’wb和底泥相的再懸浮量Nbw.根據(jù)泥沙工程學(xué)原理，顆粒相水質(zhì)的沉降與再懸浮是與水體中懸浮顆粒的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一起的，而懸浮顆粒的運(yùn)動(dòng)又與水流條件密切相關(guān)［15］，這就涉及到水流的臨界流速Ucrit問題.

當(dāng)水體流速U小于臨界流速Ucrit，即沉降作用占主導(dǎo)地位時(shí)，懸浮顆粒沉降的水質(zhì)轉(zhuǎn)化量為：式中：Kw為懸浮相的沉降速率；H為水深.

當(dāng)水體流速U大于臨界流速Ucrit，即再懸浮作用占主導(dǎo)時(shí)，底泥再懸浮的水質(zhì)含量為：

式中：KS為再懸浮速率；其他符號(hào)意義同前.

1.2.4水生生物生長(zhǎng)-死亡過程描述方程水體中氮、磷、碳等生源物質(zhì)會(huì)被藻類吸收，作為維持自身生存繁衍的重要組分，同時(shí)藻類又會(huì)作為食物鏈的一個(gè)環(huán)節(jié)，被浮游動(dòng)物、魚類等攝入.為描述這一傳質(zhì)過程，可運(yùn)用水生生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)原理，來反映溶解相與生物相水質(zhì)之間的傳質(zhì)過程.在水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化基本方程中涉及到水生生物作用的一共有兩項(xiàng)：生物相對(duì)溶解相的攝入量 Nde，生物相對(duì)底泥相的衰減量 Neb，其計(jì)算公式如下：

式中：GP、DP、ωP分別為水生生物的生長(zhǎng)率、死亡率和沉降率，1/d；DZ為水生生物的被捕食率，1/d；Z（t）為捕食者的生物量濃度，mg/L.

以浮游植物為例，水環(huán)境中浮游植物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制可描述為［17］：

式中：Gmax為浮游植物的最大生長(zhǎng)率，1/d； GT、GI、GN分別為溫度調(diào)節(jié)因子、光照衰減因子、營養(yǎng)限制因子，無量綱.其中，針對(duì)氮、磷等生源物質(zhì)，GN受到溶解相水質(zhì)濃度Cdis的影響，可采用下式計(jì)算：

式中：CdP、CdN分別為浮游植物生長(zhǎng)所需要的溶解相無機(jī)磷和無機(jī)氮的濃度，mg/L；KN?、KP?分別為氮和磷的半速系數(shù)（即為飽和生長(zhǎng)率一半時(shí)的溶解相濃度），mg/L.

2　應(yīng)用實(shí)例

2.1研究區(qū)概況及資料收集

以沙潁河干流上的槐店閘為研究對(duì)象，先后開展了3次閘壩調(diào)度影響現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)范圍為閘控河段上下游2km范圍內(nèi)，上游第一個(gè)斷面距槐店閘的距離為 850m，下游距槐店閘的距離為1150m，按照河流縱向距離步長(zhǎng) 200～500m共劃分7斷面，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)無排污口存在.文中數(shù)據(jù)來源于2013年4月開展的第3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本次實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究不同調(diào)度方式下水質(zhì)在水體、懸浮物、底泥等不同載體之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律.實(shí)驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面（閘上的是Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ斷面，閘下的是Ⅵ、Ⅶ斷面），進(jìn)行7次系統(tǒng)采樣（共采集18個(gè)水樣、3個(gè)底泥樣和4個(gè)上層覆水樣（用于檢測(cè)懸浮相水質(zhì)濃度））.同時(shí)還利用HACH水質(zhì)監(jiān)測(cè)組件和DS5藻類自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀對(duì)水閘上、閘下水質(zhì)進(jìn)行了監(jiān)測(cè).在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期，為考慮水閘調(diào)度對(duì)水質(zhì)相態(tài)轉(zhuǎn)化的作用，按照實(shí)驗(yàn)時(shí)間順序，共設(shè)計(jì)了8孔30cm、6孔50cm、4孔70cm、4孔30cm、4孔10cm、閘門全關(guān)6種開啟方式，其對(duì)應(yīng)的過閘流量分別為63，72，55，34，14，0m3/s.

2.2模型參數(shù)驗(yàn)證

模型驗(yàn)證時(shí)水動(dòng)力學(xué)模型采用的邊界條件為：上邊界為實(shí)驗(yàn)期Ⅰ斷面實(shí)測(cè)流量資料序列，下邊界為Ⅶ斷面實(shí)測(cè)水位資料序列，閘上內(nèi)邊界為Ⅳ斷面實(shí)測(cè)水位資料序列.初始條件為斷面的實(shí)測(cè)水位、流量資料.水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化模型的上邊界條件為同期Ⅰ斷面實(shí)測(cè)溶解相水質(zhì)濃度資料序列.初始條件為監(jiān)測(cè)斷面的溶解相、懸浮相、底泥相和生物相水質(zhì)濃度［17］.

在水動(dòng)力模型驗(yàn)證方面，以閘上Ⅲ斷面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來率定模型的參數(shù)，以閘下Ⅵ斷面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證.由模擬結(jié)果可知，閘上Ⅳ斷面最大相對(duì)誤差為9.79%，相對(duì)誤差平均值為4.46%；閘下Ⅵ斷面最大相對(duì)誤差為11.63%，相對(duì)誤差平均值為5.05%，模型模擬精度較高.

由于水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化模型中參數(shù)較多，單一率定相對(duì)繁瑣，為此作如下處理：首先，根據(jù)參數(shù)對(duì)模型的敏感性程度對(duì)參數(shù)進(jìn)行分類，敏感性參數(shù)包括大氣復(fù)氧系數(shù)（teta_r）、吸附速率（ka）、解吸速率（kd）、有機(jī)質(zhì)沉降速率（kw）、有機(jī)質(zhì)再懸浮速率（ks）、礦化速率（MlRM）、反硝化速率（DfR0）等；不敏感性參數(shù)包括光合作用最大產(chǎn)氧量（PMAX）、半飽和氧濃度（Cos）、氮的半速系數(shù)（KN?）、磷的半速系數(shù)（KP?）等.其次，將一些水環(huán)境模型給出的部分參數(shù)建議值（如MIKE ECO Lab、WASP等）和文獻(xiàn)［10，16，18-19］中率定的參數(shù)值作為模型中參數(shù)的初始值，對(duì)敏感性參數(shù)，不斷調(diào)整每一個(gè)參數(shù)值，將指定水質(zhì)相的每一次模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定每一個(gè)敏感性參數(shù)的取值；不敏感性參數(shù)則維持初始值不變.最后，將敏感性參數(shù)作為一個(gè)整體，統(tǒng)一調(diào)整參數(shù)的取值，對(duì)結(jié)果進(jìn)行模擬，使模擬結(jié)果整體擬合效果達(dá)到最優(yōu).再以閘上Ⅳ斷面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行率定，以閘下Ⅶ斷面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證.模型率定和驗(yàn)證結(jié)果為：閘上Ⅳ斷面最大相對(duì)誤差為 35.5%，相對(duì)誤差平均值為 9.76%；閘下Ⅴ斷面最大相對(duì)誤差為63.75%，相對(duì)誤差平均值為11.72%，模擬精度比較理想.率定后的參數(shù)值如表1所示.

表1　水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化模型中的參數(shù)項(xiàng)Table 1　Parameters of the multi-phase transformation model of water quality

2.3模擬結(jié)果分析

2.3.1溶解相水質(zhì)模擬結(jié)果及分析運(yùn)用構(gòu)建的模型模擬出水閘連續(xù)調(diào)度時(shí)閘上、閘下水體中溶解相水質(zhì)的濃度變化趨勢(shì)（如圖3）.

由圖3可見，閘上溶解相COD和ON濃度整體呈下降趨勢(shì)，而溶解相 TP在各種作用下濃度變化幅度較大；閘下溶解相 COD濃度先降低后逐漸增加，溶解相ON濃度先增加后降低，溶解相TP濃度整體為上升趨勢(shì)，但存在濃度突變點(diǎn)，分別在6日03：00達(dá)到最大值0.187mg/L，6日12：00達(dá)到最小值 0.43mg/L.對(duì)于閘上溶解相COD和ON，前期來水流量較大，COD和ON濃度一定程度上得到了稀釋，同時(shí)還加快了溶解相ON的礦化作用，使其濃度減小速度略快，COD主要以溶解態(tài)存在，而ON一部分以溶解態(tài)存在，一部分通過礦化作用，以氨氮形式存在；后期隨著閘門開度的減小，閘前流速減小，水位升高，加快了溶解相COD和ON的降解和吸附，可見，隨著來水流量的減小，礦化作用逐漸減小，降解和吸附作用增強(qiáng)，COD和ON主要以懸浮相和底泥相存在.對(duì)于閘上溶解相TP，其濃度主要受來水流量和閘門調(diào)度方式的影響.前期 TP濃度變化與斷面流速變化趨勢(shì)相同，說明此時(shí)濃度變化主要受上游來水的影響.隨著閘門開啟方式和來水流量的減少，溶解相TP的吸附作用增強(qiáng)，解吸作用減弱，同時(shí)水體中其他物質(zhì)（如 BOD）對(duì)磷元素的釋放速率得到了一定程度的加快，TP濃度有所增加.8日08：00左右，閘門關(guān)閉，水流靜止，閘前水位升高，溶解相磷被懸浮相和底泥相吸附，TP濃度開始下降.對(duì)于閘下溶解相COD，閘門下泄，對(duì)下游水體造成擾動(dòng)，COD濃度理應(yīng)增加，但在模擬前期其濃度卻呈現(xiàn)略微下降趨勢(shì)，6日23：00以后才呈增加趨勢(shì)，說明此時(shí)底泥相 COD的解吸作用不明顯，而藍(lán)藻數(shù)量在6日11：00和7日16：00迅速增加，這兩個(gè)時(shí)刻 COD濃度均在減少，說明此時(shí)藍(lán)藻光合作用產(chǎn)碳不能滿足生長(zhǎng)需要，需從水體中吸收一部分碳，其他時(shí)刻藍(lán)藻數(shù)量減少，死亡分解增加了水體中COD濃度，因此閘下COD濃度前期主要在溶解相和生物相之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化；從閘下溶解相ON濃度模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ON濃度變化與流速變化趨勢(shì)相同，前期濃度增加，然后下降，造成這種變化的原因可能為前期閘門開度較大，下泄流量較大，底泥相 ON解吸作用明顯，同時(shí)溶解相ON的礦化作用也相對(duì)明顯，此時(shí)氮元素主要以有機(jī)氮和氨氮形式存在.隨著開度減小，下泄流量減小，懸浮相ON逐漸被吸附到懸浮相和底泥相中，溶解相ON迅速下降.可見，溶解相ON濃度受閘門開度和礦化作用的影響；從閘下溶解相 TP的模擬結(jié)果可見，TP濃度變化復(fù)雜，前期閘門大開度下泄對(duì)底泥造成沖刷，濃度增加；中期處于平穩(wěn)，說明此時(shí)溶解相自身降解、底泥解吸與藍(lán)藻生長(zhǎng)吸收達(dá)到相對(duì)平衡；后期開度減小，水流對(duì)底泥沖刷作用減小，而藍(lán)藻數(shù)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，說明后期 TP濃度的變化主要受藍(lán)藻死亡分解的影響，略有增加.TP濃度變化受水動(dòng)力條件和藍(lán)藻生長(zhǎng)、死亡的雙重影響.

圖3　溶解相水質(zhì)濃度變化趨勢(shì)Fig.3　The change trend of water quality concentration in dissolved phase

圖4　懸浮相水質(zhì)濃度變化趨勢(shì)Fig.4　The change trend of water quality concentration in suspended phase

2.3.2懸浮相水質(zhì)模擬結(jié)果及分析根據(jù)第三次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，4個(gè)上層覆水樣的取樣點(diǎn)均設(shè)在閘上Ⅳ斷面，因此，模擬結(jié)果只對(duì)這一個(gè)斷面進(jìn)行對(duì)比分析.模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖4所示.

由圖4可見，懸浮相COD、TP和ON濃度變化趨勢(shì)與流速變化趨勢(shì)大致相同：初期變化不大，中期迅速下降，后期下降緩慢或基本維持平衡.通過參數(shù)率定發(fā)現(xiàn)，臨界流速對(duì) TP和ON較敏感，對(duì)其他參數(shù)不太敏感，經(jīng)率定，臨界流速值為0.2m/s，根據(jù)圖中流速模擬值，整個(gè)實(shí)驗(yàn)期閘前斷面懸浮相沉降作用占主導(dǎo).模擬前期，初始斷面來水流量較大，水流到達(dá)閘前斷面時(shí)由于閘門的阻隔，流速減小，在臨界流速以下，但此時(shí)3種物質(zhì)的濃度變化不大，說明此時(shí)懸浮相水質(zhì)濃度變化在受沉降作用的同時(shí)，還得到了上游來水的補(bǔ)充；模擬中期，來水流量減小，閘前斷面的流速進(jìn)一步減小，沉降作用增強(qiáng)，再懸浮作用不明顯，同時(shí)流速減小也會(huì)使得降解作用減弱，吸附作用增強(qiáng)，三者同時(shí)作用，使得懸浮相濃度明顯較少，隨著流速進(jìn)一步減小，懸浮相水質(zhì)濃度減少速度逐漸減慢；模擬后期，由于閘門開度逐漸減小直到關(guān)閉，閘前水流靜止，水位持續(xù)上升，各種作用達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，懸浮相濃度減少緩慢或維持基本平衡.綜合上述分析，對(duì)懸浮相水質(zhì)濃度影響最為顯著的因素為流速，流速大于臨界流速，懸浮相水質(zhì)濃度增大，流速小于臨界流速，懸浮相水質(zhì)濃度減小.同時(shí)，水深和溫度也會(huì)一定程度影響懸浮相濃度的變化.

2.3.3生物相水質(zhì)模擬結(jié)果及分析根據(jù)閘控河段水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化模型，模擬出水閘連續(xù)調(diào)度時(shí)閘上、閘下水體中藻類（主要為藍(lán)藻）數(shù)量的變化趨勢(shì)（如圖5）.

圖5　藍(lán)藻數(shù)量模擬結(jié)果Fig.5　The simulation result of algae quantity

由圖5可以看出，藍(lán)藻數(shù)量的變化呈現(xiàn)增-減-增-減的趨勢(shì).根據(jù)圖5（a）和（d），4月5日17：00～4 月6日09：00，閘上斷面和閘下斷面藍(lán)藻數(shù)量變化不大，此時(shí)初始斷面來水還未到達(dá)模擬斷面，藍(lán)藻數(shù)量變化主要受生長(zhǎng)和死亡的影響；4月 6日09：00～14：00，閘上斷面和閘下斷面藍(lán)藻數(shù)量均有一定增加，但閘上增加不明顯，閘下增加明顯，說明此時(shí)隨上游來水遷移下來的藍(lán)藻一小部分留在了閘上斷面，大部分隨水流遷移到閘下斷面，此時(shí)藍(lán)藻數(shù)量主要受水流的遷移作用而發(fā)生變化.隨著時(shí)間的推移，上游來水流量、閘門下泄流量逐漸減小，閘上斷面和閘下斷面藍(lán)藻數(shù)量均出現(xiàn)了快速的增加，但閘上斷面增加迅速，閘下斷面增長(zhǎng)相對(duì)緩慢，說明此時(shí)藍(lán)藻數(shù)量的變化不僅受水流遷移作用的影響，還受其他作用的影響.根據(jù)文獻(xiàn)［20］，流速為30cm/s時(shí)藻類比增率最大，較適合藻類生存.根據(jù)模擬結(jié)果圖，閘上斷面在 7日12：00以后閘上斷面流速減小到了1.87m/s，不適合藍(lán)藻的生長(zhǎng)，但藍(lán)藻數(shù)量大幅增加，說明此時(shí)由于閘門開度的變小，水體在閘上停留時(shí)間較長(zhǎng)，隨水流遷移過來的藍(lán)藻在閘前聚集，閘上斷面藍(lán)藻密度平均值和藍(lán)藻質(zhì)量?jī)粼隽吭龃螅?1］.閘下斷面在7日09：00以后最大流速為10.6cm/s，僅僅達(dá)到適合藍(lán)藻生長(zhǎng)流速的最低限，此時(shí)藍(lán)藻的生長(zhǎng)處在衰亡期，死亡率大于生長(zhǎng)率.同時(shí)閘門下泄流量減小，對(duì)閘下的水體擾動(dòng)作用減小，藍(lán)藻對(duì)水分和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收減弱，同時(shí)藍(lán)藻的懸浮作用也減弱，向底泥的沉降增多，導(dǎo)致藍(lán)藻數(shù)量增長(zhǎng)緩慢.閘門關(guān)閉后，閘上斷面和閘下斷面水體的擾動(dòng)減弱，營養(yǎng)物質(zhì)在吸附和沉降等作用下逐漸減少，藍(lán)藻死亡率大于生長(zhǎng)率，數(shù)量開始減少.經(jīng)分析，7日12：00以前，由于下泄流量較大，水流的遷移作用較明顯，而在7日12：00以后，來水流量和閘門下泄流量減小，流速、來水流量、閘門下泄流量均減弱，水動(dòng)力條件不再適合藍(lán)藻生長(zhǎng)，抑制了藍(lán)藻數(shù)量的增加.另外，由圖5（b）、（c）、（e）、（f）可以看出，生物相氮、磷的濃度變化隨著藻類數(shù)量的變化而變化，且藻類細(xì)胞內(nèi)氮元素含量變化幅度要大于磷元素，根據(jù)模擬及實(shí)測(cè)值，水體中N/P值為閘上33左右、閘下37左右，明顯高于16.因此，藻類生長(zhǎng)表現(xiàn)為磷限制［22-23］，此時(shí)溶解相磷向生物相磷的轉(zhuǎn)化受到抑制.

3　結(jié)論

3.1本文在認(rèn)識(shí)閘控河段水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化機(jī)理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多種理論方法構(gòu)建了閘控河段水質(zhì)多相轉(zhuǎn)化模型.以槐店閘水域?yàn)檠芯繀^(qū)，對(duì)COD、TP、PYT等的變化進(jìn)行了模擬，并得出以下結(jié)論：3.1 來水流量較大、閘門大開度時(shí)，水體的水文情勢(shì)受到顯著影響，不僅增加了懸浮相和底泥相對(duì)物質(zhì)的釋放，還改變了溶解氧濃度和藻類數(shù)量，間接影響了其他水質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，閘上和閘下斷面溶解相和懸浮相水質(zhì)濃度呈增加趨勢(shì)，底泥相水質(zhì)濃度呈減小趨勢(shì).來水流量較小、閘門小開度時(shí)，結(jié)果表現(xiàn)則相反.

3.2閘控河段各反應(yīng)過程隨著閘門調(diào)度方式的改變表現(xiàn)出不同的強(qiáng)弱性.當(dāng)閘門開度減小或關(guān)閉時(shí)，閘前斷面和閘后斷面流速較小，吸附作用和沉降作用增強(qiáng)，溶解相和懸浮相向底泥相轉(zhuǎn)化較快；當(dāng)閘門開度較大時(shí)，受下泄水流的影響，解吸和再懸浮作用增強(qiáng)，底泥相向溶解相和懸浮相和溶解相轉(zhuǎn)化較快.

3.3閘門調(diào)度方式的改變，使得水體與外界的物質(zhì)交換發(fā)生變化.當(dāng)閘門開度較小或關(guān)閉時(shí)，水體擾動(dòng)較弱，水體曝氣作用弱，DO濃度較小，硝化作用、反硝化作用和礦化作用主要受流速的影響；當(dāng)閘門開度較大時(shí)，水體擾動(dòng)較強(qiáng)，水體曝氣作用強(qiáng)，DO濃度較大，硝化作用主要受DO濃度的影響.

3.4在實(shí)驗(yàn)前期藍(lán)藻數(shù)量的變化主要受水流的遷移作用影響，實(shí)驗(yàn)后期由于閘門開度減小，閘上斷面藍(lán)藻數(shù)量的變化主要受閘門的阻隔的影響，閘下斷面藍(lán)藻數(shù)量主要在流速、流量和營養(yǎng)物質(zhì)濃度改變等作用綜合影響下發(fā)生變化.

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Multi-phase transformation model of water quality in the sluice-controlled river reaches.

DOU Ming1，2*，MI Qing-bin1，2，ZUO Qi-ting1，2（1.School of Water Conservancy and Environment，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China；2.Center for Water Science Research，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）.

China Environmental Science，2015，35（7）：2041～2051

On analysis of the complicated characteristics of the water quality transformation mechanism in sluicecontrolled river reaches，the multi-phase transformation of water quality based on the mutual regulation of water body，suspended matters，sediments and organisms was put forwarded. First of all，a group of mathematical expressions describing the mass transportation processes among different phase states of water were derived. Then，a multi-phase transformation model of water quality in sluice-controlled river reaches with certain physical mechanisms was established. Finally，the experimental data of Huaidian Sluice operation was used to identify and validate the parameters of the multi-phase transformation model of water quality，and to simulate the spatial and temporal change processes of water quality ingredients among different phase states. The following findings were discovered from the results： The concentration change of each phase water quality in upstream and downstream are affected by the flow and the gate operation mode，also was the algae′s growth and enrichment state. The reaction processes in upstream and downstream show different leading reaction mechanisms with the change of sluice operation. Increasing the disturbance to water body，sluice operation leads to stronger exchanges between water body and external matters. The change of cyanobacteria （PCY）quantity in the early test period is mainly affected by water migration，in the later test period，the change of PCY quantity in the upstream section is mainly affected by the obstruction of sluice，and in the downstream section is comprehensively influenced by flow velocity，flow and change of nutrient concentration.

sluice-controlled river reaches；water quality；multi-phase transform；modeling

X522

A文章標(biāo)號(hào)：1000-6923（2015）07-2041-11

2014-12-10

國家自然科學(xué)基金（U1304509）；河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃（13IRTSTHN030）

* 責(zé)任作者，教授，dou_ming@163.com

竇明（1975-），男，山東桓臺(tái)人，教授，博士，主要從事水資源與水環(huán)境研究.發(fā)表論文100余篇.