三峽庫區(qū)大寧河口水體富營養(yǎng)化三維精細(xì)化模擬

趙 鑫，馮 璁，吳 敏

(長江科學(xué)院 a.流域水環(huán)境研究所;b.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點實驗室，武漢 430010)

作為舉世矚目的巨型水利工程，三峽工程引發(fā)的水環(huán)境問題備受國內(nèi)外關(guān)注。自2003年開始，三峽水庫試驗性蓄水已有10余年時間，庫區(qū)支流回水區(qū)連年爆發(fā)“水華”，“水華”治理已成為三峽庫區(qū)水環(huán)境保護的主要工作。通過三峽調(diào)度，改變庫區(qū)回水區(qū)流速是一條值得研究的抑制“水華”的重要途徑［1］。而數(shù)學(xué)模型則是研究此類問題最靈活、經(jīng)濟的工具，精準(zhǔn)的模型是保證研究效果的重要前提。目前國內(nèi)在三峽庫區(qū)，針對富營養(yǎng)化已經(jīng)開展了一系列模擬，主要是一維、二維模型［2－3］。三峽水庫蓄水后，庫區(qū)垂向分層顯著，用一維、二維模型已經(jīng)難以模擬藻類和營養(yǎng)鹽在垂向上的分布特征，而少數(shù)三維模擬主要在三峽工程175 m蓄水前開展［4］，蓄水后的實際狀況已發(fā)生很大變化，已難以反映三峽成庫后水華變化規(guī)律?；诖耍狙芯坷?010—2011年庫區(qū)最新監(jiān)測數(shù)據(jù)，選擇大寧河口地區(qū)典型區(qū)，以EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)為工具，開展三維富營養(yǎng)化模擬，以期為后續(xù)開展三峽水力調(diào)度抑藻提供研究工具。

1 建模工具

EFDC是根據(jù)多個數(shù)學(xué)模型集成開發(fā)研制的綜合模型［5］。它包括水動力、泥沙、有毒物質(zhì)和水質(zhì)模塊，用于模擬水系統(tǒng)一維、二維和三維流場、物質(zhì)輸運、生態(tài)過程及淡水入流等。模型在垂直方向采用σ坐標(biāo)變換，水平方向采用直角坐標(biāo)或正交曲線坐標(biāo)。動力學(xué)方程采用有限差分法求解，水平方向采用交錯網(wǎng)格離散，時間積分采用二階精度的有限差分法，以及內(nèi)外模式分裂技術(shù)，即采用剪應(yīng)力或斜壓力的內(nèi)部模塊和自由表面重力波或正壓力的外模塊分開計算。外模塊采用半隱式計算方法，允許較大的時間步長。內(nèi)模塊采用考慮了垂直擴散的隱式格式，在潮間帶區(qū)域采用干濕網(wǎng)格技術(shù)。

EFDC模型可以模擬河流、河口、湖泊、水庫，濕地系統(tǒng)以及自近岸到陸架的海域，可以同時考慮風(fēng)、浪、潮、徑流的影響，并可以設(shè)置水工建筑物。EFDC富營養(yǎng)模塊包含22個水質(zhì)變量，可模擬復(fù)雜的生態(tài)反應(yīng)過程［6］和模擬光照、水溫、營養(yǎng)鹽等條件影響下的藻類生長變化過程。目前該模型在全球范圍內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。它曾被用于美國Blackstone河中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化模擬［7］、Lucie河口處泥沙的輸移模擬［8］、Ishikari海灣波流共同作用下泥沙的運動形態(tài)模擬等［9］。在國內(nèi)應(yīng)用包括云南滇池水質(zhì)模擬［10］、重慶兩江匯流水動力模擬［11］、密云水庫營養(yǎng)物模擬等［12］及內(nèi)蒙古烏梁素海水體富營養(yǎng)化過程模擬［13］，以及三峽庫區(qū)水質(zhì)模擬［14］等。考慮到可以從三維尺度模擬水庫復(fù)雜水動力和藻類生長過程，并且經(jīng)過廣泛驗證，本研究以EFDC為工具開展三峽庫區(qū)大寧河口地區(qū)富營養(yǎng)化模擬。

2 模型配置

2.1 模擬區(qū)概況

本研究取大寧河大昌水位站到巫峽口26 km河段作為模擬區(qū)段。該區(qū)段位于三峽大壩上游約125 km處，受三峽水庫蓄水影響顯著，在三峽水庫蓄水前，該區(qū)段全部處于天然狀態(tài)，落差較大，水流速度較大(圖1);在三峽水庫蓄水后，該區(qū)段水文情況有較大的改變，受到長江回水頂托影響，河水流速大大變緩，河面增寬，河道成葫蘆連接狀。該區(qū)段流速處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)(＜0.1 m/s)，是歷年“水華”爆發(fā)的主要區(qū)段。

圖1 大寧河口河道地形Fig.1 Bottom elevation of the Daning River estuary

2.2 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

模型模擬所需水文、氣象、水質(zhì)數(shù)據(jù)主要來源于長江水利委員會水文局、重慶市氣象局以及巫山縣環(huán)境監(jiān)測站等單位。水文數(shù)據(jù)包括:大寧河巫溪、大昌水位、流量數(shù)據(jù)，大寧河口水位數(shù)據(jù);氣象數(shù)據(jù)包括:大氣壓、氣溫、相對濕度、降雨量、蒸發(fā)量、太陽輻射、風(fēng)速、風(fēng)向等。水質(zhì)數(shù)據(jù)包括大昌、雙龍、龍門水質(zhì)各斷面表層、中層、底層水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。具體收集到的指標(biāo)包括:水溫、CODMn、總氮、總磷、葉綠素a、溶解氧、部分氨氮和硝態(tài)氮數(shù)據(jù)。由于EFDC模型要求的輸入水質(zhì)變量和收集到的有所不同，需要進行一定轉(zhuǎn)換，具體轉(zhuǎn)換方法見文獻(xiàn)［4］，水質(zhì)參數(shù)初始值采用文獻(xiàn)［4］中數(shù)值。

3 網(wǎng)格剖分及計算條件設(shè)置

采用Delft3D軟件將研究區(qū)水平方向剖分成1 560個活動單元，導(dǎo)入到EFDC_Explorer。在EFDC_Explorer將模型區(qū)在垂向分為4層，每層1 560個活動單元，共6 240個計算單元。根據(jù)收集到數(shù)據(jù)的可利用性，模擬時段率定期為2010年1月5日至2010年12月5日，驗證期為2011年1月5日至2011年12月5日。時間步長采用動步長，最小步長設(shè)為0.5 s，設(shè)定大昌為流量邊界，其流量數(shù)據(jù)由巫溪站數(shù)據(jù)推得。河口設(shè)為開邊界條件。對應(yīng)邊界的水質(zhì)時間序列采用實測數(shù)據(jù)配置。模型所需參數(shù)包括水動力、泥沙和水質(zhì)參數(shù)。

4 模型率定

模型率定主要通過調(diào)整各參數(shù)值來減小模型輸出與實測結(jié)果誤差，大寧河模型率定采用手動進行，大約進行了150余次運算。由于研究區(qū)處于回水區(qū)，水位落差微小，水動力過程微弱，且無水文站點，故而未開展各斷面實測與模擬水位擬合，主要模擬分析水質(zhì)的變化狀況。通過對比雙龍與龍門斷面模擬與實測水質(zhì)變量值校準(zhǔn)模型參數(shù)，需調(diào)整的參數(shù)利用敏感性分析確定，最終模型參數(shù)見表1。對比結(jié)果分析見圖2和圖3及表2和表3。

表1 大寧河口富營養(yǎng)化模型主要參數(shù)Table 1 Parameters of the eutrophication model for Daning River estuary

表2 2010年雙龍斷面各指標(biāo)模擬變量統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Statistical results of water quality variables at Shuanglong section，2010

圖2 2010年雙龍斷面各指標(biāo)模擬和實測結(jié)果對比Fig.2 Comparison between simulated and measured results of water quality variables at Shuanglong section，2010

圖3 2010年龍門斷面各指標(biāo)模擬和實測結(jié)果對比Fig.3 Comparison between simulated and measured results of water quality variables at Longmen section，2010

表3 2010年龍門斷面各指標(biāo)模擬變量統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Statistical results of water quality variables at Longmen section，2010

由圖2和表2可知，雙龍斷面實測水溫與模擬結(jié)果相當(dāng)吻合，水溫的變化影響著水體中各水質(zhì)變量的反應(yīng)速率，準(zhǔn)確的水溫模擬是實現(xiàn)高質(zhì)量水質(zhì)模擬的前提條件。各統(tǒng)計量:平均誤差、相對誤差、絕對誤差、均方根均較小，以相對誤差為例，表層、中層、下層水溫模擬相對誤差小于10%;實測總氮和模擬結(jié)果存在具有較好的一致性，各統(tǒng)計指標(biāo)均較小，相對誤差均小于25%;總磷模擬值能基本反映實測結(jié)果，相對誤差均未超過40%;目前巫山環(huán)境監(jiān)測部門只對表層水樣進行葉綠素a含量分析，因而此處只給出表層模擬結(jié)果和實測結(jié)果的對比，盡管統(tǒng)計量偏差較大，但模型仍可以模擬水體中葉綠素a的變化過程。

從圖3和表3可知，與雙龍斷面類似，龍門斷面實測水溫與模擬結(jié)果亦非常吻合，平均誤差、相對誤差、絕對誤差、均方根各值均較小，表層、中層、下層水溫模擬相對誤差均小于10%;實測總氮和模擬結(jié)果具有基本一致的變化趨勢，效果不如雙龍斷面，從統(tǒng)計量上看，總氮相對誤差均小于20%;總磷模擬值和實測值吻合度較好，相對誤差基本在35%以內(nèi);模型基本上可以模擬水體中葉綠素a的變化過程。

5 模型驗證

大寧河模型驗證過程主要采用2010年數(shù)據(jù)檢驗率定好的參數(shù)是否具有有效性。驗證過程同樣在雙龍和龍門監(jiān)測斷面進行。圖4為雙龍斷面各水質(zhì)變量模擬結(jié)果與實測值對比圖，表4為驗證期雙龍斷面統(tǒng)計結(jié)果，圖5為龍門斷面各水質(zhì)變量模擬結(jié)果與實測值對照，表5則為驗證期龍門斷面的統(tǒng)計結(jié)果。

由圖4和表4可知，驗證期雙龍斷面水溫模擬效果較好，相關(guān)統(tǒng)計顯示，平均誤差、相對誤差、絕對誤差和均方根各值均較小，表層、中層、下層水溫模擬相對誤差均小于10%;實測總氮和模擬結(jié)果具有基本一致的變化趨勢，吻合度較高，從統(tǒng)計量上看，總氮相對誤差均小于20%;模型能較好模擬出水體中總磷的變化趨勢，從統(tǒng)計結(jié)果看，表層、中層、下層相對誤差差別顯著，表層偏差較大，中間層偏差最小;模型基本上可以模擬水體中葉綠素a的變化過程，但與實測值仍偏差較大，最終導(dǎo)致相對誤差達(dá)到78.825%。

圖4 2011年雙龍斷面各指標(biāo)模擬和實測結(jié)果對比Fig.4 Comparison between simulated and measured results of water quality variables at Shuanglong section，2011

由圖5和表5可知，驗證期龍門斷面水溫模擬效果較好，平均誤差、相對誤差、絕對誤差和均方根各值均較小，表層、中層、下層水溫模擬相對誤差均小于10%;總氮模擬值與實測值變化趨勢基本一致，各統(tǒng)計量仍然較小，平均誤差最大值小于0.1，相對誤差最大只有10.532%，絕對誤差和均方根都小于0.5;模型基本模擬出水體中總磷的變化趨勢，各統(tǒng)計變量都較小，表層、中層、下層相對誤差最大僅為47.083%;模型基本上可以模擬水體中葉綠素a的變化過程，能模擬出葉綠素a峰值，但誤差較大，相對誤差達(dá)到85.742%。

表4 2011年雙龍斷面各指標(biāo)模擬變量統(tǒng)計結(jié)果Table 4 Statistical results of water quality variables at Shuanglong section，2011

圖5 2011年龍門斷面各指標(biāo)模擬和實測結(jié)果對比Fig.5 Comparison between simulated and measured results of water quality variables at Longmen section，2011

綜上可知，模型率定和驗證階段，水溫模擬結(jié)果最好，總氮和總磷次之，而葉綠素a模擬偏差較大。究其原因在于，對于水溫，研究區(qū)范圍較小，上下游水溫基本無差異，邊界處水溫條件與中部基本一致，所以作為率定和驗證點位的雙龍與龍門水溫與上下游邊界條件值基本一致;對于總氮和總磷，其變化受到上游輸入、傳輸過程中向底部沉降或底泥釋放以及藻類捕食等因素的綜合影響，因此模擬值與實測值存在一定偏差;而葉綠素a屬于藻類生長的指標(biāo)，其影響因素更多，如光照、水溫、營養(yǎng)鹽及水動力過程等，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實測結(jié)果偏差較大，但模擬結(jié)果仍能體現(xiàn)水體中藻類的生長變化過程。

6 結(jié)語

本研究利用三峽庫區(qū)大寧河口地區(qū)氣象、水文、水質(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建了三維富營養(yǎng)化模型，并利用實測數(shù)據(jù)進行了模型驗證。主要結(jié)論和展望如下:

(1)使用2010年雙龍和龍門斷面實測數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行了率定，水溫實測值與模擬值高度吻合，相對誤差均小于10%;總氮相對誤差均小于40%，總磷最大相對誤差為67.002%;葉綠素a相對誤差較大，但能反映實測點葉綠素a的變化趨勢。

(2)使用2011年雙龍和龍門斷面實測數(shù)據(jù)對模型進行了驗證，水溫模擬效果最好，模型也能較好計算總氮和總磷變化趨勢，實測值與模擬值基本一致，同樣，葉綠素a模擬結(jié)果與實測結(jié)果偏差較大，但能反映葉綠素a的變化過程。

(3)目前的模型僅考慮了光照、水溫、營養(yǎng)鹽等條件對藻類生長的影響，而流速是藻類生長的關(guān)鍵因子，在后續(xù)研究中可將流速因素考慮到模型模擬中，以提高模擬精度。

(4)基于該模型，可進一步研究三峽調(diào)度對庫區(qū)水體“水華”的抑制效果，分析不同調(diào)度工況下，庫區(qū)支流回水區(qū)“水華”生消變化過程。

表5 2011年龍門斷面各指標(biāo)模擬變量統(tǒng)計結(jié)果Table 5 Statistical results of water quality variables at Longmen section，2011

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