三灣水庫蓄水期重金屬遷移特性數(shù)值模擬研究

(阜新蒙古族自治縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 阜新 123100)

1 工程背景

三灣電站位于遼寧省丹東鳳城市境內(nèi)的愛河下游東湯鎮(zhèn)三灣村境內(nèi)，水電站為漿砌石拱壩，最大壩高66m，正常蓄水位為233.00m，總庫容2430萬m3，裝有3臺(tái)8MW水力發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量24MW，是一座以發(fā)電為主，兼有旅游和水產(chǎn)養(yǎng)殖等功能的綜合性水利工程。工程預(yù)計(jì)于2019年建成投入使用，對緩解鳳城市城鄉(xiāng)電力短缺、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。

工程論證階段對工程區(qū)平水期的水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查分析，結(jié)果顯示：由于上游分布有數(shù)量不等的工礦企業(yè)，愛河上游部分支流存在一定的重金屬濃度超標(biāo)問題，主要為砷化物、鐵、錳和鎘，但是匯入愛河干流后對干流水質(zhì)影響并不明顯。此外，壩址上游部分地段存在土壤中的砷化物與鐵元素超標(biāo)問題，水庫蓄水后，淹沒區(qū)的有害金屬元素浸出又可能威脅庫區(qū)水體環(huán)境[1]，因此，對三灣水庫建成蓄水和運(yùn)行期的重金屬遷移特性展開研究十分必要。

2 MIKE21計(jì)算模型的建立

2.1 模型簡介

MIKE軟件主要包括MIKE11、MIKE21、MIKE31系列，主要用于水資源和水環(huán)境研究[2]。該系列軟件開發(fā)了水動(dòng)力模塊(HD)、對流擴(kuò)散模塊(AD)、水質(zhì)模塊(WQ)、泥沙輸移模塊(ST)等極為豐富的模塊，借助輸入文件的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的前、后處理功能[3]。MIKE21是MIKE軟件系列中的二維自由水面流動(dòng)模擬系統(tǒng)軟件，主要用于自由水體的流動(dòng)、泥沙輸送與沉積以及波浪和水環(huán)境變化等二維數(shù)值模擬研究[4]。此次研究采用MIKE21軟件構(gòu)建起重金屬隨庫區(qū)水沙遷移轉(zhuǎn)化的二維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，對建庫蓄水過程中水質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行初步預(yù)測。

ECOLab可以提供耦合常微分方程，可通過與MIKE軟件中的MIKE21模塊耦合運(yùn)行，用于各種水質(zhì)預(yù)報(bào)、研究[5]。對于當(dāng)前在水體水質(zhì)研究中的不同水質(zhì)問題，ECOLab可以提供WQ(水質(zhì)模塊)、EU(富營養(yǎng)化模塊)、ME(重金屬模塊)以及XE(異生物質(zhì)模塊)[6]?？紤]到此次研究的實(shí)際情況，選用ME模塊進(jìn)行模擬。

2.2 研究區(qū)確定

三灣水庫位于愛河下游河段，屬于典型的河谷型水庫。結(jié)合研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)、水文、氣象、河流匯入以及水污染等方面的綜合數(shù)據(jù)，確定模型的范圍為庫尾至壩址干流高程240.00m等高線涵蓋的全部區(qū)域，其上游邊界在庫尾上游1.20km位置，下游邊界為工程的壩址處。該區(qū)域內(nèi)存在多條大小不等的支流，其中以石門溝和小西溝最大，分別距離壩址1.50km和2.30km。

2.3 網(wǎng)格剖分

模型構(gòu)建過程中利用Mike Mesh Generator進(jìn)行混合網(wǎng)格生成[7]。其中，愛河主河道區(qū)域采用四邊形網(wǎng)格，以便對水下地形進(jìn)行更好的擬合；水庫回水淹沒區(qū)則采用三角形網(wǎng)格剖分，以提高計(jì)算效率。按照上述思路，研究區(qū)內(nèi)的網(wǎng)格總數(shù)為22965個(gè)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)為16254個(gè)。

2.4 邊界條件與參數(shù)設(shè)置

模型的水動(dòng)力邊界條件為：在上游邊界與研究區(qū)內(nèi)的各支流入口部位給流量，下游邊界設(shè)置為水位；水質(zhì)邊界條件為上游邊界與研究區(qū)內(nèi)的各支流入口部位給實(shí)測金屬濃度，下游邊界則采用無梯度邊界。

模型中的水動(dòng)力參數(shù)主要包括河床的糙率以及模型計(jì)算的時(shí)間步長，其中糙率通過水位與流速結(jié)合模型模擬結(jié)果對比進(jìn)行率定，通過試算，河床糙率取值0.04；計(jì)算步長則依據(jù)CFL條件進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。水質(zhì)參數(shù)中的水平渦洞黏性系數(shù)利用Smagorinsky公式計(jì)算獲取，反應(yīng)速率參照同類工程的研究成果以及相關(guān)分析實(shí)驗(yàn)確定[8]。

3 庫區(qū)蓄水期特征污染物變化規(guī)律研究

運(yùn)用構(gòu)建的水動(dòng)力和水質(zhì)模型，結(jié)合庫區(qū)特征污染物的來源和濃度調(diào)查數(shù)據(jù)，對蓄水初期砷化物和鐵元素的濃度時(shí)空變化過程進(jìn)行計(jì)算分析。為了解砷化物的濃度變化規(guī)律，在愛河干流、石門溝干流和小西溝的上游和下游以及擬建的壩址部位設(shè)置5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

3.1 砷化物的濃度變化

利用構(gòu)建的水動(dòng)力水質(zhì)模型，對水庫蓄水至正常蓄水位時(shí)的砷化物濃度進(jìn)行計(jì)算，獲得砷化物濃度分布圖(見圖1)。由圖1可以看出，水庫在蓄水至正常蓄水位時(shí)，愛河在研究區(qū)段干流的砷化物濃度在5～10μg/L之間，受石門溝和小西溝來水中砷化物濃度較高的影響，在兩個(gè)支流區(qū)域的砷化物濃度明顯升高，可以達(dá)到40～70μg/L。從研究區(qū)的整體情況來看，除了上述兩個(gè)區(qū)域的砷化物濃度較高外，庫區(qū)水體的砷化物濃度比較穩(wěn)定，基本可以滿足地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于砷化物濃度的要求。

圖1 蓄水后砷化物濃度分布

利用水動(dòng)力水質(zhì)模型對水庫蓄水過程中5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的砷化物濃度進(jìn)行計(jì)算，獲得圖2砷化物濃度隨時(shí)間變化的曲線。由圖2可知，5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的砷化物濃度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，但是不同監(jiān)測點(diǎn)砷化物濃度開始增大的時(shí)間以及達(dá)到峰值的濃度并不相同。其中t1監(jiān)測點(diǎn)位于石門溝支流的上游，該部位砷化物的濃度呈現(xiàn)出緩慢下降的態(tài)勢，究其原因，主要是該監(jiān)測點(diǎn)位于砷化物含量超標(biāo)的愛河支流上游，不會(huì)受到超標(biāo)水體的明顯影響，而砷化物的主要來源是上游來水以及水庫蓄水過程中被淹沒的巖石和土壤中的砷化物的釋放，同時(shí)在蓄水過程中由于水流速度減小，砷化物的沉降作用也比較明顯，當(dāng)沉降量大于釋放量時(shí)，水體中的砷化物濃度就會(huì)減??；t2和t3監(jiān)測點(diǎn)位于兩條主要支流的下游，其濃度的變化規(guī)律為先迅速增大，然后再緩慢增加至峰值，最后逐漸減小，究其原因主要是受到條高污染支流水體的匯入，砷化物濃度迅速增加，然后受到被淹沒的巖石和土壤中的砷化物的釋放的影響，濃度繼續(xù)緩慢增加，最后受到沉降作用的影響，濃度逐漸降低；t4和t5監(jiān)測點(diǎn)靠近壩址位置，砷化物的濃度整體上為下降的態(tài)勢，究其原因主要是水流速度小，砷化物的沉降作用大于其釋放量。整體來看，由于庫區(qū)淹沒區(qū)域的砷化物釋放作用有限且不會(huì)長期持續(xù)，而水庫蓄水后流速降低，沉降作用明顯，因此，蓄水后庫區(qū)水體的砷化物濃度較之前有所降低。

圖2 各監(jiān)測點(diǎn)蓄水過程中砷化物濃度變化曲線

3.2 鐵元素濃度變化

水庫蓄水完成后，計(jì)算各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)鐵元素濃度分布規(guī)律(見圖3)。由圖3可知，水庫蓄水過程中，愛河干流庫區(qū)段的鐵元素濃度在50～240μg/L之間，受石門溝中高濃度鐵元素水體匯入的影響，在該支流的局部區(qū)域鐵元素濃度超過300μg/L。但是，從整體來看，蓄水后三灣水庫庫區(qū)水體的鐵元素濃度基本滿足地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 蓄水后鐵元素濃度分布

三灣水電站庫區(qū)蓄水過程中，計(jì)算各監(jiān)測點(diǎn)鐵元素濃度的變化過程(見圖4)。由圖4可知，t5監(jiān)測點(diǎn)的鐵元素濃度先增大，后逐漸下降，其余四個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的鐵元素濃度均呈現(xiàn)為逐漸降低的變化趨勢。究其原因，t5監(jiān)測點(diǎn)位于電站大壩的壩前位置，該區(qū)域有大片土地率先被淹沒，因而造成巖石和土壤中鐵元素的迅速、大量釋放，使該監(jiān)測點(diǎn)鐵元素的濃度明顯升高，之后，隨著釋放量的減小和沉降作用的加強(qiáng)，水體中的鐵元素濃度開始逐漸下降。

圖4 各監(jiān)測點(diǎn)蓄水過程中鐵元素濃度變化曲線

4 結(jié) 論

隨著各地經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題是擺在面前的一項(xiàng)急需解決的重要問題。本文以遼寧省在建的三灣水電站為例，利用MIKE軟件構(gòu)建該水庫的二維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，對水庫蓄水過程中的特征污染物遷移特征進(jìn)行模擬研究，得到如下結(jié)論：水庫蓄水初期，重金屬濃度會(huì)受到來水、沉降以及釋放等多種因素影響；水庫在蓄水至正常蓄水位時(shí)，愛河在研究區(qū)段干流的砷化物和鐵元素的濃度比較穩(wěn)定，僅在支流匯入?yún)^(qū)域受高濃度水體的影響，特征污染物濃度較高，庫區(qū)水體的特征污染物濃度基本可以滿足地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求；模型模擬結(jié)果顯示，蓄水過程中特征污染物濃度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，由于蓄水完成后水體中重金屬的沉降作用比蓄水前增大，蓄水完成后水體特征污染物含量呈現(xiàn)出較蓄水前降低的趨勢。