于橋水庫生態(tài)清淤過程中降雨侵蝕出露灘地底泥對水庫水質(zhì)的影響

張揚 申彥科 陳海梅

1 研究背景

于橋水庫作為引灤入津工程重要調(diào)蓄水庫之一，是天津市主要的水源地，在天津市供水系統(tǒng)中發(fā)揮著極其重要的作用。近幾年水質(zhì)逐年變差，由Ⅲ類惡化為Ⅳ類，夏季高溫季節(jié)甚至達(dá)到劣Ⅴ類，導(dǎo)致藍(lán)藻爆發(fā)、供水中斷，嚴(yán)重影響了城市的供水安全。消減入庫營養(yǎng)鹽、水體生態(tài)恢復(fù)、流域強(qiáng)化管理是治理湖泊水庫富營養(yǎng)化措施方向，其中湖泊生態(tài)清淤是控制內(nèi)源污染的主要措施。

本研究以于橋水庫生態(tài)清淤作業(yè)為例，基于現(xiàn)有的于橋水庫水動力-水質(zhì)模型，通過建立土壤侵蝕及氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)流失計算公式，模擬計算了不同降雨強(qiáng)度下，出露灘地底泥在降雨侵蝕作用下，氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的流失進(jìn)入于橋水庫，從而引起水庫水質(zhì)變化的情況，為水庫干場清淤施工期間有效控制降雨侵蝕造成的庫周氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)短期匯集可能造成的水環(huán)境風(fēng)險，提供理論依據(jù)。

2 于橋水庫水動力-水質(zhì)模型

本文所用水動力-水質(zhì)模型是參考相關(guān)文獻(xiàn)（程揚等2019），采用了南京地理與湖泊研究所構(gòu)建的成熟的數(shù)值計算模型。主要包含：氮磷營養(yǎng)物質(zhì)輸運（對流-擴(kuò)散-反應(yīng)）方程、水動力-水質(zhì)耦合的守恒型方程、沉積物-水界面氮、磷交換通量方程這三大模塊，方程采用的離散方法是非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)有限體積法，通過求解黎曼問題得到界面處數(shù)值通量，采用干濕判別法計算動邊界。

3 施工期于橋水庫水質(zhì)預(yù)測

3.1 清淤范圍

在低水位（17.26 m）運行時，露灘范圍主要位于北部、東部和東南部的區(qū)域。與清淤項目的工程布置范圍基本相近。其中，擬清淤的常水位以下且高于17.8 m 上的庫周區(qū)域面積約13 km2，如圖1 所示。

圖1 清淤范圍——庫區(qū)高于17.26 m且低于21 m區(qū)域

3.2 出露底泥的降雨侵蝕計算

Wischmeier 在1965 年提出的通用土壤流失方程USLE 是目前使用最為廣泛的土壤流失預(yù)測預(yù)報方法，主要研究由降雨引起的水動力土壤侵蝕，其基本形式為：

A= R×K ×LS×C×M

式中 A——土壤侵蝕模數(shù)，t/(hm2?a)；

R——降雨侵蝕力因子，MJ?mm/( hm2?h?a)；

K——土壤可蝕性因子，t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；

LS——地形因子；

C——作物覆蓋與管理因子；

M——水土保持措施因子。

在計算出露灘地侵蝕前，先結(jié)合于橋地區(qū)的區(qū)域特征來確定上述各因子的計算方法和土壤侵蝕模數(shù)，并與相關(guān)結(jié)果進(jìn)行對比，驗證方法的合理性后再應(yīng)用于出露灘地侵蝕量的估算。

根據(jù)各因子量值，應(yīng)用USLE 方程計算得到基于2012 年于橋水庫流域不同土壤類型對應(yīng)的侵蝕模數(shù)見表1。

表1 于橋水庫流域基于2012年計算的土壤侵蝕模數(shù)

考慮到強(qiáng)降雨期間，氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的流失主要以土壤侵蝕過程為輸送載體，其流失負(fù)荷受到氮磷元素在土壤中所含的氮磷物質(zhì)濃度有關(guān).因此，氮、磷流失量根據(jù)測定的沉積物氮、磷含量與土壤流失量的值來計算。

清淤工程各區(qū)塊沉積物中氮、磷含量根據(jù)于橋水庫的實際調(diào)查統(tǒng)計得到。

3.3 計算邊界

2012 年于橋水庫站降水量在7 月21 日達(dá)到177 mm。該年7 d 最大洪量達(dá)到1.29 億m3，屬于10 年一遇級別洪水。本次計算選擇2012 年降雨雨型進(jìn)行預(yù)測計算。

圖2 不同侵蝕強(qiáng)度下于橋水庫氮、磷濃度過程變化

考慮到于橋水庫施工期間的低水位運行方案，在計算時，下游出庫水位保持在17.26 m。入庫流量則考慮到入庫河口濕地的運行規(guī)模，選定以32 m3/s 作為入庫流量進(jìn)行計算。

于橋水庫入庫的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)邊界條件則以濕地運行后出水目標(biāo)水質(zhì)來設(shè)定，即總氮3.14 mg/L、總磷0.11 mg/L。

3.4 工況設(shè)計

施工期間灘地出露，降雨侵蝕土壤會影響水庫營養(yǎng)物質(zhì)的輸入。根據(jù)土壤侵蝕及氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)流失的計算公式，求出施工期土壤侵蝕和氮磷營養(yǎng)的輸出，將其作為氮、磷負(fù)荷源項代入水動力-水質(zhì)模型，預(yù)測其對于橋水庫水質(zhì)的影響。本次預(yù)測計算中，按照前面評估計算褐土的可蝕因子作為標(biāo)準(zhǔn)值計算底泥氮、磷的侵蝕入庫量。同時，考慮侵蝕強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)值的0.5 和1.5 倍兩種工況。

4 不同工況下氮磷擴(kuò)散輸出對水體的影響情況

4.1 典型雨情條件下對水庫氮磷的影響過程

圖2 為于橋水庫在不同侵蝕強(qiáng)度下氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)濃度的變化過程。對于總氮而言，在幾種不同強(qiáng)度的侵蝕條件下，2012 年的降雨過程都沒有因灘地降雨沖刷造成庫中心和出庫總氮和總磷的明顯變化。雖然總磷濃度相對值有所上升，尤其是有高強(qiáng)度降雨的7、8 月份，但是總磷指標(biāo)總體在0.05 mg/L 以下。

4.2 不同雨強(qiáng)影響下氮、磷空間分布特征

根據(jù)不同的雨量等級，選擇中雨（2012 年6 月23 日，日降雨量13.9 mm）和暴雨（2012 年6 月24日，日降雨量64.7 mm）2 種不同降水量等級，預(yù)測在對應(yīng)雨強(qiáng)條件下氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)的空間分布特征。圖3、4 為中雨、暴雨作用下侵蝕強(qiáng)度（工況：標(biāo)準(zhǔn)值×1.5）的總氮、總磷空間分布預(yù)測圖。

對于總氮而言，在兩種不同雨強(qiáng)（中雨和暴雨）作用下，降雨侵蝕對水庫水體總氮的影響處于較低水平。主要影響位于庫周沿岸帶出露灘地附件的淺水水域，庫中心和出庫水位基本不受影響。但是沿岸帶總氮的總體濃度上升并不大，與經(jīng)河口濕地處理后出水處于同一量級，在3 mg/L 左右。

對于總磷而言，雖然隨著雨強(qiáng)的升高，總磷侵蝕進(jìn)入水體的影響逐漸增大，但總體影響范圍主要位于庫周沿岸帶淺水域和東部灘地較多的庫區(qū)，庫中心和出庫水質(zhì)影響很小。在中雨條件下，降雨侵蝕的影響僅局限在水庫沿岸帶較小的范圍，庫中心和出庫水體不受影響。在暴雨條件下，沿岸帶水體所受影響增大，總磷濃度高于0.2 mg/L 的高濃度帶擴(kuò)張，形成了寬度200～400 m（1～3 個網(wǎng)格單元）的濃度帶。暴雨條件下，橫向?qū)挾然鞠嗤强v向的長度有所擴(kuò)展，主要位于北岸和東部濕地一側(cè)。

圖4 暴雨（64.7 mm）作用下侵蝕強(qiáng)度（標(biāo)準(zhǔn)值×1.5）工況對總氮、總磷空間分布的影響

5 結(jié)論和建議

（1）采用于橋水庫平面二維水動力-水質(zhì)模型預(yù)測計算表明，高強(qiáng)度降雨對于橋水庫總氮的影響較小。庫中心和出庫斷面基本不受影響。主要影響位于庫周沿岸帶出露灘地附近的淺水水域。

（2）高強(qiáng)度降雨對于橋水庫總氮影響甚微，對總磷相對含量影響較大。隨著雨強(qiáng)的增大，總磷侵蝕進(jìn)入水體的影響逐漸增大，但是總體影響范圍仍主要位于庫周沿岸帶淺水域和東部灘地較多的庫區(qū)，庫中心和出庫水質(zhì)影響很小。

在暴雨條件下，沿岸帶水體所受影響增大，總磷濃度高于0.2 mg/L 的高濃度帶擴(kuò)張，形成了寬度200～400 m（1～3 個網(wǎng)格單元）的濃度帶。暴雨條件下，橫向?qū)挾然鞠嗤?，但是縱向的長度有所擴(kuò)展，主要位于北岸和東部濕地一側(cè)。

（3）為了有效地控制降雨侵蝕造成的庫周氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)短期匯集可能造成的水環(huán)境風(fēng)險，建議施工期間采取對應(yīng)的防范措施，防止出露底泥中所含營養(yǎng)物質(zhì)流失重新進(jìn)入庫區(qū)。