生態(tài)調節(jié)壩對御臨河水動力水質影響的模擬研究

李 琨，徐 強，陳俊宇，何 強

(重慶大學 環(huán)境與生態(tài)學院 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400045)

1 研究背景

三峽工程是世界上規(guī)模最大的水利工程，在帶來防洪、發(fā)電、航運等巨大效益的同時，三峽工程的運行也對庫區(qū)支流的生態(tài)與環(huán)境產(chǎn)生一定的影響[1]。其中，由于運行期間長江干流庫區(qū)段的水位在145～175 m之間變化，會形成30 m垂直落差的消落帶，上游、庫周以及支流邊排放的污染物滯留庫岸，在消落帶上形成污染帶而對庫岸環(huán)境造成影響[2]。為了減少消落區(qū)面積，部分庫區(qū)支流開始興建生態(tài)調節(jié)壩來控制水位變幅，緩解消落區(qū)帶來的不利影響[3]。但是，人工截流筑壩等水利樞紐工程也將改變河流湖泊流域原有的水文特征、水環(huán)境流場以及原有的物質場和能量場[4]，對河流湖泊相關物質的遷移轉換過程影響十分明顯[5-7]。

近年來，隨著計算機技術和數(shù)值計算的快速發(fā)展，眾多有影響力的水動力水質模型開始涌現(xiàn)，如EFDC、Delft3D、MIKE、CE-QUAL-W2、WASP等[8-9]，眾多學者利用這些機理性模型工具，開展了水利樞紐與流域水環(huán)境影響關系的研究。戴凌全等[10]利用耦合的一二維水動力模型，研究分析了三峽水庫枯水期不同運行方式對洞庭湖生態(tài)補水效果的影響。唐昌新等[11]使用EFDC模型，分析了鄱陽湖水利樞紐工程對湖泊水齡變化的影響。王征等[12]基于EFDC模型建立了三峽庫區(qū)長壽到涪陵江段的三維水動力模型，探究支流河口水動力受大壩調度作用的響應機制。黃慶超等[13]利用Delft3D模型建立了三峽庫區(qū)支流香溪河的水動力水質模型，模擬了三峽水庫不同工況下香溪河的水動力與水質變化情況。Ji等[14]應用CE-QUAL-W2模型研究了由三峽大壩回水造成的水位上升對支流香溪河藻華爆發(fā)防止作用的機理原因。

雖然三峽庫區(qū)中水利樞紐對水動力水質影響關系的模擬研究受到廣泛的關注，但研究者的關注點多集中于干流及庫首支流，而對庫尾支流關注度較低。而針對受到生態(tài)調節(jié)壩水位控制與三峽大壩聯(lián)合調控的庫尾支流水環(huán)境模擬更是鮮有研究。因此，本文以修建有生態(tài)調節(jié)壩的庫尾支流——御臨河為研究對象，利用SWMM和EFDC模型建立了御臨河流域水文、水動力和水質模型，探究在三峽大壩調控水位變幅影響的背景下，修筑生態(tài)調節(jié)壩對御臨河水動力和水質特征的影響，為豐富三峽庫區(qū)水環(huán)境模擬以及其他庫區(qū)支流擬建水利樞紐工程的評價工作提供參考。

2 御臨河概況及水環(huán)境數(shù)學模型構建

2.1 研究區(qū)域概況

御臨河(29°34′45″～30°07′22″N, 106°27′30″～106°57′58″E)為長江左岸一級支流，也是三峽庫區(qū)重要的庫尾一級支流，發(fā)源于四川省達州市大竹縣周家鎮(zhèn)青杠埡，在重慶市渝北區(qū)洛磧鎮(zhèn)紅崗村匯入長江。御臨河全長208.4 km，流域面積3861 km2，重慶市境內流域面積772.8 km2，多年平均徑流量16×108m3。在三峽大壩正常調度狀態(tài)下，回水影響區(qū)為39.1 km。本次研究區(qū)域為御臨河生態(tài)調節(jié)壩至回水區(qū)末端梅溪段之間的區(qū)域，該段河道長度約36.7 km，河面寬為90～300 m，下游區(qū)域(壩前至舒家段)平均水深18 m，上游區(qū)域(舒家至梅溪段)平均水深8 m，集水區(qū)域面積為218.08 km2。該研究區(qū)域周邊土地利用類型多樣，涉及部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，流經(jīng)了正在開發(fā)建設的兩江新區(qū)龍興工業(yè)園區(qū)，也存在較多耕地和未經(jīng)開發(fā)的山區(qū)林地。研究區(qū)域所在三峽庫區(qū)的位置見圖1，研究區(qū)域土地利用類型和計算河段及其監(jiān)測斷面見圖2。

圖1 研究區(qū)域所在三峽庫區(qū)的位置

2.2 生態(tài)調節(jié)壩概況

御臨河生態(tài)調節(jié)壩位于御臨河下游段的洛磧鎮(zhèn)鄭家灣處，距離入江口約2.7 km，通過修建混凝土重力壩的方式降低三峽庫區(qū)調度水位變幅，從而減少消落帶面積，改善流域生態(tài)環(huán)境。水庫正常蓄水位172.20 m，正常庫容1 082×104m3，總庫容2 844×104m3，壩長164 m，最大壩高25.20 m[15]。在正常運行情況下，當三峽水庫水位低于172.20 m時，按172.20 m運行；當三峽水庫水位高于等于172.20 m時，與其水位同步。

2.3 研究區(qū)域污染負荷

2.3.1 點源負荷 經(jīng)過課題組在2018年間多次對御臨河流域進行污染源調查，總共發(fā)現(xiàn)11處入河排放口；另外，御臨河干流復盛段處建有污水處理廠，該處理廠采用改良型A2/O工藝，尾水處理達一級A標準，處理規(guī)模為4×104m3/d(排放口及污水廠位置見圖4)。經(jīng)核算，COD、氮、磷的點源污染負荷分別為1 138.8、266.0、8.8 t/a。

2.3.2 面源負荷 根據(jù)研究區(qū)30 m精度土地利用類型圖(圖2(a))、30 m精度數(shù)字高程圖(圖3)和重慶市渝北區(qū)氣象局的降雨、蒸發(fā)、氣溫、風速風向數(shù)據(jù)構建SWMM流域水文水質模型，利用SWMM模型計算御臨河研究河段的面源污染負荷。在ArcGIS系統(tǒng)中根據(jù)高程將研究區(qū)域劃分為22個子流域，并利用其水文分析工具生成流域支流，根據(jù)現(xiàn)場勘測情況，將主要入庫支流概化為7條，支流河道采用一維明渠流模擬(圖4)。

圖3 研究區(qū)域數(shù)字高程 圖4 SWMM模型子流域劃分及河道概化 圖5 EFDC水動力學模型邊界條件

由于考慮EFDC的邊界條件輸入限制，子流域21、20、18等主河道經(jīng)過的區(qū)域均作為點源輸入到水動力水質模型中。

2.4 水動力水質模型構建

2.4.1 網(wǎng)格劃分 由于計算河道段長度較長，為了提高模擬精度，將計算河段分為兩段：梅溪至舒家為上游計算段，舒家至壩前為下游計算段(圖2(b))。采用Delft3D軟件將模型區(qū)域上游段劃分為3 370個水平網(wǎng)格，下游段劃分為3 720個水平網(wǎng)格，網(wǎng)格平均間距為20 m，在垂向上采用σ坐標，平均分為3層，用河底和水體表層之間的厚度來定義垂向網(wǎng)格的高度，各層高度所占厚度比例為0.33。

圖2 研究區(qū)域土地利用類型和計算河段及其監(jiān)測斷面

2.4.2 初始條件 水下地形是EFDC水動力模擬的基礎數(shù)據(jù)，本次模擬應用聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)對計算河段設置的45個斷面測量河底地形，并采用克里金插值法將整個河段地形數(shù)據(jù)插值輸入至EFDC模型中。上游段初始水位設置為模型模擬時段第1天梅溪和舒家斷面所測水位插值生成的直線，水溫設置為11.21℃，水質初始值設置為2018年1月梅溪斷面實測值。下游初始水位設置為舒家斷面和壩前斷面所測水位插值生成直線，水溫設置為11.32℃，水質設置為2018年1月舒家斷面實測值。

2.4.3 邊界條件 分別設置梅溪斷面和舒家斷面監(jiān)測的月流量及水質數(shù)據(jù)作為上游段和下游段的上邊界，舒家斷面和壩前監(jiān)測的月水位數(shù)據(jù)作為上游段和下游段的下邊界，由污染源調查所得的排口數(shù)據(jù)及SWMM計算所得支流和子流域流量及水質也作為邊界條件輸入。同時輸入包括氣壓、氣溫、相對濕度、降雨量、風向、風速、云量、輻射等逐日數(shù)據(jù)作為氣象邊界條件。邊界條件輸入情況見圖5。

2.4.4 模型驗證 根據(jù)搭建好的流域模型和水體水動力水質模型，以2018年1月為模型運行開始時間、2018年12月為模型運行結束時間進行為期1 a的模擬，SWMM模型的reporting step、dry step、wet step分別取10 min、1 d、10 min，EFDC計算采用動態(tài)時間步長，最小步長為0.5 s，安全因子取0.2。以上游段末端舒家、下游段近末端排花監(jiān)測斷面2018年的最大水深、平均流速、平均水溫實測資料作為水動力運算結果的對照，以舒家、排花監(jiān)測斷面2018年的CODMn、TN、NH3—N、TP共4個水質因子實測資料作為水質運算結果的對照，對上游段和下游段模型參數(shù)進行反復率定計算，最終確定的驗證結果見圖6、7。

由圖6、7可以看出，在水動力方面，兩個斷面的最大水深與水溫模擬效果較好，舒家斷面水深與水溫的全年平均相對誤差分別為0.86%，6.92%；而排花斷面則為1.23%，4.18%。舒家斷面的流速誤差在20%以內而排花流速誤差稍大，為24.18%；造成流速誤差較大的原因有兩個，其一是實測流速較低，均為0.2 m/s以下，而斷面監(jiān)測流速使用的儀器是多普勒剖面流速儀，其流速測量在低流速時存在較大誤差，因此也說明了排花斷面因為流速更小，而模擬的誤差更大。其二是由于部分斷面網(wǎng)格分辨率不夠高，被判定為干網(wǎng)格不參與計算的網(wǎng)格面積比實際河流中的漫灘面積大，從而造成較大的誤差。但模擬趨勢都與實測趨勢一致，建立的水動力模型可以用來模擬預測御臨河的水動力狀況。

圖6 2018年御臨河舒家和排花斷面水動力模擬值與實測值比較

而在水質方面，御臨河上游段和下游段的監(jiān)測指標在2018年內均為先上升后下降的趨勢，在6-8月達到峰值。舒家斷面COD、總氮、氨氮、總磷的平均相對誤差分別為15.87%、7.73%、10.72%和12.95%；排花斷面則為14.63%、14.54%、16.84%和14.15%。整體而言，下游段水質模擬結果較上游段差，這與下游流速模擬結果偏差較大具有一定的聯(lián)系。雖然水質誤差較水動力誤差大，但仍保持了趨勢一致，能夠反映出御臨河實際水體中水質變化的趨勢，因此，水質模型可以用來模擬預測御臨河的水質狀況。

2.4.5 模擬方案 依據(jù)2009-2018年的重慶市水資源公報，2015年降水量比多年平均降水量少19.65%，屬于偏枯年份，以此年份作為本次模擬的典型年，進行最不利條件下御臨河建壩與未建壩兩種情景的水動力與水質模擬。

比較在三峽大壩調度運行下，生態(tài)調節(jié)壩對御臨河的生態(tài)環(huán)境影響。其中，EFDC支流流量及面源污染負荷根據(jù)SWMM模型以2015年氣候數(shù)據(jù)計算得到，排口流量和點源污染負荷則以2018年所測數(shù)據(jù)保持不變。

圖7 2018年御臨河舒家和排花斷面4個水質因子濃度模擬值與實測值比較

3 結果與分析

3.1 水動力模型模擬結果與分析

為了對比分析生態(tài)調節(jié)壩對御臨河水動力條件的影響，分別在計算區(qū)域上游段(梅溪至舒家)和下游段(舒家至調節(jié)壩)的段首、段中以及段尾共設置了6個觀測點(觀測點分布見圖5)。將典型年2015年的1-3月和12月劃分為枯水期，6-9月劃分為豐水期[16-18]。

2015年上下游段有、無調節(jié)壩流速全年、豐水期、枯水期的最大值、最小值和平均值計算結果見圖8。圖8表明，御臨河生態(tài)調節(jié)壩對上下游段的流速均造成了影響。其中，上游段年平均流速、豐水期平均流速、枯水期平均流速分別由建壩前的0.184、0.282和0.095 m/s 減小為建壩后的0.137、0.142和0.081 m/s，分別降低了25.62%、49.23%和14.40%。豐水期流速變化最大，這主要是因為生態(tài)調節(jié)壩在三峽水庫放水期抬高了水位，造成了過流斷面增大，流速減小。生態(tài)調節(jié)壩對御臨河下游段的流速影響較上游段更為明顯，造成的流速變化幅度均在35%以上，其中年平均流速由0.119 m/s降為0.065 m/s，豐水期流速從0.090 m/s減少到0.040 m/s，而枯水期流速則由0.072 m/s降到0.044 m/s，下降幅度分別為45.31%、52.05%和39.20%。由于調節(jié)壩在豐水期的水位調節(jié)作用，豐水期流速變化幅度同樣最大。

圖8 2015年上下游段有無調節(jié)壩流速全年、豐水期、枯水期的最大值、最小值和平均值 圖9 2015年無調節(jié)壩最低水位近壩段流場與同期有調節(jié)壩的流場對比

總之，調節(jié)壩的調節(jié)過程減緩了上游段和下游段的水體流動，年平均流速、豐水期枯水期流速以及最大、最小流速都受到了不同程度的影響。

為了分析調節(jié)壩對御臨河近壩段的流場影響，選擇了水動力條件反差最大的無調節(jié)壩最低水位時期(2015年5月11日)與同期有調節(jié)壩的流場進行比較，其結果見圖9。分析圖9可知，上游段受影響較小，除部分河灣處在建壩后形成局部小范圍回流外，其余流場格局基本相似。下游段在靠近壩址前3.1 km段由于最小水位172.2 m的頂托作用，產(chǎn)生的回水與上游來水反向相遇，造成平行力矩效應，從而形成較大面積的環(huán)流，而在固邊界和河灣處會出現(xiàn)雜亂的流場分布，在近壩端由于調節(jié)壩溢流出流的運行，河流流速變大。而在有較大來流的支流附近區(qū)域，流場格局無較大變化，說明調節(jié)壩對有支流來水區(qū)域的流場無明顯影響。

3.2 水質模型模擬結果與分析

3.2.1 水質分布特征 御臨河計算流域涵蓋了多種用地類型，從上游梅溪段以耕地為主的土地利用區(qū)域再到舒家段大面積的城市建設用地，最后在下游流經(jīng)了無人開發(fā)的林地和草地(圖2(a))。而土地利用類型的結構組成和空間分布特征對水體水質會產(chǎn)生不同的影響[19]。由EFDC模型計算得出2015年建壩后1-12月水質分布結果得知，全年御臨河水質分布與流域用地類型具有明顯的響應關系，上游梅溪至魚金灘段流域大部分以耕地和草地為主，月平均水質達II類水體的月份占83.3%；而魚金灘至張家灣段由于流經(jīng)大片城市建設用地，達到II類水體的月份只占到58.3%；最后由張家灣至調節(jié)壩段所屬流域覆蓋大片林地，水體水質又有所好轉，達II類水體月份占到了75%。

在模擬的1-3月份和12月份為御臨河的枯水期，其上下游流速十分緩慢，均小于0.1 m/s，流態(tài)接近于湖泊型水體[20]，因此對流擴散作用較弱，由點源負荷形成的污染帶較長，此時期由于降雨較少，面源負荷低。計算區(qū)域水體流經(jīng)的耕地段、城市建設段和林地段分段明顯，其中城市建設段各水質指標濃度最大。同時由于三峽大壩調度的影響，河口水位高于172.2 m，御臨河不受生態(tài)調節(jié)壩的調控，與庫區(qū)聯(lián)通，因此在庫首沒有存在污染物累積的現(xiàn)象。此時期4個水質因子濃度分布見圖10。

平水期研究區(qū)上下游水質分布大致與枯水期相當，污染帶面積有所減小。

圖11為2015年豐水期研究區(qū)上下游段4個水質因子濃度分布。圖11中水質因子濃度與枯水期(圖10)相比，其梯度變化小于枯水期，說明在豐水期由于流速的增加和對流擴散作用的增強，上下游水質分布變得較為均勻，濃度范圍差別比枯水期減小，但由于降雨的增加，面源污染輸入至水體中，水質平均濃度要大于枯水期。同時，在豐水期由外界污染源造成的污染帶也由于流速的增加而被很快的稀釋，相比于枯水期和平水期，其面積大大減小。而在庫首由于調節(jié)壩的擋水作用，存在不同程度的污染物累積，造成了庫首水質濃度偏高的現(xiàn)象，這也是圖11中庫首區(qū)域顏色較附近區(qū)域發(fā)生突變的原因。

圖11 2015年豐水期研究區(qū)上下游段4個水質因子濃度分布圖

圖10 2015年枯水期研究區(qū)上下游段4個水質因子濃度分布圖

3.2.2 調節(jié)壩對水質的影響 考慮到不同段落流經(jīng)的土地類型利用特征，因此選擇了觀測點2(耕地為主)、觀測點4(建設用地為主)和觀測點6(林地為主)作為水質結果的代表點位，同時這3個觀測點位也代表了計算區(qū)域的上部、中部和下部，以此來研究調節(jié)壩對水質的影響情況。調節(jié)壩運行前后御臨河水質因子濃度變化特征見表1。

由表1可看出，調節(jié)壩運行后，3個代表性觀測點處的CODMn、TN、NH3—N、TP濃度均呈現(xiàn)上升趨勢。對表1中數(shù)據(jù)分析總結如下：

表1 調節(jié)壩運行前后不同水平期研究區(qū)代表性觀測點各水質因子濃度特征 mg/L, %

(1)枯水期時，各個點位的上升幅度相對較小，各指標濃度比調節(jié)壩運行前增大不到10%，觀測點2、4、6的CODMn濃度分別比調節(jié)壩運行前增大了4.50%、5.14%和9.70%，分別達到了1.83、2.75和2.39 mg/L；TN濃度分別增大了2.35%、4.64%和7.76%；NH3—N濃度分別增大了2.17%、9.36%和9.75%；TP濃度3個點位的變化幅度相近，分別為8.60%、8.40%和7.67%，達到了0.059、0.066和0.056 mg/L?？菟谟R河與三峽庫區(qū)聯(lián)通，調節(jié)壩調控作用較小，因此調節(jié)壩運行前與運行后的水質變化幅度較小。

(2)平水期時，CODMn指標中觀測點6的變化幅度最大，增加到了21.47%，由調節(jié)壩運行前的2.82增大到運行后的3.42 mg/L，觀測點2和4變化幅度較枯水期相近。3個點位的TN濃度在調節(jié)壩運行后均增大了10%～15%左右，分別由1.70 mg/L增大至1.89 mg/L、由1.99 mg/L增大至2.22 mg/L、由1.58 mg/L增大至1.80 mg/L。觀測點2在平水期的NH3—N濃度變化較小，為5.24%。而觀測點4與觀測點6變化較大，達到了20%以上，分別為20.93%和25.02%。3個點位平水期TP濃度變化幅度較小，分別為9.35%、6.69%和10.60%。平水期處于枯水期與豐水期的過渡狀態(tài)，此時御臨河受到三峽水庫和生態(tài)調節(jié)壩的交替調節(jié)，與修建調節(jié)壩前相比，流速差異變化較大，因此各個指標的變化幅度存在較大的差異，但相比于枯水期，變化幅度大部分都在增大，說明調節(jié)壩對御臨河水質影響顯著。

(3)豐水期時，各個指標的變化幅度達到了最大。3個代表點位CODMn濃度分別由調節(jié)壩運行前的3.79、5.00、3.76 mg/L增大至運行后的4.29、5.51和5.31 mg/L，分別增加了13.20%、10.16%和41.20%；TN濃度分別增大至2.12、2.49和2.36 mg/L，分別增加了11.85%、17.41%和25.35%；NH3—N濃度分別由運行前的0.421、0.428、0.366 mg/L增大至運行后的0.450、0.514和0.462 mg/L，分別增大了6.99%、20.15%和26.30%；TP濃度分別由運行前的0.077、0.102、0.083 mg/L升高至0.090、0.113和0.103 mg/L，變化幅度分別為16.75%、11.30%和23.18%。由于豐水期調節(jié)壩最低調節(jié)水位為172.2 m，相比建壩前165 m的平均水位，形成了約7 m的水位差別，由此造成的水動力條件差異較大，調節(jié)壩建成后由于流速減緩，物質擴散作用減弱，容易造成污染物的滯留，而使水質指標升高。

4 結 論

本文利用SWMM和EFDC模型，構建了三峽庫區(qū)庫尾支流-御臨河流域水文水動力和水質模型，利用水深、流速、水溫、水質等實測資料對模型進行了校核，使所建模型能夠較好地反映御臨河水動力和水質特征。針對御臨河所建生態(tài)調節(jié)壩，通過對之為期一年的情景模擬，探求了調節(jié)壩對御臨河枯水期和豐水期水動力和水質的可能影響，得到以下結論：

(1)生態(tài)調節(jié)壩的運行對御臨河水動力條件具有較大影響。流場方面，由于大壩擋水作用所產(chǎn)生的回水與來水反向相遇，產(chǎn)生力矩效應，會在壩前3.1 km處形成較大面積環(huán)流；流速方面，下游段(舒家至調節(jié)壩)較筑壩前變化幅度大于上游段(梅溪至舒家)，其年平均流速、枯水期和豐水期流速均降低了35%以上，豐水期受影響最大，達到了52%，流態(tài)趨近于湖泊型水體，上游段變幅則在14%～49%之間，豐水期受影響同樣最大。

(2)御臨河水動力條件的變化進而導致水質狀況發(fā)生變化。由于筑壩造成的流速放緩，在枯水期對應流經(jīng)不同用地類型子流域的河段會產(chǎn)生較為明顯的水質分段現(xiàn)象，而在豐水期由于流速的增大，分段現(xiàn)象得到一定改善，但由于大壩阻擋，壩前會產(chǎn)生一定程度的污染物累積，水質濃度較臨近段升高。全計算河段各水質指標濃度均呈現(xiàn)一定的升高趨勢，且與流速變化趨勢一致，豐水期變幅達到最大，其中位于壩前的觀測點6處變化幅度最大，CODMn、TN、NH3—N、TP 4個水質因子濃度較筑壩前分別增大了41.20%，25.35%、26.30%和23.18%。

(3)根據(jù)本文研究結果，豐水期御臨河的水動力、水質條件受調節(jié)壩影響最大，而由于該時期氣溫全年最高、光照充足，需要注意水體富營養(yǎng)化情況的出現(xiàn)。合理動態(tài)調度生態(tài)調節(jié)壩水位，改變水動力條件，同時從源頭進行水環(huán)境治理，減少御臨河的污染負荷，是應對該問題的有效措施。

(4)基于本文研究成果，可進一步探究多種優(yōu)化算法下的生態(tài)調節(jié)壩動態(tài)調度對河流水動力條件和水質分布的改善效果，從而根據(jù)不同條件篩選出最優(yōu)調度方案，供相關決策部門參考。