大伙房水庫水質(zhì)時空變化預(yù)測分析

張 帥

(撫順市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，遼寧 撫順 113000)

1 水庫概況

大伙房水庫是一座兼顧灌溉、防洪、發(fā)電、供水、養(yǎng)殖等功能的大型水利工程，承擔(dān)著盤錦、鞍山、遼陽、撫順、沈陽、營口、大連7個城市和2300萬人口生活供水任務(wù)，也是全國九大重點城市供水水源地之一。該水庫屬于帶狀河谷型水庫，總庫容21.87億m3，最大水深37.0m，樞紐總泄量16.295m3/s，入庫河流有社河、蘇子河、渾河。防洪庫容11.82億m3，汛限水位126.4m，最高水位138.8m，庫區(qū)水面最寬達(dá)4km、東西長35km，最大蓄水面積114km2。主壩為黏土心墻壩，最大壩高49m，壩長1695m，主溢洪道設(shè)置有寬10.4m、高8.7m的5個閘門。輸水洞長251m，洞徑6.5m，底板高程94m，一支洞和二支洞設(shè)置于主洞末端。電站總裝機(jī)容量3.2萬kW，發(fā)電量5600kW·h，庫區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模大被稱為自然“大水缸”[1- 4]。

水庫上游為山區(qū)，平均海拔處于400～800m范圍，該區(qū)域占流域面積60%，中游為地形較緩的丘陵地帶，面積較少占流域的2%，再往下至沈陽附近逐漸進(jìn)入平原區(qū)，該區(qū)面積占全流域的1/3以上屬于遼寧重要的產(chǎn)量基地和工業(yè)基地。因此，大伙房水源保護(hù)關(guān)系著當(dāng)?shù)厣钏降奶嵘?、生態(tài)文明建設(shè)、遼寧經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及社會穩(wěn)定，預(yù)測分析庫區(qū)水質(zhì)時空變化規(guī)律可為科學(xué)制定水源區(qū)綜合治理保護(hù)方案提供重要依據(jù)。

2 MIKE-ECOlab模型

2.1 地形網(wǎng)格的劃分

大伙房水庫屬于帶狀河谷型水庫，結(jié)合水庫實測數(shù)據(jù)和CAD地形資料修正河流長度、連接局部河段，通過刪除、連接、簡化支流等處理提取水庫概化河網(wǎng)文件[1]。本文選取大伙房水庫主庫區(qū)河段為研究對象，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對主庫區(qū)1.8km河段概化處理，由此生成節(jié)點數(shù)為7183、網(wǎng)格數(shù)為11627的地形圖，為保證預(yù)測精度控制生成的最大網(wǎng)格500m2。然后在生成的網(wǎng)格文件中導(dǎo)入庫底高程散點，通過高程內(nèi)插處理輸出水庫河底高程圖，由于斷面文件對于MIKE11水動力學(xué)模型的研究結(jié)論極為重要，結(jié)合庫區(qū)地形實際情況設(shè)置16個主庫區(qū)斷面[5- 6]。

2.2 邊界條件

模型邊界條件的劃分應(yīng)充分考慮水庫水質(zhì)的各類影響因素，由此將其劃分為外部與內(nèi)部兩大條件。本文以模擬河段的流出點與起始點作為外部邊界條件，也就是流出和流入模型的部位，選擇研究區(qū)各種流出或流入模型的匯源點(如工廠排污口、取水點等)作為內(nèi)部邊界條件[7]。研究過程中模型的入流條件為典型平水年大伙房水庫的徑流量，選用實測水位數(shù)據(jù)作為模型的下游邊界?？紤]到入庫河流有社河、蘇子河、渾河的實際情況，采用按比例分配的方式確定壩址斷面的年均徑流量，將水位與流量數(shù)據(jù)形成的序列文件作為模型的邊界條件。

大伙房水庫為盤錦、鞍山、遼陽、撫順、沈陽、營口、大連等地區(qū)的重要水源地，上游山區(qū)植被覆蓋率較高，生態(tài)環(huán)境良好，未發(fā)現(xiàn)明顯污染源，所以內(nèi)部匯源項僅考慮引水工程，選用多年平均值作為取水量。模型水質(zhì)邊界條件為簡化后的上游斷面表層水質(zhì)數(shù)據(jù)的月平均值，且實際河網(wǎng)水動力條件與模型初始模擬條件保持一致，預(yù)測分析時初始條件設(shè)定為趨近于0的數(shù)值，經(jīng)多次反復(fù)試算并結(jié)合前人研究成果確定河床糙率為0.05。

2.3 模型驗證

綜合考慮模型的運算時間與預(yù)測精度，合理設(shè)定模擬的時間步長為120s，水庫水質(zhì)預(yù)測的起始、結(jié)束時間為2018年5月1日和2018年7月31日，每天的預(yù)測數(shù)據(jù)作為一個存儲結(jié)果。模型的邊界條件設(shè)定為上游長序列流量數(shù)據(jù)，模擬預(yù)測的初始條件為正常蓄水位131.5m。然后選擇55月份實測水質(zhì)數(shù)據(jù)作為初始濃度文件，待運行穩(wěn)定且試算精度達(dá)到要求后，重新賦值并將水質(zhì)預(yù)測結(jié)果場文件定義為初始序列數(shù)據(jù)[8- 10]。目前，可以獲取符合精度要求的有COD、DO、硝氮、氨氮、水溫等實測數(shù)據(jù)。由于水溫、溶解氧等條件可對有機(jī)物的溶解產(chǎn)生較大影響，并且有機(jī)物含量、溶解氧、水溫等因素與氨氮、硝銨的轉(zhuǎn)化密切相關(guān)，為保證模擬結(jié)果的精準(zhǔn)度必須率定模型參數(shù)[11]。結(jié)果顯示，實測值與模擬值的變化趨勢基本相同，設(shè)定的模型參數(shù)和邊界條件符合預(yù)測精度要求，擬合結(jié)果能夠客觀、真實反映庫區(qū)水質(zhì)的變化特征[12]。

2.4 工況模擬

本文選擇3種典型水文年(枯水年、平水年、豐水年)運行工況預(yù)測分析大伙房水庫水質(zhì)時空變化規(guī)律，由于前文獲取的一維水動力模型擬合結(jié)果反映了典型平水年運行工況的水庫水質(zhì)狀況，所以可以直接利用該結(jié)果與枯水年、豐水年對比分析。采用平水年的相關(guān)資料作為其他典型水文年的水質(zhì)參數(shù)與水質(zhì)邊界條件，典型水文年大伙房水庫的徑流量和運行水位如圖1所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 COD變化規(guī)律

考慮到典型平水期在各種運行工況下不明顯的實際狀況，設(shè)定水庫枯水期、豐水期為研究期的3和8月，運行模型輸出相應(yīng)的結(jié)果，COD污染物在不同工況下的變化特征如圖2所示。從圖2可知，從庫尾至大壩壩前3種不同工況COD值均呈逐漸下降趨勢。根據(jù)變化幅度可知，下降速度最慢的為豐水年、平水年居中而枯水年下降最快。3種水文年工況的3月枯水期COD值整體呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，由于COD值在豐水期下降速度較慢使得其整體高于枯水期。另外，水庫來水量在豐水年較大，與此同時流入庫區(qū)的污染物較多，這在一定程度上也增大了COD值；在豐水期各種工況下的流量存在較差差距，而這種差別在枯水期相對較小，所以COD含量在枯水期相差較小。綜上分析，庫區(qū)來水量變化對COD含量的影響較為顯著。

圖1 典型水文年大伙房水庫徑流量、運行水位變化

圖2 沿程COD值分布曲線

為進(jìn)一步探究不同時間段COD含量的變化特征，運用模型預(yù)測分析大伙房水庫下游16km和中游8km處2個特征點位的COD濃度值，如圖3所示。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，COD值總體表現(xiàn)出枯水期濃度減少而豐水期濃度升高的變化規(guī)律，其中1月和12月為中游COD濃度低值時段，而2—3月為下游COD濃度低值時段。另外，COD值在豐水期不同工況下具有較大偏差，而這種差別在枯水期不顯著。由此表明，來水流量、濃度可以對水庫COD值產(chǎn)生明顯的作用。

3.2 氨氮變化規(guī)律

庫區(qū)水環(huán)境中氮營養(yǎng)鹽屬于一種典型的污染物，其在水體中的轉(zhuǎn)換易受到pH值、溶解氧、溫度等因素的作用，因此轉(zhuǎn)換過程較為復(fù)雜[13- 15]。根據(jù)大伙房水源地保護(hù)要求和庫區(qū)氮營養(yǎng)鹽特點，預(yù)測分析水質(zhì)時空變化特征時以氨氮作為代表參與模擬。設(shè)定水庫枯水期、豐水期為3月和8月，模擬過程與COD基本相同，輸出不同工況下氨氮的沿程分布規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，從庫尾至大壩壩前氨氮在3種不同工況下均呈現(xiàn)出先增大后減少的變化趨勢。從變化幅度的角度分析，氨氮值變幅最大的為豐水年、平水年居中而枯水年最小；氨氮含量、COD濃度值在3月枯水期不同水文年工況下相差不大，由于枯水期COD值在水庫上游較高，所以經(jīng)過物理、化學(xué)和微生物等分解作用后產(chǎn)生的氨氮值也較高，加之水體中生物枯水期吸收氨氮量較小、活性較弱等原因，使得豐水期氨氮含量峰值較高。

同理，為進(jìn)一步探討不同時間段氨氮含量的變化特征，運用模型預(yù)測分析大伙房水庫下游16km和中游8km處2個特征點位的氨氮濃度值，如圖5所示。從圖5可知，隨時間的變化氨氮值與COD含量的變化趨勢相反，即氨氮值總體呈枯水期增加而豐水期減少的變化趨勢。總體而言，枯水年、平水年的氨氮含量明顯低于豐水年[16]。

4 結(jié)論

(1)各工況自庫尾至大壩壩前COD值均呈逐漸下降趨勢，降速度最慢的為豐水年、平水年居中而枯水年下降最快，庫區(qū)來水量變化對COD含量影響較為顯著；不同時段內(nèi)，特征點位COD值呈枯水期減少而豐水期濃度升高的變化規(guī)律。

圖3 特征點位COD值分布曲線

圖4 沿程氨氮分布曲線

圖5 特征點位氨氮值分布曲線

(2)各工況自庫尾至大壩壩前氨氮值均呈先增大后減少的變化特征，水庫上游枯水期COD值較高，經(jīng)物理、化學(xué)和微生物等分解后產(chǎn)生氨氮值也較高，加之水體中生物枯水期吸收氨氮量較小、活性較弱，使得豐水期氨氮含量峰值較高；可為保護(hù)大伙房水源、維護(hù)當(dāng)?shù)厣鐣€(wěn)定、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及水生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。