基于MIKE21的大型湖庫型飲用水水源保護區(qū)劃分研究*
——以花亭湖水庫為例

言文杰 王曉輝 石先陽#

(1.安徽大學資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230601；2.安徽省環(huán)境科學研究院，安徽 合肥 230061)

飲用水水源地保護是關系國計民生的重大問題，飲用水水源地環(huán)境管理受到世界各國的廣泛關注[1-6]。由于人類活動加劇和不合理開發(fā)等因素，我國約有70%以上的水源地已遭受不同程度的污染[7]。湖庫型飲用水水源地在城鎮(zhèn)飲水安全工程中占有重要地位[8]，花亭湖作為典型的大型湖庫型飲用水水源地，是太湖縣近58萬人民的主要供水水源，其水質(zhì)保護受到高度重視，而飲用水水源保護區(qū)劃分在水源地水質(zhì)保護中起到重要的基礎性作用。根據(jù)新修訂的《飲用水水源保護區(qū)劃分技術規(guī)范》(HJ 338—2018)，大江大河和湖庫水源地皆鼓勵采用數(shù)值模型法進行保護區(qū)劃分。目前，諸多學者基于一維、二維水環(huán)境數(shù)值模擬模型在飲用水水源保護區(qū)劃分方面做了大量的實踐與研究工作，如：李云禎等[9]使用《飲用水水源保護區(qū)劃分技術規(guī)范》(HJ/T 338—2007)中提出的排放口在兩個邊界中間的連續(xù)點源穩(wěn)態(tài)排放二維水質(zhì)模型，根據(jù)模擬點源排出的污染物濃度衰減到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)Ⅱ類、Ⅲ類水質(zhì)的距離劃分了飲用水水源一、二級保護區(qū)；焦軍麗等[10]利用MIKE模型系列中的一維水質(zhì)模型MIKE11對萊壩飲用水水源地月波—涼姜溝斷面進行了水質(zhì)沿程變化規(guī)律的模擬，并結合類比經(jīng)驗法確定了水源保護區(qū)的長度范圍；周訓華等[11]將一維點源稀釋自凈模型與完全混合式模型相結合，發(fā)現(xiàn)了赤田水庫上游點源排污對水庫的影響較小，只限于局部區(qū)域，并據(jù)此制定了保護區(qū)的劃分方案；汪洋等[12]基于GMS軟件構建了三維非穩(wěn)定流地下水數(shù)值模型，對鄒城市某巖溶地下水源保護區(qū)進行了劃分。但是，過往數(shù)值模型法劃分水源保護區(qū)研究多圍繞河流及地下水型水源地，且以一維水動力水質(zhì)模型為主，基于二維水動力-水質(zhì)耦合模型的湖庫型水源保護區(qū)劃分研究仍鮮有應用。

本研究選取安慶市太湖縣花亭湖水庫作為研究對象，建立二維湖庫水動力-水質(zhì)耦合模型MIKE21，設置枯水期、平水期、豐水期3種不同情況，選取水庫代表性水質(zhì)指標TN、TP、DO進行模型的率定與驗證，從而確定對水庫水質(zhì)造成較大波動的時期(豐水期)，根據(jù)該時期內(nèi)水質(zhì)指標濃度分布以及水源地水質(zhì)保護的實際需要，結合數(shù)值模擬結果與類比經(jīng)驗法進行飲用水水源保護區(qū)劃分，使劃分結果具有科學性與合理性，以期為湖庫型水源地水域保護區(qū)劃分提供科學依據(jù)和借鑒案例。

1 區(qū)域概況

花亭湖水庫位于安徽省安慶市太湖縣境內(nèi)，地處大別山南麓、長江北岸，介于北緯30°9′～30°46′、東經(jīng)115°45′～116°30′?；ㄍず饔蛩募痉置?，具有北亞熱帶季風氣候特征。冬季受西北內(nèi)陸氣流控制，氣溫較低；夏季受東南海洋氣流影響，炎熱潮濕；年平均氣溫16.4 ℃，年平均日照1 938 h，無霜期249 d，年平均降雨量1 368.4 mm，常年主導風向為西北風與東南風，年平均風速為3.2 m/s。

花亭湖水庫距太湖縣城4 km，是太湖縣重要的地表水資源和城鎮(zhèn)水源地?；ㄍず畮熳鳛榘矐c市唯一的大型水庫，流域面積1 870 km2，多年平均入庫流量46.3 m3/s，多年平均來水量14.6億m3，總庫容23.66億m3，水庫正常蓄水位88.00 m，設計洪水位95.21 m?；ㄍず畮熳鳛橥掏滦秃欤鋪砹髦饕兴虑昂?、羅溪河、樹堰河、青石河與潘家河，常年平均入庫流量分別為：12.0、10.0、8.0、7.6、6.0 m3/s，花亭湖水庫通過大壩向下級河流泄水。水庫取水口位于大壩上游480 m南岸，主要供給太湖縣一水廠和二水廠，取水規(guī)模分別為1.5萬、4.5萬m3/d。

2 模型搭建與應用

MIKE模型系列軟件是由丹麥水力學研究所開發(fā)，在國內(nèi)許多河流中已經(jīng)廣泛應用[13-16]。MIKE21主要用于模擬湖庫、河口及海灣水流、波浪、泥沙及水環(huán)境等。該模型主要包括水動力、水質(zhì)、波浪與泥沙等模塊，可進行復雜二維平面水流計算、洪水淹沒計算、水質(zhì)模擬預報和水環(huán)境治理規(guī)劃等。MIKE21中地形網(wǎng)格具有自動剖分功能，既可采用不規(guī)則三角網(wǎng)，也可采用規(guī)則多邊形進行網(wǎng)格劃分。

2.1 模型原理

模型遵循N-S方程，并服從Boussinesq假設，即流體低速流動中，密度的變化僅考慮溫度的影響，不考慮由壓強所引起的影響，同時服從靜水壓假設。

2.2 地形與網(wǎng)格

以花亭湖水庫為研究對象，選取潘家河與青石河交匯處斷面(記為潘家河/情石河)至花亭湖大壩斷面為模擬范圍，水域東西長13.2 km，南北寬10.2 km。采用三角網(wǎng)格對模擬區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，對于岸線邊界網(wǎng)格適當加密以提高模擬精度，網(wǎng)格共計8 381個。

研究區(qū)原始高程數(shù)據(jù)來源于衛(wèi)星，分辨率為50 m×50 m。本研究在高程質(zhì)量檢查無誤基礎上，對花亭湖水庫模擬范圍水下地形采用加權反離法插值到每個網(wǎng)格節(jié)點，得到花亭湖水庫飲用水水源地的數(shù)字高程模型。

2.3 邊界條件

本研究選取上游入湖支流來水為入流邊界條件，水庫下泄流量為出流條件，其余岸線為固壁邊界條件。模型水文與氣象邊界數(shù)據(jù)來源于安慶市水利局網(wǎng)站2018年逐日監(jiān)測數(shù)據(jù)(因降雨集中于1—10月，因此只關注該時段數(shù)據(jù))。圖1反映了花亭湖水庫降雨量與水位日變化。

蒸發(fā)數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)月尺度蒸發(fā)量，結果見表1。花亭湖水庫2018年典型枯水期(1月)蒸發(fā)量20.5 mm，平水期(4月)蒸發(fā)量50.8 mm，豐水期(6月)蒸發(fā)量102.1 mm。

本文所構建的水質(zhì)模型選用浮游植物碳(PC)、浮游植物氮(PN)、浮游植物磷(PP)、葉綠素(Chl-a)、浮游動物碳(ZC)、風化碳(DC)、風化氮(DN)、風化磷(DP)、無機氮(IN)、無機磷(IP)、溶解氧(DO)作為狀態(tài)變量，TN、TP作為衍生變量。其中，Chl-a、DO、IP取值結合地方水功能區(qū)劃目標與不同水期來水監(jiān)測數(shù)據(jù)確定，剩余的狀態(tài)變量則通過MIKE21推薦的轉換方法或者推薦的常數(shù)值來確定?；ㄍず饔蚋髦Я鱽硭克|(zhì)見表2，除流量外，表中其他取不同水期平均值。

圖1 花亭湖水庫降雨量與水位日變化Fig.1 Diurnal process of rainfall and water level in Huating Lake Reservoir

表1 2018年花亭湖流域月蒸發(fā)量

表2 花亭湖流域來水水量水質(zhì)

2.4 模型驗證

2.4.1 水動力驗證

結合2018年1、4、6月水動力過程模擬結果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行豐水期、平水期、枯水期驗證，主要率定和驗證的指標有渦黏系數(shù)、曼寧系數(shù)、風應力拖曳系數(shù)。

模型水位監(jiān)測點位布置見圖2?？紤]到與湖泊水位變化趨勢相近，選擇庫區(qū)監(jiān)測點位L1(花亭湖大壩上游500 m)實測的水位變化過程進行模型的參數(shù)率定、驗證工作。率定結果顯示，花亭湖水庫渦黏系數(shù)0.27 m2/s、曼寧系數(shù)32 m1/3/s、風應力拖曳系數(shù)0.001 255。

圖2 花亭湖水庫監(jiān)測點位分布Fig.2 Monitoring point sketch distribution of Huating Lake Reservoir

圖3至圖5分別為1、4、6月花亭湖水庫水位實測值與模擬值對比結果。驗證結果顯示，1、4、6月模擬值與實測值相對誤差均在10%之內(nèi)。對比曲線趨勢和指標誤差統(tǒng)計可以看出，模型模擬精度較好，能真實反映花亭湖水庫水動力變化過程。水動力模擬結果具備與水質(zhì)模塊進行耦合的條件。

圖3 1月水位模擬值與實測值Fig.3 Simulated and measured values of water level in January

2.4.2 水質(zhì)驗證

參數(shù)率定是水質(zhì)模擬過程中的重要一環(huán)。在前人對花亭湖水庫進行水質(zhì)模型研究的基礎上，結合2018年1、4、6月監(jiān)測點位L2(花亭湖大壩上游2 500 m)TN、TP以及DO水質(zhì)監(jiān)測結果，選取12個水質(zhì)敏感性指標，以默認推薦指標值為基值，通過分析花亭湖水庫水源地相關資料，變動1個指標而其他指標均保持不變，指標取值上下浮動50%進行模擬計算對比。

圖4 4月水位模擬值與實測值Fig.4 Simulated and measured values of water level in April

圖5 6月水位模擬與實測結果Fig.5 Simulated and measured values of water level in June

經(jīng)過不斷率定與調(diào)試，各個水期水質(zhì)的模擬值與實測值對比見表3。整體來看，各水質(zhì)指標的相對誤差均在20%以內(nèi)，說明各個水期模型對污染物濃度的模擬效果較好，符合應用要求。

花亭湖水庫相關參數(shù)最終率定結果見表4。

2.5 模擬分析

結合2018年1、4、6月監(jiān)測與模擬結果可知，受上游山區(qū)來水和非點源的影響，花亭湖水庫汛期水質(zhì)指標波動較大，污染風險高于非汛期。因此，選擇2018年6月模擬結果開展污染物污染空間分布與保護區(qū)劃分工作。圖6至圖8分別為2018年6月庫區(qū)內(nèi)TN、TP與DO空間分布。

3 保護區(qū)劃分

根據(jù)HJ 338—2018要求，飲用水水源一級保護區(qū)水質(zhì)不得低于GB 3838—2002Ⅱ類水質(zhì)要求，二級保護區(qū)水質(zhì)不得低于Ⅲ類水質(zhì)要求。

由MIKE21模擬的花亭湖水庫6月TN、TP濃度分布可知，TN、TP形成的污染物濃度帶分別在距離花亭湖大壩850、720 m的范圍內(nèi)達到了GB 3838—2002Ⅱ類水質(zhì)要求(TN≤0.5 mg/L,TP≤0.025 mg/L)，而剩余水庫水域基本上均可以滿足Ⅲ類水質(zhì)要求(TN≤1.0 mg/L,TP≤0.05 mg/L)，DO則在全部區(qū)域內(nèi)幾乎均能滿足Ⅱ類水質(zhì)要求(DO≥6 mg/L)。

3.1 一級保護區(qū)劃分

根據(jù)MIKE21模擬結果可知，若按照類比經(jīng)驗法進行劃分，取水口上游240～500 m的區(qū)域水質(zhì)將無法全部滿足GB 3838—2002Ⅱ類水質(zhì)要求。

因此水域一級保護區(qū)宜根據(jù)MIKE21模型模擬的結果進行劃分，范圍為花亭湖水庫大壩至上游720 m，寬度為庫區(qū)正常水位淹沒區(qū)域。一級保護區(qū)陸域根據(jù)HJ 338—2018類比經(jīng)驗法要求，將水域邊界向沿岸陸域縱深延伸200 m，但不超過流域分水嶺和花亭湖大壩的陸地區(qū)域劃分為陸域一級保護區(qū)。

3.2 二級保護區(qū)劃分

根據(jù)MIKE21模擬結果，水域一級保護區(qū)以外全部水域的TN、TP、DO濃度基本上均能滿足GB 3838—2002Ⅲ類水質(zhì)要求，如果將一級保護區(qū)水域外的全部水體劃分為水域二級保護區(qū)，則庫區(qū)內(nèi)劃分的水域面積將達到52.35 km2，遠超出了飲用水水源地保護實際需求，將對山區(qū)居民出行(現(xiàn)有航道)和庫區(qū)生態(tài)旅游發(fā)展產(chǎn)生較大影響。因此，二級保護區(qū)宜選用類比經(jīng)驗法進行劃分，將一級保護區(qū)外徑向距離2 000 m，寬度為庫區(qū)正常水位淹沒的區(qū)域設為水域二級保護區(qū)；將陸域一級保護區(qū)外徑向3 000 m的區(qū)域劃分為陸域二級保護區(qū)，但不超過相應的流域分水嶺。

表3 監(jiān)測點位L2水質(zhì)模擬值與實測值對比

表4 參數(shù)率定結果

圖6 TN空間分布Fig.6 Spatial distribution of TN

3.3 準保護區(qū)劃分

HJ 338—2018規(guī)定，按照湖庫流域范圍、污染源分布及對飲用水水源水質(zhì)的影響程度，二級保護區(qū)以外的匯水區(qū)域可以設定為準保護區(qū)。本研究結合花亭湖水庫飲用水水源地實際情況以及保護需要，將一、二級保護區(qū)外的匯水區(qū)域劃定為準保護區(qū)。

3.4 保護區(qū)定界

圖7 TP空間分布Fig.7 Spatial distribution of TP

圖8 DO空間分布Fig.8 Spatial distribution of DO

依據(jù)飲用水源保護區(qū)初步劃分范圍，再根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和資料搜集，并結合花亭湖水庫飲用水水源地的地形、地表、地物的特點，最終確定各級保護區(qū)的界限及面積(見表5)。劃分一級保護區(qū)0.76 km2，二級保護區(qū)19.96 km2，準保護區(qū)1 858.25 km2。

使用ArcGIS軟件制作花亭湖水庫水源一、二級保護區(qū)及準保護區(qū)劃分圖，結果見圖9至圖10。

4 劃分合理性討論

一級保護區(qū)的劃分過程中利用數(shù)值模型準確識別了水質(zhì)指標濃度分布，確保了一級保護區(qū)水域滿足GB 3838—2002 Ⅱ類水質(zhì)要求。該劃分方法劃分的范圍較類比經(jīng)驗法劃分范圍有所縮小，但考慮到劃分區(qū)域內(nèi)無點源排放口，周邊僅有極少的原住居民區(qū)且無景區(qū)，面源污染對該區(qū)域水質(zhì)的影響不大。因此，使用數(shù)值模型法劃分的一級保護區(qū)水域可以達到防范水質(zhì)污染、保障飲水安全的目的。同時，將距離取水口較近的旅游大道劃入陸域一級保護區(qū)范圍并嚴格管理，可預防交通運輸移動源的環(huán)境風險。

表5 花亭湖水庫水源保護區(qū)范圍與面積

圖9 花亭湖水庫飲用水水源一、二級保護區(qū)劃分Fig.9 Delineation of Huating Lake Reservoir drinking water source’s key and secondary protection area

圖10 花亭湖水庫飲用水水源準保護區(qū)劃分Fig.10 Delineation of Huating Lake Reservoir drinking water source’s quasi protection area

二級保護區(qū)陸域范圍包含了約12.36 km2的林地、茶園、經(jīng)濟果樹林、水田等易造成山區(qū)徑流面源污染的區(qū)域，可有效監(jiān)管、防護雨季由于雨水徑流挾帶腐殖質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)進入水庫而造成的庫區(qū)水質(zhì)污染。同時，將污水統(tǒng)一收集、處理工作還不是很完善的禪心島、情人島、休閑山莊、西風禪寺景區(qū)以及較為分散的原住居民區(qū)納入二級保護區(qū)，按照二級保護區(qū)要求對其進行相應管控，達到了水源有效保護的目的。二級保護區(qū)的劃分也充分考慮到了社會經(jīng)濟因素，劃分的陸域二級保護區(qū)中僅有14.21 km2屬于花亭湖風景區(qū)范圍(占風景區(qū)總面積的4%)，同時將風景區(qū)中的核心景區(qū)二祖禪堂景區(qū)、佛圖寺景區(qū)、大壩景區(qū)、龍山景區(qū)排除在二級保護區(qū)外，以劃入準保護區(qū)的形式進行保護，為當?shù)厣鷳B(tài)旅游發(fā)展預留了足夠的空間，同時保障了當?shù)鼐用竦氖杖?。二級保護區(qū)內(nèi)有約2.93 km的航線，大大方便了山區(qū)居民水路出行。

可見，結合數(shù)值模型法與類比經(jīng)驗法劃分水源保護區(qū)，可兼顧技術與經(jīng)濟可行性操作原則，具有一定的科學性和合理性。花亭湖水庫飲用水水源保護區(qū)的劃分兼顧了流域水質(zhì)污染風險控制與景區(qū)生態(tài)旅游發(fā)展遠期規(guī)劃需求，達到了水源保護與經(jīng)濟發(fā)展的雙贏目的。

5 結 論

(1) 花亭湖水庫二維水動力-水質(zhì)耦合模型MIKE21在飲用水水源保護區(qū)劃分工作中具有較強的適用性，各項水質(zhì)指標的模擬精度滿足模型應用要求。

(2) 結合數(shù)值模型法與類比經(jīng)驗法，劃分花亭湖水庫飲用水水源一級保護區(qū)面積0.76 km2，二級保護區(qū)面積19.96 km2，準保護區(qū)面積1 858.25 km2。本次劃分兼顧了流域水質(zhì)污染風險控制與景區(qū)生態(tài)旅游發(fā)展遠期規(guī)劃需求，達到了水源保護與經(jīng)濟發(fā)展的雙贏目的。