基于二維水動(dòng)力模型的大型水庫(kù)水源地保護(hù)區(qū)劃分

萬(wàn) 帆，宋曉峰，劉 睿

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065；2.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，西安 710011)

0 前 言

大型跨流域調(diào)水工程可促進(jìn)缺水區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，緩解受水區(qū)用水矛盾。合理有效地劃分飲用水水源保護(hù)區(qū)，是保護(hù)調(diào)水工程水源地最大可能免受人類活動(dòng)影響，保證水質(zhì)安全的重要措施。通過(guò)劃分水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)，有利于水庫(kù)水資源的管理和保護(hù)利用，也有利于水質(zhì)監(jiān)測(cè)部門加強(qiáng)對(duì)水質(zhì)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和對(duì)污染物排放的監(jiān)督，最大限度地發(fā)揮供水功能。

中國(guó)飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，且目前多以經(jīng)驗(yàn)法、類比法為主。王民等通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析國(guó)內(nèi)119處大中型水庫(kù)公布的水源保護(hù)區(qū)劃分方案，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀大中型水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)劃分采用的方法不盡相同，但均未采用模型法來(lái)分析計(jì)算保護(hù)區(qū)范圍，多數(shù)采用了類比經(jīng)驗(yàn)法[1]。賀濤等通過(guò)對(duì)水庫(kù)型飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分的數(shù)值模型法、類比經(jīng)驗(yàn)法和GIS輔助方法進(jìn)行分析比較，認(rèn)為類比經(jīng)驗(yàn)法雖然操作簡(jiǎn)單，但在二級(jí)保護(hù)區(qū)的劃定下與現(xiàn)行很多水庫(kù)對(duì)入庫(kù)河流上溯的要求完全不一致，不適用于大型水庫(kù)。對(duì)于大型水庫(kù)而言，采用技術(shù)手段研究保護(hù)區(qū)劃分的新方法，構(gòu)建水質(zhì)模型對(duì)污染物擴(kuò)散趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和模擬，劃分水源保護(hù)區(qū)是更加科學(xué)合理的劃分方法[2-3]。HJ 338-2018《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》也推薦大型水庫(kù)優(yōu)先采用水質(zhì)模型進(jìn)行劃分。但大型水庫(kù)往往地形、流場(chǎng)較為復(fù)雜，水質(zhì)模型構(gòu)建的科學(xué)性和適用性需要重視。

隨著對(duì)模擬精度要求的不斷提高，水動(dòng)力模型己成為研究的主要方向[4]。丹麥水環(huán)境模型MIKE21適用于湖泊、河口、海灣和海岸地區(qū)的水動(dòng)力及水質(zhì)的二維仿真模擬[5]。MIKE21采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，能夠處理復(fù)雜的邊界條件，該模型在國(guó)內(nèi)外水環(huán)境研究領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。MIKE 21 模型與對(duì)流擴(kuò)散模塊耦合，可以很好地反映污染物在水中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)各類水質(zhì)污染情景進(jìn)行模擬，還可以構(gòu)建水質(zhì)預(yù)測(cè)模型，對(duì)工程建設(shè)或者水質(zhì)改善提出科學(xué)建議[6]。國(guó)內(nèi)有研究應(yīng)用MIKE2l軟件模擬了湖庫(kù)流場(chǎng)并對(duì)湖庫(kù)水質(zhì)變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析，其數(shù)值模擬的科學(xué)性已得到公認(rèn)[7-9]。本文通過(guò)MIKE的水動(dòng)力模型耦合對(duì)流擴(kuò)散模塊來(lái)模擬黃金峽水庫(kù)成庫(kù)后，水中主要污染物COD、氨氮的傳輸過(guò)程，為科學(xué)確定飲用水源地保護(hù)范圍提供依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

陜西省引漢濟(jì)渭工程是從陜南漢江流域調(diào)水至渭河流域關(guān)中地區(qū)的大型跨流域調(diào)水工程。該工程由黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐及秦嶺輸水隧洞三個(gè)部分組成。工程近期設(shè)計(jì)水平年2025年，多年平均調(diào)水10億m3，遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)水平年2030年，多年平均調(diào)水15億m3。其中黃金峽水利樞紐水庫(kù)總庫(kù)容2.29 億m3，正常蓄水位450.00 m，水庫(kù)淹沒(méi)總面積25.83 km2，干流回水長(zhǎng)度58.04 km，擋水建筑物為混凝土重力壩，最大壩高68 m。

2 研究區(qū)域概況

本次研究區(qū)域?yàn)辄S金峽水利樞紐工程庫(kù)尾～壩址區(qū)間約58 km漢江江段。工程區(qū)位于秦嶺中低山區(qū)，地勢(shì)北高南低，上游段為洋縣平川區(qū)，下游段為低山峽谷區(qū)。工程區(qū)屬北亞熱帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)氣候區(qū)，多年平均降雨量806 mm，多年平均氣溫14.5 ℃，多年平均蒸發(fā)量1 065.6 mm。黃金峽壩址控制流域面積17 070 km2，壩址以上多年平均天然年徑流量為75.41億m3。庫(kù)區(qū)有金水河、酉水河等主要支流匯入。

3 研究方法

采用二維水動(dòng)力模型模擬庫(kù)區(qū)流場(chǎng)，并耦合二維對(duì)流擴(kuò)散模型在流場(chǎng)模擬的基礎(chǔ)上模擬庫(kù)區(qū)污染物的遷移轉(zhuǎn)化。

3.1 水動(dòng)力模型構(gòu)建

(1) 模擬范圍

本次研究模擬范圍為黃金峽水庫(kù)庫(kù)尾～壩址間58 km天然河段，正常蓄水位450.00 m以下區(qū)域。

(2) 庫(kù)區(qū)地形構(gòu)建

利用黃金峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)橫斷面測(cè)量數(shù)據(jù)、正常蓄水位線范圍數(shù)據(jù)等，通過(guò)插值計(jì)算，得到水庫(kù)正常蓄水位范圍內(nèi)的MESH地形網(wǎng)格文件，水深以m表示。

圖1 黃金峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)地形文件

(3) 二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型原理

連續(xù)性方程：

動(dòng)量守恒方程：

式中：t為時(shí)間，s；η為自由表面的水位,m；u、v分別為沿x、y方向的流速,m/s；g為重力加速度,m/s2；ρ為水的密度,kg/m3；S為輻射應(yīng)力,N/m；F為水平渦粘剪切力,N/m2。

通過(guò)有限元體積方法求解上述方程。

(4) 輸入條件

黃金峽水庫(kù)庫(kù)尾及支流金水河回水末端作為模型進(jìn)口。按最不利條件考慮，進(jìn)口邊界條件采用最枯月2月90%保證率下流量30.4m3/s。黃金峽水庫(kù)壩址斷面作為模型出口，邊界條件采用最枯月90%保證率下的壩前設(shè)計(jì)運(yùn)行水位440.00m。

(5) 模型參數(shù)

本次研究按照90%保證率下最枯月的水文條件計(jì)算。根據(jù)水文成果及測(cè)量斷面，主要水文參數(shù)及取值見表1。

表1 主要水文參數(shù)及取值

3.2 水質(zhì)模型構(gòu)建

(1)污染源預(yù)測(cè)

以污染源現(xiàn)狀調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果及基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)近期水平年2025年內(nèi)水源區(qū)內(nèi)入庫(kù)污染物負(fù)荷。根據(jù)目前掌握的水源工程影響區(qū)現(xiàn)狀污染負(fù)荷評(píng)價(jià)結(jié)果，選定入庫(kù)污染物代表參數(shù)為有機(jī)污染類的綜合指標(biāo)為COD和氨氮。

1) 庫(kù)尾以上縣城段排污口污染源預(yù)測(cè)

因黃金峽庫(kù)尾以上5km為洋縣縣城駐地洋州鎮(zhèn)，需預(yù)測(cè)洋縣境內(nèi)庫(kù)尾以上河段主要污染物排放量，作為預(yù)測(cè)水平年入庫(kù)斷面水質(zhì)預(yù)測(cè)值計(jì)算基礎(chǔ)。

工業(yè)廢水及主要污染物排放量預(yù)測(cè)采用彈性系數(shù)法。生活污染源以人口增長(zhǎng)率乘以目前生活污水量的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。漢中市人口平均增長(zhǎng)率取4‰。

庫(kù)尾上游約5km的洋縣縣城段集中式污染源預(yù)測(cè)總量見表2。

表2 黃金峽庫(kù)尾以上污染源預(yù)測(cè)值

2) 庫(kù)區(qū)污染源預(yù)測(cè)

黃金峽庫(kù)區(qū)無(wú)工業(yè)污染源，生活污染源以人口增長(zhǎng)率乘以目前生活污水量的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。規(guī)劃年庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷仍采用現(xiàn)狀年統(tǒng)計(jì)成果。

庫(kù)區(qū)各類污染源預(yù)測(cè)總量見表3。

表3 黃金峽庫(kù)區(qū)污染源預(yù)測(cè)值

(2) 污染源概化

考慮最不利情況，本次研究在模擬污染物沿程降解時(shí)，認(rèn)為庫(kù)尾以上污染物均從洋州鎮(zhèn)斷面排入，庫(kù)尾～壩址區(qū)間污染物均從距黃金峽水庫(kù)取水口較近的主要支流金水河口斷面(距壩址11km)排放。排污口概化如圖2所示。

圖2 黃金峽水庫(kù)污染源概化

(3) 二維對(duì)流擴(kuò)散模型原理

庫(kù)區(qū)污染物衰減采用二維對(duì)流擴(kuò)散方程進(jìn)行模擬，基本方程如下：

式中：C為污染物濃度，mg/l；ux、uy為沿x、y方向的流速分量，m/s；Dx、Dy為x、y方向的擴(kuò)散系數(shù)，m/s2；K為污染物衰減系數(shù)，d-1。

(4) 模型參數(shù)

1) 橫向混合系數(shù)

橫向混合系數(shù)是反映橫向濃度混合輸移的綜合系數(shù)，橫向混合系數(shù)Dy的確定方法采用泰勒公式：

Dy=(0.058H+0.0065B)·(gHI)0.5

(5)

式中：B為河流平均寬度，m；H為河流平均水深，m；g為重力加速度，m/s2；I為河流水力坡降，m/m。

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(5)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4所示。

表4 橫向混合系數(shù)Dy計(jì)算結(jié)果 /(m2·s-1)

2) 綜合降解系數(shù)

根據(jù)全國(guó)水環(huán)境容量測(cè)算大綱中給出的水質(zhì)降解系數(shù)參考表，及相關(guān)漢江上游河段污染物降解系數(shù)的研究成果[10]，本次工作對(duì)COD、氨氮降解系數(shù)取值如下。

表5 降解系數(shù) /d-1

4 研究結(jié)果

4.1 模型模擬結(jié)果

在二維水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上，采用二維對(duì)流擴(kuò)散模型模擬在最枯月90%保證率計(jì)算條件下，污染物在概化的排污口進(jìn)入庫(kù)區(qū)水體后的擴(kuò)散和降解過(guò)程。模擬結(jié)果顯示，污水在距壩址上游11km的金水河匯入口入庫(kù)后，在排污口下游100m范圍內(nèi)左岸形成1個(gè)污染物高濃度區(qū)域，隨著污染物向下游遷移擴(kuò)散，污染物逐漸稀釋，并伴隨降解作用，濃度逐漸降低。

COD衰減過(guò)程：入庫(kù)后100m范圍內(nèi)，COD濃度超過(guò)30mg/L。衰減約2km后COD濃度降至18mg/L，衰減至約5km處COD濃度可滿足地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值(≤15mg/L)。

氨氮衰減過(guò)程：入庫(kù)后100m范圍內(nèi)，氨氮濃度超過(guò)1.3mg/L。衰減約3.6km后氨氮濃度降至1.2mg/L，衰減至約7km處氨氮濃度可滿足地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值(≤0.5mg/L)。

二維衰減過(guò)程數(shù)值解結(jié)果見圖3、4。

圖3 黃金峽庫(kù)區(qū)COD二維衰減計(jì)算結(jié)果(數(shù)值解)

4.2 保護(hù)區(qū)劃分結(jié)果

根據(jù)國(guó)家對(duì)地表飲用水水源地各級(jí)保護(hù)區(qū)的水質(zhì)要求，以及二維水動(dòng)力模型模擬結(jié)果，二級(jí)保護(hù)區(qū)長(zhǎng)度不宜小于7km，以滿足污染物衰減至一級(jí)保護(hù)區(qū)執(zhí)行的地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值的距離要求。

圖4 黃金峽庫(kù)區(qū)氨氮二維衰減計(jì)算結(jié)果(數(shù)值解)

而一級(jí)保護(hù)區(qū)全域均應(yīng)達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此宜采用規(guī)范中推薦的經(jīng)驗(yàn)法。由于黃金峽水庫(kù)狹長(zhǎng)，建議一級(jí)保護(hù)區(qū)長(zhǎng)度不小于壩址(取水口)以上2km范圍內(nèi)水域，二級(jí)保護(hù)區(qū)從一級(jí)保護(hù)區(qū)上界上溯至少7km水域。

5 結(jié) 論

水質(zhì)模型是水資源保護(hù)中一項(xiàng)重要的技術(shù)工具。本文借助MIKE水動(dòng)力模型耦合對(duì)流擴(kuò)散模塊來(lái)模擬黃金峽水庫(kù)成庫(kù)后，水中主要污染物COD、氨氮的傳輸過(guò)程，為科學(xué)確定飲用水源地保護(hù)范圍提供依據(jù)。主要結(jié)論如下：

(1) 經(jīng)模型計(jì)算，污染物衰減一定距離后可滿足水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)執(zhí)行的地表水環(huán)境Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，衰減距離不小于7km，以此衰減距離作為二級(jí)保護(hù)區(qū)長(zhǎng)度。

(2) 一級(jí)保護(hù)區(qū)劃分采用經(jīng)驗(yàn)法，二級(jí)保護(hù)區(qū)采用二維模擬結(jié)果劃分的思路，與其他研究者的觀點(diǎn)類似[2]，但因本項(xiàng)目為山區(qū)峽谷型水庫(kù)，取水口斷面寬度僅200m，因此在一級(jí)保護(hù)區(qū)劃分時(shí)，未以取水口為圓心向周圍外擴(kuò)劃分，而是在取水口斷面進(jìn)行上溯2km，以適宜本項(xiàng)目的特征和水質(zhì)保護(hù)需要。

本次模擬考慮了污染物隨水流的遷移和擴(kuò)散，并總體考慮了污染物在漢江水體中的降解，受基礎(chǔ)資料和目前研究水平限制，并未考慮污染物傳輸過(guò)程中的沉淀作用及不同水生生物類型對(duì)污染物的影響，未來(lái)的研究可進(jìn)行相關(guān)探索。

此外，本次模擬過(guò)程考慮最不利情況以90%保證率下最枯月的水文條件進(jìn)行計(jì)算，并將污染源進(jìn)行概化，實(shí)際水庫(kù)運(yùn)行期不同入庫(kù)流量條件下的污染物擴(kuò)散情況有所不同，后期可嘗試延伸本次研究的應(yīng)用，增加預(yù)測(cè)工況，模擬突發(fā)污染事故的影響范圍，可為污染事故提供預(yù)警依據(jù)。