基于MIKE模擬計(jì)算的信江水庫(kù)水質(zhì)及水動(dòng)力學(xué)演化特征分析

王 歡，孫 聰

(浙江省麗水市水文管理中心，浙江 麗水 323000)

水庫(kù)長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)與水質(zhì)狀態(tài)密切相關(guān)，根據(jù)水質(zhì)狀態(tài)分析水庫(kù)水動(dòng)力學(xué)演化及水庫(kù)工程安全運(yùn)營(yíng)乃是水文水資源中重要研究課題[1-3]。不可忽視由于水庫(kù)水資源配置規(guī)劃對(duì)水利工程流量、水溫及泄流等運(yùn)營(yíng)均具有重要影響，合理配置水庫(kù)水資源調(diào)度乃是有利于水庫(kù)水質(zhì)凈化的重要手段，秦儀婷等[4]、陸曉等[5]、馬雅麗等[6]利用各種智能算法，有效提升水庫(kù)、灌區(qū)等地區(qū)內(nèi)水資源規(guī)劃配置效率。當(dāng)然，水質(zhì)分析可結(jié)合相應(yīng)的水動(dòng)力模型，包括有SWMM模型在內(nèi)的各種水質(zhì)模型，分析水質(zhì)模型在水庫(kù)等工程運(yùn)營(yíng)中變化特征，為水質(zhì)治理、補(bǔ)水方案等研究提供重要參考[7-9]。當(dāng)然，包括MIKE、SMS等在內(nèi)的水動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算平臺(tái)，其可根據(jù)水庫(kù)、河流等實(shí)際工程運(yùn)營(yíng)工況，模擬計(jì)算獲得水動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)變化規(guī)律，由此確定水質(zhì)狀態(tài)影響特性，為河道凈水、水庫(kù)水資源調(diào)度等提供數(shù)據(jù)支持[10-12]。本文根據(jù)信江水庫(kù)水質(zhì)狀態(tài)，分析化學(xué)污染物來(lái)源及其影響特性，利用MIKE計(jì)算平臺(tái)獲得水庫(kù)建庫(kù)前、后斷面水位演化特征，為水質(zhì)治理及水庫(kù)運(yùn)營(yíng)提供重要依據(jù)。

1 水庫(kù)水質(zhì)現(xiàn)狀及工程概況

1.1 水庫(kù)概況

贛北地區(qū)信江支流建設(shè)有一水庫(kù)樞紐工程，乃是上饒地區(qū)重要蓄水庫(kù)，該水庫(kù)涉及流域面積超過(guò)300 km2，設(shè)計(jì)庫(kù)容超過(guò)1.2億 m3，水庫(kù)含沙量為7.5 kg/m3，訊水期泥沙淤積最大厚度可為1.8 m，可承擔(dān)超過(guò)10萬(wàn)畝農(nóng)田灌溉，設(shè)計(jì)有防洪、蓄水、小型發(fā)電等綜合功能的水利樞紐工程。該工程包括有壩體結(jié)構(gòu)、溢洪道、泄洪設(shè)施以及發(fā)電廠房等水利設(shè)施，設(shè)計(jì)正常運(yùn)營(yíng)期水位為159 m，壩頂設(shè)計(jì)高程為164.5 m，寬度為8 m，設(shè)計(jì)有心墻體作為堤壩防滲及加固結(jié)構(gòu)，心墻彎曲段長(zhǎng)度為15 m，壩體上、下游坡度按照階梯式變化，上游坡度分布為1/3～1/2.5，下游坡度為1/2.5～1/3.5，上、下游分別采用混凝土砌石與格賓石籠護(hù)坡，一方面提升壩體防滲性，另一方面增強(qiáng)壩體結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力安全穩(wěn)定性，壩頂設(shè)置有厚度為0.8 m的防浪墻，降低壩體受水力沖刷影響。水庫(kù)大壩壩址處鋪設(shè)有防滲墊層，厚度為0.45 m，采用塑性混凝土作為防滲墊層主要原材料，其最深處可達(dá)基巖層，確保壩體不發(fā)生滲透破壞，壩體右岸設(shè)置有帷幕灌漿加固結(jié)構(gòu)，降低壩體下覆黏土層流動(dòng)性與沉降變形。受地區(qū)工業(yè)水平發(fā)展，水庫(kù)在運(yùn)營(yíng)5 a后設(shè)計(jì)有一溢洪道設(shè)施，所有溢流孔采用鋼閘門，提升區(qū)域內(nèi)排澇及泄流水平，閘門每孔尺寸為12 m×5 m，高度為6 m，閘室采用閘墩承重，閘墩頂高程為162m，設(shè)計(jì)有錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)，提升整體閘室在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中穩(wěn)定性。引水隧洞設(shè)計(jì)有混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，10年運(yùn)營(yíng)區(qū)間內(nèi)圍巖最大位移不超過(guò)10 mm，混凝土與圍巖間設(shè)置有剛性墊層，提升長(zhǎng)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)圍巖流變特性。從供水對(duì)象來(lái)看，信江水庫(kù)承擔(dān)了周圍7個(gè)縣城工業(yè)及城鄉(xiāng)居民生活用水，年供應(yīng)總水量超過(guò)2億 m3，該水庫(kù)水質(zhì)狀態(tài)直接關(guān)系當(dāng)?shù)鼐用裼盟踩_展信江水庫(kù)水質(zhì)檢測(cè)分析及水動(dòng)力學(xué)變化特征演化很有必要。

1.2 水庫(kù)水質(zhì)污染源

從水庫(kù)水質(zhì)污染源來(lái)看，分為工業(yè)、生活污染物及農(nóng)業(yè)肥料污染物等，工業(yè)污染源主要來(lái)自于城區(qū)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生的污染物垃圾，排泄物等對(duì)水庫(kù)水質(zhì)具有顯著負(fù)面影響；另一方面，水庫(kù)周邊生活居民較多，生活垃圾遷移以及地下污水管道排泄均有一定影響，而生活污水最大來(lái)源實(shí)質(zhì)上乃是七個(gè)縣城的污水處理廠，水庫(kù)周圍縣城內(nèi)污水處理廠共有7個(gè)，污水最大設(shè)計(jì)處理能力為10萬(wàn) m3/d，極大影響了水庫(kù)內(nèi)磷元素、氨氮元素等分布量，G縣污水排放量中年排放TP含量占水庫(kù)入庫(kù)總量的45.8%。第三個(gè)污染源來(lái)自于周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，包括畜牧業(yè)養(yǎng)殖等，主要污染物以COD為主，監(jiān)測(cè)表明入庫(kù)COD含量來(lái)自鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)占比超過(guò)40%，且以水庫(kù)下游區(qū)域?yàn)橹鳎訡縣排放COD含量最大，達(dá)58.82 t/a。為對(duì)水庫(kù)進(jìn)行水質(zhì)治理，對(duì)水庫(kù)水質(zhì)受當(dāng)前周圍環(huán)境影響及水動(dòng)力學(xué)特征開展分析。

2 水庫(kù)水質(zhì)影響特征

2.1 COD含量

根據(jù)對(duì)水庫(kù)流域內(nèi)各縣城排入水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，獲得水庫(kù)水質(zhì)COD含量在各縣城排放中分布特征，如圖1所示。從圖中可看出，年排放進(jìn)入水庫(kù)的COD含量總量為8391.2 t/a，其中排放量最多的為B縣，占年總排放量的51.1%，排放量最小的為F縣，僅為348.8 t/a；根據(jù)各縣城年經(jīng)濟(jì)總量關(guān)系可知，COD含量最高的B縣，其經(jīng)濟(jì)總量乃是區(qū)域內(nèi)最高，同樣排放量最小的F縣，其經(jīng)濟(jì)總量最低，即水庫(kù)流域內(nèi)COD含量變化與地區(qū)經(jīng)濟(jì)總量有密切關(guān)系，表明工業(yè)化發(fā)展對(duì)水庫(kù)水質(zhì)COD含量具有正相關(guān)促進(jìn)效應(yīng)，D縣經(jīng)濟(jì)總量為135.5億元，其年排放COD含量為394.2 t/a，而A縣城經(jīng)濟(jì)總量乃是前者的2.53倍，年COD排放量相比前者增大了2.45倍。從水庫(kù)水質(zhì)治理來(lái)看，不可忽視流域內(nèi)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展縣城之間的差異性，應(yīng)根據(jù)各縣城經(jīng)濟(jì)狀況針對(duì)性實(shí)施COD減排措施。

圖1 水質(zhì)COD含量與流域經(jīng)濟(jì)總量關(guān)系

2.2 氨氮含量

根據(jù)水庫(kù)水質(zhì)多斷面監(jiān)測(cè)，獲得流域內(nèi)排放入水庫(kù)氨氮含量在一年中分布狀況，并給出各月水庫(kù)流域內(nèi)降雨量變化關(guān)系，如圖2所示。從圖中可知，一年內(nèi)氨氮含量排放最多的是4月，達(dá)72 t/a，而最低月份為1月，氨氮入庫(kù)量?jī)H為峰值的44.4%，而各月中氨氮含量超過(guò)60的有4個(gè)月，分布在4-7月中，而氨氮含量最低值分布在1月中，表明氨氮含量隨季節(jié)變化具有顯著差異性特征。聯(lián)系各月降雨量可知，降雨量最高的季節(jié)為4-7月，而在該區(qū)段內(nèi)氨氮含量同樣入庫(kù)量較高，此區(qū)間段內(nèi)平均每月氨氮含量入庫(kù)為67 t/a；在降雨量較低的月份中，屬11-1月，其各月平均氨氮入庫(kù)量?jī)H為最高區(qū)間段的35.3 t/a。分析認(rèn)為，由于降雨量影響，氨氮含量與之為正相關(guān)，此種變化特征實(shí)質(zhì)上與降雨產(chǎn)生的地表徑流有關(guān)。當(dāng)降雨量較大時(shí)，地表徑流活躍，水力作用較強(qiáng)，各類地表污水在強(qiáng)有力降雨滲透作用下，可逐步遷移至水庫(kù)中，造成該時(shí)間段內(nèi)氨氮等化學(xué)污染物含量較高的現(xiàn)象[13，14]。

圖2 水質(zhì)氨氮含量與流域降雨量關(guān)系

2.3 TP含量

TP含量與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)，分析水庫(kù)對(duì)周圍7個(gè)縣城農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉面積總值，獲得TP含量與流域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉面積關(guān)系曲線，如圖3所示。從圖中可看出，F(xiàn)縣乃是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌區(qū)，其年排放入庫(kù)TP含量最高，達(dá)254.2 t/a，而B城區(qū)乃是流域內(nèi)重要城市主城區(qū)，其農(nóng)業(yè)用地面積較小，但不可忽視其工業(yè)生產(chǎn)總值較高，因而TP含量仍然較高，達(dá)103.5 t/a，年入庫(kù)TP含量最低為E縣，該縣城農(nóng)業(yè)灌溉面積相比F縣降低了71.4%，年入庫(kù)TP含量亦相比降低了61.3%，該縣城不僅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地較小，且工業(yè)產(chǎn)值同樣低于其他區(qū)縣。分析表明，TP含量在水庫(kù)流域內(nèi)變化關(guān)系與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)密不可分，當(dāng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與工業(yè)生產(chǎn)均較小時(shí)，入庫(kù)TP含量較小，而其中尤以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)TP含量影響顯著，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面積愈多，則年入庫(kù)TP含量占比愈大。

圖3 水質(zhì)TP含量與流域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉面積關(guān)系

3 建庫(kù)前后水動(dòng)力學(xué)演化特征

為獲得水庫(kù)水質(zhì)演化特征，根據(jù)水動(dòng)力學(xué)計(jì)算理論開展水庫(kù)水動(dòng)力演化特征分析，筆者利用MIKE水動(dòng)力計(jì)算系統(tǒng)建立信江水庫(kù)流域模型，樞紐工程相關(guān)參數(shù)按照前述工程資料設(shè)置，按照實(shí)際工況條件設(shè)置上、下游流量邊界[15，16]，且增設(shè)壩體泄流孔布置，在模型中每間隔5km劃分出一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共有5個(gè)斷面，各斷面及所建立的計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 水庫(kù)斷面模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

由于水洞力學(xué)特征參數(shù)較多，本文僅以建庫(kù)前、后水位變化開展分析，以此反映信江水庫(kù)水動(dòng)力學(xué)演化特征。根據(jù)水庫(kù)流域內(nèi)豐水年(P=30%)、 平水年(P=50%)及枯水年(P=75%)三個(gè)工況開展對(duì)比計(jì)算，該三工況相對(duì)應(yīng)的蓄水位分別為158 m、143 m、136 m，進(jìn)而根據(jù)水動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，獲得三個(gè)工況下水庫(kù)治理前后各斷面上水位變化特征，如圖5所示。

從圖中可看出，豐水年工況中建庫(kù)后水位在各斷面中均保持一致，在全年為先降后升變化，其中水位最低為7、8月份，僅為154.5 m、154.4 m，相比年初1月份分別降低了2.69%、2.8%，而相比年底12月份亦降低了2.7%左右，豐水年建庫(kù)后全年水位呈“U”型變化。建庫(kù)前從監(jiān)測(cè)點(diǎn)A至D點(diǎn)水位在全年均分布較穩(wěn)定，其中C、D、E三個(gè)測(cè)點(diǎn)水位分別穩(wěn)定在125.8 m、126.2 m、127.3 m，無(wú)較大波動(dòng)；測(cè)點(diǎn)A、B在7-9月份有所波動(dòng)，水位最大變化幅度不超過(guò)0.5%。在平水年中建庫(kù)后各測(cè)點(diǎn)水位均保持一致，在全年中分布呈“倒S”型，最高水位位于11月份，達(dá)155.73 m；而在建庫(kù)前，相同測(cè)點(diǎn)水位低于豐水年，在D測(cè)點(diǎn)6月份時(shí)水位為123.5 m，相比豐水年降低了2.2%；整體上各測(cè)點(diǎn)均以下游水位較高，此與豐水年類似，在相同時(shí)間時(shí)，測(cè)點(diǎn)間距增大5 km，平均可導(dǎo)致水位上升0.9%，且以A～B測(cè)點(diǎn)間水位上漲幅度顯著，在平水年此兩點(diǎn)間水位差異幅度達(dá)1.5%?？菟杲◣?kù)前、后水位整體比豐水年、平水年均要低，建庫(kù)前在相同C點(diǎn)5月份的枯水年水位為121 m，相同條件下的豐水年、平水年較之前者分別增大了4%、1.7%，而在建庫(kù)后枯水年9月份水位為151.05 m，相比之下豐水年、枯水年分別增高了4.1%、2.7%；另一方面，水庫(kù)建成后全年水位變化幅度亦低于豐水年、枯水年，建庫(kù)后最低、最高水位間差距幅度為0.48%，建庫(kù)后全年水位呈“波浪線”型發(fā)展，最大波動(dòng)范圍為7-9月，在3-5月水位長(zhǎng)期處于150.9 m；分析表明枯水年受上游來(lái)水流量降低，導(dǎo)致建庫(kù)后水位變化波動(dòng)較小，且個(gè)別月份由于來(lái)水流量較小，造成水位較平穩(wěn)。

(a)豐水年 (b)平水年 (c)枯水年 (d)建庫(kù)后

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要獲得以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)工業(yè)化發(fā)展對(duì)水庫(kù)水質(zhì)COD含量具有正相關(guān)促進(jìn)效應(yīng)；氨氮含量隨季節(jié)變化具有顯著差異性特征，以降雨量最高4月氨氮含量最高，達(dá)72 t/a；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與工業(yè)生產(chǎn)值均較小時(shí)，入庫(kù)TP含量較小，灌溉農(nóng)田愈多，入庫(kù)TP含量愈大。

(2)建庫(kù)后豐水年、平水年及枯水年全年水位分別呈“U”型、“倒S”型、“波浪線”型，枯水年建庫(kù)后水位顯著低于其他兩個(gè)工況，且全年水位波動(dòng)幅度亦是最低，在9月份時(shí)豐水年、平水年水位相比枯水年分別增高了4.1%、2.7%，而全年最低、最高水位差距幅度僅為0.48%。

(3)建庫(kù)前水位以豐水年最高，相同C測(cè)點(diǎn)5月份時(shí)豐水年、平水年較枯水年分別增大了4%、1.7%；各測(cè)點(diǎn)在全年各月份水位變化幅度較小，最大變化幅度均位于7-9月，豐水年A測(cè)點(diǎn)在7-8月水位變化幅度最大不超過(guò)0.5%；各測(cè)點(diǎn)水位均以下游水位較高，平水年中測(cè)點(diǎn)間距增大5 km，平均可導(dǎo)致水位上升0.9%。