水質(zhì)監(jiān)測(cè)與模擬在陡河水庫調(diào)度中的研究應(yīng)用

崔立軍

(唐山市陡河水庫事務(wù)中心，河北 唐山 063021)

陡河水庫位于我國北方平原地區(qū)，是一座以防洪為主，兼供唐山市市區(qū)工業(yè)和生活用水及庫區(qū)周邊和下游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水等綜合利用的大型水利樞紐工程。由于歷史原因，作為飲用水源地的該水庫周邊仍保留陡河電廠、堿廠等幾家大型企業(yè)。其中陡河電廠將水庫作為冷卻池，年均循環(huán)水量達(dá)11.4億m3(2010—2018年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))，大量溫排水的匯入加之庫區(qū)自身庫容較小、水深較淺，使得庫區(qū)水體增溫效果極為顯著。近年來，隨著周邊經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，營養(yǎng)鹽面源輸入逐漸增加，加之溫排水導(dǎo)致水體增溫的復(fù)合影響，使得庫區(qū)水體富營養(yǎng)化日益嚴(yán)重。近年來，庫區(qū)局部皆有小規(guī)模水華爆發(fā)，不僅對(duì)水體環(huán)境帶來不利影響，也給飲用水安全帶來極大的危害。作為唐山市城市居民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的重要水源地，陡河水庫水質(zhì)安全關(guān)乎著整個(gè)唐山市人民的切身利益，陡河水庫富營養(yǎng)化的防治成為相關(guān)部門工作的重中之重。

1 陡河水庫富營養(yǎng)化監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

2018年4月4日和2018年4月26日赴陡河水庫6個(gè)采樣點(diǎn)(1#壩口、2#東支入口、3#西支入口、4#溫排水口、5#庫南端和6#庫中心)采集了水樣和沉積物樣品，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定了水溫、透明度和溶解氧，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析了總氮、總磷、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、磷酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a和浮游植物；實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析了沉積物樣品的總氮、總磷、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和有效磷。

1.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)

1.1.1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式:

TLI(Chla)=10(2.5+1.086lnChla)

(1)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

(2)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

(3)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

(4)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lnCOD)

(5)

式中，葉綠素aChl單位為mg·m-3；透明度SD單位為m；其它指標(biāo)單位均為mg·L-1。

以Chla作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計(jì)算公式:

(6)

式中，rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chla的相關(guān)系數(shù)；m為評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)。

表1 陡河水庫用于綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算的各參數(shù)數(shù)值

根據(jù)上述公式計(jì)算得出，TLI(∑)=41.66。參照前述的分級(jí)方法，采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評(píng)價(jià)得出的結(jié)論是陡河水庫處于中營養(yǎng)狀態(tài)。

1.1.2 Carlson營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

(7)

(8)

(9)

式中，TSI為Carlson營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；SD為湖水透明度值，m；Chla為湖水中葉綠素a含量，mg·m-3；TP為湖水中總磷濃度，mg·m-3。

將陡河水庫水樣監(jiān)測(cè)結(jié)果帶入上述營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式，利用透明度、總磷和葉綠素a算得的TSI值分別為53.13、55.23和50.91，按照上述分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，陡河水庫水體目前處于中營養(yǎng)的狀態(tài)。

1.1.3 底泥理化指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果與分析

將陡河水庫的主要富營養(yǎng)化指標(biāo)與太湖(2002年數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)太湖處于富營養(yǎng)化狀態(tài))進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)陡河水庫表層底泥總氮的平均水平(0.182%)高于太湖總氮的平均水平(0.118%)；但陡河水庫底泥總氮的最大值(0.340%)和最小值(0.019%)都低于太湖底泥總氮的最大值(0.471%)和最小值(0.031%)。太湖表層底泥總磷平均含量為0.059%，最大值為0.33%，最小值為0.032%。陡河水庫表層底泥總磷平均含量為0.038%，最大值為0.80%，最小值為0.014%，整體低于太湖的磷含量。

表2 2018年4月26日陡河水庫沉積物富營養(yǎng)化指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果

1.2 陡河水庫自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

表3 2018年陡河水庫水質(zhì)營養(yǎng)化狀態(tài)

從圖1看出，陡河水庫在汛期7—8月的富營養(yǎng)化指數(shù)較非汛期要高，在汛期，由于透明度降低，總磷含量升高引起。汛期水溫較高，水體中各種化學(xué)反應(yīng)增多，引起磷含量升高；汛期，大量降水沖刷地表，引起地表磷流失，水體總磷含量升高，夾雜泥沙引起水體透明度下降，反應(yīng)在整體上富營養(yǎng)化指數(shù)增加。

圖1 2018年陡河水庫富營養(yǎng)化指數(shù)變化

2 陡河水庫富營養(yǎng)預(yù)測(cè)模型

陡河水庫屬于淺水型水庫，平均水深3m左右，庫區(qū)無明顯分層現(xiàn)象。若從運(yùn)算速度、前期準(zhǔn)備工作量等方面考慮，采用二維模型MIKE21更為經(jīng)濟(jì)。但是陡河水庫與其他淺水型水庫最大的不同就在于庫區(qū)內(nèi)存在溫排水口。陡河電廠每天排出的溫排水對(duì)于庫區(qū)水溫影響巨大，有可能導(dǎo)致庫區(qū)水體形成分層，同時(shí)也是導(dǎo)致水庫富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因素。實(shí)際水庫水流流動(dòng)均為三維流動(dòng)，特別是外在點(diǎn)源(溫排水口)附近，其水流流動(dòng)形態(tài)相當(dāng)復(fù)雜，紊動(dòng)加劇將促進(jìn)溫度擴(kuò)散，而溫度分層又會(huì)抑制紊動(dòng)擴(kuò)散，鑒于上述分析，本次采用獨(dú)具特色的MIKE3和MIKE21相結(jié)合的模型對(duì)水溫和富營養(yǎng)化因子進(jìn)行模擬，MIKE3 FlowModel FM作為水動(dòng)力模擬模塊，主要對(duì)水溫進(jìn)行模擬；MIKE21搭載的ECOLAB模塊作為水質(zhì)模塊，主要對(duì)庫區(qū)進(jìn)行富營養(yǎng)化模擬。本次分析耦合了MIKE21和MIKE3 2種模型對(duì)陡河水庫的水質(zhì)水動(dòng)力進(jìn)行綜合模擬。

2.1 邊界條件設(shè)定

對(duì)于水動(dòng)力邊界，由于所獲取到的水位資料不多，本次模擬采用流量邊界。以2017年歷次調(diào)水流量數(shù)據(jù)，見圖2，作為上邊界條件，同期輸水洞放水量，見圖3，作為下邊界條件，陡河電廠取水口及自來水廠總?cè)∷?，見圖4，作為左邊界條件。以陡河電廠溫排水口排水量，見圖5，曹妃甸和堿廠取水口總?cè)∷?7.6萬m3·d-1)作為內(nèi)部條件。圖6、圖7分別為2017年溫排水口處經(jīng)差值后的總氮濃度和水溫值。

圖2 2017年陡河水庫歷次調(diào)水量(上邊界)

圖3 2017年陡河水庫輸水洞歷次放水量(下邊界)

圖4 2017年陡河電廠及自來水廠每月取水量(左邊界)

圖5 2017年陡河電廠溫排水口每月排水量

圖6 2017年經(jīng)差值后的溫排水口處總氮濃度

圖7 2017年經(jīng)差值后的溫排水口處水溫情況

2.2 模型率定及驗(yàn)證

2.2.1 模型率定

率定選取輸水洞(水庫排水口)、溫排水口、庫區(qū)中心作為模型率定的3個(gè)點(diǎn)位，選取獲得的2018年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為率定數(shù)據(jù)，選擇水量、水位、水溫3項(xiàng)指標(biāo)作為率定指標(biāo)。

2.2.1.1 水量的率定

通過比較，發(fā)現(xiàn)輸水洞放水量模擬值與實(shí)測(cè)值之間變化趨勢(shì)大致相同，共有5次放水期，跟獲取到的2018年調(diào)水放水?dāng)?shù)據(jù)相吻合。

2.2.1.2 水位的率定

由于庫區(qū)水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不足，因此選取2018年6月21日—7月16日這一時(shí)段庫區(qū)水位監(jiān)測(cè)值跟模型模擬值進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn)模擬值跟實(shí)測(cè)值之間雖有微小差別，但是總體趨勢(shì)保持一致。分析原因可能是沒有考慮降雨、蒸發(fā)的影響，導(dǎo)致水位模擬值較監(jiān)測(cè)值偏高。綜合分析，本次水位模擬結(jié)果可以滿足模型精度要求。

圖8 模型率定所選點(diǎn)位

2.2.1.3 水溫的率定

通過水溫模擬值結(jié)果可以看出，水溫跟水位相比，模擬值與實(shí)測(cè)值之間差距相對(duì)較大，但總體趨勢(shì)保持一致。雖然3個(gè)站點(diǎn)水溫模擬的結(jié)果較實(shí)測(cè)值有差距，但模擬的整體趨勢(shì)跟實(shí)測(cè)值是一致的，最大峰差不到3℃，相對(duì)誤差不超過15%，從模型角度看，模擬結(jié)果是可以接受的。

2.2.2 模型驗(yàn)證

將模型率定階段得到的參數(shù)應(yīng)用到2018年陡河水位、水溫、水質(zhì)模擬中，從而檢驗(yàn)這套參數(shù)在時(shí)間上的可移植性。同樣，選取下邊界(輸水洞)、溫排水口及庫區(qū)中心作為驗(yàn)證站點(diǎn)，選擇水位、水溫作為驗(yàn)證指標(biāo)。

通過2018年庫區(qū)水位模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比可知，該模型的可移植性比較強(qiáng)，模擬值與實(shí)測(cè)值確定性系數(shù)R2達(dá)到0.8987，與y=x曲線極為接近，峰值絕對(duì)誤差0.22。僅在6月份出現(xiàn)小峰值相差較大，相位不一致現(xiàn)象，分析原因可能是當(dāng)月降雨、蒸發(fā)等外在因素干擾較為強(qiáng)烈，導(dǎo)致出現(xiàn)峰值誤差相對(duì)較大的現(xiàn)象。從目前來看參數(shù)還是適用于水位模擬的，而且更多、更為連續(xù)的水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有利于提高模型模擬的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

通過對(duì)3個(gè)站點(diǎn)水溫模擬值與實(shí)測(cè)值之間的對(duì)比可知，水溫模擬值較實(shí)測(cè)值差距不大，輸水洞和溫排水口處誤差相對(duì)較大，庫心較小；最大溫差出現(xiàn)在6月份輸水洞處，為2.7℃，分析原因可能是受降雨影響，庫區(qū)水溫會(huì)出現(xiàn)劇烈下降，而模擬時(shí)由于缺乏降雨數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致模擬值比實(shí)測(cè)值大的現(xiàn)象出現(xiàn)。總體來說，在現(xiàn)有資料不足尤其缺乏降雨、蒸發(fā)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的前提下，水溫模擬精度是可以接受的，該模型的可移植性也是較強(qiáng)的。

3 陡河水庫富營養(yǎng)化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

在對(duì)庫區(qū)詳細(xì)了解的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)的特點(diǎn)，決定采用MIKE3和MIKE21相結(jié)合的模型對(duì)庫區(qū)水體水質(zhì)及富營養(yǎng)化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.1 情景設(shè)定

本次模擬就以氣溫(影響水溫)、入庫污染物濃度、調(diào)水量(影響庫區(qū)水位)作為模型邊界條件，選取藍(lán)爆容易爆發(fā)的時(shí)間段(6—10月)，分如下6個(gè)情景進(jìn)行分析，見表4。

表4 情景分析的條件組合

3.2 情景分析

3.2.1 情景1

情景1，針對(duì)氣溫極端年份，當(dāng)調(diào)水量是平常年份的1.2倍，上游污染物濃度保持平常年份水平，模擬庫區(qū)水體水質(zhì)及富營養(yǎng)狀態(tài)。富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。

表5 情景1下各點(diǎn)位周邊水域總體富營養(yǎng)狀態(tài)

圖9 情景1下不同點(diǎn)位周邊水域綜合營養(yǎng)指數(shù)對(duì)比

3.2.2 情景2

情景2模擬在氣溫極端年份，上游來水水量及污染物濃度保持在平常年水平，庫區(qū)水體水質(zhì)及富營養(yǎng)狀態(tài)。富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。

表6 情景2下各點(diǎn)位周邊水域總體富營養(yǎng)狀態(tài)

圖10 情景2下不同點(diǎn)位周邊水域綜合營養(yǎng)指數(shù)對(duì)比

3.2.3 情景3

情景3，模擬在氣溫極端年份，當(dāng)上游來水污染物濃度為平常年份的1.5倍，調(diào)水量為平常年水平時(shí)，庫區(qū)水體富營養(yǎng)狀態(tài)，模擬結(jié)果見表7。

圖11 情景3下不同點(diǎn)位周邊水域綜合營養(yǎng)指數(shù)對(duì)比

表7 情景3下各點(diǎn)位周邊水域總體富營養(yǎng)狀態(tài)

3.2.4 情景4

情景4模擬值在氣溫平常年份，當(dāng)上游來水污染物濃度為平常年1.5倍，調(diào)水量為平常年的1.2倍時(shí)，整個(gè)庫區(qū)水體富營養(yǎng)化狀態(tài)模擬結(jié)果見表8。

表8 情景4下各點(diǎn)位周邊水域總體富營養(yǎng)狀態(tài)

圖12 情景4下不同點(diǎn)位周邊水域綜合營養(yǎng)指數(shù)對(duì)比

3.2.5 情景5

情景5模擬值在氣溫平常年份，當(dāng)上游來水污染物濃度保持在平常年水平，調(diào)水量為平常年時(shí)，整個(gè)庫區(qū)水體富營養(yǎng)化狀態(tài)，模擬結(jié)果見表9。

表9 情景5下各點(diǎn)位周邊水域總體富營養(yǎng)狀態(tài)

圖13 情景5下不同點(diǎn)位周邊水域綜合營養(yǎng)指數(shù)對(duì)比

3.2.6 情景6

情景6模擬在氣溫平常年份，當(dāng)上游來水污染物濃度為平常年的1.5倍，調(diào)水量為平常年水平時(shí)，整個(gè)庫區(qū)水體富營養(yǎng)化狀態(tài)，模擬結(jié)果見表10。

表10 情景6下各點(diǎn)位周邊水域總體富營養(yǎng)狀態(tài)

3.3 情景分析結(jié)果

通過上文各情景分析可知,6個(gè)情景中，情景3和情景6下水體綜合營養(yǎng)指數(shù)相對(duì)較高，富營養(yǎng)化狀態(tài)也最為嚴(yán)重，4個(gè)點(diǎn)位周邊水域6—10月間皆處于中度富營養(yǎng)狀態(tài)。且情景3和情景6下，各點(diǎn)位周邊水域在個(gè)別月份綜合營養(yǎng)指數(shù)值已超過65，在中度富營養(yǎng)狀態(tài)中，屬于重度水平。而其余情景下各點(diǎn)位周邊水體總體處于輕中度富營養(yǎng)狀態(tài)，溫排水口周邊水域富營養(yǎng)狀態(tài)較其他點(diǎn)位周邊水域小，這可能是因?yàn)樗疁剡^高，抑制藻類生長的緣故。

圖14 情景6下不同點(diǎn)位周邊水域綜合營養(yǎng)指數(shù)對(duì)比

4 水華爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)分析

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法采用構(gòu)建以營養(yǎng)鹽(總氮和總磷)濃度、氮磷比、水溫3個(gè)參數(shù)為主體的水華風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，見表11。將水華爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)分為高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)等級(jí)，并對(duì)上述6種情景進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。

表11 陡河水庫富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系

按上述水華風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，對(duì)6種情景下水華爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，并將高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段及點(diǎn)位匯總?cè)缦?，見?2。值得說明的一點(diǎn)是，盡管低風(fēng)險(xiǎn)爆發(fā)水華的可能性不大，但不排除在某些外部因素(如光照和風(fēng)速)的復(fù)合作用下庫區(qū)局部會(huì)爆發(fā)水華，因此同樣應(yīng)給以重視。

由表12可知，6月和9月是水華爆發(fā)的高風(fēng)險(xiǎn)期，在這一段時(shí)期內(nèi)，水體營養(yǎng)鹽濃度、氮磷比、水溫皆滿足藻類大量繁殖的條件，水華爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)極大。若6月份爆發(fā)水華，水華爆發(fā)的規(guī)模相對(duì)較小，爆發(fā)區(qū)域一般會(huì)在輸水洞周邊水域，而曹妃甸取水口正位于這一區(qū)域。水華爆發(fā)將會(huì)對(duì)供水帶來極大沖擊，水體表面漂浮的過量的藻類會(huì)阻塞抽水泵濾網(wǎng)，給過濾過程帶來障礙，需要改善和增加過濾措施，增加調(diào)水成本；由于富營養(yǎng)化水體中含有硝酸鹽、亞硝酸鹽以及硫化氫、甲烷等有毒有害氣體，增加了水處理的難度，既影響了制水廠的出水率，同時(shí)也加大了制水的成本費(fèi)用。鑒于水華爆發(fā)的只是局部區(qū)域，因此，對(duì)陡電及自來水廠取水口的取水造成的影響不大。

表12 不同情景下水華爆發(fā)高風(fēng)險(xiǎn)水域及可能的爆發(fā)時(shí)段

若9月份爆發(fā)水華，則爆發(fā)范圍很有可能是整個(gè)庫區(qū)。此時(shí)，帶來的危害將不僅限于對(duì)供水帶來的沖擊，整個(gè)庫區(qū)水生環(huán)境將會(huì)遭受毀滅性打擊。由于庫區(qū)水溫較高，藻類繁殖旺盛的同時(shí)，其死亡分解的速度也大大加快，因此庫區(qū)水體溶解氧將會(huì)在極端時(shí)間內(nèi)消耗殆盡，水體水質(zhì)急劇惡化，水生生物尤其是大型水生生物將會(huì)大量死亡。此外由于厭氧腐敗，水體將會(huì)散發(fā)一種惡臭氣味。此時(shí)，水體已經(jīng)不適合生物生存，更不用說作為生活水源。這種狀態(tài)是富營養(yǎng)化的最終狀態(tài)，對(duì)水體造成的危害也最為嚴(yán)重且是不可逆的，應(yīng)堅(jiān)決避免此類情況的發(fā)生。

5 陡河水庫富營養(yǎng)化防治對(duì)策

當(dāng)整個(gè)庫區(qū)爆發(fā)水華或大部分水體爆發(fā)水華時(shí)，一般的物理除藻、充氧曝氣等手段已經(jīng)不足以應(yīng)付，此時(shí)，最重要最有效也是最迫切的方法便是應(yīng)急調(diào)水。應(yīng)急調(diào)水往往受限于外來水源，對(duì)很多水庫來說該法行不通，但是陡河水庫本來就通過上游水庫調(diào)水來維持正常的蓄水水溫，因此應(yīng)急調(diào)水對(duì)陡河水庫富營養(yǎng)化防治來說是切實(shí)可行。通過上游水庫的應(yīng)急調(diào)水，首先稀釋作用可使水體中營養(yǎng)元素的濃度降低，使得藻類失去了大量繁殖的營養(yǎng)基礎(chǔ)；通過外來調(diào)水可降低庫區(qū)水體水溫，降低了藻類繁殖速度；外來調(diào)水可加速庫區(qū)水體流動(dòng)，改變水動(dòng)力條件，使水體中溶解氧、透明度等理化指標(biāo)得到改善，同樣可抑制藻類的生長；通過調(diào)水與放水，可以將水華爆發(fā)時(shí)漂浮在水面上的大量藻類沖走，既可以改善水質(zhì)與水景觀，又可以避免藻類死亡后腐爛導(dǎo)致水體缺氧，給水體生態(tài)帶來的毀滅性傷害。

為了解和掌握應(yīng)急調(diào)水對(duì)緩解庫區(qū)水華的效果，將調(diào)水前后的庫區(qū)水體水質(zhì)及富營養(yǎng)狀態(tài)做下對(duì)比，以便為日后水華應(yīng)急處理調(diào)水時(shí)間及調(diào)水量的確定提供科學(xué)依據(jù)。

以情景3為例，在氣溫極端年份，上游來水量為平常年水平，污染物濃度為平常年的1.5倍的情況下，整個(gè)庫區(qū)除溫排水口附近水域外，其余點(diǎn)位周邊水域在9月份期間爆發(fā)水華的風(fēng)險(xiǎn)極高，因此，嘗試用以下2種方案向水庫調(diào)水，見表13，并通過對(duì)比找出合理調(diào)水量。所謂合理調(diào)水量是指將庫區(qū)水質(zhì)改善到水華爆發(fā)的境界線以下。即改變營養(yǎng)鹽條件、氮磷比、水溫3個(gè)條件，使庫區(qū)水體不在處于藻類最適宜生長所需要的狀態(tài)。

表13 情景3狀況下應(yīng)急調(diào)水方案

設(shè)外來調(diào)水水質(zhì)符合《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

5.1 方案1

方案1下，各點(diǎn)位周邊水域調(diào)水前后水質(zhì)變化見圖15～17。由圖可知，在方案1下，調(diào)水800萬m3水時(shí)，各點(diǎn)水溫只在調(diào)水期有較大幅度的降低，調(diào)水期結(jié)束水溫又逐漸恢復(fù)到調(diào)水之前。其余水質(zhì)指標(biāo)有相對(duì)較大的改善，其中庫心和輸水洞周邊水域氮磷比在調(diào)水之后皆降低至10以下，在這種情況下，從總體上看對(duì)水華爆發(fā)起到了一定的控制和緩解作用。但是取水口周邊水域氮磷比在調(diào)水前后短暫降到10以下后，又恢復(fù)到10以上，且此時(shí)水溫、總氮總磷濃度也都處于水華爆發(fā)所要求的條件之內(nèi)，對(duì)取水口周邊水域來說此應(yīng)急方案控制風(fēng)險(xiǎn)的效果并不理想。

圖15 應(yīng)急調(diào)水前后取水口水質(zhì)變化

圖16 應(yīng)急調(diào)水前后庫心水質(zhì)變化

圖17 應(yīng)急調(diào)水前后輸水洞水質(zhì)變化

因此，從總體來看方案1可以起到應(yīng)急作用，但從局部來看仍有部分區(qū)域處于水華爆發(fā)的高風(fēng)險(xiǎn)中，要想徹底控制水華爆發(fā)，仍需加大調(diào)水量。

5.2 方案2

方案2下，各點(diǎn)位周邊水域調(diào)水前后水質(zhì)變化見圖18～20。由圖可知，當(dāng)調(diào)水量為1200萬m3水時(shí)，各點(diǎn)位周邊水域水質(zhì)指標(biāo)較方案1都有較大改觀，雖然水溫及總氮、總磷濃度因本底濃度及調(diào)水自身水質(zhì)濃度沒能降到風(fēng)險(xiǎn)值以下，但是氮磷比有了較大變化。取水口、庫心、輸水洞3個(gè)點(diǎn)位氮磷比在調(diào)水之后劇降至10以下，且隨著時(shí)間發(fā)展沒有反彈，因此盡管此時(shí)水體中氮磷濃度稍大，但由于氮磷比發(fā)生了相對(duì)較大變化，藻類失去了大量繁殖的最佳營養(yǎng)基礎(chǔ)，可以起到遏制藻類生長和水華再次爆發(fā)的效果。

圖18 應(yīng)急調(diào)水前后取水口水質(zhì)變化

圖19 應(yīng)急調(diào)水前后庫心水質(zhì)變化

圖20 應(yīng)急調(diào)水前后輸水洞水質(zhì)變化

無論從總體還是局部來說方案2都能起到應(yīng)急作用，在實(shí)際操作中也是可以借鑒和使用的。

6 結(jié)論

6.1 結(jié)論

在對(duì)陡河水庫分2次采集的水樣和沉積物樣品系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，同時(shí)多種方法系統(tǒng)評(píng)價(jià)了陡河水庫的富營養(yǎng)化狀況，通過各種方法獲得了比較一致的評(píng)價(jià)結(jié)果，即陡河水庫水體目前處于從中營養(yǎng)向富營養(yǎng)過渡的狀態(tài)。

耦合了MIKE21和MIKE3 2種模型對(duì)陡河水庫的水質(zhì)水動(dòng)力進(jìn)行綜合模擬，MIKE3 FlowModel FM作為水動(dòng)力模塊，主要對(duì)水溫進(jìn)行模擬，MIKE21搭載的ECOLAB模塊作為水質(zhì)模塊，主要對(duì)庫區(qū)進(jìn)行富營養(yǎng)化模擬。

設(shè)置不同情景，采用構(gòu)建的模型對(duì)庫區(qū)水體水質(zhì)變化進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，在6個(gè)情景中，情景3和情景6下水體綜合營養(yǎng)指數(shù)相對(duì)較高，富營養(yǎng)化狀態(tài)也最為嚴(yán)重，4個(gè)點(diǎn)位周邊水域6—10月間皆處于中度富營養(yǎng)狀態(tài)，且各點(diǎn)位周邊水域在個(gè)別月份綜合營養(yǎng)指數(shù)值已超過65，在中度富營養(yǎng)狀態(tài)中，屬于重度水平；在該2種情景下，取水口周邊水域在9月中下旬—10月上旬、輸水洞周邊水域在6月和9月、庫心周邊水域在9月，屬于水華爆發(fā)高風(fēng)險(xiǎn)。

風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急對(duì)策研究表明，對(duì)于易見的情景3采用調(diào)水量800萬m3的應(yīng)急方案，水質(zhì)有較大改善，可以起到應(yīng)急作用，但仍有部分區(qū)域處于水華爆發(fā)的高風(fēng)險(xiǎn)中；采用調(diào)水量1200萬m3的應(yīng)急方案，水質(zhì)得到明顯改善，可以起到遏制藻類生長和水華再次爆發(fā)的效果。

本課題成果在實(shí)際應(yīng)用過程中，利用實(shí)用新型專利“2019218211912一種水生植物凈化黑臭水體裝置”和“2019217879419一種插入式水質(zhì)凈化用荷花種植裝置”對(duì)富營養(yǎng)化水體實(shí)施修復(fù)；利用發(fā)明專利“2019111313604一種可調(diào)節(jié)流態(tài)的管道連接裝置”稀釋富營化水體濃度，對(duì)庫區(qū)水環(huán)境修復(fù)取得了明顯的效果。

6.2 特色與創(chuàng)新

將MIKE21的水質(zhì)模型和MIKE3的水動(dòng)力模型相耦合，解決了在資料有限的情況下，水庫水質(zhì)精準(zhǔn)模擬的難題；依據(jù)所建立的耦合模型，通過情景模擬，發(fā)現(xiàn)了2種富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)較高的情景，為水庫風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急對(duì)策的制定提供了靶向。

分析發(fā)現(xiàn)，溫排水口周邊水域綜合營養(yǎng)指數(shù)值相對(duì)自來水公司取水口、庫心和輸水洞等水域的綜合營養(yǎng)指數(shù)值偏低，這與一般水體增溫加劇富營養(yǎng)化的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)不同，從而可將該水域富營養(yǎng)化防治重點(diǎn)轉(zhuǎn)為非重點(diǎn)。

創(chuàng)新性地提出不同情況下精準(zhǔn)的水量調(diào)節(jié)“調(diào)放結(jié)合”的應(yīng)急對(duì)策，模擬結(jié)果表明該應(yīng)急對(duì)策對(duì)于水華爆發(fā)具有較好的抑制效果，為細(xì)化水庫富營養(yǎng)化應(yīng)急管理方案提供了科學(xué)依據(jù)。