連續(xù)水閘對(duì)河流COD容量的影響*

伍中航，孫海龍，馮鏡潔，李 然，任 爽，袁雨亮

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

隨著河流上水工建筑物的興建，庫(kù)、閘等改變了河流的天然水文過(guò)程，河流內(nèi)水質(zhì)及分布也隨之發(fā)生改變。在水工建筑物中，水閘應(yīng)用十分廣泛，常用于擋水或泄水，河流上閘壩工程的修建改變了水流的連通性，使河流水動(dòng)力條件發(fā)生變化，進(jìn)而影響了水體中污染物的降解、沉降和輸運(yùn)過(guò)程，導(dǎo)致河流水質(zhì)發(fā)生改變。

閘壩的調(diào)度運(yùn)行對(duì)河流水環(huán)境容量存在有利與不利的影響。三峽工程蓄水后，小江流域CODCr、氨氮、總磷水環(huán)境容量均有所降低[1]。三峽工程的運(yùn)行使洞庭湖CODMn水環(huán)境容量在枯水期增大、豐水期降低[2]。南水北調(diào)工程的實(shí)施使?jié)h江中下游河段的水環(huán)境容量減少，降低了水體自?xún)裟芰3]。河流梯級(jí)開(kāi)發(fā)勢(shì)必會(huì)帶動(dòng)周邊社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，可能會(huì)使污染負(fù)荷提高，入河污染物增多，降低河流的水環(huán)境容量[4]。

閘壩的建設(shè)和運(yùn)行不可避免會(huì)對(duì)水體自?xún)裟芰昂恿魉|(zhì)產(chǎn)生了影響。土耳其Kilickaya大壩建成后，庫(kù)區(qū)水質(zhì)有一定程度的改善，除Na+和Cl-之外，其余大部分水質(zhì)因子的年平均濃度有所下降，研究者認(rèn)為可能是由于污染物在水庫(kù)的滯留時(shí)間長(zhǎng)，污染物得到了有效沉降[5]。土耳其Kurtun大壩的運(yùn)行后，下游河段亞硝酸鹽、磷酸鹽年平均濃度降低，而硝酸鹽、氨氮、總氮及COD年平均濃度有所增加[6]。韓國(guó)Geum河口大壩建造后，庫(kù)區(qū)和下游河口水質(zhì)均有一定程度惡化，在豐水期，水庫(kù)的流量對(duì)河口水質(zhì)有較大影響，而在枯水期，開(kāi)閘次數(shù)少，流量小，對(duì)河口水質(zhì)影響不大[7]。閘壩泄水時(shí)流速較大的水流易使底泥發(fā)生擾動(dòng)，底泥污染物釋放造成二次污染，使水質(zhì)惡化[8]，閘壩蓄水時(shí)，庫(kù)區(qū)蓄水量較大，水體納污能力強(qiáng)，一定程度上稀釋了污染物濃度[9]。

降解系數(shù)的大小對(duì)于污染物降解過(guò)程和水環(huán)境容量計(jì)算至關(guān)重要。有研究指出，與靜止水體相比，增大流速能增強(qiáng)水體污染物的自?xún)裟芰?，提高污染物降解速率[10]。水閘蓄水后，河流水動(dòng)力條件發(fā)生改變，對(duì)污染物降解系數(shù)的影響較大。Wright等[11]利用美國(guó)多處河流監(jiān)測(cè)資料，提出了BOD降解系數(shù)和河流水動(dòng)力條件的關(guān)系式。Luo等[12]研究發(fā)現(xiàn)河流流速對(duì)污染物降解系數(shù)的影響最為顯著，流速越高，降解系數(shù)越高。華祖林等[13]考慮了流速對(duì)湖泊中CODMn降解系數(shù)的影響，通過(guò)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)和靜態(tài)實(shí)驗(yàn)提出了K動(dòng)、K靜及增量Δk，并建立了Δk與流速水深之比的關(guān)系式。李錦秀等[14]通過(guò)收集三峽庫(kù)區(qū)段河道的歷年水文數(shù)據(jù)，分析了該河段天然河道水流運(yùn)動(dòng)特征，對(duì)三峽庫(kù)區(qū)段河道進(jìn)行多次數(shù)值模擬，結(jié)合三峽水庫(kù)建設(shè)后的水流條件變化趨勢(shì)，將BOD5的降解系數(shù)表示為流速、水深和溫度的函數(shù)。Huang等[15]通過(guò)環(huán)境水槽試驗(yàn)，模擬了典型污染水體中不同流速條件下COD和NH3-N的降解過(guò)程，建立了降解系數(shù)和流速的定量關(guān)系式。雒文生等[16]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水力特征影響降解系數(shù)的研究，建議采用Bosko的公式對(duì)降解系數(shù)進(jìn)行修正，該公式被應(yīng)用于日本隅田川、我國(guó)長(zhǎng)江中下游和北運(yùn)河水質(zhì)[17]研究。還有許多學(xué)者針對(duì)我國(guó)淮河-海河水系[18]、三峽庫(kù)區(qū)重慶段[19]、瀏陽(yáng)河長(zhǎng)沙段[20]等地的河流污染物降解系數(shù)作了研究，擬合得到了降解系數(shù)與流速有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

綜合分析表明，閘壩的修建對(duì)河流水環(huán)境容量有一定影響，目前的研究多集中于天然河道水環(huán)境容量研究和大型水利工程對(duì)河流水環(huán)境容量的影響研究。許多城市或農(nóng)村河段常修建中小型水閘用于攔蓄、調(diào)洪，或?yàn)闋I(yíng)造寬闊的濱水景觀，以改善居民生活環(huán)境，這類(lèi)水閘具有數(shù)量較多、分布密集、布置連續(xù)的特點(diǎn)，上下游兩個(gè)水閘間距較短，連續(xù)的隔斷作用對(duì)河流的連通性影響較大，因而需要重視其對(duì)水環(huán)境的影響。為此本文選擇拉薩河城區(qū)段為典型河段，結(jié)合水閘的布置，采用數(shù)學(xué)模型方法研究水閘運(yùn)行前后河流水質(zhì)和水環(huán)境容量變化，探討水閘運(yùn)行對(duì)水環(huán)境容量的影響。

1 研究河段概況

研究河段位于拉薩河城區(qū)段，全長(zhǎng)約11.0 km，研究范圍見(jiàn)圖1。近年來(lái)該河段陸續(xù)修建了3個(gè)水閘，自上游至下游分別為4#閘、3#閘與2#閘，3個(gè)水閘分別于2016年5月、2014年10月、2016年年底完工。4#閘與3#閘之間距離為3.4 km，3#閘與2#閘之間的距離為2.9 km。3個(gè)水閘正常蓄水深度在2.2～2.5 m之間，回水長(zhǎng)度為1.7～2.6 km。

圖1 研究河段示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study river reach

研究河段上游約90 km處建有直孔水電站，直孔水電站于2007年9月完工。按照《拉薩河流域綜合規(guī)劃環(huán)境影響報(bào)告書(shū)》[21]要求，直孔電站需保證下游唐家水文站生態(tài)基流37 m3/s，拉薩水文站生態(tài)基流39.2 m3/s。4#、3#和2#閘均無(wú)調(diào)節(jié)性能，可以認(rèn)為水閘建成前后基本未改變河道流量。根據(jù)拉薩水文站資料，研究河段多年平均徑流量為288 m3/s，枯水期平均流量為74 m3/s，本文水環(huán)境容量研究中采用90%保證率下最枯月平均流量42 m3/s作為設(shè)計(jì)流量條件。

研究河段污染負(fù)荷整體較低，污染物入河量較少，污染負(fù)荷以生活污水為主。根據(jù)當(dāng)?shù)厮|(zhì)監(jiān)測(cè)資料，建閘前(2012-2013年)研究河段COD濃度范圍為5.3～9.5 mg/L，平均濃度為7.2 mg/L，建閘后(2017-2020年)研究河段COD濃度范圍為5.0～13.0 mg/L，平均濃度為7.6 mg/L。建閘前后研究河段年均水質(zhì)未發(fā)生顯著變化(圖2)。

圖2 研究河段2012-2020年年均水質(zhì)變化Fig.2 Annual average water quality change in the study reach from 2012 to 2020

計(jì)算河段長(zhǎng)約11.0 km，按照水功能區(qū)劃要求執(zhí)行Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。該段修建3個(gè)水閘，共有2個(gè)生活污水排污口，本文對(duì)水環(huán)境容量的研究可為現(xiàn)有排污口允許負(fù)荷量的核算提供參考依據(jù)。為了分析水閘建設(shè)對(duì)水環(huán)境容量的影響，計(jì)算工況分為無(wú)閘和有閘兩種情況。由于枯期上游來(lái)水流量較小，按照3個(gè)水閘的調(diào)度運(yùn)行要求，枯水期3個(gè)水閘同時(shí)下閘蓄水。水閘運(yùn)行可能會(huì)對(duì)河流自?xún)羧萘慨a(chǎn)生影響，故水環(huán)境容量計(jì)算時(shí)，上游入流以水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(C0=15.00 mg/L)輸入。

2 數(shù)學(xué)模型及其參數(shù)確定

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》[22]，Q≥150 m3/s的大型河段宜采用河流二維模型計(jì)算水域水環(huán)境容量，故本文水環(huán)境容量計(jì)算采用平面二維模型，模型包括水動(dòng)力方程和污染物輸運(yùn)方程[23]，已有研究者針對(duì)該模型對(duì)天然河流平面二維水動(dòng)力學(xué)條件的模擬開(kāi)展了模型驗(yàn)證[24]。模型求解借助MIKE 21軟件實(shí)現(xiàn)。

本研究中水環(huán)境容量按下式計(jì)算：

(1)

式中，Cs為水質(zhì)目標(biāo)濃度值，mg/L；C(x，y)為代表點(diǎn)的污染物濃度，通過(guò)二維水質(zhì)模型計(jì)算得到，mg/L；Q為水環(huán)境容量計(jì)算控制單元末斷面流量，m3/s；B為河寬，m。

2.2 降解系數(shù)的確定

考慮到建閘后水動(dòng)力學(xué)特性對(duì)降解系數(shù)的影響，本文分別對(duì)天然河道和閘前蓄水區(qū)確定降解系數(shù)。

2.2.1 天然河道降解系數(shù) 靳甜甜等[25]利用2017年5月1日-2017年5月30日實(shí)測(cè)水質(zhì)率定得到該河段COD降解系數(shù)為0.12 d-1，本研究采用該成果。

2.2.2 閘前蓄水區(qū)降解系數(shù) 水閘建成后，閘前蓄水區(qū)水深增加，流速減小，降解系數(shù)隨之減小。綜合分析國(guó)內(nèi)外研究成果，參考研究者Bosko建立的降解系數(shù)與水溫、流速之間的定量關(guān)系[16]：

(2)

式中，K為降解系數(shù)，d-1；K′為未考慮流速影響的降解系數(shù)，d-1；U為河流平均流速，m/s；H為平均水深，m；α為系數(shù)，與河流平均水面坡J降有關(guān)，取值參考表1。

表1 α取值參考Tab.1 α value reference

式(2)是基于天然動(dòng)水條件和靜水條件下的水流動(dòng)力復(fù)氧作用差異建立的關(guān)系式，公式建立中考慮了3條不同類(lèi)型的河流，流速范圍為0～1.6 m/s，水深范圍為0.35～10 m[26]。

研究河段3個(gè)水閘蓄水深度在2.2 m以?xún)?nèi)，閘前水深較淺，流速范圍為0.03～0.13 m/s，屬于河道型蓄水區(qū)，因此可以采用式(2)考慮閘前流速、水深對(duì)降解系數(shù)的影響。

降解系數(shù)計(jì)算時(shí)通過(guò)天然河道下的降解系數(shù)、流速、水深等反算確定K′的值，再通過(guò)蓄水區(qū)的流速、水深計(jì)算出水閘蓄水后的降解系數(shù)。

天然河道河段的平均水面坡降約為0.66‰，平均流速為0.34 m/s，平均水深約為0.6 m；水閘蓄水區(qū)的平均水面坡降約為0.33‰，平均流速為0.10 m/s，平均水深約為2.0 m。計(jì)算得到蓄水區(qū)降解系數(shù)為0.04 d-1。與天然河道降解系數(shù)相比，蓄水區(qū)COD降解系數(shù)下降約67%。研究河段降解系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 研究河段降解系數(shù)結(jié)果Tab.2 Correction results of degradation coefficient in water storage area

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 平面二維水質(zhì)分布特征分析

從研究河段平面水質(zhì)分布(圖3)可以看出，水閘修建后，對(duì)排污口處的污染帶產(chǎn)生了影響，污染帶長(zhǎng)度、寬度增加，污染物平均濃度上升。3#閘的修建產(chǎn)生了回水區(qū)，回水長(zhǎng)度約2.6 km，使得上游一定范圍內(nèi)的河段水深增加，水流流速減緩，降低了污染物的降解速率。4#閘的修建阻礙了上游來(lái)水向下游流動(dòng)，上游來(lái)水涌入4#閘北側(cè)岔道，造成該岔道水流流速上升，與無(wú)水閘相比，該岔道平均流速?gòu)?.27 m/s上升至0.42 m/s，污水入河后，隨水流進(jìn)入3#閘蓄水區(qū)，污染帶擴(kuò)散范圍更廣。對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，有水閘時(shí)，較高污染物濃度的污染帶有一定程度的擴(kuò)大，岔道出口平均濃度由14.87 mg/L增加至14.96 mg/L。

圖3 COD平面分布對(duì)比：(a) 無(wú)閘；(b) 有閘Fig.3 Comparison diagram of COD plane distribution: (a) without sluices; (b) with sluices

選取3#閘前斷面為典型斷面，繪制污染物濃度橫向分布圖(圖4)。從圖4可以看出，無(wú)閘時(shí)污染物濃度范圍為14.77～14.82 mg/L，有閘時(shí)污染物濃度范圍為14.80～14.93 mg/L。有閘時(shí)污染物濃度自河流右岸向左岸遞減，分析認(rèn)為，3#閘上游有北側(cè)岔道，污染物從河流右岸匯入，因水閘蓄水影響，流速減緩，污染物向河道中央擴(kuò)散受阻，主要聚集于河流右岸。

圖4 典型斷面(3#閘前)COD濃度橫向分布Fig.4 Transverse distribution of COD concentration in typical section:3# sluice

3.2 水質(zhì)縱向沿程變化分析

以研究河段各斷面平均污染物濃度來(lái)表征整個(gè)斷面的水質(zhì)狀況，針對(duì)蓄水影響區(qū)進(jìn)行污染物濃度沿程變化分析。據(jù)圖5可知，水閘修建后，污染物若在庫(kù)區(qū)匯入，將在庫(kù)區(qū)滯留，會(huì)引起庫(kù)區(qū)污染物濃度迅速上升，在3個(gè)水閘的共同作用下，研究河段COD濃度在末斷面有所上升。

圖5 水質(zhì)沿程變化對(duì)比示意圖Fig.5 Comparison diagram of water quality along the river

3.3 水環(huán)境容量計(jì)算與結(jié)果分析

根據(jù)水質(zhì)模擬結(jié)果，利用平面二維水環(huán)境容量計(jì)算公式(式1)對(duì)研究河段進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算，各斷面水環(huán)境容量計(jì)算值見(jiàn)圖6。無(wú)水閘時(shí)，整個(gè)研究河段COD容量為594 t/a，建閘后，COD容量為521 t/a。4#閘使研究河段COD容量減少13 t/a，下降約2.2%；4#閘與3#閘共同作用使COD容量減少59 t/a，下降約9.9%；4#閘、3#閘與2#閘共同作用使COD容量減少73 t/a，下降約12.3%。故水閘建設(shè)使研究河段水環(huán)境容量有所下降，且水閘數(shù)量越多，對(duì)水環(huán)境容量影響越大。

圖6 各斷面水環(huán)境容量計(jì)算值Fig.6 Calculation values of water environmental capacity of each section

4 水閘建設(shè)對(duì)水環(huán)境容量的影響分析

根據(jù)水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果，開(kāi)展水閘建設(shè)對(duì)水環(huán)境容量的影響分析。污染物降解隨時(shí)間的變化符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，即：

Cx=C0e-Kt

(3)

式中，Cx為最終污染物濃度，mg/L；C0為污染物初始濃度，mg/L；K為降解系數(shù)，d-1；t為時(shí)間，d。如圖7所示，無(wú)水閘時(shí)，污染物在河段滯留時(shí)間為t1，河段末斷面濃度為C1；水閘修建后，污染物在河段滯留時(shí)間增加至t2，河段末斷面濃度為C2。

圖7 一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)示意圖Fig.7 Diagram of first order kinetic reaction

分析認(rèn)為，水閘修建后，河流中污染物降解系數(shù)(K)和降解時(shí)間(t)產(chǎn)生了變化，進(jìn)而影響了污染物的降解，在增加一定的降解時(shí)間后，降解系數(shù)的降低程度將影響污染物濃度變化。

根據(jù)模型模擬結(jié)果，無(wú)水閘時(shí)河段流速范圍為0.08～0.78 m/s，河段平均流速為0.38 m/s。有水閘時(shí)，流速范圍為0.03～0.78 m/s，河段平均流速為0.24 m/s；水閘蓄水區(qū)流速在0.03～0.13 m/s之間，蓄水區(qū)平均流速為0.10 m/s。與天然河道相比，蓄水后流速明顯降低，蓄水河段平均水深由0.6 m增加至2.0 m，導(dǎo)致污染物降解系數(shù)下降。根據(jù)模型軟件的水流示蹤功能，無(wú)水閘時(shí)水流自上游斷面運(yùn)動(dòng)至下游斷面需要約6 h，有水閘時(shí)水流自上游斷面運(yùn)動(dòng)至下游斷面需要約18 h，建閘后污染物在河段滯留時(shí)間增大為原來(lái)的3倍。

從圖6可以看出，與無(wú)水閘相比，4#閘蓄水后COD容量略有下降；根據(jù)水動(dòng)力模擬結(jié)果，該段蓄水后庫(kù)區(qū)平均流速一定程度上減小，污染物降解速率下降，滯留時(shí)間增加，降解系數(shù)的影響大于降解時(shí)間的影響，在二者綜合作用下該段水環(huán)境容量下降。

與4#閘相比，3#閘蓄水區(qū)有污水匯入，水閘蓄水后對(duì)水質(zhì)影響較為明顯。3#閘蓄水后污染物滯留時(shí)間稍有減小，對(duì)于COD，滯留時(shí)間減小后，降解系數(shù)的影響大于降解時(shí)間的影響，表現(xiàn)為COD容量較無(wú)水閘時(shí)下降，與4#閘蓄水影響相比，降幅明顯增大。

2#閘蓄水影響區(qū)無(wú)排污口，水環(huán)境容量大小受河流自?xún)裟芰εc上游來(lái)水污染物濃度影響。對(duì)于COD，降解系數(shù)的影響仍大于降解時(shí)間的影響，加上污染物在3#閘蓄水區(qū)并未得到有效降解，因而與無(wú)水閘時(shí)相比污染物在2#斷面時(shí)濃度更高，COD容量下降。

計(jì)算了整個(gè)河段不同條件下的水環(huán)境容量，其對(duì)比示意見(jiàn)圖8。水閘修建后，污染物滯留時(shí)間變?yōu)樵瓉?lái)的3倍左右，從圖8可以看出，不改變降解系數(shù)，只增加污染物滯留時(shí)間，COD容量增加約10.2%；蓄水后，水深增加流速降低，COD降解系數(shù)下降約67%，在一定的蓄水時(shí)間內(nèi)，研究河段COD容量降低約20.4%；最終降解系數(shù)的影響大于降解時(shí)間的影響，使COD自?xún)艚到馐茏?，故相較于無(wú)水閘時(shí)末斷面COD濃度會(huì)更高，體現(xiàn)為不利于COD的降解，使研究河段COD容量降低約12.3%。

圖8 不同條件下水環(huán)境容量對(duì)比示意圖Fig.8 Comparison diagram of water environmental capacity under different conditions

綜上，水閘的調(diào)度運(yùn)行影響了河道的水文情勢(shì)，改變了天然河道的連通性，形成蓄水區(qū)，水體由流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)靜止?fàn)顟B(tài)，表現(xiàn)為水流流速減緩，水深增加，進(jìn)而使污染物降解系數(shù)減小，降低了污染物的降解效率，減小了河流的水環(huán)境容量；但庫(kù)區(qū)回水還會(huì)影響污染物的擴(kuò)散，使污染物在庫(kù)區(qū)滯留，會(huì)增加污染物在庫(kù)區(qū)的降解時(shí)間，使污染物降解量增大，一定程度上會(huì)增加河流的水環(huán)境容量。降解系數(shù)和降解時(shí)間共同影響河流中污染物的降解，進(jìn)而使河流水環(huán)境容量發(fā)生改變。

5 結(jié)語(yǔ)

以拉薩河城區(qū)段為研究區(qū)域，采用平面二維模型對(duì)該河段進(jìn)行了水動(dòng)力水質(zhì)模擬，研究了連續(xù)水閘修建對(duì)COD水環(huán)境容量的影響，研究表明：水閘修建后對(duì)污染物降解的影響主要有兩個(gè)方面：一是水閘蓄水使蓄水區(qū)水流流速放緩，水深增加，降低污染物降解系數(shù)，進(jìn)而影響污染物降解速率；二是水閘蓄水會(huì)使污染物在蓄水區(qū)滯留，導(dǎo)致污染物降解時(shí)間增加，提升污染物的自?xún)艚到饬?。拉薩河水閘修建后，蓄水區(qū)河段平均流速由0.34 m/s下降至約0.10 m/s，COD降解系數(shù)下降67%，污染物滯留時(shí)間增加為原來(lái)的3倍左右。在兩種影響的綜合作用下，4#閘使研究河段COD容量減少13 t/a，下降約2.2%；4#閘與3#閘共同作用使COD容量減少59 t/a，下降約9.9%；4#閘、3#閘與2#閘共同作用使COD容量減少73 t/a，下降約12.3%。

連續(xù)水閘上下游之間間隔較短，對(duì)河流的隔斷作用大，研究表明連續(xù)水閘建設(shè)使研究河段水環(huán)境容量有所下降，且水閘數(shù)量越多，對(duì)水環(huán)境容量的影響程度越大。此外，水閘蓄水后回水會(huì)對(duì)污染物擴(kuò)散產(chǎn)生影響，使污染帶呈不均勻分布，污染物易在排污側(cè)聚集。因此，今后河道水閘布置需考慮連續(xù)的隔斷作用對(duì)河流水環(huán)境容量的影響，科學(xué)設(shè)計(jì)上下游之間水閘的間距，適當(dāng)預(yù)留一定的天然河段用于污染物的充分降解。本文研究成果可以為準(zhǔn)確評(píng)估水閘建設(shè)對(duì)河流水環(huán)境容量的影響提供理論方法和定量依據(jù)，對(duì)于河流水閘建設(shè)和運(yùn)行調(diào)度具有重要指導(dǎo)價(jià)值。

本文研究河段COD濃度天然背景值較低，降解系數(shù)的選取趨于保守，對(duì)于背景濃度較高的河流，建議開(kāi)展針對(duì)性研究，進(jìn)一步豐富本文研究成果。本文僅對(duì)COD展開(kāi)了水環(huán)境容量計(jì)算，由于不同水質(zhì)參數(shù)在河道的降解特性不同，建議豐富不同水質(zhì)參數(shù)的水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果，綜合評(píng)估水閘建設(shè)對(duì)河流水環(huán)境容量的影響。