坪上水库库区水质预测研究

田志静，冯民权，南 朝

（1.西安理工大学 西北水资源与环境生态教育部重点实验室，西安710048；2.机械工业勘察设计研究院，西安710043）

0 引 言

水库水深大，蓄水多，经济效益明显，具有重大的社会影响。但是，水库在发挥巨大经济效益的同时，一定程度上也改变了自然河流的属性，有可能带来一系列的环境问题［1－3］。水库蓄水以后，水深及水面积都有大幅度的增加，水流变缓，将根本上改变原来水流的性质，水利水电工程对河道径流的调节，将使库区及坝址下游河段的水文情势发生显著变化，对水质造成影响。因此，在充分调查现有污染源及水文条件的基础上，对水库运行后水质影响进行了预测。为了解水质变化，采取一系列措施对水质进行预测，根据预测结果对水库进行控制。在这些措施中数值模拟方法则在近年来得到了越来越广泛的应用，根据不同需要水质模型［4－6］可以分为零维、一维、二维和三维，虽然二维的河流模型是常见的，但在典型情况下，水库往往被当作一维来处理，同时沿垂直方向有梯度。许多数值模型具有一维，二维和三维模拟模型，王哲等［7］用MIKE21对湖泊水质进行预测分析，为湖泊设计和管理提供科学依据；孙文章等［8］采用WASP子程序EUTRO模块对东昌湖各湖区特定时段的水质进行了模拟，模拟值与实测值相对误差较小，变化趋势基本一致。本文根据MIKE21，EUTRO模型对水质进行预测，研究水库建成后的水质情况。

1 模型理论

1.1 MIKE21模型

MIKE21主要是二维模型，有水质、水温和水动力模块，本文主要对水质指标COD和TP进行模拟预测，模型方程为：

式中c为水质指标浓度；x，y为坐标；t为时间；u，v分别为x，y方向的流速；Ex，Ey分别为河流纵向和垂向扩散系数，m2／s；k1为降解系数；S为源汇项，本文中只考虑无关联的5个源汇项，包括进口3个源项和出口2个汇项。

1.2 EUTRO模型

EUTRO模块是WASP7提供的子系统，用来模拟传统水质问题，包括BOD、COD、DO、P、N等，本文主要对COD、TP进行模拟与预测。模型方程为：

式中u，v为横向和纵向流速，m／s；c为水质指标浓度，mg／L；Ex，Ey分别为河流纵向和垂向扩散系数，m2／s；SL为点源负荷，本文中有3个源2个汇，g／（m3·d），模型与MIKE21中的源汇一致；SB为边界负荷，包括上游、下游、底部和大气环境，g／（m3·d）；SK为动力转换项，g／（m3·d），在本文中水库为新建，水质与天然河流水质接近，为简便预测不考虑SB和SK，设为0。

2 设计条件的确定

2.1 水文保证率选取

本次研究根据2004年坪上库区干流代表性断面南庄断面水质监测资料，分别选取50%，75%水文频率年，径流量分别为6.13m3／s，4.44m3／s，平均流速分别为0.268m／s，0.246m／s。用MIKE21模型模拟两个频率年的水质状况，用EUTRO模型模拟50%频率年的水质状况。监测值代表本次入库断面水质，水库入库浓度采用山西省忻州市环境监测站2004年常规监测报告，经南庄断面和济胜桥断面的水质监测资料判断库尾断面（19＃断面）浓度值，即入库COD浓度为25.0 mg／L，入库TP浓度为0.12mg／L。MIKE生成的库区地形图见图1。

2.2 参数确定

由于没有频率年相对应的实测污染物浓度资料，所以本次研究根据现状频率年所计算出的各断面流速值来推断其对应的降解系数k值，根据以下经验公式进行确定：

式中u为设计流量下的河段平均流速，m／s。

得出50%，75%水文频率年的降解系数分别为0.2d－1，0.189d－1。

图1 库区地形图Fig.1 Topographic map of reservoir area

本文采用经验公式计算扩散系数

式中h为水库平均水深，m；v＊为摩阻流速v＊＝是重力加速度；I是水力能坡。

得出横向扩散系数为1，垂向扩散系数为0.2。

3 水质预测及结果

3.1 MIKE21水质预测

输入边界条件和相关参数，模型参数见表1，得到坪上水库建库后50%、70%频率年的COD、TP浓度模拟值，见图2至图5。

表1 模型主要参数Table 1 Main parameters of model

由图2和图3可见，在一定时间内，起始COD浓度很大，经过水体自净作用和蒸发作用，COD浓度逐渐降低。水库建成后，水体在库内存储一定的时间，充分进行消减作用，使COD浓度降低，到出库时，水质得到明显改善，COD浓度也降到可容纳的最低值，达到IV级排放标准 （IV类水质COD标准值为30mg／L）。由图4和图5可见，水库建成后，入库水体随水流的自净作用和稀释作用，TP浓度逐渐降低，出库时TP浓度达到中富营养化，但较建库前水质得到改善。

3.2 EUTRO模型水质预测

将坪上水库库区划分为19个分区，输入数据，得到50%频率年与输入的监测数据对应的模拟值，图6和图7分别为COD、TP的模拟值。

根据水质预测值，结合EUTRO模型得出的其它各项预测指标，对照地面水环境质量标准（GB 3838－2002），可知，在水库蓄水后，各断面水质均可达到Ⅳ类或以上水质，这说明在维持现有污染负荷不变的情况下，蓄水后库区水质不会发生恶化。

在水库富营养化评价过程中，把总磷作为评价的主要因子，磷营养元素指标评价标准常采用水利部《城市供水水库水质调查评价》中 “水库富营养化状况的磷含量指标”所确定的标准进行评价 （表2）。

表2 水库富营养化状况P含量指标Table 2 The P content index of reservoir eutrophication

由于TP的模拟值达到0.06mg／L，处于中－富营养化的状况，而且考虑到坪上水库属于深水水库，因此一般容易发生富营养化。当然水库是否能发生富营养化，与入库污染负荷有很大关系，随着上游经济发展，工矿企业污水排放没有严格控制，污水排放量增加，会对入库水质产生一定影响。当上游污染负荷增加到一定程度后，入库水质较现状会有所降低。由于水库坝址以上有3条较大支流即云中河、牧马河和清水河汇入滹沱河，根据调查资料3条支流的排污企业较多，将直接影响滹沱河干流水质和入库水质，如果对这些企业不能有效的管理，污水进入水库，水库极易发生富营养化。因此，水库管理部门，要加强宣传教育，正确地引导当地农民科学合理地施用化肥，同时对水库周围加强水土保持治理工作，并严格控制工矿企业污水直接排入河道中。

3.3 水质计算结果比较分析

对COD，TP两种水质模型模拟结果进行比较，见图8和图9。

图8 坪上水库COD两种预测结果对比图Fig.8 The COD predictive contrast figure of Pingshang Reservoir

图9 坪上水库TP两种预测结果对比图Fig.9 The TP predictive contrast figure of Pingshang Reservoir

由图8、图9可见，对于COD，TP浓度的两种预测结果趋势一致，说明由于水库库容较大，水体滞留时间较长，水库对COD和TP的消减作用较强。出库水质较入库水质有明显改善。不同的是在水库前段和后段时COD浓度值有所差别，但COD的出库浓度都可达到IV类水质标准，水库COD的环境容量较大。在整个水库中，两种方法对TP浓度的预测值比较接近，没有大变化，说明水库对TP的环境容量较稳定，以达到中富营养化标准。

4 结 论

1）由预测结果可知COD浓度都比建库前略有改善，COD的出库浓度可达到IV类水质标准。库区TP浓度已达到中富营养化标准，极易受上游来水水质影响发生富营养化。

2）随着上游经济发展，工矿企业污水排放没有严格控制，会对入库水质产生一定影响。当上游污染负荷增加到一定程度后，入库水质较现状有所降低，入库水质 （COD）有可能不能满足地表水Ⅳ类水质标准。

［1］Chou－Ping Yang，Wu－Seng Lung，Jan－Tai Kuo，et al.Water quality modeling of a hypoxic stream［J］.ASCE，2010，（4）：115－123.

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［7］王 哲，刘 凌.宋兰兰.MIKE21在人工湖生态设计中的应用［J］.水电能源科学，2008，26（5）：124－127.

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