以氯离子为例的北大港水库水质调控技术

张 晨，高学平，朱慧芳，赵世新

(1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2. 云南省水利水电勘察设计研究院，昆明 650051)

南水北调工程沿线水库众多：中线有河北段的广阳水库、瀑河水库、岗南水库、黄壁庄水库、王快水库和西大洋水库等，北京段的大宁水库，天津段的王庆坨水库和北塘水库；东线有山东段的洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖、东湖水库和双王城水库，天津段的北大港水库．这些配套水库的作用是调节南水北调来水、调丰补枯、检修和事故备用等，保障供水稳定．水库水质安全对保障南水北调供水安全至关重要，水库蓄水后是否存在水质污染等问题成为能否向受水区正常供水的关键．

在底泥吸附和释放机理等方面的研究中[1-2]，考虑内源释放的数学模型有了长足发展[3-4]，采用数值模拟方法研究底泥污染问题得到了广泛应用[5-6]．本文针对北大港水库临海、底泥氯离子含量高和东部底高程高等特点，采用数值模拟方法建立了一套水库水质模拟技术，并得到了实测数据的验证．利用该模拟技术对水库的蓄供水方案进行水质模拟研究，探讨底泥氯离子释放对水库水质的影响，以水质改善为目标调控水库运行方式，可为水库运行管理提供理论依据．

1 北大港水库库区特点

图1(a)为北大港水库现状工程布置示意．北大港水库是一座以蓄供水为主，兼有灌溉、养殖等综合效益的大(2)型平原水库．作为天津市引黄济津工程和南水北调东线调蓄水库，可调蓄水量为(4.5～5.0)×108,m3．北大港水库建于 1974年，占地164,km2，蓄水面积 150,km2，设计库容 5.0×108,m3，兴利库容 4.36×108,m3，库底平均高程 3.0,m(大沽高程，下同)；属北温带半湿润大陆型季风气候，降水主要是集中在7月、8月、9月3个月份，多年平均降水量533.3,mm，多年平均年蒸发量 1,159.9,mm．水库主要建筑物包括 5座围堤和 13座蓄供水建筑物，除姚塘子扬水站和马圈闸为蓄水建筑物外，其余均为供水建筑物．

图1 北大港水库工程布置示意Fig.1 Project layout plan of Beidagang Reservoir

北大港水库一直存在着水量和水质两方面的问题[7]：一方面，蓄水保证率低，蓄水面积大，蓄水深度不足，水量蒸发、渗漏损失大，有限的水资源得不到充分的利用；另一方面，水质咸化问题突出，底泥含盐量高，内源污染严重．通过建设水库隔堤并加高围堤，将水库分为主库区和辅库区两部分，可以减小蓄水面积，抬高水位，优化水库调度，确保水库水质安全．根据水库现状，东围堤附近底泥氯离子含量较高，设置分隔堤于水库东侧，隔堤位置如图1(b)所示．

2 控制方程及求解方法

将环境流体动力学模型 EFDC(environmental fluid dynamics code)应用于北大港水库，该模型能够模拟水动力、水质及富营养化、泥沙及有毒物．国内外已有应用EFDC研究河流、湖泊、水库、河口海岸以及湿地等不同水体有关温度、盐度、水质、富营养、泥沙等水环境问题的相关报道[8-11]．

2.1 控制方程

1) 连续性方程

4) 浓度输运方程

式中：垂向σ坐标转换为 z = (z∗+h) /H =(z∗+h)/(ξ+h)，取值范围[0，1]，z*代表σ转换前实际垂向物理坐标，总深度H=h+ζ，h为底床高程，ζ为自由水面高程，m；u和v为曲线正交坐标系下x和y方向的流速分量，m/s；w为σ坐标下垂向流速，m/s；mx、my和m为 Jacobian曲线正交坐标转换系数，为降雨、蒸发、地下水相互作用、取水或点源和非点源入流，m/s；p为相对静水压力，p＝ρ0g H ( 1 − z )，kg·m/s2；f为柯氏力参量，s-1；Av为垂向紊流黏滞系数，m2/s；Qu和 Qv为动量源汇项，m2/s2；ρ为密度，kg/m3；θ为温度，℃；Ab为垂向紊动扩散系数，m2/s，忽略相对垂向较小的水平紊动扩散系数；QΦ为源汇项，g/(m2·s)；Φ为某种水质组分的浓度，mg/L．

垂向紊流黏滞系数 Av和垂向紊动扩散系数 Ab可以通过求解紊动能量 q2和紊动尺度 l的紊动方程确定，q2和l的紊动方程详见文献[11]．

2.2 求解方法

对上述方程在交错网格上进行离散的数值方法，应用内-外模式分离法求解动量方程和连续性方程，采用空间交错网格．外模式应用半隐式 3层时间格式求解，用周期性的 2层时间格式修正，求得自由表面水位变化；应用连续超松弛格式迭代求解水位变化的垂向平均速度场．内模式则联合水平速度分量和垂向剪力项，应用分步格式求解，隐式求解垂向剪力项，显式求解其他项．

3 模型验证

利用引黄期间的实测数据对模型进行验证．采用正交曲线网格，网格单元数为 4,812，垂向分 2层计算；选择氯离子作为水质模拟指标，以 2004年 11月17日—2005年2月25日，共102,d的水位、流量及水质实测数据为计算条件，对北大港水库水质进行模拟．前 71,d为蓄水期，引黄水自马圈闸入库，无出流；后31,d为供水期，十号口门闸出流，无入流；表1为马圈闸入流和十号口门闸出流流量、氯离子浓度时间序列．初始水位为 4.0,m，水体及底泥氯离子浓度初始分布如图2所示．北大港水库糙率率定为0.03，底泥孔隙水氯离子向上覆水体垂向扩散系数取为1.22×10-9,m2/s．冬季蒸发量较小，验证时可以忽略水库蒸发的影响．

表1 马圈闸和十号口门闸边界条件Tab.1 Boundary condition in Maquan and Shihaokoumen section

图2 库区水体和底泥氯离子初始浓度分布Fig.2 Initial water and sediment concentration distribution of Cl－ in the reservoir

3.1 水位验证

十号口门闸水位模拟值与实测值比较如图 3所示，水位过程线与实测水位变化趋势一致，计算值与实测值误差最大不超过1.94%，模拟精度较好．

图3 十号口门闸水位模拟值与实测值比较Fig.3 Comparison of simulated and measured data of water level in Shihaokoumen section

3.2 水质验证

各水质监测点氯离子浓度模拟值和实测值比较如图 4所示．由图可知，氯离子浓度过程线与实测浓度变化趋势基本一致，模拟精度较好．马圈闸为入口，氯离子浓度由初始的124.0,mg/L降至117.0,mg/L，相对误差在 0.8%～2.1%；十号口门闸附近监测点氯离子初始浓度值最高，为 357.0,mg/L，模拟结束时降至 186,mg/L，降幅较大，相对误差在 0～29.7%；姚塘子扬水站氯离子浓度由初始的110,mg/L升至结束时的114,mg/L，相对误差在0～25.3%；库中心监测点氯离子浓度由初始的 222,mg/L降至结束时的111,mg/L，相对误差在1.8%～20.3%．

水质模拟误差精度在 30%以内一般可以被视为较优[12-13]．

图4 库区各水质监测点氯离子浓度模拟值与实测值对比Fig.4 Comparison of simulated and measured data of chloride concentration in water quality monitoring sections

3.3 底泥氯离子释放

底泥各采样点位置见图 2，具体测量过程参见文献[14]．各采样点氯离子释放速度和释放量如表 2和图 5所示，各采样点上覆水体底层流速见表 3．由图表可知，模拟结束时(第 102天)，因点 b底泥氯离子初始浓度及底泥、水体浓度差均远远高于其他各采样点，释放量最大为 593,mg/kg；点 f释放量次之，为151,mg/kg，超过a点的94,mg/kg，这是因为点f距进水口最近，流速最大，而点 a虽然底泥、水体浓度差大于点 f，但流速较小；然后依次为点 e和点 d，底泥氯离子释放量分别为 15,mg/kg和 11,mg/kg；点 c底泥氯离子的吸附量为 12,mg/kg．底泥氯离子释放量、释放速度与底泥、水体氯离子的浓度差及其上覆水体的流速成正比．

图5 各采样点底泥氯离子释放量过程线Fig.5 Trend lines of sediment chloride release in monitoring sections

表2 底泥各采样点释放速度Tab.2 Release rate of sediment chloride in monitoring sections

表3 底泥各采样点上覆水体底层流速Tab.3 Bottom velocity in monitoring sections

4 各蓄供水方案水质模拟及结果分析

原方案：由引江期间的供需水量及水质状况可知[15-16]，马圈闸入流 43,d，流量 80,m3/s；十号口门闸出流 360,d，流量 12,m3/s；“引江水”入流氯离子浓度40,mg/L，初始水位为4.0,m；库内水体氯离子初始浓度分布及底泥各点浓度分布如图2所示．

规划方案即分库方案：对北大港水库规划后2种典型蓄供水方案进行模拟，分析比较各方案供水水质(十号口门闸处氯离子浓度)及库内水质变化．考虑水库降雨和蒸发条件，年降雨量 533.3,mm，年蒸发量1,159.9,mm．各方案具体情况如表4所示．

表4 原方案和规划方案Tab.4 Original and planning schemes

4.1 供水水质

各方案供水水质如图 6所示．规划方案 2第 1个月主库中劣Ⅲ类水大部分流入辅库，故供水水质较原方案和规划方案1有所改善．由图6可知，第2个月末，规划方案 2十号口门闸处氯离子浓度为154.9,mg/L，较原方案的 187.2,mg/L降低了 17.3%，较规划方案1的208.7,mg/L降低了25.8%；后6个月氯离子浓度约为50.0,mg/L，与规划方案1相同，较原方案的80.0,mg/L降低了37.5%．

图6 各方案供水水质比较Fig.6 Comparison of water quality of water supply on each scheme

4.2 库内水质

各方案第 240天库区水体氯离子浓度分布如图7所示．规划方案库内氯离子浓度小于60,mg/L的面积及其占整个蓄水区面积的比例均明显大于原方案，这是由于规划方案通过隔堤将辅库区隔离，辅库区底泥释放的氯离子被控制在辅库区范围内，不再影响主库区水质．

综上所述，从供水水质和库内水质的模拟结果可以看出，规划方案2运用主辅库联合调度方案可改善北大港水库水质，提高了水库蓄水利用率．

图7 各方案第240天库内氯离子浓度分布Fig.7 Cl- concentration distribution of schemes on day 240 in reservoir

5 结 论

(1) 应用 EFDC三维水动力水质模型，考虑底泥内源污染，形成了一套模拟技术，研究水库运行时水质变化规律；通过对北大港水库的水位及水质模拟结果与实测值的比较，验证了模型的可靠性．

(2) 应用此模拟技术对北大港水库水质咸化进行研究，通过 3种典型蓄供水方式下水质模拟结果比较可以看出，主辅库联合调度方案的库内水质及供水水质均优于其他两种方案．

(3) 该套水库水质模拟技术可推广应用于其他南水北调配套水库，研究水库水质安全，为南水北调安全输水提供技术支撑．

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