梯级电站建设对水质的影响

陈黎明，李褆来

(南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029)

我国山区河流的特点为落差大、水量充沛，适于多级电站开发。梯级电站的开发改变了河道径流的年内分配，水流条件将发生巨大变化，水质状况也会发生变化。国内外很多学者［1-6］对水库水质开展了研究。如，黄国如等［7］根据官厅水库狭长、水浅及其水文、水力、水质迁移扩散等特点与河流相似的事实，采用一维数学模型对官厅水库的水质进行模拟;李锦秀等［8］对三峡河道型水库水质采用整体一维数学模型进行了模拟研究。笔者开展梯级电站建设对水质影响的研究，对梯级电站建设前后的水库水质进行数值模拟，研究水体污染物输运情况，旨在为更好地保护水库水质提供依据。

1 研究方法

为了研究梯级电站建设对干流水质的影响，采用一维水动力数学模型和一维水质数学模型将干流、大坝及其主要支流连接起来，进行总体模拟。

1.1 一维水动力数学模型的率定

以西部某CJ江为例。CJ江河道长759 km，共建5级电站(图1)。目前已建有梯级二、三电站和梯级五电站，至2020年将分别建成梯级一和梯级四电站。对该梯级电站所在河段建立一维水动力数学模型和一维水质数学模型，计算范围包括5个梯级电站，从上游A1水文站起，至下游A5水文站止，共71个计算断面。模型验证资料选取2002年梯级一电站和梯级四电站已经建成情况下的A2水文站和A4水文站的全年水位、流量实测资料。上游边界给定2002年1—12月A1水文站的实测流量资料，下游边界为A5水文站断面处给定的自然水面比降。梯级二电站和梯级三电站作为内部边界条件，给定电站的运行水位。

图1 CJ江梯级电站概化

采用一维水动力数学模型对A2和A4两个水文站2002年全年的水位和流量进行研究。模型计算时间步长为3600 s，模型中糙率n的取值为:当河道比较直且河床植被较少时，n=0.020～0.040;当河床多有石头时，n=0.035～0.050。从验证结果可知，无论是变化趋势还是变化幅度，计算得到的A2水文站和A4水文站的水位和流量数据与实测结果基本一致，A2水文站的流量计算值与实测值全年平均误差约12.2%，水位计算值与实测值误差的平均值为0.06m;A4水文站的流量计算值与实测值全年平均误差约24.1%，水位计算值与实测值误差的平均值为0.06m。限于篇幅，这里只给出A4水文站水位和流量的验证结果(图2)。梯级二和梯级三水电站已经运行，计算其所在河段的河道水面线，结果见图3。

图2 2002年A4水文站流量和水位的验证

图3 2002年CJ江梯级二、三水电站河道水面线

1.2 一维水质数学模型的验证

一维水质数学模型的计算范围与一维水动力数学模型的计算范围相同。模型选取2002年3月(枯水期)、8月或9月(丰水期)、11月(平水期)3次的水质监测资料作为验证值。

一维水质模型验证的主要水质参数及其值为:DO的大气复氧系数0.15 d-1(建库后为0.075 d-1)，BOD5的降解系数0.05 d-1，NH3-N的降解系数0.1 d-1，NO3--N之间的转化系数0.5 d-1，TP的降解系数 0.0005 d-1［8-9］。

限于篇幅，这里只给出A4水文站水质验证结果(图4)。从验证结果可以看出，计算时间内，DO的质量浓度在秋冬季节略高，春夏季略低。各监测断面DO质量浓度的计算值与实测值在枯水期3月的平均相对误差为6.4%，丰水期8月平均相对误差为5.3%，平水期11月的平均相对误差为5.9%;丰水期8月份BOD5质量浓度的计算值与实测值的平均相对误差为8.7%;NH3-N质量浓度的计算值与实测值的误差在平水期相对较小，在丰水期与枯水期则相对较大;NO3--N质量浓度计算值与实测值的平均相对误差在丰水期8月与平水期11月分别为9.7%和21.4%;TP质量浓度总体趋势基本一致。一维水质模型基本上能够反映DO、BOD5、NH3-N、NO3--N以及TP等水质指标的变化过程。

2 研究结果

对梯级一和梯级四两个大型水库工程建设前后的库区以及下游干流河道的水质变化情况进行研究分析。在典型平水年条件下，采用一维水质数学模型对预测年2020年5个梯级电站同时运行时CJ江干流的水质变化情况进行预测。

一维水质数学模型的上边界条件DO质量浓度按2002年现状监测结果给定，BOD5、NH3-N、TP的质量浓度在2002年水质监测结果的基础上考虑污染负荷的增加，参考CJ江流域规划的污染负荷增长比率，按2020年污染物排放量增加1.5倍计。

图4 2002年A4水文站水质验证结果

表1 2020年与建库前各坝址处DO质量浓度的比较 mg/L

图5 2020年建库前后梯级一、二坝址处DO质量浓度的比较

图6 2020年建库前后梯级三、四坝址处DO质量浓度的比较

图7 2020年建库前后梯级五坝址处、A5断面处DO质量浓度的比较

表1和图5～7给出了2020年建库后(5个梯级电站全部运行)各坝址处逐月DO质量浓度的预测值与建库前(梯级二、三、五电站运行，梯级一、四两个大型水库未建)实测值的对比。

建库后，随着有机污染物自净降解量的增大，有机污染物、NH3-N等自净降解过程中DO的消耗量也将增大;另外水库蓄水以后，大气复氧能力随水位抬高而减弱。在这两方面因素的综合作用下，各梯级电站水库蓄水后坝址处的平均DO质量浓度将较建库前略有下降，但下降幅度较小，下降幅度最大的出现在梯级三库区，下降幅度最大值为0.69mg/L。

由于各梯级电站运行时水的流量较大，库区换水周期较短，因此库区DO垂向分布梯度不大，同时上游梯级电站的下泄水是坝前水体的中层或上层水，一般不会出现下泄水DO质量浓度降低的情况。一维水质数学模型预测结果表明，在2020年5个梯级电站联合运行后，梯级水库及河道沿程的DO质量浓度均在7.0～10.0mg/L之间，均达Ⅱ类水质标准。

这里只给出A5断面处的BOD5、NH3-N、TP等水质指标建库前后的比较结果。表2和图8(a)给出了2020年建库后A5断面处逐月BOD5质量浓度的预测值与建库前的比较情况。

各梯级电站上游来水中的BOD5质量浓度普遍较低，基本都在2 mg/L以下，故库区建成后BOD5质量浓度也较低。虽然各梯级电站入库支流的BOD5质量浓度相对较高，但水库建成以后，水体体积增加，水环境容量增大，对于具有自净降解能力的有机污染物质而言，由于水库建成以后全库平均流速比建库前减小，污染物质在库区滞留时间将延长，污染物质在库区的自净降解总量将比建库前增大，因而，各梯级电站坝址处的平均BOD5质量浓度呈下降的趋势。

梯级一坝址处BOD5质量浓度的年平均值由1.37mg/L降低为0.86mg/L，梯级二坝址处BOD5质量浓度的年平均值由1.14 mg/L降低为0.76 mg/L，梯级三坝址处BOD5质量浓度的年平均值由1.10mg/L降低为0.78 mg/L，梯级四坝址处BOD5质量浓度的年平均值由1.15 mg/L降低为0.69 mg/L，梯级五坝址处BOD5质量浓度的年平均值由0.80 mg/L降低为0.55 mg/L，A5断面处BOD5质量浓度的年平均值由1.02 mg/L降低为0.77 mg/L，达到Ⅱ类水质标准，均满足水功能区划的要求。

表2 2020年与建库前A5断面处BOD5、NH3-N、TP质量浓度的比较 mg/L

图8 2020年建库前后A5断面处BOD5、NH3-N、TP质量浓度比较

表2和图8(b)给出了2020年建库前后A5断面处逐月NH3-N质量浓度的比较情况。

总体而言，丰水期6—10月各坝址处的NH3-N质量浓度变化不大，这主要是因为丰水期支流的NH3-N质量浓度较高，水库下泄流量较建库前小，干流NH3-N质量浓度受支流影响较大，因此建库后丰水期NH3-N质量浓度变化较小;虽然枯水期1—2月支流的NH3-N质量浓度较高，但由于建库后下泄流量增大，再加上水库的自净作用，因此各坝址处NH3-N质量浓度下降较大。

梯级一坝址处NH3-N质量浓度的年平均值由0.142mg/L降低为0.109mg/L，梯级二坝址处NH3-N质量浓度的年平均值由0.124 mg/L降低为0.097 mg/L，梯级三坝址处NH3-N质量浓度的年平均值由0.113mg/L降低为0.088 mg/L，梯级四坝址处NH3-N质量浓度的年平均值由0.141 mg/L降低为0.086 mg/L，梯级五坝址处NH3-N质量浓度的年平均值由0.102mg/L降低为0.068mg/L，A5断面处NH3-N质量浓度的年平均值由0.132mg/L降低为0.099mg/L。可见，各坝址处NH3-N质量浓度均小于0.5 mg/L，达到Ⅱ类水质标准，可满足水功能区划的要求。

表2和图8(c)给出了2020年建库后A5断面处逐月TP质量浓度的比较情况。可以看出，梯级四库区以下河道，丰水期支流的TP质量浓度较高，6—7月水库下泄流量较建库前小，污染物滞留时间较长，再加之入库污染负荷较大，各坝址及A5断面处的TP质量浓度略高于建库前水平。梯级四电站坝址处的TP质量浓度6月份由0.121 mg/L增加为0.141mg/L，7月份由0.176mg/L增加为0.202mg/L;梯级五电站坝址处的TP质量浓度6月份由0.118 mg/L增加为0.132 mg/L，7月份由0.174 mg/L增加为0.201mg/L;A5断面处的TP质量浓度6月份由0.125mg/L增加为0.140 mg/L，7月份由0.175 mg/L增加为0.199 mg/L。枯水期1—2月则相反，水库下泄流量较大，对下游水体有一定的稀释作用，梯级电站各坝址及A5断面处的TP质量浓度则低于建库前水平。但是由于水库的TP质量浓度标准要高于河流的TP质量浓度标准，而建库后2020年各梯级电站库区TP质量浓度基本在0.1 mg/L左右，超过水库Ⅱ类水质标准。2020年A5断面处TP质量浓度的年平均值预测为0.118mg/L，达到河流Ⅲ类水质标准。

3 结论

a．各梯级电站水库蓄水后各坝址处平均DO质量浓度将较建库前略有下降，下降最大值为0.69 mg/L;梯级水库及河道沿程的DO质量浓度值均在7.0～10.0 mg/L之间，水体的DO质量浓度达到Ⅱ类水质标准。

b．对于具有自净降解能力的有机污染物质BOD5以及NH3-N而言，库区断面其平均质量浓度呈下降趋势，2020年各梯级坝址以及A5断面处均可达到Ⅱ类水质标准。

c．对于TP这类难降解物质而言，建库前后其质量浓度变化较小。丰水期TP质量浓度略高于建库前水平;枯水期1—2月则相反，TP质量浓度低于建库前水平。但由于建库后TP质量浓度的水库标准要高于河流标准，因此建库后2020年各梯级电站库区TP质量浓度基本在0.1 mg/L左右，超过水库Ⅱ类水质标准。2020年A5断面处TP质量浓度的年平均值为0.118 mg/L，达到河流Ⅲ类水质标准。

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