杭州市闲林水库水质模拟研究

2012-08-06郑海军楼淑君

浙江水利水电学院学报 2012年2期

郑海军，楼淑君

(杭州市闲林水库筹建处，浙江杭州 310004)

0 引言

钱塘江作为杭城主要的供水水源，水量充沛，然而整个流域水资源水环境安全却不容乐观，当上游遭遇突发重大水质污染事件，水质污染在时间、范围、程度等都难以预测和控制，严重制约着经济社会的可持续发展.为解决杭州市城市备用水源安全保障问题，拟新建闲林水库，作为水源战略备用水库以防钱塘江因咸潮或污染事件而引起的供水不足问题.建成后的闲林水库通过储存天然径流及通过钱塘江补水等措施，可以使杭州城市备用水量满足要求.闲林水库闲林水库流域面积较小，如果水库蓄水不足，上游天然来水不能及时补充，计划从钱塘江引水补库，根据实测水质资料分析，水库上游天然来水水质较好，大多数水质指标为I类水标准，满足水源地的水质要求.钱塘江大多水质指标为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，但在7～11月应急供水期间，DO、TN、挥发酚、Fe、Mn项目超标，不能满足饮用水水源地的水质标准，而通过隧道从钱塘江补水入闲林水库，限制了在补水输送途中水质净化工程的实施，从钱塘江补水可能会对库区生态环境造成污染，因此必须对补水后的闲林水质变化进行模拟，为工程决策提供支持.

1 工程概况及水环境现状

1.1 闲林水库工程概况

拟建的闲林水库位于余杭区上埠河流域上游，是以城市应急备用和抗咸供水为主.水库坝址以上集雨面积为16.89 km2，总库容1 982万 m3，多年平均降水量1 448 mm，平均径流总量1 261万 m3，水库总库容1 982万m3.主要工程包括混凝土面板堆石坝一座;补水隧洞15 122 m，补水口位于坝址上游400 m的右岸;提水泵站两座.建成后的闲林水库可使城市备用水量满足2020年水平年主城区水厂7天以上源水需要.当钱塘江上游发生水污染突发事件，或受咸潮入侵影响，钱塘江各取水口不能取水，珊瑚沙水库的水量行将用尽时，启用闲林水库备用水源，通过闲林水库输水隧洞向珊瑚沙水库补充用水量.当闲林水库需要补水时，通过输水隧洞反向从钱塘江向闲林水库补水，补水能力为5 m3/s.

1.2 闲林水库补水水质分析

钱塘江水是闲林水库引水水源.近年钱塘江水质较差，主要超标项目是 DO、TN、TP、挥发酚、Fe.尤其是DO、TN、TP超标严重，为IV类水标准.超标准的钱塘江水引入闲林水库，水库的氮和磷浓度过高，易导致水体富营养化，有必要对这些超标物质在水体中的迁移转化进行模拟研究，以便为闲林水库作为战略水源地工程提供决策支持.

2 水库流场模拟

2.1 建立水动力模型

由于闲林水库尚未建成，缺少流速、水位等水文气象资料，并且水流条件对污染物质在水体中的迁移转化起到非常重要的作用，因此有必要首先对库区的流场进行模拟计算.本文采用二维水动力模型对水库建成蓄水后库区的水流进行模拟计算，得出平面二维流速分布.

二维水动力模型是建立在平面二维动量方程和连续方程基础之上的，将三维的Navier-Stokes方程沿水深方向积分，即可得到平面二维浅水方程.正交曲线坐标系下的水动力基本方程如下:

连续方程:

y-方向的动量方程:

式中:ξ、η—纵向和横向坐标;

U、V—ξ和η方向上的垂线平均流速;

T11、T12、T22— 有效应力项，包括粘性，紊流和弥散应力三部分;

h1、h2—ξ和η方向上拉梅系数，根据实测地形资料进行计算;

d—水深;Zb为床底高程.

2.2 流场模拟结果分析

流速分布见图1.

图1 流速分布图

从图上可以看出，补水口附近存在流场明显可视的流场，但水流进入库区后，水面面积增大，流速将迅速衰减变小，只有补水口附近区流速大.水库水流特征对水体复氧能力的影响较大.水体复氧计算简化公式［2］表示复氧系数是流速和水深的函数.通过公式可以分析，流速大复氧系数大，大气进入水体的氧越多;相反水体越深复氧能力越弱.水面波浪多，浪花易破碎，且曝气时间长，接触面结大，大气中的氧进入水体也越多.通过对水库流场的模拟可以发现，只有补水口附近区流速大，水体复氧能力强，但这一过程较短，因此对水体水质改善贡献较为有限.

流场计算结果说明补水对污染物质的迁移变化有影响，对水体水质不起主要作用，起主要作用的是污染物的降解与沉积.通过对流场进行模拟，为水质模型选择提供理论支持.计算流速给水质模拟提供输入数据文件，为水质模拟创造必要的条件.

3 水质模拟

3.1 水库水质模型

闲林水库水源主是区间天然来水和钱塘江补水，流量补水5 m/s3.建成后，根据水库水源保护规划，通过关闭闲林水库集水范围内所有工业和第三产业污染源，实行集水区内居民集聚区采取截污纳管外排至污水处理厂集中处理等工程，无其他排污流量，天然补水水质较好且流量较小.补水期间主要考虑钱塘江水质对水库水质影响.水库流场模拟结果表明，闲林水库水面开阔，水流量较小，水流入库区后，流速很小，物质的扩散缓慢;因此闲林水库的水质的模拟，可采用完全混和水库水质模型进行模拟.基本方程表达式如下:

由于方程为非线性方程，采用近似解法.

式中Qin—进水口流量;

Cin—进水口浓度;

Qout—出水流量;

Wo—污染物排入量;

V—水库蓄水量;

C—断面平均浓度;

Kr—污染物的降解系数.

3.2 水库水质模拟

由于补水水质相对较差，水库水质较好，初始库容的大小影响了水体稀释能力的强弱.初始库容越大，则水库水体的稀释能力越强，水体污染物浓度降低越大，对水库水生态环境的影响就越小.选取污染物平均浓度时连续补水，污染物最大浓度时连续补水，污染物最大浓度时分阶段补水三种情况模拟计算氨氮、总磷、总氮的浓度.

3.2.1 参数设定

模型所采用参数中，污染物平均浓度和最大浓度系钱塘江实测值.水库污染物降解系数根据文献［1，4］的参考范围选用.由于天然来水水质较好，且流量较小，污染物排入量近似取0.闲林水库在进行补水时，出水流量为0，进水流量为5 m/s3.有关参数设定见表1.

表1 有关参数表

3.2.2 污染物平均浓度时补水

经计算，氨氮、总磷、总氮浓度模拟结果分别见图2～图4.从上述变化关系图可以看出:

(1)氨氮浓度

模拟补水后库中水体氨氮的浓度低于地表水Ⅲ类的浓度要求.

(2)总磷浓度

当初始库容＜200万 m3时，连续补水期间，库水质超过Ⅲ类水质标准，不满足水源地供水的要求.随着时间的延长，补水停止，物质的降解仍然继续，总磷浓度逐渐降低，低于Ⅲ类水质标准，满足水源地供水的要求.当初始库容大于200万m3时，总磷浓度低于Ⅲ类水质标准，满足水源地供水的要求.

(3)总氮浓度

当初始库容＜200万m3时，在连续补水期间总氮浓度超过Ⅲ类水质标准，不满足水源地供水的要求.但随着时间的延长，补水停止后降解继续，总氮浓度逐渐降低，低于Ⅲ类水质标准，满足水源地供水要求.当初始库容＞200万 m3时，总氮浓度低于Ⅲ类水质标准，满足水源地供水的要求.

3.2.3 污染物最大浓度时补水

经计算，氨氮、总磷、总氮浓度模拟结果见图5～图7.

从上述变化关系图可以看出:

(1)氨氮浓度

图7 不同初始库容时水库中总氮随时间的变化关系

当初始库容＜50万m3时，连续补水期间氨氮浓度超过Ⅲ类水质标准的浓度，因此不满足水源地供水的要求.当补水停止，但随着时间的增加，氨氮降解仍将继续，氨氮浓度逐渐降低，低于Ⅲ类水质标准所规定的浓度，水质指标满足水源地供水要求.当初始库容＜100万m3时，所模拟的氨氮浓度低于Ⅲ类水质标准的规定的浓度，水质指标满足水源地的供水要求.

(2)总磷浓度

当初始库容＜400万 m3时，连续补水期间，总磷浓度超过Ⅲ类水质标准，不满足水源地供水的要求.但随着时间的增加，补水停止，降解继续，水库中总磷浓度逐渐降低，低于Ⅲ类水质标准规定浓度，水质指标满足水源地供水的要求.当初始库容＞400万m3时，总磷浓度低于Ⅲ类水质标准的浓度要求，水质指标满足水源地供水的要求.

(3)总氮浓度

当初始库容＜500万 m3时，连续补水期间，总氮浓度超过Ⅲ类水质标准，不满足水源地供水的要求.但随着时间的增加，补水停止，降解继续，总氮浓度逐渐降低，低于Ⅲ类水质标准的浓度，总氮的水质指标满足水源地供水的要求.当初始库容＞500万m3时，总氮浓度低于Ⅲ类水质标准，总氮的水质指标满足水源地供水的要求.

4.2.4 污染物最大浓度时分阶段补水

经计算，总磷、总氮浓度模拟结果见图8，图9.

图8 分段补水在不同初始库容下的总磷随时间变化关系图

图9 分段补水在不同初始库容下的总氮随时间变化关系图

从上述变化关系图可以看出:

(1)总磷浓度

连续补水期间，水库水体的总磷浓度逐渐升高，超过Ⅲ类水质标准的浓度，不满足水源地供水的要求.补水停止10 d，物质的降解作用促使水库中总磷浓度逐渐降低.即使对于初始库容较小的几种情况，总磷浓度也都低于Ⅲ类水质标准规定的浓度.然后继续补水到水库蓄满后，总磷浓度随时间有所增加，但仍然低于Ⅲ类水质标准规定的浓度，水质状况较好，水质指标满足水源地供水的要求.

(2)总氮浓度

连续补水期间，总氮浓度逐渐升高，超过Ⅲ类水质标准，不满足水源地供水的要求.当水库蓄水520万 m3，补水停止.由于降解作用，水库中总磷浓度将逐渐降低，10 d后总氮浓度都低于Ⅲ类水质标准规定的浓度，然后继续补水到水库蓄满，总氮浓度随时间有所增加，但增加很小，总氮浓度都低于Ⅲ类水质标准规定的浓度，水质指标满足水源地供水的要求.