香溪河春季突发水华事件的应急调度策略

练继建，姚 烨，马 超

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

三峡水库(Three Gorges Reservoir，TGR)自 2003年蓄水以来，近坝支流回水区每年春季和秋季都有不同程度的水华事件暴发[1].以香溪河(Xiangxi River，XXR)为例，仅 2010年就在河道中上游暴发了 5次较为严重的水华[2].研究表明，缓慢的水动力条件、充足的营养盐以及适宜的环境因素是水华暴发的条件.蓄水后水动力因子改变是三峡库区水华暴发的主要诱因[3].改变河道水动力特征能够增加水体流速、增强水体紊动强度，进而起到抑制水华发生或降低水华暴发程度的作用[4-9].

香溪河全年营养盐浓度较高，磷酸盐主要来源于上游磷矿，氮盐主要来源于长江干流[10].春季水华的强弱主要受水体稳定度的影响[11].由于长江干流和香溪河之间常年存在水温差，干流水体在不同季节从不同深度潜入香溪河，从而形成多类型的温差剪切分层流[12-13].三峡水库调度方式能够一定程度改变温差剪切分层流特性，打破水体稳定结构，破坏藻类生长环境，达到抑制水华的目的[9].基于此，本文结合实测资料，建立三峡库区-香溪河模型(TGR-XXR model)，探讨不同调度方式对水华暴发过程的影响，以探索既定状态下的应急调度策略及调度空间.

1 香溪河富营养化模型建立

香溪河总长 94,km，回水范围超过 20,km，距河口 12～33,km 范围是水华频发河段.河道横向水动力变化梯度较小，纵向和垂向变化梯度较大，垂向特征显著，因此基于 CE-QUAL-W2模型，构建了三峡库区-香溪河垂向二维富营养化模型.

模型范围为长江干流 595.5,km，香溪河29.5,km.根据CE-QUAL-W2模型要求，划分为2个水体、8个河段、471个纵向网格.垂向按照2,m间隔划分为 107层.参照前人研究成果[13-14]，模型参数率定如下：干流糙率为 0.04，香溪河糙率为 0.023～0.025；干流纵向涡动黏滞系数为 1.8，香溪河纵向涡动黏滞系数为 1.0；干支流扩散系数均为 1.0；垂向涡动黏滞系数均为 0.001.模型水质模块考虑正磷酸盐、氨氮、硝氮和溶解性硅酸盐.藻类不区分种属.香溪河纵向剖面如图 1所示，模型藻类相关控制参数如表1所示.

图1 香溪河纵向剖面Fig.1 XXR longitudinal profile

表1 三峡库区-香溪河模型藻类控制参数Tab.1 Algae control parameters of TGR-XXR model

2 水库调度对水华暴发过程的影响

2.1 模拟工况设定

在水动力方面，藻类浓度受水流纵向输移和垂向掺混的影响，不同温差剪切分层流类型下、不同河段发生的富营养化发展过程不同，其调控处置方法也需分别对待.针对香溪河中上游河段春季水体富营养化，设定模拟场景为某年 4月下旬，香溪河距河口18～23,km 河段出现明显的水华暴发征兆，拟通过不同日泄流方式和水位升降过程抑制水华发生.水中叶绿素浓度以超过三峡库区富营养化阈值 32.59～62.81,µg/L[15]的中间值 47.7,µg/L 为暴发临界值.模型初始条件和边界条件均选取符合实际情况的典型代表值.

2.1.1 调度方式考虑

香溪河支流水华暴发和持续时间一般为 15,d左右，因此，设定4种中期结合短期的调度方式，如表2所示.调度方式下，干流和香溪河来流分别为多年月平均来流量7,001.875,m3/s和40,m3/s.模拟时自有藻类输入(第11天)开始介入调度方式.

调度方式的短期是指日泄流过程，概化为调峰和不调峰两种方式.调峰方式是指根据负荷需求将1天24,h 划分为谷荷时段(0：00—6：00)、早峰时段(8：00—11：00)、腰荷时段(12：00—17：00)和晚峰时段(19：00—22：00)；各时段内泄流相同，时段间流量线性变化.设定时间和幅度控制参数后[9]，即可采用谷荷流量＋调峰幅度(晚峰时段泄流流量与谷荷时段泄流流量的差值)得出日泄流过程，如(2,000＋10,000)m3/s.

调度方式的中期是以旬或半月为周期的小规模水位蓄放过程[9,13]，其对于突发水污染事件的应急调控具有重要意义.本研究中，初始库水位为 158,m，中期水位蓄放设定为以 0.1,m日水位变幅的持续15,d升水位和降水位两种情景，对比情景为 15,d内水位维持不变，如图2和表2所示.

图2 各模拟工况的水位变化过程Fig.2 Water level change of scenarios

表2 典型调度方式下的模拟工况Tab.2 Scenario descriptions under typical regulations

2.1.2 藻类模拟设定

藻类模拟需设定温度、光照以及营养盐等边界信息.

温度和光照设定：依据实测数据，4月底干流水温比香溪河表层水温略低，水体从表中层潜入香溪河[16].模型设定干流初始水温不分层(均为14.2,℃)，支流初始水温从表层的 15,℃逐渐降低到水面下24,m的14,℃.干流来流水温为 14.5,℃，香溪河来流水温为 14,℃.大气温度恒定为 16,℃.云层厚度决定水体接收的光照强度，按照完全晴天到阴天为 0～10的原则，设为 8.0[17].光照的昼夜变化假定为：8:00—19:00有光照，时段内光照强度中午最强、上下午较低；其他时间均按黑夜无光照处理.

营养盐和藻类输入设定：水华暴发过程可以根据藻类生长规律和数量规模划分为“复苏—增长—衰亡”3个阶段[18].模型计算10,d后，干支流表中层分层流趋于稳定.为了呈现藻类复苏过程，模型从第11天开始，设定水面下 10,m范围内连续 7,d有流量为5,m3/s、浓度为 2.5,g/m3的藻类输入；不考虑生消，输入藻类在静水环境下的叶绿素浓度最高可达33,µg/L.为了反映藻类生消对浓度变化的影响，按照同等时间和方式输入保守示踪剂进行对比.考虑香溪河营养盐特征及其来源，营养盐初始和边界浓度如表3所示.

表3 营养盐初始浓度和边界浓度设定Tab.3 Initial and boundary conditions of nutrients

2.2 结果分析

以工况 1为例分析香溪河水动力特征和藻类生长过程.模拟初期，在干支流水温差的驱动下，干流水体从 117～149,m 高程范围内潜入香溪河，在河口向上、下分别形成顺时针、逆时针漩涡.同时，香溪河上游来流水温较低，从底部向下游潜入，潜入流向上形成逆时针漩涡.两股潜入流第4天在距河口17,km处交汇，第8天香溪河开始形成中表层潜入分层流且逐渐趋于稳定.藻类自第 11天开始逐渐汇聚和生长，第17天下午6：00达到最高浓度2.52,g/m3，相应叶绿素浓度为 50.46,µg/L，达到水华暴发条件.第 21天开始，藻类在水流输移作用下被完全稀释，难以聚集，浓度迅速下降到 0.5,g/m3；此后维持该浓度波动性生长.

提取4个工况下430断面(距河口20.5,km)表层叶绿素浓度随时间的变化过程，如图 3所示(由于前10,d无藻类，横坐标从 10开始)，保守示踪剂变化过程见图 4.调峰工况叶绿素最高浓度为 49.08,µg/L，略低于不调峰工况.升水位工况的叶绿素浓度最低，为 44.806,µg/L；而降水位工况的叶绿素浓度最高，为53.938,µg/L.因此，调峰对于抑制表层藻类生长有较小的作用，但蓄水能够有效降低表层叶绿素浓度至暴发临界值以下，最高降幅达到 11.5%.图 3与图 4对比，藻类和保守示踪剂随时间的整体变化过程一致，说明水动力因子是藻类发展和衰亡的主要诱因.同时受到光照昼夜变化和汇入点源影响，藻类呈现日波动生长过程.模拟的保守示踪剂最高浓度低于初始汇入浓度，而藻类最高浓度远超出初始汇入浓度，说明藻类在发展过程中得到聚集和生长.

香溪河表层叶绿素最高浓度沿程分布、香溪河流速矢量与藻类分布云图见图5和图6.如图5所示，藻类覆盖范围均达到 24,km，升水位工况下全河段叶绿素浓度最低.调峰工况的叶绿素浓度略低于不调峰工况，进一步验证了日调峰运行对抑制香溪河水华有利.由图 6分析原因可知：水温差产生的逆河向分层流，在河道中游位置将汇入的藻类同时推向上游和下游，增加藻类覆盖面积.河口段的干流表层潜入流将藻类垂向掺混至深层水体；同时上游段藻类随香溪河汇入的低温水体下潜，同样被垂向掺混至深层水体.由于光照达不到生长条件，深水中的藻类逐渐死亡.图 7所示的香溪河上、下游断面的叶绿素浓度垂向分布表明：升水位工况下，表层叶绿素浓度最低，但中下层浓度偏高，验证了表层藻类随分层流掺混至深层水体的结论.

图3 香溪河中游表层叶绿素浓度变化过程Fig.3 Chla concentration change on the water surface in the midstream of XXR

图4 香溪河中游表层示踪剂浓度变化过程Fig.4 Tracer concentration change on the water surface in the midstream of XXR

图5 香溪河表层最高叶绿素浓度沿程分布Fig.5 Longitudinal distribution of the highest Chla concentration on the water surface of XXR

图6 香溪河流速矢量与藻类分布云图(第17天)Fig.6 Longitudinal velocity vector and algae distribution contour of XXR(17th day)

图7 香溪河叶绿素浓度垂向分布Fig.7 Vertical distribution of Chla concentration in XXR

图 8为不同日水位升幅下香溪河中游表层叶绿素浓度变化过程.如图所示，日水位升幅越大，越有利于降低表层藻类浓度和17,d后的藻类生长峰值.

图8 不同日水位升幅下香溪河中游表层叶绿素浓度变化过程对比Fig.8 Comparisons of Chla concentration change on the water surface in the midstream of XXR under different daily water level fluctuations

综上所述，蓄水过程和日调峰运行对抑制水华和降低水华暴发程度有利，同时能提高调度期电站发电水平，为推荐调度方式.

3 香溪河春季突发水华事件应急调度空间分析

调度空间是指以降低水华暴发程度为目标的可调蓄最高库水位与最低库水位的差值.三峡水库春季突发水华事件多发生在4月—6月，处于非汛期的水位消落期.应急调度所需的蓄水幅度和蓄水过程与入库径流过程、电站下泄能力、航运和生态流量需求、汛限水位等因素有关，因此，综合考虑上述因素分析得出不同水平年的三峡水库春季突发水华事件的应急调度空间.

以4月底158,m作为初始库水位、15,d作为应急调度周期，应急调度的蓄水幅度首先取决于入库径流量，入库水量越多，可蓄水位幅度越大.根据三峡水库 1878—2001年共 124年的月均入库径流资料，得到特丰年份、较丰年份、平水年份、较枯年份和特枯年份 5个水平年的月均径流量.取 4月和 5月的平均入库径流量作为应急调度周期内的入库径流量.同时考虑保证下游正常航运和生态流量需求，设定三峡电站最小日均下泄流量不低于 5,500,m3/s.由此推出不同水平年的最大可蓄水量，得到仅考虑入库径流因素的最高可蓄水位.

依据调度规程，三峡水库应在 6月 10日左右降到防洪汛限水位 145,m.应急调度后，库水位需在25,d内从高水位回落到145,m.在电站不弃水运行的前提下，应校核电站泄流能力能否满足降水位要求.如果满足，即可按期将仅考虑入库径流因素的最高可蓄水位降至设定水位，则此水位为调度上限水位；如不满足，则利用 145,m和电站最大下泄流量反推出应急调度期间最高可蓄水位，作为调度上限水位.应急调度后降水位期的入库径流总量依据 5月和 6月的月均入库径流量计算.三峡电站最大泄流能力和坝前水位与下游尾水位之间的水头差、机组特性等因素有关.假设三峡电站 26台机组全部按照额定出力运行，依据库水位、三峡下泄流量和尾水位关系(葛洲坝坝前水位 66.0,m)推出电站最大泄流能力.经过计算和校核，三峡水库春季突发水华事件应急调度空间如表 4所示.结果表明：除较丰水年和特丰水年外，其他年份的泄流能力均能满足要求；同时降水位过程的水位变幅也满足三峡水库最大水位日变幅不超过1.5,m/d的要求.

表4 不同水平年春季突发水华事件应急调度空间Tab.4 Regulation space of emergency regulation for sudden water bloom accidents in spring in different level years

4 结 论

(1) 基于实测数据构建了三峡库区-香溪河垂向二维富营养化模型.模拟分析了典型水华暴发场景下，三峡水库短期运行和中期水位蓄放过程对藻类生长的影响.结果表明：香溪河春季中表层温差剪切分层流可将表层藻类垂向掺混至深层水体，加速藻类灭亡；蓄水过程和调峰运行能够促进分层流运动，有效抑制水华或降低水华暴发程度；0.1,m日水位升幅下的最大藻类浓度降幅达 11.5%；且蓄水幅度越大，效果越好.同时，蓄水过程增加了调度期的蓄能，可提高电站发电水平，实现增加发电效益和抑制水华的双重目标.

(2) 综合考虑三峡入库径流过程、电站经济运行、机组最大下泄能力和水位日变幅等因素，计算得出了不同水平年春季突发水华事件的应急调度空间.结果表明：较丰水年应急调度空间最大.调度下限水位取决于应急调度时的初始库水位，可依据设定的降低水华暴发程度阈值将其量化为具体水位高程.

随着上游梯级水库群的陆续建成，可调控形成人造洪峰过程抬升三峡水库水位，降低天然径流量无法满足蓄水要求的可能性.综上所述，借助水华事件监测预警手段，10～20,d的蓄水调度是一种行之有效的三峡水库突发水华事件应急调度策略.

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