济下水库库区水质模拟与富营养化分析

邢慧芳

(浙江省文成县水利局,浙江 文成　325300)



济下水库库区水质模拟与富营养化分析

邢慧芳

(浙江省文成县水利局,浙江 文成325300)

摘要：基于SMS综合系统水质分析软件，建立了水库水质分析数学模型.随后对济下水库库区的总氮、总磷浓度分布情况进行数值研究.并基于总氮、总磷浓度对库区进行富营养化分析，结论为应该将入库TP浓度控制在0.1 mg/L以下，将入库TN浓度控制在1 mg/L以下；并认为库区从中营养状态向轻度富营养状态转变.

关键词：济下水库；水质分析；富营养化；污染过程

0引言

自1960年起，学者们开始致力于水库水质的数值研究，经过50多年的发展，水质分析模型已经逐渐完善，研究过程中出现了许多成果，极大的推进了库区水环境管理现代化[1].水质分析模型可作为水库综合管理的参考，在水库环境保护领域起着重要作用.总氮(TN)、总磷(TP)是水质分析需要测量的重要指标.纵观国内外研究进展，美国、加拿大、英国等国对库区水质的数值研究处于先进水平.1975年加拿大科学家Vollenweider提出了全球第一个水库水质模型，为水库湖泊的富营养化研究奠定了理论基础[2].随后，学者们先后提出了Kirchner Dillon模型、维纳恩湖LEEDS模型、Hwqnow模型、SMS模型、卡拉乌舍夫模型、华盛顿湖模型、EFDC模型等[3].本文基于SMS水质分析软件，研究了库区总氮、总磷浓度分布情况.并基于总氮、总磷浓度对库区进行富营养化分析.希望对今后的水库富营养化研究提供理论指导.

1工程概况

济下水库位于文成县黄坦镇济下村，在飞云江支流黄坦坑上游，距离黄坦镇所在地约2.4 km.坝址以上集雨面积14.62 km2，主流长度6.37 km.大坝最大坝高20 m，坝型为土石混合坝，水库总库容62.36万m3，正常库容55.52万m3，属小(2)型水库.济下水库是一座以发电为主并结合灌溉的综合水库，水系补给来源以地表径流和大气降水为主.水库灌溉农田面积约140 ha，发电装机容量600 kW，保卫下游村庄200余人的防洪安全.

大坝为土石混合坝，坝顶总长65 m，高程288.0 m.坝底基础高程268.0 m，坝底宽度49.6 m.大坝迎水坡下部1 ∶2.43，上部1 ∶2.10，背水坡1 ∶1.0.坝顶上部设置C15混凝土防浪墙，墙顶高程289.20 m.坝体砌石料为花岗岩，砌块石长度0.8～1.2 m，块石短边面不小于40 cm×40 cm，孔隙率35%.反滤层设置三层，第一层用5～7 cm卵石，第二层用2～5 cm卵石，第三层用粗砂，反滤层底部厚度1.8 m，顶部0.6 m.防渗斜墙采用当地库区内粘壤土，底厚24.25 m，顶宽1.5 m，每层铺土厚20～25 cm.

水库溢洪道为开敞式正槽、侧槽混合式溢洪道，位于大坝左岸.溢流堰顶高程285.64 m，长度53.0 m，其中正槽长度11.05 m，侧槽长度41.95 m，堰型为折线型实用堰，为钢筋混凝土结构.溢洪道为山体开挖而成，为梯形断面，宽度约12 m，底坡约10%.引水隧洞位于左岸山体，洞长53 m，矩形断面型式，尺寸2 m×2 m，由于地形限制，在库内进水口处沿山坡坡脚向库区延伸45 m为浆砌石拱涵，断面1.2 m×1.8 m，进口采用2扇400 mm×600 mm铸铁平板闸门启闭.

2库区水质分析模型

对于库区水质的数值分析而言，选择一个能够描述库区水质特征、准确反映污染特性的数学模型十分重要.模型的选择依赖于需要解决的问题种类、目标函数、现有水质信息等.济下水库是一个中小型水库，密度分层不明显，污染物在水平长度混合的时间较长，因此建立了平面二维水质分析模型，利用SMS水质分析软件进行数值模拟.SMS综合水库水质分析模型由美国杨百翰大学开发，其包括：一维模型、二维模型、三维水动力模型以及有限差分模型[4].该软件可用于计算水库水位、水质变化、污染物浓度、水流速度等参数[5].通过大量是试验验证，SMS软件计算出的水质数据较为可靠.整个模型由连续性方程、两个运动方程和守恒方程组成.

其连续性方程为：

(1)

其中：h—水深；u—x方向的速度；

v—y方向的速度；t—时间.

X方向运动方程为：

2hωvsinφ=0

(2)

Y方向运动方程为：

2hωusinφ=0

(3)

污染物守恒方程：

(4)

其中：ρ—水的密度，kg/m3；

ρa—水的密度，kg/m3；

E—涡粘系数，无量纲；

ψ—风速与x轴夹角，°；

z—水库底部的高程，m；

w—当地风速，m/s；φ—当地纬度，°；

ω—地球自转角速度，rad/s；

n—糙率系数，无量纲；

g—重力加速度，m/s2；

C—水库中污染物的浓度，mg/L；

D—扩散系数，m2/s；

k—有机物降解系数，d-1；S—漏与源.

本文通过对SMS软件中的水质分析模型，对济下水库的水质情况进行研究，得到了较为理想的结果.

3数值模拟结果分析与评估

基于济下水库的GPS测量资料，首先利用SMS软件建立了边界概化图，并选择Build Polygons模块对概化模型进行网格划分.划分方式为：自动生成二维网格，并根据济下水库的实际地形设置相应的高程.本次建模将整个济下水库划分为1430个单元.

3.1TP模拟结果

库区水质数值模拟在库区二维流场模拟的基础上进行，选择入库流量分别为1 m3/s、2 m3/s、5 m3/s、10 m3/s，同时设计了4种不同TP入库浓度，合计7种工况.各工况的流量、TP浓度情况(见表1).

表1　各工况的流量、TP浓度情况

从整个库区的数值模拟来看，随着入库TP浓度的升高，水库出现了由入库口向东北出库口延伸的污染区域，此区域明显的分为3部分，其水质分别为超V类、V类和IV类.图1给出了相同入库流量、不同TP入库浓度下试验断面TP浓度分布情况.

由图1可知，当左岸距离小于12.47 km时，4种工况下的TP浓度基本保持不变.但由于污染物在库区中部的停留时间小于其它区域，导致主流区TP浓度略有升高.当左岸距离为14.38 km时，除2-1工况的TP浓度下降到0.037 mg/L外，其余工况的TP浓度均有不同程度的升高.此时，4种工况的TP浓度依次是：0.037 mg/L、0.06 mg/L、0.103 mg/L、0.125 mg/L.图2给出了相同TP入库浓度、不同入库流量下试验断面TP浓度分布情况.

图2中的4种工况TP浓度曲线趋势与图1类似，当左岸距离为14.38km时，4种工况的TP浓度依次是：0.045 mg/L、0.06 mg/L、0.08 mg/L、0.089 mg/L.2—4工况的TP入库浓度是2—1的5倍，流经试验断面时，2—4工况的TP浓度是2—1的3.35倍.4—2工况入库流量为2—2工况的5倍，而4—2工况TP浓度是2—2的1.48倍.由此可知，入库TP浓度对库区水质影响大于入库流量，原则上应该将入库TP浓度控制在0.1 mg/L以下.

图1　入库浓度不同情况下库区TP浓度分布

图2　入库流量不同情况下库区TP浓度分布

3.2TN模拟结果

库区TN水质数值模拟过程与TP类似，选择入库流量分别为1 m3/s、2 m3/s、5 m3/s、10 m3/s，同时设计了4种不同TN入库浓度，合计7种工况.各工况的流量、TN浓度情况见表2.此次研究的试验断面位于TP试验断面的北部，最大宽度为3.38 km.

表2　各工况的流量、TN浓度情况

从分析结果看，TN浓度分布规律与TP分布规律完全一致，污染区域也分为3部分，其水质情况与TP污染区域相同.图3给出了相同入库流量、不同TN入库浓度下试验断面TN浓度分布情况.

TN入库浓度越大，试验断面上的TN浓度越大，此规律在左岸距离大于2.07 km时才能体现.TN浓度变化曲线与TP曲线不同，除3—4工况的TN浓度上升到1.67 mg/L外，其余工况的TN浓度均有不同程度下降.分析其原因，可能是由于该试验断面中间流速大，两端流速小导致的.整个断面上的TN浓度均满足III类水质，说明污染区并未到达该断面.此时，4种工况的TN浓度依次是：0.87 mg/L、0.98 mg/L、1.06 mg/L、1.67 mg/L.图4给出了相同TN入库浓度、不同入库流量下试验断面TN浓度分布情况.

图3　入库浓度不同时下库区TN浓度分布

图4　入库流量不同时下库区TN浓度分布

入库TN浓度相同时，入库流量越大，TN浓度越高，此规律出现在左岸距离大于2.07 km的测点.4种工况的TN浓度依次是：0.89 mg/L、0.95 mg/L、1.08 mg/L、1.26 mg/L.TN入库浓度变为原来的5倍时，试验断面TN浓度是原来的1.92倍；入库流量变为原来的5倍，试验断面TN浓度是原来的1.2倍.由此可知，入库TN浓度对库区水质影响大于入库流量，因此应该将入库TN浓度控制在1 mg/L以下.

4库区富营养化研究

库区的富营养化研究方法主要有：特征法、评价法、营养指数法、参数法等.本文主要利用营养指数法对济下水库进行富营养化研究.营养指数法将单一评价因子扩展为多个，评估结果更加准确.基于前文的研究，评价因子选择：TP、TN、叶绿素、透明度、高锰酸钾指数.

其中：Wj—第j种参数的权重；rij—相关系数；

TLI(j)—第j种参数的营养指数；

m—评价指标个数.

根据济下水库2014年1月和10月两次监测结果，首先对其进行数值计算，随后利用综合营养指数法进行富营养化评价.由于1月份的测点较少，因此仅对部分测点进行了评价.评价结果(见图5).

图5　库区营养状态指数曲线

由图5可知，1月份库区营养状态指数平均值为48.7，10月份为52.9.从营养区域划分情况看：1月份的中营养区占61.5%，轻度富营养区占38.5%；10月份的中度营养区占13.7%，轻度富营养区占86.3%.可见，2014年库区从中营养状态向轻度富营养状态转变，针对此现象的出现，建议相关部门采取整治污染企业，增加人工湿地，拦截污染源等措施.

5结论

水质分析模型可作为水库综合管理的参考，在水

库环境保护领域起着重要作用.基于SMS水质分析软件，研究了库区总氮、总磷浓度分布情况.并基于总氮、总磷浓度对库区进行富营养化分析.研究表明：

(1)应该将入库TP浓度控制在0.1 mg/L以下；

(2)应该将入库TN浓度控制在1 mg/L以下；

(3)库区从中营养状态向轻度富营养状态转变.

参考文献：

[1]高学平,张晨,张亚,等.引黄济津河道水质数值模拟与预测[J].水动力学研究与进展A辑,2007(1):36-43.

[2]郑月蓉,姜世中,任平,等.富营养化数值模拟预测模型比较分析[J].四川师范大学学报(自然科学版),2010(5):684-687.

[3]武春芳,徐明德,李璐,等.太原市迎泽湖富营养化控制的模型研究[J].中国环境科学,2014(2):485-491.

[4]唐天均,杨晟,尹魁浩,等.基于EFDC模型的深圳水库富营养化模拟[J].湖泊科学,2014(3):393-400.

[5]张万顺,黄才晟,彭虹,等.南水北调工程对丹江口水库富营养化的影响[J].武汉大学学报(工学版),2009(6):749-752.

[6]桂峰,于革.江汉平原洪湖流域营养物质输移演变数值模拟[J].科学通报,2008(14):1709-1718.

Numerical Simulation of Reservoir Water Quality and Eutrophication Analysis

XING Hui-fang

(Wencheng Water Conservancy Bureau, Wencheng 325300, China)

Abstract:Water quality analysis can provide scientific basis for reservoir water environment management. It also plays an important role in the field of water environment protection and ecological evaluation. The mathematical model for reservoir water quality analysis is established based on SMS synthesis system. And the total nitrogen, total phosphorus concentration distributions are numerically studied, therefore, the analysis on reservoir eutrophication is conducted, keeping the TP concentration in storage below 0.1 mg/L, while the TN concentration below 1 mg/L. The results provide theoretical reference to the research on reservoir eutrophication in the future.

Key words:Jixia Reservoir; water quality analysis; eutrophication; pollution process

收稿日期：2016-01-21

作者简介：邢慧芳(1975-)，女，浙江文成人，工程师，研究方向：水利水电工程.

中图分类号：X524

文献标志码：A

文章编号：1008-536X(2016)04-0064-04