强降雨过程中入库面源污染对库区水质的影响

2018-05-17，，,3

长江科学院院报 2018年5期

，，,3

(1.河海大学环境学院，南京 210000； 2.扬州市职业大学资源与环境工程学院，江苏扬州 225000； 3.黄河水利科学研究院，郑州 450003)

近年来在水库周边工业点源污染获得有效治理后，如何控制周边农业面源污染对库区水质的影响已成为水环境治理研究重点。童晓霞等[1]分析了降雨量及降雨波动对农田中氮磷流失的影响。陈会等[2]开展了主要面源污染在排水过程中的迁移转化过程分析，确定了对面源污染形成起主要作用的排水形式。常蒲婷等[3]应用确定性水质模型及面源污染负荷模型对面源污染进行风险和污染负荷计算，模拟预测了突发面源污染对水质的影响。张广纳等[4]在山峡库区以区县为研究单位，分析了面源污染对水质影响的变化规律。现有研究更偏重于农业面源污染形成原因分析及对污染负荷的估算，而就降雨过程中农业面源污染入库与库区水质变化这一动态响应过程的分析则明显不足。开展这一过程的模拟分析可以为库区面源污染的预报及治理提供技术依据。本次研究考虑入库流量与风应力的综合影响，构建研究区三维水动力水质模型，分析强降雨过程中特征污染物入库后的浓度变化特征，所得结论可用于指导面源污染治理。

1 研究区概况

大伙房水库是辽宁省重要水源地，为沈阳、盘锦等7市2 300万人口提供水源。水库东西长约35 km、水面最宽处达4 km、最窄处约0.3 km，水库最大水深37 m，最大库容量为21.87亿m3，呈带状河谷型水库特征。库区降雨主要集中在夏季7—8月份，流域内多年平均风速为1.5～3.8 m/s。社河是重要入库水源，全长53 km，控制流域面积516 km2，流域总人口17 364人，流域现状调查表明地表水污染源主要包括农田地表径流、畜禽养殖、农村居民生活污染物等[5]。一旦发生强降雨，污染物将随降雨径流进入河道最后汇入水库，影响库区水质。如图1所示，南彰党水文站离社河入库口距离为8 687 m，如不考虑污染物在这段距离上的降解稀释，可将南彰党水文站水文、水质监测值作为社河入库口处的值。IP1-IP2为横向垂线监测断面；IP3-IP4为纵向垂线监测断面。

图1 大伙房水库位置Fig.1 Location of Dahuofang Reservoir

2 典型污染因子及模拟时段选取

图2 2012年8月4—8日入库流量变化曲线Fig.2 Curve of inflow of reservoir from August 4 to August 8, 2012

根据文献的研究结论[6]，总磷是影响大伙房水库水体富营养化的重要水化学因子，且大伙房水库总磷浓度在近年内变化较大，因此选取总磷作为典型污染因子。水库总磷主要来源于上游入库河流，尤其当夏季丰水期，入库流量特别大时，总磷污染会明显加重，因此选择丰水期作为研究时段。在2012年6月10日—8月10日这2个月的监测期内，8月4日有一次降水接近大暴雨过程，如图2所示，社河流量于8月4日12时增加至最高的478 m3/s，TP通量也在8月4日16时达到峰值。本次研究选择该次降雨过程开展分析。

3 三维水动力、水质数学模型

大伙房水库中流速、污染物浓度沿垂向分布差异较大，因此，采用三维湖泊水动力水质模型分析水动力参数、污染物浓度的空间分布特征。模型采用σ坐标变换的相对分层法进行求解。

3.1 σ坐标下三维水动力数学模型

(1)

式中：H为总水深(m)；u,v分别为坐标x,y方向上的流速分量(m/s)；w*指通过某一σ坐标层的流速(m/s)；∂x*,∂y*均表示σ坐标系下的坐标方向;S为源项排放量(kg/(m3·s))；f为柯氏参数；ρ0为水流参考密度(kg/m3)；ρ为液体密度(kg/m3)；patm为压强(Pa)；g为重力加速度(m/s2)；vz为垂向涡黏系数；us，vs为源项排放速度在x,y方向上的流速分量(m/s);HFX,HFY为扩散项。

3.2 σ坐标下三维水质数学模型

(2)

其中,

(3)

式中：C为污染物浓度(g/L)；kp为污染物线性衰减系数；Dv为垂向扩散系数；Cs为排放源项污染物浓度(g/L)；Dh为水平扩散系数。

4 模拟结果与分析

4.1 强降雨过程中库区水动力特征模拟分析

4.1.1 研究区网格划分、定解条件及模拟参数取值

4.1.1.1 研究区网格布置

对研究区域开展水动力模拟，水平方向划分为无结构三角网格，网格边长250 m,对社河入库口位置进行加密处理，网格边长100 m，整个平面共分为3 652个网格单元。垂向上采用相对分层法剖分为10层。

4.1.1.2 定解条件及模拟参数取值

采用Kolmogorov-Prandl方程求解垂向涡黏系数，采用Smagorinsky亚网格尺度紊动模型计算水平涡黏系数。入流边界根据丰水期实测平均入库流量确定，苏子河边界值为138.7 m3/s，浑河边界值为100.6 m3/s。社河入库流量取流量的时间序列值。定解条件：初始流速均取为0；初始水位和出流边界水位为129.85 m；依据不可入边界条件，岸边界法向流速为0 m/s。模拟参数的取值：水平与垂向扩散系数为1 m2/s；总磷(TP)降解系数为0.001 8 d-1；粗糙高度为0.01 m。

桌上的电话骤然响了。杨秉奎抓起听筒:“对,是我,‘养病亏’站长……放心,我知道……哎,你说话客气点嘛……我不管你是谁,给老子记着!”

4.1.2 研究区表层流场随时间演变分析

以主导风向(东北风)和平均风速2.3 m/s作为自由表面条件，模拟分析丰水期水库三维水动力特征。当水动力模型计算稳定时，取研究区表层流场进行分析，如图3所示。

图3 水流入库后研究区表层流场Fig.3 Surface flow field in the study area after water flows into the reservoir

在社河入库后12 h，流量为478 m3/s，达到最大值。此时吞吐流对水库流场的影响远大于风生流，水流呈现受吞吐流支配的水动力特征。同时受地形条件影响，水流呈现由入库口向坝址方向显著的顺岸流特征，流速相对较大。在社河入库后50,80 h，流量分别下降为86,31 m3/s，此时吞吐流对水流场的影响逐步减弱，水流结构呈现由风生流和吞吐流共同支配逐步转变为由风生流支配的变化特征。与此同时，受上游浑河、苏子河入库水流影响，库区中的部分水流向坝址流动，部分水流向社河入库口流动，与社河的入库河流形成顺时针大环流。

4.1.3 研究区三维流场随时间演变分析

当水动力模型计算稳定时，选择10个垂向水层中的表层、中层(第6层)及底层开展三维水流场特征分析。选择3个模拟时刻研究区分层流场特征，见图4—图6。

图4 水流入库后12 h研究区分层流场Fig.4 Stratified flow field in the study area 12 hours after water flows into the reservoir

图5 水流入库后50 h研究区分层流场Fig.5 Stratified flow field in the study area 50 hours after water flows into the reservoir

图6 水流入库后80 h研究区分层流场Fig.6 Stratified flow field in the study area 80 hours after water flows into the reservoir

由图4—图6可知：由于水流场受风应力、社河入库水流和上游浑河、苏子河入库水流的多重影响，而主导风向、上游水流方向与社河入库水流方向不同，表层水流受此影响最为明显，因此表层水流速较慢，底层水流速较快。

4.2 强降雨过程中库区水质变化模拟分析

4.2.1 水平浓度场分布特征分析

水平方向上，取表层的TP分布状态进行特征分析。图7为3个时刻研究区表层TP浓度场分布图。

图7 水流入库后研究区表层TP浓度分布Fig.7 Distribution of TP concentration in surface water after water flows into the reservoir

由图7可知，TP入库12 h时，社河入库流量较大，吞吐流对水库流场的影响较大，污染团在水流输移作用下，沿水流方向往下游扩散，最大浓度范围(浓度>0.4 mg/L)逐渐增大，随后由于TP的扩散和降解作用，最大浓度范围又逐步减小。TP入库50，80 h时，社河入库流量逐步减少，污染团向下游迁移扩散时受主导风向东北风影响，一部分TP污染团流向西南岸，向坝址方向扩散。随着时间的推移，污染团超标面积(浓度>0.025 mg/L)不断增大，即污染团对受纳水体的影响范围不断扩大。

图8 水流入库后特征横向立面TP浓度场Fig.8 TP concentration field in specific horizontal elevation after water flows into the reservoir

4.2.2 面源污染空间分布特征分析

4.2.2.1 横向立面分布特征分析

横向立面方向上，取图1中IP1-IP2线所示横向垂线断面浓度分布特征进行分析。由于TP在社河中垂向扩散已经达到稳定，因此在入库后，TP在垂向上的扩散也达到稳定。图8为TP自社河入库12,50,80 h时库区横向立面TP浓度场。

由图8可知，TP入库12 h时，污染团刚到达垂线断面，横向垂线断面最大浓度仅为1.510-8mg/L,远小于TP标准限值0.025 mg/L，对垂线断面区域的水质影响不大；TP入库50 h时，横向垂线断面最大浓度为0.4 mg/L，大于TP标准限值，此时污染团对垂线断面区域的水质影响较大，并且此时水流场受风生流影响较大，污染团向下游扩散的同时逐渐流向西南岸，因此垂线断面西侧浓度逐渐大于东侧浓度；TP入库80 h时，横向垂线断面最大浓度为0.2 mg/L，虽有所下降，但仍大于TP标准限值，说明污染团在此较长时间内对横向垂线断面区域的水质有一定程度的影响，同样受风生流的影响，横向垂线断面浓度表现出西侧水域浓度比东侧水域浓度大的特征。

4.2.2.2 纵向立面分布特征分析

纵向立面方向上，取如图1中IP3-IP4所示纵向垂线断面浓度分布特征进行分析。图9为TP入库12,50,80 h时库区纵向立面TP浓度场。

由图9可知，TP入库12 h时，纵向垂线断面最大浓度为0.4 mg/L，大于TP标准限值0.025 mg/L，污染团入库时间不久，仅对社河入库口附近水域水质影响较大，此时TP污染团中心处到入库口的距离为0.52 km；TP入库50 h时，纵向垂线断面最大浓度为0.4 mg/L，大于TP标准限值，污染团受东北风向的影响，逐渐流向西南岸，因此TP浓度出现中间一段浓度较低而此段两边水域浓度较高的情况，但是靠近入库口水域的浓度更高，此时TP污染团中心处到社河入库口的距离为2.40 km；TP入库80 h时，纵向垂线断面最大浓度为0.3 mg/L，虽然仍有部分区域TP浓度大于标准限值，但超标范围只有很小一部分，说明污染团沿着水流方向，不断向下游迁移，TP污染物浓度沿流程降低，对区域水质影响较小。