基于联合调度的水库水质预测研究

张 旭

(辽宁省沈阳水文局，辽宁 沈阳 110000)

1 工程概况

汤河水库位于太子河主要支流汤河主段上，担负着辽阳、鞍山两大城市居民饮用水的供应以及下游大片稻田灌溉的任务，水库总库容为7.23亿m3，多年调节水量为2.46亿m3，主要由引水建筑物、水电站、溢洪道、大坝、输水洞组成，防洪库容和兴利库容分别为3.70亿、3.58亿m3。葠窝水库建于弓长岭区，灯塔县、辽阳县交界的太子河干流，库区面积为5334hm2，控制流域面积为6175hm2，是一座兼具防洪、灌溉、发电、养鱼等功能的综合型水利枢纽工程。工业化的快速发展和城市经济的不断繁荣，使得2020年辽阳市城乡用水需求已超过现有水源供给能力。太子河流域的汤河水库和葠窝水库水质优良、水量充沛，在满足生产生活、生态环境及稻田灌溉用水的情况下，将富余的优质水资源引至鞍山、辽阳和灯塔等市县，有效改善了原水水质和人们对优质水资源的需求。将葠窝水库的水通过连通隧洞引至汤河水库，经输水工程调至水厂实现水库的联合调度。而仅考虑水量调度属于以往的水资源调配主要方式，随着水安全问题的日趋突出，为更好地保护水体环境联合调度必须考虑水质水量要求。太子河沿途城市取水水质及下游汤河水库的水体环境，在很大程度上取决于上游葠窝水库的水质状况，模拟预测下游取水口及水库水质与上游水库不同水质状况的作用关系，可为库区水污染治理和水源地保护提供科学指导。

2 水库水质预测方法

2.1 模型原理

Mike21模型可用于海洋、泥沙、海湾、河流、护坡的水流及波浪模拟，其水动力HD模块服从静水压力假设，且温度为影响低速流动水体密度的唯一变量；水体中物质的浓度及其分布可通过对流扩散模块AD预测，耦合对流扩散模块和水动力模块可以模拟预测水库的水质，其中动量方程和连续方程为Mike模型的控制方程。水流连续方程为

(1)

x，y方向的动量守恒方程，其表达式如下：

(2)

(3)

式中，u、v—水流x，y方向的流速，m/s；h—水深，m；g—重力加速度，m/s2；E—涡动黏滞系数，kg/(m·s)；ρ—流体密度，kg/m3；va—风速，m/s；ζ、n—风应力系数和曼宁糙率系数；φ、ω—维度和地球自转角速度；ψ—风向；a—底高程，m。

设x，y方向的扩散系数为Dx和Dy，水质浓度为c，则水库水质的预测方程如下：

(4)

将动量方程和连续方程利用二阶精度的有限元体积法求解，并对单独网格线和各方向构成的方程矩阵利用方程矩阵求解。

2.2 边界条件

综合考虑汤河水库水质受上游葠窝水库不同水质状况及调水工程实施前后的影响，确定不同工况下Mike21模型的3种边界条件，见表1。工况1：预测汤河水库在未实施调水工程情况下的规划年水质状况；工况2、3：上游葠窝水库的入流水质不同而边界入流流量相同，预测汤河水库在实施调水工程情况下的水质状况。

表1 边界条件

汛期降水及灌溉产生的污染物入河量较大，且上游及支流来水量较大，较其他月份的水库水质较差，所以最不利月设定为枯水年汛期75%保证率下的最枯月。依据城市调水水量以及规划年水库来水量确定坝址和断面处的下泄流量，见表2。

表2 汛期最枯月汤河水库入库水量 单位：104m3

综合考虑污染源预测结果和水源地常规监测项目，水库水质模拟选取指标TN、TP、氨氮和COD，设水库各边界流量变化过程与污染物入流浓度变化趋势相同，结合用地情况、规划年库区人口等情况预测汤河水库污染物入河量，葠窝水库和汤河水库在不同工况下的污染物初始浓度值，见表3。

表3 水库污染物初始浓度值 单位：mg/L

根据以上边界条件，运用Mike21模型概化河网水系，以此形成节点数为581个、网格单元数为410个的网络。结合模拟预测稳定性及模型效率有关要求，取时间补偿1h、模拟时长31d进行水库水质预测分析。

2.3 模型参数

(1)干湿边界

为保证模型计算稳定性，设置的模拟区域处于干湿边界交替的水深，即为干湿水深模拟值。若某一计算单元水深小于干水深，则模型停止运算；若大于干水深，则继续运算；若小于湿水深仅计算连续方程，动量方程不参与计算。其中，湿水深、淹没水深和干水深选取Mike21模型的默认值，即0.1、0.05、0.005m。

(2)糙率

糙率受水库现有构筑物、水位变化、地形起伏及水库底部植物生长情况等因素的影响，因此水动力学模型中的糙率应结合水力学相关计算手册和汤河水库河床底部情况，经适当调整确定为0.03。

(3)扩散系数

在水库水流梯度作用下水体中的污染物浓度会降低，其根本原因为对流扩散现象稀释了污染物浓度。仅考虑水平方向的对流扩散不考虑垂向作用构造二维对流扩散方程，并且充分混合了垂向浓度值。污染物在溪流中的流速大于水库，其扩散系数取1m2/s，该参数对流速变化不敏感。

(4)降解系数

自然因素对汤河水库水质影响较大，且污染物浓度也在一定程度上受其自身降解、沉降、迁移、吸附等作用。污染物入库浓度依据污染源普查情况和汤河水库2018年实测水质资料确定，各指标降解系数进行逐月率定。汤河水库水质监测每月5日取样，模拟值取模型中点数值385，以保证拟合一致性。通过预测模拟，汤河水库TP、TN、氨氮、COD降解系数为0.001～0.007、0.001～0.007、0.002～0.006、0.032～0.060/d，Mike21模型模拟和实测浓度值如图1所示。其中，按照固定时间取样时，农田灌溉、降水带来的污染物对取样结果产生的影响较大，这也是导致部分月份实测值与模拟值存在较大偏差的主要原因。

图1 汤河水库污染物模拟值与实测值

3 水质预测结果

3.1 污染物浓度分布

枯水年汛期最枯月水库污染物初始浓度值为实测数据，采用Mike21模型预测分析汤河水库不同工况下污染物浓度分布特征。

结果显示，3种不同工况下TN、TP、氨氮的浓度分布总体一致；COD浓度在3种工况下总体处于较低水平，从下游坝址至汤河水库库尾其值呈增大趋势；受调水及支流水质影响，水库中部的TN、TP、氨氮浓度较高，而浓度较低区位于坝址及库尾处，为揭示污染物浓度分布特征，以COD为例加以说明。

(1)在未实施调水工程的工况1下，汛期最枯月水库调度模拟的COD初始浓度为4.5mg/L，月末库尾浓度明显高于坝址下泄处，从坝址至库尾处COD浓度呈波动上升趋势，水库主体部分露滩主要与部分库区床底高程较高及汤河入流流量较小有关。汤河入流污染物浓度为3个源项中最低，其数值为6.5mg/L，而COD浓度在上游入流处大于17.0mg/L；细河的入流污染物受农田灌溉、库区周边村庄生活等因素影响，浓度值较高，为15.0mg/L。

(2)在实施调水工程的工况2下，受上游葠窝水库调水影响，汤河水库水质的总体状况劣于工况1。水质交换更新在一定程度上改善了城市取水及下游坝址处的水质，COD浓度在水库中部总体为14.0mg/L。

(3)在上游葠窝水库来水水质较差且实施调水工程的工况3下，COD浓度在水库中部至库尾处总体超过17.0mg/L，整理统计污染物浓度月末分布特征，见表4。

根据表4中工况1、工况2的相关数据，COD浓度低于14mg/L的区域占比在实施调水工程的情况下明显增大，从50.8%显著提升至72.5%；受葠窝水库水质影响，氨氮浓度超过0.3mg/L的区域占比明显增大，从8.2%快速增大至39.2%，其浓度值仍符合Ⅱ类水质要求；葠窝水库TN、TP初始浓度较大提高了下游水库水质受调水工程的影响程度，所以TN浓度大于1.5mg/L区域占比增大而TP浓度低于0.025mg/L区域占比减少。通过比较工况2、工况3的有关数据，下游水库水质受上游水库入流污染物浓度的影响较为显著，COD浓度大于14mg/L、氨氮浓度大于0.1mg/L、TP浓度大于0.025mg/L、TN浓度大于1.5mg/L的区域占比，分别由27.5%增大至58.8%、47.4%小幅增大至48.6%、71.7%增加至85.0%、68.5%增大至73.4%。

表4 污染物浓度月末分布情况 单位：%

结合污染物浓度在3种不同工况下的分布特征，上游水库水质在联调工程实施后可以显著影响下游水库水质，工程实施中应重点考虑如何降低上游水库的污染物浓度及其入河量。

3.2 典型断面水质变化

选择坝下泄水点和城市取水点两个典型断面，结合模型预测结果进行水质分析，不同工况下污染物最枯月月末浓度，见表5。由此可以看出，氨氮、COD浓度在各工况下均符合Ⅱ类水要求，在工况2、工况3情况下受上游葠窝水库水质影响，TN、TP浓度无法达到Ⅱ类水要求。

表5 典型断面污染物最枯月月末浓度 单位：mg/L

4 结论

文章综合考虑各类不利因素设计了3种不同工况，然后对城市取水口及汤河水库的水质状况利用水动力-水质Mike21模型进行模拟。结果表明，从坝址至库位COD浓度呈不断上升趋势，各工况下总体处于较低水平；受调水水库及支流影响，TN、TP、氨氮浓度呈水库两侧低、中部高的特征；调水工程的实施增大了下游汤河水库总体水质受上游水库水质的影响程度，较实施前水质变差。为保证调水工程取水水质以及维护生态环境、保护库区水源地水质，需限期治理生活污染源及消减集水范围内的农业污染程度。